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WO2008117661A1 - 撮像カメラ用光学板 - Google Patents

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Publication number
WO2008117661A1
WO2008117661A1 PCT/JP2008/054424 JP2008054424W WO2008117661A1 WO 2008117661 A1 WO2008117661 A1 WO 2008117661A1 JP 2008054424 W JP2008054424 W JP 2008054424W WO 2008117661 A1 WO2008117661 A1 WO 2008117661A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
region
optical plate
shape
imaging camera
periphery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2008/054424
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tadashi Aruga
Takeshi Matsumiya
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Itochu Aviation Co Ltd
Original Assignee
NEC Corp
Itochu Aviation Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp, Itochu Aviation Co Ltd filed Critical NEC Corp
Priority to EP08721840A priority Critical patent/EP2133723A4/en
Priority to US12/593,373 priority patent/US8004776B2/en
Priority to JP2009506279A priority patent/JP5397814B2/ja
Publication of WO2008117661A1 publication Critical patent/WO2008117661A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0075—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. increasing, the depth of field or depth of focus
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B11/00—Filters or other obturators specially adapted for photographic purposes

Definitions

  • the present invention relates to an optical plate for an imaging camera that is used to increase the depth of field in an imaging technology field in which an image formed on a film, a CCD, an imaging tube, or the like is acquired using an imaging device.
  • an image has been acquired by placing a film, an image sensor such as CCD, an image pickup tube, and the like on the focal plane of various image pickup lenses including a telephoto lens.
  • the depth of field can be increased by increasing the depth of focus of the lens.
  • a simple way to increase the camera's depth of field is to reduce the aperture, but reducing the aperture degrades resolution and reduces the incident light intensity, so the camera is used especially in dark environments. Can not be used.
  • the focus position is not shifted significantly, the focus will not be achieved. Even if focus is achieved, the depth of field will be reduced by the square of the distance as it is closer, so it is difficult to see a wide range at close range. It is. Thus, there was a well-known limit on the depth of field.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 11 196666
  • a Galilean telescope that combines a convex lens as an objective lens system and a concave lens as an eyepiece lens system
  • the spherical surface is distorted so that the curvature becomes smaller as the distance from the optical axis at the aperture surface of the telescope increases. It is disclosed. The purpose of this is to generate a non-diffracted beam that propagates while keeping the focused beam width almost constant, and at the same time, the resolution exceeds the diffraction limit resolution.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 4-7 7 9 1 4
  • the phase of the light wave is delayed according to the distance from the optical axis in the imaging device and its optical system, and as a result, imaging is performed.
  • the curvature of the wavefront of the light decreases as it goes from the optical axis to the aperture end, or the phase of the optical wave is delayed according to the distance from the aperture end to the optical axis, and as a result, the curvature of the wavefront of the imaging light is A characteristic that increases from the end toward the optical axis With the ability to increase the depth of field of the eyes or imaging camera
  • Is the telescope configured by a combination of an object optical system using an optical element equivalent to a convex lens, a concave mirror or a convex lens, an optical element equivalent to a concave lens or a concave lens, and an eyepiece optical system using Alternatively, 2) a configuration in which a wavefront control plate for controlling the shape of the wavefront is provided in front of the eyes or the imaging camera is disclosed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 1 1 1 6 9 6 6
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4-7 7 9 1 4 Disclosure of Invention
  • the present invention proposes an optical plate that can increase the depth of field so that the object at the focus distance of the imaging camera does not blur.
  • the optical plate for an imaging camera has a function of deepening the focal point of image formation, a function of shifting the focal point to a short distance object while maintaining a deep focal depth, and for a wide range of objects. Without changing the focus position High-resolution imaging is possible. Because of this feature, it is also effective for moving objects that tend to deviate from the focal position. Therefore, the present invention can be widely applied to various cameras including a telephoto camera, a wide range measurement, a monitor and the like.
  • the present invention provides a portion that does not change with a constant phase at the periphery or center of the aperture. Provided. This part prevents the object at the distance focused by the camera from being blurred.
  • the phase of the transmitted light is kept constant within the annular band at the outer periphery or within the circle at the center, and in the remaining portions Delay the phase of transmitted light from the center to the periphery.
  • the conventional method that is, the entire focal area shifts forward (the direction away from the lens in the light traveling direction) and shifts from the original focal position. Overcame the disadvantage of being blurred.
  • the conventional method mentioned here is a method that simply delays the phase toward the periphery within the aperture.
  • the outline of the present invention is as follows: (1) An object at a distance focused by an imaging camera is The first imaging camera optical plate that continuously increases the depth of field from the original focus distance to the far side so as not to blur, and (2) Shifting the field from a long distance to a close distance In contrast to the optical plate for the first imaging camera, it is possible to reduce the phase of the transmitted light from the center to the periphery.
  • a second imaging camera optical plate that increases the depth of field is provided.
  • the optical plate for the first imaging camera and the optical plate for the second imaging camera are common in that the depth of field can be deepened so that the object at the focus set by the imaging camera is not blurred. This optical plate can shift the deep focus area backward (in the direction approaching the lens), and can be freely shifted by changing the surface shape of the optical plate. However, there is a major difference in that the depth of field can be increased on the near side.
  • the optical plate for the first imaging camera has the same effective aperture diameter as that of the imaging camera, and can be used in front of the imaging camera to increase the depth of field.
  • An optical plate for imaging force mem- brane having a first region and a second region in an effective aperture on the entrance surface or exit surface and orthogonal to the optical axis.
  • the effective aperture of a camera is generally defined as the lens focal length divided by the F value.
  • the effective aperture of the optical plate of the present invention is the total aperture of the optical plate ( (The area through which light can pass) is an area that effectively acts on the depth-of-field extending function of the optical plate of the present invention, and the effective aperture diameter of the optical plate of the present invention is set to the same value as the effective aperture diameter of the camera. Therefore, it is assumed that the optical plate is used in front of the camera so that both effective apertures overlap.
  • the first region is an inner region having an area ratio of 50% or more with respect to the effective aperture of the optical plate for the imaging camera, and the curvature of the surface shape of the entrance surface or the exit surface extends from the optical axis to the periphery.
  • the region increases in thickness as it goes from the center to the periphery, and the phase of the transmitted light is delayed as it goes from the center to the periphery.
  • the second region is the first region. This is the remaining outer region, which has the shape of a plane parallel plate, and the phase of the light transmitted through this region has no transmission position dependency. Therefore, the first
  • the area ratio is set to 50% or less of the effective aperture.
  • the area ratio of the second area is the remaining 30%.
  • the ratio of the radial distance to the effective radius is the square root (1/2 power) of the area ratio of 0.7 in the first region, and 1 in the second region. 0. 7 1/2 , and so on.
  • the approximate values are 0.84 and 0.16, respectively.
  • the minimum value of 50% in the area ratio of the first region is about 70% in the radial distance ratio.
  • the first region of the first imaging camera optical plate is an outer region having an area ratio of 50% or more with respect to the effective aperture, and the surface of the incident surface or the exit surface.
  • the curvature of the shape increases as it goes from the optical axis to the periphery, the thickness increases from the center to the periphery, and the phase of the transmitted light is delayed from the center to the periphery.
  • the second region is the remaining inner region of the first region, and the region has the shape of a plane parallel plate, and the phase of the light transmitted through the region does not depend on the transmission position. is there. Therefore, in this case, in the inner area, which is the second area, an area ratio of 50% or less with respect to the effective aperture is set.
  • the area of the area having the function of delaying the phase and increasing the depth of focus is 50% or more of the effective aperture area (that is, 50% or less of the planar area that does not control the remaining phase).
  • the reason is that if the phase control region of the transmitted light is 50% or less, the effect of increasing the depth of focus is halved and the meaning of using the optical plate of the present invention is lost.
  • the reason why the area of the phase control region is set to have a width as an area ratio of 50% or more with respect to the effective aperture is that the area of the phase control region is reduced (that is, the remaining phase is reduced).
