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JP2016133517A - Imaging device and lens module using the same, as well as imaging system using the same - Google Patents

Imaging device and lens module using the same, as well as imaging system using the same Download PDF

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JP2016133517A
JP2016133517A JP2015005827A JP2015005827A JP2016133517A JP 2016133517 A JP2016133517 A JP 2016133517A JP 2015005827 A JP2015005827 A JP 2015005827A JP 2015005827 A JP2015005827 A JP 2015005827A JP 2016133517 A JP2016133517 A JP 2016133517A
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Japan
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phase modulation
image
modulation element
imaging
phase
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JP2015005827A
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Japanese (ja)
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太田 光彦
Mitsuhiko Ota
光彦 太田
島野 健
Takeshi Shimano
健 島野
崎田 康一
Koichi Sakida
康一 崎田
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Maxell Ltd
Original Assignee
Hitachi Maxell Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem in which conventionally, when a phase modulation element is applied to a zoom optical system, a proper addition phase cannot be set for each zoom state, and further when using an element of which a phase modulation pattern is variable, it is necessary to electrically route wiring, thus, a size of an imaging system is large, and manufacturing costs are increased because components of a complex configuration are used.SOLUTION: An imaging device having a zoom function is configured such that at least two phase modulation elements with a function making a change of a point image in an optical axis small are provide. Accordingly, the imaging device has the zoom function of a compact and inexpensive configuration, and allows a desired depth-of-focus enlargement effect to be obtained, respectively in at least two zoom states.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ズーム機能を有する撮像装置及びそれを用いたレンズモジュールと撮像システムに関する。   The present invention relates to an imaging apparatus having a zoom function, a lens module using the imaging apparatus, and an imaging system.

本技術分野の背景技術として、例えば米国特許第5,748,371号公報(特許文献1)に記載のものが知られている。特許文献1には、光に位相を付加する位相変調素子を光学系の中に配置して、点像および光学伝達関数(OTF:Optical Transfer Function)について、被写体の合焦位置からある距離の範囲内で通常より変化を小さくする機能、すなわち、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を有すること、そして、位相変調素子で変調したOTFに起因する変調中間画像を信号処理し、位相変調素子による変調分を取り除くことにより再生画像を生成し、その結果として焦点深度を拡大する技術が開示されている。   As a background art in this technical field, for example, one described in US Pat. No. 5,748,371 (Patent Document 1) is known. In Patent Document 1, a phase modulation element that adds a phase to light is arranged in an optical system, and a point image and an optical transfer function (OTF) are within a certain distance range from a focus position of a subject. A phase modulation element having a function of reducing the change in the optical axis direction, that is, a function of reducing a change in the optical axis direction of the point image, and a modulated intermediate image resulting from the OTF modulated by the phase modulation element. A technique is disclosed in which a processed image is generated by removing the amount of modulation by the phase modulation element, and as a result, the depth of focus is expanded.

また、特開2008−268937号公報(特許文献2)には、ズーム機能を有する光学系に上記特許文献1の技術を適用する例が示されている。すなわち、位相変調素子は位相変調のパターンが可変であり、ズーム状態に応じた的確なパターンに切り替える技術が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2008-268937 (Patent Document 2) shows an example in which the technique of Patent Document 1 is applied to an optical system having a zoom function. That is, the phase modulation element has a variable phase modulation pattern, and a technique for switching to an appropriate pattern according to the zoom state is disclosed.

米国特許第5,748,371号公報US Pat. No. 5,748,371 特開2008−268937号公報JP 2008-268937 A

上記特許文献1の技術においては位相変調素子の付加位相を大きくすることにより点像の変化の小さい範囲(略不感範囲)を大きく設定することができる。しかし、略不感範囲を大きくするとそれに従い、点像の変化が相対的に大きくなり再生画像を劣化させてしまうという問題や、信号処理時のノイズ増幅効果が増大し再生画像を劣化させてしまうという問題があり、付加位相が大き過ぎる場合には結果的に焦点深度拡大効果は却って減少してしまう。よって、所望の焦点深度拡大効果を得るためには付加位相を適切に設定する必要がある。しかし、上記特許文献1の技術をそのままズーム光学系に適用すると、ズーム状態毎に適切な付加位相を設定することができないという問題があった。   In the technique of the above-mentioned patent document 1, the range (substantially insensitive range) in which the change of the point image is small can be set large by increasing the additional phase of the phase modulation element. However, if the substantially insensitive range is increased, the change of the point image is relatively increased and the reproduced image is degraded accordingly, and the noise amplification effect at the time of signal processing is increased and the reproduced image is degraded. If there is a problem and the additional phase is too large, the depth-of-focus expansion effect is reduced as a result. Therefore, in order to obtain a desired focal depth expansion effect, it is necessary to set the additional phase appropriately. However, when the technique of Patent Document 1 is applied to a zoom optical system as it is, there is a problem that an appropriate additional phase cannot be set for each zoom state.