  • the depth of focus is reduced, but the shift toward the front of the focus area is reduced, so the deviation from the original focus is reduced.
  • the degree changes depending on the wavelength However, for example, the shorter the wavelength, the greater the depth of focus, so it must be taken into consideration. For this reason, the user is allowed to select an appropriate area ratio according to the purpose.
  • the second imaging camera optical plate has the same effective aperture as that of the imaging camera, and can be used in front of the imaging camera to increase the depth of field, making it incident. It is an optical plate whose surface or exit surface has a shape obtained by combining the first shape and the second shape and is orthogonal to the optical axis.
  • the first shape is such that the curvature of the surface shape increases from the optical axis to the periphery, the thickness increases from the center to the periphery, and the phase of the transmitted light is shifted from the center to the periphery.
  • It is a concave shape that is delayed as it goes.
  • the second shape has a function of shifting the focal position from a long distance to a short distance side, and is a convex shape with a constant curvature of the surface shape.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an imaging system to which an optical plate for an imaging camera of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a wavefront shape aimed at by the present invention, showing an imaging light wavefront radiated from an imaging lens, (a) where only an imaging lens is used, and (b) is an optical plate for an imaging camera. It is a figure which shows the case of an attached imaging lens
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining that the focal point extends in the optical axis direction and the depth of focus becomes deep, which is an effect of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional shape of the first imaging camera optical plate according to the first technique.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the cross-sectional shape of the first imaging camera optical plate by the second method.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the cross-sectional shape of the second imaging camera optical plate.
  • FIG. 7 is a diagram showing a focused beam pattern in a focal region by a general imaging lens.
  • Figure 8 shows the focal region when the optical plate for the first method (the method that does not change the phase at the outer periphery) is attached to the optical plate for the first imaging camera in front of the imaging lens. It is a figure which shows the condensing beam pattern in.
  • Figure 9 shows the focus when the optical plate with the shape of the second method (the method that does not change the phase at the center) is attached to the optical plate for the first imaging force in front of the imaging lens. It is a figure which shows the condensing beam pattern in an area
  • FIG. 10 is a diagram showing a focused beam pattern in the case of focus formation according to the prior art for comparison, that is, in the case of a single structure shape in which the phase is delayed toward the periphery.
  • FIG. 11 is a diagram showing a focused beam pattern in a focal region in the case of an imaging system in which a second imaging camera optical plate is attached in front of an imaging lens.
  • FIG. 12 is a diagram showing a schematic view of a cross section of the first optical plate for an imaging camera.
  • FIG. 12 shows the first region 8 and the second region 9, and (a) shows the first region at the center.
  • (c) shows the case where the first region is at the outer periphery
  • (b) shows the case of the conventional correction plate.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a cross-section of the second imaging camera optical plate.
  • (A) is the composite shape
  • (b) is the first shape
  • (c) is the second shape. Show shape. '' Best mode for carrying out the invention
  • the optical plate 1 for an imaging camera of the present invention is used in an imaging system combined with an imaging lens 2 such as a convex lens.
  • an imaging lens 2 such as a convex lens.
  • the imaging lens 2 it may be used in combination with an eyeball lens.
  • the surface shape of the optical plate for an imaging camera of the present invention is an unprecedented shape as described later.
  • the wavefront shape aimed by the present invention will be described.
  • FIG. 2 (a) when only a conventional imaging lens is used, the wavefront 3 of the light after passing through the ideal imaging lens is a spherical surface and is focused at the focal point.
  • FIG. 2 (b) shows the wavefront 4 by the imaging lens obtained by the surface shape in the case of the present invention.
  • the wavefront becomes a distorted spherical wavefront whose phase is delayed from the center toward the periphery.
  • the focal point 5 extends in the direction of the optical axis and the depth of focus becomes deeper.
  • the wavefront is spherical, so that the light rays coming from anywhere are collected at the focal point.
  • the optical plate for the imaging camera of the present invention as shown in FIG. Since it is a distorted sphere like the wavefront of the solid line 6, rays coming from near the optical axis are collected closer, and rays coming from the periphery are collected farther. For this reason, the focus is extended and the depth of focus is deepened. In general, the depth of field between the image space and the object space is equivalent, so the depth of field increases as the depth of focus increases. Further, the wavefront indicated by the broken line 7 in FIG. 3 (c) is the wavefront in the case of Patent Document 2.
  • the optical plate 1 for the imaging camera assumed in Fig. 3 (b) is shown in Fig. 3 (a).
  • the configuration in which the first region 8 is set on the outside and the second region 9 is set on the inside is illustrated.
  • FIG. 3 (c) the central region of the optical plate for the imaging camera is shown. Comparing the phases of the light transmitted through the second region 9 and the light transmitted through the peripheral region, the phase of the light transmitted through the peripheral region is relatively delayed. ing.
  • the optical path length through the optical plate should be made longer as it goes to the periphery.
  • a simple way to change the optical path length is to increase the thickness of the optical plate from the center to the periphery.
  • the thickness of the optical plate can be changed to delay the phase from the center to the periphery.
  • the aperture of the optical system may not be circular (for example, it may be an ellipse), but here, for easy handling, the optical plate is first made axisymmetric, the effective radius of the optical plate is a, and the unit of length Let r be the radius and p be the radial variable defined by 0 to 1. Then, p is expressed by the following equation. [Formula 1] r
  • W ( ⁇ ) is the increase in thickness at radius / 0 with respect to the center thickness of the optical plate.
  • one side of the optical plate can be a flat surface, and the thickness of the other surface can be changed to change the thickness.
  • wp is The height of the surface at the radius p with respect to the reference plane.
  • the effective aperture of the optical plate is the same as the effective aperture of the lens.
  • the first imaging camera optical plate and the second imaging camera optical plate will be described below.
  • the first imaging camera optical plate delays the phase of transmitted light from the center toward the periphery in the inner region having an area ratio of 50% or more of the effective aperture. In the region (outer annular band in the case of a circular opening), the phase of transmitted light is kept constant and is not changed.
  • FIG. 12 shows a schematic diagram of a cross section of the optical plate for an imaging camera in this case.
  • the thickness of the optical plate should be increased from the optical axis toward the periphery as shown in Fig. 12 (b).
  • the phase may be delayed as it goes to the periphery, and the phase of the transmitted light may be kept constant in the remaining inner region.
  • the wavefront curvature becomes a negative wavefront where the curvature increases toward the periphery.
  • the feature of the optical plate for the first imaging camera is that, in the case of a circular aperture, the phase of the transmitted light remains constant within the annular band at the outer periphery or the circle at the center, and the transmitted light is not changed in the remaining part.
  • one side of the both sides of the optical plate is flat and only the other side is realized.
  • the simple way is to change the shape with the other side, the inside with the above shape on the other side, and the outside with the flat surface.
  • the function f (P) represents the shape of one side of the optical plate that has the function of delaying the curvature of the light wavefront after transmission from the center toward the periphery. However, f () is normalized so that it becomes 1 at the open end 2 1).
  • w (1) is the amount of increase in the thickness of the opening edge with respect to the thickness at the center, and when one surface is a flat surface and the thickness is changed on only one surface, one surface becomes concave, so ⁇ is from the bottom of the concave surface. This corresponds to the height of the open end of.
  • p is the value of the radial variable P at the boundary between the constant and constant phase parts, ie, the inner radius of the annular zone.
  • 0 ⁇ P ⁇ P i is a region in which the phase is changed, the remaining / 0 ⁇ P ⁇ 1 is a region where the phase is constant.
  • one surface of the imaging camera optical plate is a flat surface, and the shape of the other surface is changed.
  • Figure 4 shows that this surface has a double structure and a special shape.
  • Equation 3 Af (pp 2 ) p 2 ⁇ p ⁇ l)
  • p 2 is the value of the radial variable p at the boundary between the constant phase and the phase changing part, that is, the radius value of the inner circle.
  • O pps makes the phase constant.
  • Equation 3 it has a shape which origin is shifted in the radial direction by p 2 from the center of the surface shape function f (p).
  • a method of making the plane only at the center based on a shape that is a continuous function from the center to the open end can be considered, but in this case there is almost no effect. It cannot be used for the intended purpose of increasing the depth of focus. This is not described here, but it is clear from the calculation simulation.
  • FIG. 5 shows an example of the cross-sectional shape of the first imaging power mela optical plate by the second method. In Fig. 5, in order to make the height of the surface at the open end in the case of Fig.
  • one surface of the optical plate for the imaging camera is a flat surface, and the shape of the other surface is changed.
  • Fig. 5 shows that the surface structure of the optical plate is a double structure and has a special shape.
  • the second optical plate for the imaging camera has a function to shift the focal position from a long distance to a close distance, and a function to increase the depth of field at a close distance by delaying the phase of transmitted light from the center toward the periphery.
  • a feature is that a wide range of close distances can be seen at one focal point position. For example, if a standard camera is used when focusing on an infinite distance with a general camera, the image will be blurred at short distances, especially at close range. To see the close range, you must move the focus position to focus on the close range, but even if you focus, the depth of field at the close range is significantly reduced, so a wide range of distances is required. I can't see it.
  • FIG. 13 shows a schematic diagram of a cross section of the optical plate for an imaging camera in this case.
  • FIG. 13 (a) I corresponds to the second optical plate of the present invention.
  • This is a composite shape with a convex shape with a constant curvature and a curved surface shape.
  • the function and method of delaying the phase of transmitted light from the center toward the periphery is the same as in the case of the first optical plate for the imaging camera. That is, the change in the thickness of the imaging camera optical plate is made thicker toward the periphery by the shape of the function f (p).
  • the optical plate for the imaging power mela- tion is used to further increase the curvature of the wavefront of the original focusing (imaging) by the imaging lens. Should work.
  • the concave and convex shapes are defined by positive and negative axisymmetric functions, respectively, a simple method for providing the optical plate for the imaging camera with the function of increasing the curvature of the transmitted light is the optical system for the imaging camera.
  • the shape of the surface of the plate should be a negative quadratic function. If the surface shape is a negative function, it is a convex shape. If the phase of the transmitted light is delayed from the center toward the periphery, the concave shape is used. On the other hand, it is necessary to pay attention to the opposite shape.
  • the shape to give these two functions to the imaging camera optical plate is expressed as the sum of two functions with different signs as shown below.
  • the first term on the right side of Equation 4 is the first shape of the concave surface so that the thickness increases from the center to the periphery, and the phase of the transmitted light is delayed from the center to the periphery.
  • the second term is the second shape of the convex surface having the function of shifting the focal position from the long distance to the short distance side. These can be combined to form the second imaging camera optical plate.
  • the second shape is a paraboloid in Equation 4, but is not limited to this and may be a spherical surface.
  • the quadratic function can be regarded as a surface with sufficiently high accuracy and constant curvature.
  • one side of the imaging camera optical plate is a flat surface, and the shape of the other surface is changed.
  • the shape of the surface is convex at the center (relative to the concave shape of the first imaging camera optical plate) and concave at the outer periphery.
  • the reason why it is combined into a convex shape at the center is that in Equation 4, the shape is given so that A 2 is larger than A i.
  • Fig. 7 shows the converging beam pattern in the focal region of a general imaging lens with this specification.
  • the marking range is radius 20 ⁇ (diameter 40 ⁇ ), optical axis direction 50 ⁇ (0.5 mm). Since the distance of the object is infinite, it is focused at a focal length of 7.5 cm of the imaging lens.
  • Figure 8 shows the first imaging camera optical plate in front of the imaging lens.
  • This figure shows the focused beam pattern in the focal region when an optical plate with the shape of method 1 (a method that keeps the phase constant at the outer periphery and does not change it) is attached.
  • the marking range is the same as in the case of the imaging lens shown in Fig. 7 with a depth of 500 ⁇ .
  • the focal depth increases, and at the same time, the focal area slightly shifts forward. Therefore, the display area of Fig. 8 is slightly shifted from Fig. 7 so that the front state can be seen. It can be seen that the depth of focus is greatly extended forward (the depth of focus is deeper) than when only the imaging lens in Fig. 7 is used.
  • the width of the main lobe of the beam cross-sectional profile / layer that determines the resolution of the optical system is as described above.
  • the feature is that it is a non-diffracted beam, which is almost the same as when only the lens is used, and this effect shows that almost the same resolution can be obtained by increasing the depth of focus.
  • Figure 9 shows the first imaging camera optical plate attached in front of the imaging lens.
  • This figure shows the focused beam pattern in the focal region when an optical plate with the shape of method 2 (the method that keeps the phase constant at the center and does not change) is attached.
  • the marking range is the same as in Fig. 8.
  • the focal point greatly extends forward compared to the case of only the imaging lens in FIG. (The depth of focus is getting deeper).
  • the side lobe is slightly larger in the middle of the focal region, and the light condensing state is slightly worse than in the first method.
  • Fig. 10 shows the focus formation by the conventional technology for comparison, that is, a special double structure that flattenes a part of the area in the aperture like the optical plate for the first imaging camera.
  • This is a focused beam pattern in the case of a single-structure shape that delays the phase toward the periphery without using the shape.
  • the display range is the same as that shown in Fig. 8, with a depth of 500 ⁇ m, but the display area is shifted to the back by 100 ⁇ m to show the state of the depth.
  • the focal region extends forward from the focal position of 75 mm without the optical plate, whereas In Fig.
  • the inner diameter is about 70% or more of the effective opening diameter.
  • This is an outer annular band with a ratio, and when provided in the center, the area has a diameter ratio of about 70% or less of the effective opening diameter. It is desirable to be an inner circle. Increasing the constant-phase region in the outer annular zone with an inner diameter larger than about 70% of the effective aperture diameter of the optical plate (about 50% in area ratio) reduces the effect of increasing the depth of focus. If a certain outer annular zone is made too small, it approaches when the phase is changed at the full aperture, and although the depth of focus becomes deeper, the focal region shifts forward as described above, and a blank portion is formed.
  • FIG. 11 shows a focused beam pattern in a focal region in the case of an imaging system in which a second optical plate is attached in front of an imaging lens.
  • the display area is set to 5 0 0 ⁇ as in FIGS. 6 to 11.
  • the depth of focus increases, and at the same time, the focal area (including the original focal position by the imaging lens) is shifted to the front.
  • Figure 11 shows the condensed beam pattern of rays from infinity, but rays from close range are collected forward while maintaining this depth of focus. Due to these effects, the object at close range can be seen in a wide distance area only by attaching the optical plate for an imaging camera of the present invention (while the camera is fixed at the infinity focal position).
  • the optical axis direction distribution of the central intensity of the condensing beam is accurately calculated with the same parameters, and the focal depth is calculated using the half-value width of the optical axis direction distribution as the focal depth.
  • Imaging lens only 1 20 x m
  • the depth of focus is not obtained in the case of a shape that simply delays the phase toward the periphery (ie, the shape of a conventional optical plate), instead of the surface shape of the double structure like the optical plate for the first imaging camera. Since it is approximately 400 ⁇ m, the value of the first optical plate 5 50 / zm indicates that the special double structure in the aperture has the effect of increasing the depth of focus by approximately 1.35. ing.
  • the depth of field is calculated using the focal length 75 mm of the imaging lens.
  • Imaging lens only 4 5 m to ⁇
  • the depth of field is deepened when the optical plate is attached.
  • the depth of field shifts to the far side.
  • the focus of the power camera is 1 It is necessary to attach the optical plate in a state that is well before O m. If the power A of the optical plate for the imaging camera is increased (defined by the coefficient A of the function f (P) given in Equations 2 and 3), the depth of field should be deeper than in the above example. Can do.
  • optical plate for second imaging camera 1 Om to ⁇ (camera focal position is 00 ),
  • the field of view with only the imaging lens 4 5 m to ⁇ If the optical plate is attached, the field of view will be 10 m to ⁇ , even if the camera's focus is fixed at ⁇ , and the focus will not change. It can be quantitatively understood that the short distance becomes visible in a wide range. By the way, the field of view with only the imaging lens is in focus 1
  • the focus shift amount can be adjusted freely by adjusting the frequency of the convex shape to be synthesized.