また、上記特許文献2のように位相変調パターンが可変である素子を用いると、ズーム状態毎に的確な付加位相を設定することはできるが、電気的な配線の引き回しが必要となり撮像システムのサイズが大きくなるという問題や、複雑な構成の部品を使用するため製造コストが上昇してしまうという問題があった。   In addition, when an element having a variable phase modulation pattern as in Patent Document 2 is used, an accurate additional phase can be set for each zoom state, but electrical wiring must be routed and the size of the imaging system can be set. There is a problem that the manufacturing cost increases because of the use of parts having a complicated configuration.

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ズーム機能を有する撮像装置であって、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けた構成とする。   In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted. The present invention includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. For example, an imaging apparatus having a zoom function, which is a phase modulation element having a function of reducing a change in the optical axis direction of a point image It is set as the structure which provided at least two.

本発明の光学系によれば、小型で安価な構成のズーム機能を有する撮像装置であって、少なくとも2つのズーム状態においてそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。   According to the optical system of the present invention, it is an imaging apparatus having a zoom function with a small and inexpensive configuration, and can obtain a desired depth of focus expansion effect in at least two zoom states.

実施例1の撮像システムの構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of an imaging system according to Embodiment 1. FIG. 実施例1における位相変調素子の形状の例を示す図である。6 is a diagram illustrating an example of a shape of a phase modulation element in Embodiment 1. FIG. 実施例1の光学系の例を示す図である。2 is a diagram illustrating an example of an optical system according to Example 1. FIG. 実施例2における発明の効果を説明するための第一の構成での瞳面上位相を示す図である。It is a figure which shows the phase on a pupil surface in the 1st structure for demonstrating the effect of the invention in Example 2. FIG. 実施例2における第一の構成での焦点深度拡大効果を示す図である。It is a figure which shows the focal depth expansion effect in the 1st structure in Example 2. FIG. 実施例3における発明の効果を説明するための第二の構成での瞳面上位相を示す図である。It is a figure which shows the phase on a pupil surface in the 2nd structure for demonstrating the effect of the invention in Example 3. FIG. 実施例3における第二の構成での焦点深度拡大効果を示す図である。It is a figure which shows the focal depth expansion effect in the 2nd structure in Example 3. FIG.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図1を用いて本実施例の撮像システム全体の構成を説明する。撮像システム101は、光学系10、撮像素子8、画像生成部20、レンズ位置制御部21、画像処理部23、画像補正用変数格納部24、出力部25等を備える。光学系10は、撮像装置であり、第一レンズ群1及び第二レンズ群2、第三レンズ群3、第四レンズ群4、開口5、第一の位相変調素子6を備える。また、第一レンズ群1には第二の位相変調素子7が含まれている。   First, the configuration of the entire imaging system of the present embodiment will be described with reference to FIG. The imaging system 101 includes an optical system 10, an imaging element 8, an image generation unit 20, a lens position control unit 21, an image processing unit 23, an image correction variable storage unit 24, an output unit 25, and the like. The optical system 10 is an imaging device, and includes a first lens group 1, a second lens group 2, a third lens group 3, a fourth lens group 4, an aperture 5, and a first phase modulation element 6. The first lens group 1 includes a second phase modulation element 7.

第二レンズ群2および第4レンズ群4は可動式であり、第二レンズ群2はズームレンズとして機能し、第四レンズ群4はフォーカスレンズとして機能する。第二および第四レンズ群の位置はレンズ位置制御部21からの信号により制御される。レンズ位置制御部21はレンズ位置決定部22からの入力信号によりレンズ位置を制御する。なお、レンズ位置決定部22はユーザ入力を元にレンズ位置を決定してもよいし、オートフォーカス機能のように自動的にレンズの最適位置を算出する手段によってレンズ位置を決定してもよい。   The second lens group 2 and the fourth lens group 4 are movable, the second lens group 2 functions as a zoom lens, and the fourth lens group 4 functions as a focus lens. The positions of the second and fourth lens groups are controlled by a signal from the lens position control unit 21. The lens position control unit 21 controls the lens position based on an input signal from the lens position determination unit 22. The lens position determination unit 22 may determine the lens position based on user input, or may determine the lens position by means for automatically calculating the optimum lens position, such as an autofocus function.