  • a deep field can be obtained (for example, 5 m to 16 m).
  • the applied distance can be changed by adjusting the power A of the optical plate. For example, if the amount of focus shift and the optical plate power A are increased, a wider range can be seen at a closer distance.
  • an imaging lens may be an eyeball lens.
  • the present invention is applied to eyeglasses and the like, and the burden on the eyeball focus adjustment function can be reduced by being used by a driver of a high-speed moving body.
  • it may be a condensing lens for condensing on a minute point used when inputting an optical signal to an optical fiber or detecting reflected light from a high-density storage disk.
  • the present invention can alleviate the allowable value of the distance deviation from the light source or the reflection point.
  • the present invention need not be limited to an axisymmetric lens.
  • the above effects can also be obtained by applying to an optical system using a lens.
  • the present invention can also be applied to an optical system having an elliptical aperture. Further, the same effect can be obtained even if the center of the phase control region set as the inner region within the effective aperture or the center of the planar shape region where the phase is not controlled is shifted from the center axis of the effective aperture.

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Abstract

被写界深度をより深くするために用いる撮像カメラ用光学板を提案する。その形状は、(1)撮像カメラと同じ有効開口径をもち、その前に付けて被写界深度を深くするもので、入射面または出射面で、有効開口内に第1と第2の領域とを備え光軸に直交する光学板で、第1の領域は、内側(あるいは外側領域)で、その面形状の曲率は光軸より周辺で大きく、厚みは中心より周辺で厚くして、透過した光の位相が中心より周辺で遅れるようにし、第2の領域はその外側(あるいは内側領域)で、平行平面板とする。また、(2)入射面または出射面で、第1と第2の形状とを合成した形状の光学板で、第1の形状は、面形状の曲率は光軸より周辺で大きく、厚みは中心より周辺で厚くし、透過した光の位相が中心より周辺で遅れる凹面の形状で、第2の形状は、焦点位置を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持つ面形状の曲率が一定の凸面の形状とする。

Description

明細書 撮像カメラ用光学板 技術分野
この発明は、 撮像装置を用いてフィルム、 C C D、 撮像管等に結像 した画像を取得する撮像技術分野で、 被写界深度をより深くするために 用いる撮像カメラ用光学板に関するものである。 背景技術
従来、 対象物を撮像する場合、 望遠レンズを含む種々の撮像レンズ の焦点面にフィルム、 C C D等の撮像素子、 撮像管、 等を置いて画像が 取得されてきている。
しかし、 従来の技術では対象物の距離が変わると焦点位置を変える 必要があるが、 カメラの焦点深度は限られており、 1つ焦点位置で広域 の距離の対象物を写すことは困難である。 レンズの焦点深度を深くする ことにより被写界深度を深くすることができる。 カメラの被写界深度を 深くする簡単な方法として、 開口を絞る方法があるが、 開口を絞ると分 解能が劣化し、 また、 入射光強度が減少するので、 特に暗い環境で使用 するカメラには使用できない。 さらに、 至近距離の対象物に対しては、 焦点位置を大きくシフトしないとピントが合わず、 たとえピントを合わ せたとしても、 近距離ほど距離の 2乗で被写界深度が縮小されるので、 至近距離で広い距離範囲を見ることは困難である。 このように、 被写界 深度について従来からよく知られた限界があった。
被写界深度を深くする新しい方法として、 中心から周辺に行くほど 位相を遅らせる光学板が提案されている。
例えば、 特許文献 1 (特開平 1 1 一 6 9 6 6号公報） では、 望遠鏡 システムで、 対物レンズ系である凸レンズと接眼レンズ系である凹レン ズとを組み合わせたガリ レオ式望遠鏡において、 凹レンズに球面収差を もたせることによって望遠鏡の開口面で光軸より遠い程曲率が小さくな るように歪ませ、 回折限界の光強度分布よりも狭い幅をもつ特殊な非回 折ビームを生成するものが開示されている。 これは、 集光ビーム幅をほ ぼ一定に保って伝搬する非回折ビームを生成すると同時に分解能を回折 限界の分解能以上にすることを目的にしたものである。
また、 特許文献 2 (特開 2 0 0 4— 7 7 9 1 4号公報） では、 撮像 装置とその光学系で、 光軸からの距離に応じて光波の位相が遅れ、 その 結果、 結像光の波面の曲率が光軸から開口端に行くほど小さくなるか、 あるいは、 開口端から光軸に向かう距離に応じて光波の位相が遅れ、 そ の結果、 結像光の波面の曲率が開口端から光軸に行くほど大きくなる特 性をもち、 目あるいは撮像カメラの被写界深度を深くする機能をもった
、 1 ) 凸レンズ、 凹面鏡あるいは凸レンズに等価な光学素子を用いた対 物光学系と、 凹レンズあるいは凹レンズに等価な光学素子と、 を用いた 接眼光学系との組合せで構成された望遠鏡であるか、 あるいは、 2 ) 波 面の形状を制御する波面制御板を、 目あるいは撮像カメラの前に設けた 構成のものが開示されている。
文献：
特許文献 1 特開平 1 1 一 6 9 6 6号公報
特許文献 2 特開 2 0 0 4— 7 7 9 1 4号公報 発明の開示
撮像カメラに用いる従来の補正板では、 被写界深度が深くなるもの の、 被写界が遠距離側にシフトしてしまい、 撮像カメラでピントを合わ せた距離の対象物がぼけてしまう、 という問題があった。 この問題を解 決するため、 本発明は、 撮像カメラのピント距離の対象物がぼけないよ うに被写界深度を深くできる光学板を提案する。
本発明による撮像カメラ用光学板では、 結像の焦点を深くする機能 や、 焦点深度を深く保ちながら焦点を至近距離対象物用にシフ トできる 機能を有し、 また、 広範囲の対象物に対して焦点位置を変えることなく 高分解能での撮像が可能である この特徴を備えるため、 焦点位置から 外れ易い運動している対象物に対しても有効である。 従って、 本発明は 望遠カメラを含む各種のカメラ、 広いレンジの計測やモニタ等への幅広 い応用ができる。
本発明は、 撮像カメラの前に付ける光学板を、 中心から周辺に行く ほど透過光の位相を遅らせるという従来手法に加えて、 位相を一定にし て変えない部分を開口内の周辺部又は中心部に設ける。 この部分により カメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけないようにすることがで きる。 このような特殊な工夫をして光学板に新たな機能を持たせること によって、 従来技術では達成できなかったいくつかの点を克服するもの である。 即ち、 例えばカメラの場合、 カメラの開口径と同じ光学板の開 口径のうち、 外周部の環状帯内または中心部の円内では透過光の位相を 一定にして変えないで、 残りの部分では透過光の位相を中心から周辺に 行くほど遅らせる。 これにより、 従来手法における欠点、 つまり焦点領 域全体が前方 （光の進む方向でレンズから離れる方向） にシフ トしまい 元の焦点位置からずれてしまう結果、 カメラでピントを合わせた距離の 対象物がぼけしまう、 という欠点を克服した。 ここで言う従来手法とは 、 開口内で単純に周辺ほど位相を遅らせる手法である。
本発明は概略、 （ 1 ) 撮像カメラでピントを合わせた距離の対象物が ぼけないように、 元のピントの距離から遠距離側に連続して被写界深度 を深くする第 1の撮像カメラ用光学板、 及び、 （2 ) 被写界を遠距離から 至近距離にシフトさせる機能と透過光の位相を中心から周辺に行くほど 遅らせる機能により、 第 1の撮像カメラ用光学板とは逆に、 カメラでピ ントを合わせた距離の対象物がぼけない状態で近距離側に被写界深度を 深くする第 2の撮像カメラ用光学板、 を提供する。 第 1の撮像カメラ用 光学板と第 2の撮像カメラ用光学板とは、 撮像カメラの設定焦点の対象 物がぼけないように被写界深度を深くできることで共通しているが、.第 2の光学板は深く した焦点領域を後方 （レンズに近づく方向） にシフ ト でき、 しかも光学板の面形状を変えることにより 自由にシフ トできるの で、 第 1の撮像カメラ用光学板とは逆に近距離側に被写界深度を深くで きる、 という点に主な相異がある。
より具体的には、 第 1の撮像カメラ用光学板は、 撮像カメラの有効 開口径と同じ有効開口径をもち、 該撮像カメラの前に付けて用いること で被写界深度を深くすることができ、 入射面あるいは出射面の有効開口 内に第 1の領域と第 2の領域とを備え光軸に直交する撮像力メラ用光学 板である。
カメラの有効開口径は、 一般に、 レンズの焦点距離を F値で割った 値として定義される。 本発明光学板の有効開口とは、 光学板の全開口 （ 光が通過できる領域） のうち本発明光学板の被写界深度延伸機能に有効 に作用する領域であり、 本発明光学板の有効開口径はカメラの有効開口 径と同じ値に定める。 従って、 双方の有効開口が重なるように光学板を カメラの前に取り付けて用いるものとする。
上記第 1の領域は、 撮像カメラ用光学板の有効開口に対して 5割以 上の面積比を有する内側領域であって、 その入射面あるいは出射面の面 形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大きくなり、 その厚みは中心から 周辺に行くほど厚くなるようにして、 透過した光の位相が中心から周辺 に行くほど遅れるようにした領域であり、 第 2の領域は、 第 1の領域の 残りの外側領域であって、 この領域は平行平面板の形状をもち、 この領 域を透過した光の位相は透過位置依存性がない領域である。 従って、 第
2の領域である外側領域では、 有効開口に対して 5割以下の面積比が設 定されることになる。
例えば、 第 1の領域で、 有効開口に対して 5割以上の面積比として 7割を設定する場合は、 第 2の領域の面積比は、 残りの 3割となる。 円 形開口の場合、 有効半径に対する動径距離の比と しては、 第 1の領域で は面積比 0. 7の平方根（1/2乗）の値となり、 第 2の領域では、 1 一 0. 71/2、 となる。 各々、 近似値として、 0. 84、 0. 16, となる。 第 1の領域の面積 比での最小値 5割は、 動径距離比では約 7割である。 あるいは、 別の手法として、 第 1の撮像カメラ用光学板の第 1の領 域は、 有効開口に対して 5割以上の面積比を有する外側領域であって、 その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大 きくなり、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、 透 過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした領域である 。 また、 第 2の領域は、 第 1の領域の残りの内側領域であって、 その領 域は平行平面板の形状をもち、 その領域を透過した光の位相は透過位置 依存性がない領域である。 従って、 この場合、 第 2の領域である内側領 域では、 有効開口に対して 5割以下の面積比が設定されることになる。
上記 2つの手法のいずれの場合も、 位相を遅らせて焦点深度を深く する機能を有する領域の面積を有効開口の面積の 5割以上 （即ち、 残り の位相を制御しない平面形状領域は 5割以下） とする理由は、 透過光の 位相制御領域が 5割以下になると焦点深度を深くする効果が半減して本 発明の光学板を利用する意味がなくなってしまうからである。 さらに、 位相制御領域の面積の設定を、 有効開口に対して 5割以上の面積比、 と して幅を持たせている理由は、 位相制御領域の面積を小さく （即ち、 残 りの位相を制御しない平面形状領域を大きく） していく と、 焦点深度の 伸びは小さくなるものの焦点領域の前方へのシフ トが小さくなるので本 来の焦点からのずれが小さくなる。 また、 波長によっても度合いが変化 し、 例えば、 波長が短い程焦点深度の伸びは大きくなるので考慮が必要 である。 このため、 利用者が目的に応じて適度に面積比を選択できるよ うにしてレヽる。
また、 第 2の撮像カメラ用光学板については、 撮像カメラの有効開 口径と同じ有効開口径をもち、 該撮像カメラの前に付けて用いることで 被写界深度を深くすることができ、 入射面あるは出射面が第 1の形状と 第 2の形状を合成した形状をもち、 光軸に直交する光学板である。 ここ で、 第 1の形状は、 面形状の曲率が光軸から周辺に行くほど大きくなり、 、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、 透過した光 の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の形状である。 また、 第 2の形状は、 焦点位置を遠距離から近距離側にシフ トさせる機 能を持ち、 面形状の曲率が一定の凸面の形状である。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の撮像カメラ用光学板を適用する撮像系の模式図 である。
第 2図は、 本発明の目指す波面形状について説明する図で、 撮像レ ンズより放射される結像光波面を示し、 （a) は撮像レンズのみの場合、 （ b ) は撮像カメラ用光学板付き撮像レンズの場合を示す図である 第 3図は、 本発明の効果である、 焦点が光軸方向に伸びて焦点深度 が深くなること、 を説明する模式図である。
第 4図は、 第 1の撮像カメラ用光学板の第 1の手法での断面形状の 例を示す図である。
第 5図は、 第 1の撮像カメラ用光学板の第 2の手法での断面形状の 例を示す図である。
第 6図は、 第 2の撮像カメラ用光学板の断面形状の例を示す図であ る。
第 7図は、 一般の撮像レンズによる焦点領域の集光ビームパターン を示す図である。
第 8図は、 撮像レンズの前に第 1の撮像カメラ用光学板で第 1の手 法 （外周部で位相を一定にして変えない手法） による形状の光学板を付 けた場合の、 焦点領域での集光ビームパターンを示す図である。
第 9図は、 撮像レンズの前に第 1の撮像力メラ用光学板で第 2の手 法 （中心部で位相を一定にして変えない手法） による形状の光学板を付 けた場合の、 焦点領域での集光ビームパターンを示す図である。
第 1 0図は、 比較のための従来技術による焦点形成の場合、 即ち、 周辺ほど位相を遅らせる単一構造の形状にした場合の集光ビームパター ンを示す図である 第 1 1図は、 撮像レンズの前に、 第 2の撮像カメラ用光学板を付け た撮像系の場合の焦点領域の集光ビームパターンを示す図である。
第 1 2図は、 第 1の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を示す図で あり、 第 1 の領域 8と第 2の領域 9を、 （a) は第 1 の領域が中心部にあ る場合、 （ c ) は第 1の領域が外周部にある場合を示し、 （b ) は従来の 補正板の場合を示す。
第 1 3図は、 第 2の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を示す囱で あり、 （ a ) は合成形状を、 （b )は第 1の形状を、 （ c ) は第 2の形状を 示す。 ' 発明を実施するための最良の形態
以下に、 この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 まず、 本発明の撮像カメラ用光学板 1は、 第 1図に示すように、 凸レン ズなどの撮像レンズ 2と組み合わせた撮像系で用いるものである。 撮像 レンズ 2の代わりに眼球のレンズと組み合わせて用いてもよい。
また、 本発明の撮像カメラ用光学板の表面形状は、 後述のように、 従来に無い形状とするが、 まず、 本発明の目指す波面形状について説明