被写体から発して光学系10に入射した光束は、光学系10の機能により、撮像素子8の面上に被写体像を結像する。このとき第一の位相変調素子6および第二の位相変調素子7の効果により被写体像にはボケが発生する。なお、光学系10(撮像装置)と撮像素子8が一体となった構成をレンズモジュールと呼ぶ。   The light beam emitted from the subject and incident on the optical system 10 forms a subject image on the surface of the image sensor 8 by the function of the optical system 10. At this time, the subject image is blurred due to the effects of the first phase modulation element 6 and the second phase modulation element 7. A configuration in which the optical system 10 (imaging device) and the imaging element 8 are integrated is referred to as a lens module.

撮像素子8はその面上に複数の画素を有している。この撮像素子8の面上に結像された被写体像は、撮像素子8により画素ごとにアナログ信号に変換され、更に画像生成部20によりデジタル信号に変換されて被写体像に対応した画像データが生成される。   The image sensor 8 has a plurality of pixels on its surface. The subject image formed on the surface of the image sensor 8 is converted into an analog signal for each pixel by the image sensor 8 and further converted into a digital signal by the image generation unit 20 to generate image data corresponding to the subject image. Is done.

画像処理部23は画像データを受け取り、第一の位相変調素子6および第二の位相変調素子7の位相変調に起因する被写体像のボケを除去するための補正処理を施す。このように、あえてボケを施すことにより、焦点深度を拡大し、例えば、撮像素子の位置調整精度の緩和等の効果がある。   The image processing unit 23 receives the image data, and performs a correction process for removing the blur of the subject image caused by the phase modulation of the first phase modulation element 6 and the second phase modulation element 7. In this way, deliberately blurring increases the depth of focus, and has an effect of, for example, relaxing the position adjustment accuracy of the image sensor.

上記補正処理の方法は、光学系10のOTFの逆フィルタを用い、画像に補正処理を施す方法でよい。OTFの逆フィルタの情報は画像補正用変数格納部24に格納されている。但し、光学系10のOTFが第二レンズ群2および第四レンズ群4の位置により異なる場合には、画像処理部はレンズ位置の情報を元に、画像補正用変数格納部24に格納された複数の補正用変数の組から適切な補正用変数の組を選択し、選択した補正用変数の組により画像に補正処理を施す。レンズ位置の情報は、レンズ位置決定部22から画像処理部23に供給される。補正後の画像は出力部25に供給されてよい。   The correction processing method may be a method of performing correction processing on an image using an OTF inverse filter of the optical system 10. Information on the inverse filter of the OTF is stored in the image correction variable storage unit 24. However, when the OTF of the optical system 10 differs depending on the positions of the second lens group 2 and the fourth lens group 4, the image processing unit is stored in the image correction variable storage unit 24 based on the lens position information. An appropriate correction variable group is selected from a plurality of correction variable groups, and the image is corrected using the selected correction variable group. Information on the lens position is supplied from the lens position determination unit 22 to the image processing unit 23. The corrected image may be supplied to the output unit 25.

次に、図2を用いて本実施例における第一の位相変調素子、第二の位相変調素子の形状について説明する。第一の位相変調素子、第二の位相変調素子は点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有しておればよく、例えば三次関数の成分を有する面形状でもよく、複数の輪帯から構成される面形状でもよく、あるいは他の方法でもよい。   Next, the shapes of the first phase modulation element and the second phase modulation element in this embodiment will be described with reference to FIG. The first phase modulation element and the second phase modulation element need only have a function of reducing the change in the optical axis direction of the point image. For example, the first phase modulation element and the second phase modulation element may have a surface shape having a cubic function component, and a plurality of annular zones. The surface shape may be constituted by other methods.

図2(A-1)(A-2)は三次関数の成分を有する面形状の例を示している。(A-1)は位相変調素子の面形状を光軸方向から見た図であり、内部の線は等高線を示している。位相変調素子の開口部は矩形である。(A-2)は、(A-1)におけるx方向の断面での付加位相を表している。付加位相の形状は位相変調素子の形状に対応した三次関数の成分を有している。また、開口部の両端での位相変化の大きさは±αで表される。   FIGS. 2A-1 and 2A-2 show examples of surface shapes having a cubic function component. (A-1) is the figure which looked at the surface shape of the phase modulation element from the optical axis direction, and the internal line has shown the contour line. The opening of the phase modulation element is rectangular. (A-2) represents an additional phase in the cross section in the x direction in (A-1). The shape of the additional phase has a cubic function component corresponding to the shape of the phase modulation element. The magnitude of the phase change at both ends of the opening is expressed by ± α.