( 1 ) 従来の撮像レンズのみの場合の第 2図 （a ) は、 理想的な撮 像レンズ通過後の光の波面 3は球面であり、 焦点に集光する。 一方 本発明の場合の表面形状によって得られる撮像レンズによる波面 4を 第 2図 （b ) に示す。 本発明の撮像カメラ用光学板を付けた場合は、 波 面は中心から周辺に行くほど位相が遅れる歪んだ球面の波面となる。
この歪んだ波面により、 第 3図 （ c ) に示すように、 焦点 5は光軸 方向に伸びて焦点深度が深くなる。 通常の撮像レンズの場合は、 波面が 球面のため何処から出た光線も焦点に集まるのに対して、 本発明の撮像 カメラ用光学板を付ける本発明の場合は、 第 3図 （ c ) の実線 6の波面 のように歪んだ球面となるため、 光軸近くから出た光線は近くに、 より 周辺から出た光線はより遠くに、 集光する。 このため、 焦点が伸びるこ とになり、 焦点深度が深くなる。 一般に、 像空間の焦点深度と対象物空 間の被写界深度は等価であるので、 焦点深度が深くなると被写界深度が 深くなる。 また、 第 3図 （ c ) に示す破線 7の波面は、 特許文献 2の場 合の波面である。
第 3図 （b ) で仮定した撮像カメラ用光学板 1を、 第 3図 （ a ) に 示す。 これは、 以下で説明する第 1の撮像カメラ用光学板に相当する。 この場合、 第 1の領域 8を外側に、 第 2の領域 9を内側に設定した構成 を例示したもので、 第 3図 （ c ) に示す様に、 この撮像カメラ用光学板 の中心領域の第 2の領域 9を透過した光と周辺領域を透過した光のそれ ぞれの位相を比較すると、 周辺領域を透過した光の位相は相対的に遅れ ている。 光学板を通過した光の位相を、 中心から周辺に行くほど遅らせるた めには、 光学板通過の光路長を周辺に行くほど長くするようにすればよ レ、。 光路長を変える簡単な方法としては、 光学板の厚みを中心から周辺 に行くほど厚くする方法がある。 即ち、 光学板の厚みを変えて位相を中 心から周辺に行くほど遅らせることができる。 光学系の開口は円形でなくても （例えば楕円でも） かまわないが、 ここでは、 簡単に扱うために、 先ず、 光学板は軸対称とし、 光学板の有 効半径を a、 長さの単位の半径を r、 0〜1で定義される半径方向の変数を pとする。 すると、 pは次式で表される。 [数式 1 ] r
P =一
a
次に、 光学板の中心の厚さに対する半径 /0での厚さの増加分を W ( β ) として光学板の面形状を考える。 例えば、 簡単のため、 光学板の片 面を平面として、 他方の面の形状を変えて厚さを変えることができるが 、 この場合、 光学板の中心の表面を基準面とすると、 w p )は、 半径 pで の表面の基準面に対する高さとなる。 w ( P )が一定の部分では光路長が変 わらないので位相が変化しないことになる。 光学板の入射面と出射面とが曲率をもった面である場合は、 厚さを 変えずに片面を平面になるように変形して他方の面、 例えば出射面、 の みが曲率をもつものとして以下に説明する。
次に、 具体的な光学板の形状について述べる。
光学板は撮像レンズの前に取り付けるので、 光学板の有効口径は、 レン ズの有効開口径と等しくする。 上記の第 1の撮像カメラ用光学板、 第 2 の撮像カメラ用光学板について、 各々以下に説明する。
[実施例 1 ]
第 1の撮像カメラ用光学板は、 その有効開口のうち、 有効開口に対 して 5割以上の面積比を有する内側領域では透過光の位相を中心から周 辺に行くほど遅らせ、 残りの外側領域 （円形開口の場合は外側環状帯） では透過光の位相を一定にして変えない、 ことを特徴とする。
この場合の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を第 1 2図に示す。 単に、 位相を内側から周辺に行くほど遅らせるためには、 第 1 2図 （b ) に示すように、 光学板の厚みを光軸から周辺に行くほど厚くすればよ く、 さらに、 外周で位相を一定にして変えないためには、 第 3図 （a ) の符号 9の部分に示す様に、 第 1 2図 （ a ) に於いて厚みを一定にして おけばよレ、。
また、 第 1 2図 （ c ) に示す様に、 有効開口に対して 5割以上の面 積比を有する外側領域 （円形開口の場合は外側環状帯）、 では透過光の位 相を周辺に行くほど遅らせるものとし、 残りの内側領域では、 透過光の 位相を一定にして変えないようにしてもよい。
透過光の位相が光軸から周辺に行くほど遅れる状態を波面で考える と、 波面の曲率が周辺ほど大きくなる負の波面 （周辺ほど反りが大きい 後方に反った波面） となる。
第 1の撮像カメラ用光学板の特徴は、 円形開口の場合、 外周部の環 状帯内または中心部の円内では透過光の位相を一定にして変えないで、 残りの部分では透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる、 こと であるが、 このような機能を持つ光学板を実現するためには、 例えば、 上述のように光学板の両面のうち片面は平面として他方の面だけで形状 を変えることとし、 他方の面で内側は上記の形状にし、 外側はそのまま 平面にする、 のが簡単な方法である。 透過後の光波面の曲率が中心から 周辺に行くほど遅れる機能をもつ光学板の片面の形状を関数 f ( P ) で 表すことにする。 但し、 f ( ) は開口端 二 1 ) で 1になるように 規格化する。
第 1の撮像カメラ用光学板のこのような特殊な面の形状を中心での 底面を基準とする厚みの変化 を用いて数式で表すと、 外周部の環状 帯で位相を一定にして変えない第 1の手法の場合は、 面形状 f ( p ) を 用いて次式のようになる。 [数式 2]
w(p) = Af(p) (0<p≤Pl)
= Af(Pl) (Pl<p≤l)
ここで、 Aは f ( ) を用いて計算した場合の開口端 （ = 1 ) で の w ( β ) の値 w ( 1 ) である。 w ( 1 ) は中心での厚みに対する開口 端の厚みの増加量であり、 一方の面を平面として片面だけで厚みを変え る場合には片面は凹面形状になるので、 Αは凹面の底からの開口端の高 さに相当する。 但し、 pェは定数で位相を一定にする部分と位相を変える 部分との境界の動径変数 Pの値、 即ち環状帯の内半径値である。 0≤ P ≤ P iは位相が変化する領域であり、 残りの /0 ≤ P ≤ 1は位相が一定と なる領域である。
第 1の光学板の第 1の手法での断面形状の例を第 4図に示す。 第 4 図は、 動径距離に対する高さ （つまり厚さ） を示している。 例として、 数式 2で Α= 1 0 μ πι、 ！ = 0. 9としている。 この例では、 撮像カメ ラ用光学板の片面は平面とし、 他方の面の形状を変化させている。 第 4 図はこの面が 2重構造になっており、 特殊な形状となっていることを示 している。
次に、 第 1の撮像カメラ用光学板で、 中心部の円内で位相を一定に して変えない第 2の手法の場合を、 数式では ）を数式 2に代えて、 次 式のように表す
[数式 3] w(p) = 0 (0<p<p2)
= Af(p-p2) p2≤p≤l) ここで、 p 2は定数で位相を一定する部分と位相を変える部分の境界 の動径変数 pの値、 即ち内部の円の半径値であり、 O p p sで位相が 一定になる。 開口端 （<ο = 1 ) での w ）の値 w(l)は、 面形状を Af( io)で与えた場合は Aになるが、 数式 3では Af ( 1 - 2) であるので A より小さくなる。 これは、 新しい変数 を考え、 p , = ίο _ /ο 2とする と、 変数 でみた開口端は 1一 2となる故である。 従って、 第 2の手 法で第 1の手法の場合と同程度の開口端での値にして同程度の効果を得 るためには、 数式 3での Aの値は数式 2での値より十分大きく とる必要 力 ある。
数式 3では、 面形状関数 f ( p )の原点が中心から半径方向に p 2だけ シフ トした形状になっている。 中心部で位相を一定にする別の手段とし て、 中心から開口端まで連続した関数になっている形状を基に中心部だ け平面とする方法が考えられるが、 この場合はほとんど効果が無く焦点 深度を深くする所期の目的には利用できない。 これは、 ここに記述しな いが、 計算槔シミュレーションなどから明らかになつている 第 1の撮像力メラ用光学板の第 2の手法での断面形状の例を第 5 図に示す。 第 5図では、 第 4図の場合の開口端での表面の高さ (約 7 μ m ) と同程度の高さにするため、 数式 3で A = 3 0 μ mとし、 位相を一 定にする境界の半径値は P 2 = 0 . 4としている。 この例では、 先に紹介 した第 1の手法の場合と同様に撮像カメラ用光学板の片面は平面とし、 他方の面の形状を変化させている。 第 5図は光学板の表面の構造が 2重 構造になっており、 特殊な形状となっていることを示している。