図2(B-1)(B-2)は複数の輪帯から構成される面形状の例を示している。(B-1)は位相変調素子の面形状を光軸方向から見た図であり、内部の線は輪帯の境界線を表している。なお、(B-1)は輪帯数4の場合を示しているが必ずしも輪帯数が4である必要はない。各輪帯は略放物線の断面形状をしている。(B-2)は、(B-1)におけるr方向の断面での付加位相を表している。付加位相は各輪帯の形状に対応した略放物線形状である。なお、図中各輪帯による付加位相の高さを同一の高さで示しているが、必ずしも同一の高さである必要はない。また、図2(B-1)(B-2)で各輪帯を等幅で示しているが、必ずしも等幅である必要はない。   FIGS. 2B-1 and 2B-2 show examples of the surface shape composed of a plurality of annular zones. (B-1) is a view of the surface shape of the phase modulation element viewed from the optical axis direction, and the internal line represents the boundary line of the annular zone. Note that (B-1) shows the case where the number of annular zones is 4, but the number of annular zones is not necessarily four. Each annular zone has a substantially parabolic cross-sectional shape. (B-2) represents an additional phase in the cross section in the r direction in (B-1). The additional phase has a substantially parabolic shape corresponding to the shape of each annular zone. In addition, although the height of the additional phase by each ring zone is shown with the same height in the figure, it does not necessarily need to be the same height. Moreover, although each ring zone is shown by equal width in FIG. 2 (B-1) (B-2), it does not necessarily need to be equal width.

次に、図3を用いて本実施例においてズーム状態毎に第一の位相変調素子、第二の位相変調素子が光束に対してどのように機能するかについて説明する。   Next, how the first phase modulation element and the second phase modulation element function with respect to the light beam in each zoom state in this embodiment will be described with reference to FIG.

図3(A)は望遠端での光線図であり、f=136.1mm、F#=4.78である。また、第一レンズ群1は、第一レンズ1-1から第四レンズまでの符号1-1、1-2、1-3、1-4で示すレンズで構成されており、第二レンズ1-2が他のレンズに比べて、そのレンズ径が小さいとする。この時、光軸に平行に入射する光束は、第一レンズ群1内の第二レンズ1-2により大きさを制限され、開口5においては制限を受けずその中央部だけを通過する。よって、第一レンズ群1内の第二レンズ1-2の近傍に配置されている第二の位相変調素子7により比較的大きな位相付加を受け、開口5の近傍に配置されている第一の位相変調素子6によっては比較的小さな位相付加しか受けない。   FIG. 3A is a ray diagram at the telephoto end, where f = 136.1 mm and F # = 4.78. The first lens group 1 includes lenses indicated by reference numerals 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 from the first lens 1-1 to the fourth lens. -2 assumes that the lens diameter is smaller than other lenses. At this time, the light beam incident in parallel to the optical axis is limited in size by the second lens 1-2 in the first lens group 1 and passes through only the central portion of the aperture 5 without being limited. Therefore, the second phase modulation element 7 disposed in the vicinity of the second lens 1-2 in the first lens group 1 is subjected to a relatively large phase addition, and the first phase disposed in the vicinity of the opening 5. Some phase modulation elements 6 receive only a relatively small phase addition.

図3(B)は広角端での光線図であり、f=4.50mm、F#=1.46である。この時光軸に平行に入射する光束は開口5により大きさを制限され、第一レンズ群1においては制限を受けずその一部の領域だけを通過する。よって、開口5の近傍に配置されている第一の位相変調素子6により比較的大きな位相付加を受け、第二の位相変調素子7によっては比較的小さな位相付加しか受けない。   FIG. 3B is a ray diagram at the wide-angle end, where f = 4.50 mm and F # = 1.46. At this time, the light beam incident in parallel to the optical axis is limited in size by the aperture 5, and is not limited in the first lens group 1 and passes through only a part of the region. Therefore, the first phase modulation element 6 disposed in the vicinity of the opening 5 receives a relatively large phase addition, and the second phase modulation element 7 receives only a relatively small phase addition.

以上のように本実施例は、ズーム機能を有する撮像装置であって、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けた構成とする。   As described above, the present embodiment is an image pickup apparatus having a zoom function, and has a configuration in which at least two phase modulation elements having a function of reducing a change in the optical axis direction of a point image are provided.

また、位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを広角端において制限する部品(本実施例では開口5)の近傍に配置されている構成とする。   Further, one of the phase modulation elements is arranged in the vicinity of a component (the opening 5 in this embodiment) that restricts the size of a light beam incident parallel to the optical axis at the wide angle end.

また、位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを望遠端において制限する部品(本実施例では第一レンズ群1内の第二レンズ1-2)の近傍に配置されている構成とする。   In addition, one of the phase modulation elements is disposed in the vicinity of a component (in this embodiment, the second lens 1-2 in the first lens group 1) that limits the size of the light beam incident parallel to the optical axis at the telephoto end. The configuration is as follows.

よって、本実施例によれば、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端での付加位相に殆ど影響を与えることなく、望遠端での付加位相を変化させることができる。つまり広角端での付加位相は第一の位相変調素子の面形状により適切に設定することが可能であり、望遠端での付加位相は第二の位相変調素子の面形状により適切に設定することが可能である。これによって広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, by arranging the second phase modulation element in addition to the first phase modulation element, the additional phase at the telephoto end is hardly affected by the additional phase at the wide angle end. Can be changed. In other words, the additional phase at the wide-angle end can be appropriately set according to the surface shape of the first phase modulation element, and the additional phase at the telephoto end should be appropriately set according to the surface shape of the second phase modulation element. Is possible. As a result, a desired focal depth expansion effect can be obtained at the wide-angle end and the telephoto end, respectively.

なお、位相変調素子は、ガラスやプラスチック等の部材であらかじめ作り込むので、電気的な制御は不要であり、電気的な配線の引き回しが必要となり撮像システムのサイズが大きくなるという問題もなく、また、複雑な構成の部品を使用するために製造コストが上昇してしまうという問題も解消される。   Since the phase modulation element is made in advance with a member such as glass or plastic, there is no need for electrical control, and there is no problem that the size of the imaging system is increased because it is necessary to route electrical wiring. In addition, the problem that the manufacturing cost increases due to the use of parts having complicated structures is also solved.

よって、本実施例によれば、小型で安価な構成のズーム機能を有する撮像装置であって、少なくとも2つのズーム状態においてそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the image pickup apparatus having a zoom function with a small and inexpensive configuration can obtain a desired depth of focus expansion effect in at least two zoom states.

本実施例は、図3に示す光学系において第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに図2(A-1)に示す三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子を適用した第一の構成での瞳面上位相及び焦点深度拡大効果のシミュレーション結果について説明する。   In this embodiment, the surface-shaped phase modulation element having the cubic function component shown in FIG. 2A-1 is applied to both the first phase modulation element and the second phase modulation element in the optical system shown in FIG. A simulation result of the phase on the pupil plane and the depth of focus expansion effect in the first configuration will be described.

第一の位相変調素子はα=7.3λ、第二の位相変調素子はα=1.8λである(λ=560nm)。図4はズーム状態毎の瞳座標での位相のシミュレーション結果である。図4(A)(B)において、破線aは光学系に第一の位相変調素子のみを配置した場合、実線bは第一の位相変調素子と第二の位相変調素子の両方を配置した場合を示している。図4(A)によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより付加位相を大きくすることができることが分かる。一方、図4(B)によると、広角端では第二の位相変調素子を配置しても付加位相は殆ど変わらないことが分かる。   The first phase modulation element is α = 7.3λ, and the second phase modulation element is α = 1.8λ (λ = 560 nm). FIG. 4 is a simulation result of the phase at the pupil coordinates for each zoom state. 4A and 4B, the broken line a indicates the case where only the first phase modulation element is disposed in the optical system, and the solid line b indicates the case where both the first phase modulation element and the second phase modulation element are disposed. Is shown. FIG. 4A shows that the additional phase can be increased by disposing the second phase modulation element at the telephoto end. On the other hand, according to FIG. 4B, it can be seen that the additional phase hardly changes even when the second phase modulation element is arranged at the wide angle end.