[実施例 2 ]
第 2の撮像カメラ用光学板は、 焦点位置を遠距離から至近距離にシ フトさせる機能と透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせて至近 距離の被写界深度を深くする機能とを兼ね備えるようにして、 1つの焦 点位置で至近距離の広い距離範囲を見えるようにした、 ことが特徴であ る。 例えば、 一般のカメラで無限遠距離にピントを合わせた状態をカメ ラ使用の標準状態とすると、 標準状態では近距離特に至近距離は画像が ぼけてしまう。 至近距離を見るには、 焦点位置を移動してピントを至近 距離に合わせないといけないが、 たとえピントを合わせたとしても、 至 近距離の被写界深度は著しく小さくなるので、 広い距離範囲を見ること ができない。 これに対して、 第 2の撮像カメラ用光学板を付ければ、 瞬 時に至近距離を広範囲で見ることが可能になる。 この場合の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を第 1 3図に示す。 第 1 3図 （a ) I 本発明の第 2の光学板に相当する。 これは、 第 1 3 図 （b ) に示す第 1の形状、 つまり、 面形状の曲率が光軸から周辺に行 くほど大きくなり、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるように して、 透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹 面の形状と、 第 1 3図 （ c ) に示す第 2の形状、 つまり、 焦点位置を遠 距離から近距離側にシフ トさせる機能を持ち面形状の曲率が一定な凸面 の形状、 との合成形状である。
透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる機能及び手法は、 上記の第 1の撮像カメラ用光学板の場合と同様である。 即ち、 撮像カメ ラ用光学板の厚みの変化を上記の関数 f ( p ) の形状により周辺ほど厚 くする。 一方、 焦点位置を遠距離から至近距離にシフトさせる状態を波 面で考えると、 撮像レンズによる本来の集光 （結像） の波面の曲率をさ らに大きくするように撮像力メラ用光学板が作用すればよい。 凹面及び 凸面の形状を、 各々、 軸対称の正及び負の関数で定義すると、 透過光の 曲率が大きくなる機能を撮像カメラ用光学板に持たせるための簡単な方 法は、 撮像カメラ用光学板の表面の形状を負の 2次関数にすればよい。 表面の形状が負の関数であることは凸面の形状であることであり、 透過 光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる場合は凹面の形状にするの に対して、 逆の形状にすることに注意が必要である。
従って、 撮像カメラ用光学板にこの 2つの機能を持たせるための形 状は、 数式として、 次式のように符合が異なる 2つの関数の和で表され る。
ほ女式 4 ]
Figure imgf000021_0001
ここで、 A i、 A 2、 は、 数式 4の第 1項と第 2項のそれぞれを独立 の関数と考えた時の開口端 （p = l ) でのそれぞれの w ( p ) の値 w ( 1 ) である。 上記の数式 4の右辺の第 1項は、 その厚みは中心から周辺 に行くほど厚くなるようにして、 透過した光の位相が中心から周辺に行 くほど遅れるようにした凹面の第 1の形状であり、 第 2項は、 焦点位置 を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持つ凸面の第 2の形状であ る。 これらを合成して第 2の撮像カメラ用光学板を構成することができ る。 第 2の形状は、 数式 4においては放物面であるが、 これに限る必要 はなく、 球面であってもよい。 ちなみに、 第 2の光学板では、 凸面が極 端にゆるい形状を扱っているので、 2次関数は十分な高精度で曲率一定 な面と見なすことが出来る。
第 2の撮像カメラ用光学板の断面形状の例を第 6図に示す。 第 6図 は、 数式 4で A 二 1 5 x m、 A 2 = 2 0 m , とした場合である。 この 例では、 第 4図の場合と同様、 撮像カメラ用光学板の片面は平面とし、 他方の面の形状を変化させている。 この表面の形状は、 中心部で （第 1 の撮像カメラ用光学板の凹型に対して） 凸型に、 外周部で凹型になって いる。 合成されて、 中心部で凸面の形状になる理由は、 数式 4で A2が A iより大きくなるように形状を与えている故である。
次に、 第 1の撮像カメラ用光学板、 第 2の撮像カメラ用光学板、 を 撮像レンズと組み合わせた撮像系の場合の効果について、 具体的な計算 機シミュレーション例を紹介する。 計算機シミュレーションでは、 撮像 用カメラとして、 レンズの有効開口径： 2. 5 c m、 焦点距離： 7. 5 c m (従って F 3)、 受光波長の中心を 0. 6 μ ιη、 と標準的な値を仮定 した。
第 7図は、 この仕様での一般の撮像レンズによる焦点領域の集光ビ ームパターンを示している。 標示範囲は、 半径 2 0 μ η (直径 4 0 μ πι )、 光軸方向 5 0 0 μ πι (0. 5 mm), である。 対象物の距離が無限遠 なので、 撮像レンズの焦点距離 7. 5 c mの位置に集光している。
一般に、 対象物の距離が変わっても、 集光の焦点位置が移動するだ けで、 集光ビームパターンはほとんど変わらない。 そこで、 対象物の距 離は基準の無限遠を仮定している。 以下、 全ての場合について、 対象物 の距離は基準の無限遠を仮定している。 また、 第 8図に、 撮像レンズの前に第 1の撮像カメラ用光学板で第
1の手法 （外周部で位相を一定にして変えない手法） による形状の光学 板を付けた場合の、 焦点領域での集光ビームパターンを示す。 標示範囲 は奥行き 5 0 0 μ πιで第 7図の撮像レンズのみの場合と同様であるが、 第 1の光学板を付けると焦点深度が伸びると同時に、 焦点領域が前方に 少しシフ トする副作用があるので、 前方の状態が見えるように第 8図の 表示領域は第 7図より少しずらしている。 第 7図の撮像レンズのみの場 合に比較して、 焦点深度が前方に大きく伸びている （焦点深度が深くな つている） ことが分かる。
このように、 本発明の撮像カメラ用光学板を付けることによって焦 点深度が深くなるが、 光学系の分解能を決定するビーム断面プロフアイ /レの主ローブ （mai n lobe) の幅は上記の撮像レンズのみの場合とほとん ど変わらず、 非回折ビームになっているのが特徴で、 この効果により、 焦点深度を深く してほぼ同等の分解能が得られることが分かる。
第 9図は、 撮像レンズの前に付ける第 1の撮像カメラ用光学板で第
2の手法 （中心部で位相を一定にして変えない手法） による形状の光学 板を付けた場合の、 焦点領域での集光ビームパターンを示す。 標示範囲 は、 第 8図の場合と同様である。 第 8図の第 1の手法の場合と同様に、 第 7図の撮像レンズのみの場合に比較して、 焦点が前方に大きく伸びて いる （焦点深度が深くなつている） ことが分かる。 但し、 焦点領域の中 間部でサイ ドローブがやや大きくなり、 第 1の手法の場合に比較して、 やや集光状態が悪くなることが分る。
第 1 0図は、 比較のための従来技術による焦点形成の図、 即ち、 第 1の撮像カメラ用光学板のように、 開口内の一部の領域をフラッ トにす る特殊な 2重構造の形状にしないで、 周辺ほど位相を遅らせる単一構造 の形状にした場合の集光ビームパターンである。 表示範囲は奥行き 5 0 0 μ πιと第 8図と同じであるが、 表示領域は奥の状態も示すため 1 0 0 μ mだけ奥へずらしている。 第 8図と比較すると、 第 8図での第 1の光 学板の場合は、 光学板なしの焦点位置 7 5 m mから連続して焦点領域が 前方に伸びているのに対して、 '第 1 0図では手前の本来の焦点位置近く に空白部分があり （本来の焦点領域と重なる焦点領域がない）、 全体の焦 点深度もより浅くなつている。 即ち、 第 1の撮像カメラ用光学板のよう に表面を特殊な形状にすると、 本来の焦点位置から連続して焦点領域が 生成され、 且つ、 焦点深度がより深くなる、 という長所が分かる。
本発明の第 1の撮像カメラ用光学板では、 位相を一定にして変えな いようにする開口領域を外周部に設ける場合は、 その領域は有効開口径 に対して約 7割以上の内直径比を有する外側の環状帯であり、 中心部に 設ける場合は、 その領域は有効開口径に対して約 7割以下の直径比を有 する内側の円である、 ことが望ましい。 外側環状帯での位相一定領域を 内直径が光学板の有効開口径の約 7割 （面積比で約 5割） の状態より大 きくすると焦点深度が深くなる効果が小さくなり、 逆に、 位相一定の外 側環状帯領域を小さく し過ぎると全開口で位相を変えた場合に近づき、 焦点深度が深くなるものの上記のように焦点領域が前方にシフトして空 白部ができてしまう。 中心部での位相一定領域を直径が有効開口径の約 7割 （面積比で約 5割） の円内より大きくあるいは小さく した場合の位 相一定領域の増減に対する効果は、 外周部の位相一定領域の増減の効果 と同様になる。 従って、 利用者が目的に合った最適の状態が得られるよ うに位相一定領域を設定することが望ましい。
第 1 1図は、 撮像レンズの前に、 第 2の光学板を付けた撮像系の場 合の焦点領域の集光ビームパターンを示す。 表示領域は、 第 6図から第 1 1図の場合と同様、 5 0 0 μ πιとしている。 焦点深度が深くなり、 同 時に、 焦点領域が （撮像レンズによる元の焦点位置を含んで） 手前に大 きくシフトしている。 第 1 1図は無限遠からの光線の集光ビームパター ンであるが、 至近距離からの光線は、 この焦点深度を保って、 前方に集 光することになる。 これらの効果により、 本発明の撮像カメラ用光学板 を付けるだけで （カメラを無限遠焦点位置に固定したままで）、 至近距離 の対象物が広い距離領域で見えるようになる。 別の計算機シミュレーションによって、 同じパラメータで集光ピ ムの中心強度の光軸方向分布を正確に求め、 光軸方向分布の半値幅を焦 点深度として焦点深度を計算すると、
( 1 ) 撮像レンズのみ： 1 20 x m
( 2) 第 1の撮像カメラ用光学板付き ： 5 5 0 μ m (例として第 1の 手法を採用）
( 3) 第 2の撮像カメラ用光学板付き ： 5 5 0 μ πι (焦点シフ ト ：約 0. 5 mm)
となる。 但し、 ここでは、 集光ビーム中心強度の光軸方向分布から焦点 深度を求める際、 撮像レンズのみの場合の深度幅レベルを撮像カメラ用 光学板付きの場合の半値幅レベルと等しく設定して、 経験的に焦点深度 を求めた。
上記の様に、 第 1の撮像カメラ用光学板のように 2重構造の表面形 状としないで、 単純に周辺ほど位相を遅らせる形状 （つまり従来の光学 板の形状） の場合は焦点深度が約 4 0 0 μ mであるので、 第 1の光学板 の値 5 5 0 /z mは、 開口内の特殊な 2重構造で焦点深度が約 1. 3 5倍 になる効果があることを示している。
これらの焦点深度から、 撮像レンズの焦点距離 7 5 mmを用いて被 写界深度を算出すると、 (4) 撮像レンズのみ 4 5 m〜∞
(5) 第 1の撮像カメラ用光学板付き ： 1 0 m〜∞、
となり、 光学板を付けると被写界深度が深くなることが定量的に理解で きる。 但し、 第 1の撮像カメラ用光学板では、 被写界が遠距離側にシフ トするので、 例えば、 被写界深度の手前の距離を 1 O mにするには、 力 メラのピントを 1 O mより十分手前に合わせた状態で光学板を付ける必 要がある。 撮像カメラ用光学板の度数 A (数式 2、 3で与えられている 関数 f (P ) の係数 Aで定義する） を大きくすれば、 被写界深度は上記 の例の場合よりもっと深くすることができる。
焦点深度と焦点のシフ トから、 第 2の撮像カメラ用光学板の被写界 深度を算出すると、
(6) 第 2の撮像カメラ用光学板付き ： 1 Om〜∞ (カメラの焦点位 置は00)、
となる。 撮像レンズのみでの被写界 4 5 m〜∞が、 光学板を付けると、 カメラのピントを∞に固定したままでも、 被写界が 1 0 m〜∞、 になり 、 ピントを変えないで近距離が広範囲に見えるようになることが定量的 に理解できる。 ちなみに、 撮像レンズのみの場合の被写界は、 ピント 1
O mの距離では、 1 0 m〜 1 3 mと極めて小さいので、 たとえピントを 調整したとしても、 広範囲を見ることができない。 第 2の撮像カメラ用 光学板では、 第 1の光学板と異なり、 合成する凸面形状の度数を調整す ることにより、 焦点シフト量を自由に調整することができるので、 さら に近距離にシフトさせて、 至近距離で深い被写界を得ることができる（例 えは、 5 m〜 1 6 m)。
さらに、 光学板の度数 Aを調整することによって、 適用する距離を 変えることができる。 例えば、 焦点シフ ト量や光学板の度数 Aを大きく すれば、 もっと近距離の広範囲を見ることができるので、 目的に応じた 設計にすればよい。 産業上の利用可能性
上記の説明に於いては、 撮像レンズに適用する場合を示したが、 こ こで言う撮像レンズとしては、 眼球のレンズでもよい。 この場合は、 本 発明を眼鏡などに適用することになり、 高速移動体の操縦者が用いるこ とで、 眼球の焦点調整機能の負担を軽減することができる。 また、 例え ば光ファイバに光信号を入力する際にあるいは高密度記憶用円盤からの 反射光を検出する際に用いる、 微小な点に集光するための集光レンズで あってもよい。 この場合には、 本発明は、 光源あるいは反射点からの距 離のずれの許容値を緩和できる。
本発明は、 軸対称なレンズに限る必要はない 例えば、 円筒 レンズを用いた光学系に適用することによつても、 上記の効果を得るこ とができる。 また、 楕円型開口の光学系にも本発明を適用することがで きる。 さらに、 有効開口内で内側領域として設定される位相制御領域あ るいは位相を制御しない平面形状領域の中心が有効開口の中心軸に対し てずれていても、 同様の効果が得られる。

Claims

請求の範囲
1 . 撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、 該撮像カメラ の前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、 入射面あ るは出射面の有効開口内で第 1の領域と第 2の領域とを備え光軸に直交 する光学板で、
第 1の領域は、 有効開口に対して 5割以上の面積比を有する内側領域 であって、 その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は光軸から周辺に 行くほど大きくなり、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるよう にして、 透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした 領域であり、
第 2の領域は、 第 1の領域の残りの外側領域であって、 この領域は平 行平面板の形状をもち、 この領域を透過した光の位相は透過位置依存性 がない領域である、 .
ことを特徴とする撮像カメラ用光学板。
2 . 撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、 該撮像カメラ の前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、 第 1の領 域と第 2の領域とを備え光軸に直交する光学板で、
第 1の領域は、 有効開口に対して 5割以上の面積比を有する外側領域 であって、 その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は光軸から周辺に 行くほど大きくなり、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるよう にして、 透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした 領域であり、
第 2の領域は、 第 1の領域の残りの内側領域であって、 この領域は平 行平面板の形状をもち、 この領域を透過した光の位相は透過位置依存性 がない領域である、
ことを特徴とする撮像カメラ用光学板。
3 . 撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、 該撮像カメラ の前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、 入射面あ るいは出射面が第 1の形状と第 2の形状とを合成した形状をもち、 光軸 に直交する光学板で、
第 1の形状は、 面形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大きくなり、 その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、 透過した光の 位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の形状であり、 第 2の形状は、 焦点位置を遠距離から近距離側にシフ トさせる機能を 持つ面形状の曲率が一定の凸面の形状である、
ことを特徴とする撮像カメラ用光学板
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