図5は焦点深度のシミュレーション結果を示している。画像の品質の評価にはPSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)を使用した。入力画像は女性モデル(Lena)の画像とし、再生画像に劣化があってもPSNRが35dB以上となる合焦位置からのずれ(defocus)の範囲を焦点深度とした。また、センサピッチは7.5μm、センサの量子化bitは12bitとした。参考のため同じ光学系で位相変調素子を配置しない場合(通常系)の画像のPSNRも示した。通常系ではdefocusに伴い点像がぼけ、出力画像が劣化するが、同様にPSNRが35dB以上となるdefocusの範囲を焦点深度とした。図中DOF(N)と記した範囲が通常系の焦点深度である。また光学系に第一の位相変調素子のみを配置した状態での再生画像のプロットを破線a、その状態での焦点深度をDOF(a)、第一の位相変調素子と第二の位相変調素子の両方を配置した状態での再生画像のプロットを実線b、その状態での焦点深度をDOF(b)として表している。図5(A) によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより第一の位相変調素子だけを配置した状態に比べて焦点深度の拡大効果を大きく設定できることが分かる。一方、図5(B)によると、広角端では第二の位相変調素子を配置しても焦点深度拡大効果は殆ど変わらないことが分かる。   FIG. 5 shows a simulation result of the depth of focus. PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) was used for evaluation of image quality. The input image was an image of a female model (Lena), and the range of defocus from the in-focus position where the PSNR was 35 dB or more even when the reproduced image was degraded was defined as the depth of focus. The sensor pitch was 7.5 μm, and the quantization bit of the sensor was 12 bits. For reference, the PSNR of an image when no phase modulation element is arranged in the same optical system (normal system) is also shown. In the normal system, the point image becomes blurred and the output image deteriorates with defocus. Similarly, the range of defocus where the PSNR is 35 dB or more is set as the focal depth. The range indicated as DOF (N) in the figure is the focal depth of the normal system. Further, a plot of the reproduced image in a state where only the first phase modulation element is arranged in the optical system is a broken line a, the depth of focus in that state is DOF (a), the first phase modulation element and the second phase modulation element A plot of the reproduced image in a state where both of these are arranged is shown as a solid line b, and the depth of focus in that state is shown as DOF (b). According to FIG. 5A, it can be seen that the focal depth expansion effect can be set larger by disposing the second phase modulation element at the telephoto end than when only the first phase modulation element is disposed. On the other hand, according to FIG. 5B, it can be seen that, at the wide-angle end, the focal depth expansion effect is hardly changed even when the second phase modulation element is arranged.

よって、本実施例によれば、実施例1と同様に、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, by arranging the second phase modulation element in addition to the first phase modulation element, the desired focal depth expansion effect at the wide-angle end and the telephoto end, respectively. Can be obtained.

本実施例は、図3に示す光学系において第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに図2(B-1)に示す複数の輪帯から構成される面形状の位相変調素子を適用した第二の構成での瞳面上位相及び焦点深度拡大効果のシミュレーション結果について説明する。   In the present embodiment, the surface-shaped phase modulation element constituted by a plurality of annular zones shown in FIG. 2 (B-1) is used for both the first phase modulation element and the second phase modulation element in the optical system shown in FIG. A simulation result of the phase on the pupil plane and the depth of focus expansion effect in the applied second configuration will be described.

第一の位相変調素子は輪帯数4であり、4輪帯ともh=2.5λ、第二の位相変調素子は輪帯数2であり、2輪帯ともh=5λである(λ=560nm)。第一の位相変調素子、第二の位相変調素子とも各輪帯は等幅に設定している。図6、7におけるa、b、DOF(N)、DOF(a)、DOF(b)などの記号は図4、5と同様なので説明を省略する。また焦点深度の定義、センサの設定は同一の条件である。   The first phase modulation element has four ring zones, h = 2.5λ for all four ring zones, the second phase modulation element has two ring zones, and h = 5λ for both ring zones (λ = 560 nm). ). In each of the first phase modulation element and the second phase modulation element, each annular zone is set to have an equal width. Symbols such as a, b, DOF (N), DOF (a), and DOF (b) in FIGS. 6 and 7 are the same as those in FIGS. The definition of the depth of focus and the sensor setting are the same conditions.

図6はズーム状態毎の瞳座標での位相のシミュレーション結果である。図6(A)によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより付加位相を大きくすることができることが分かる。一方、図6(B)によると、広角端では第二の位相変調素子を配置することによる付加位相の変化は比較的小さいことが分かる。   FIG. 6 is a simulation result of the phase at the pupil coordinates for each zoom state. 6A shows that the additional phase can be increased by disposing the second phase modulation element at the telephoto end. On the other hand, according to FIG. 6B, it can be seen that the change in the additional phase due to the arrangement of the second phase modulation element is relatively small at the wide angle end.

図7は焦点深度のシミュレーション結果を示している。図7(A) によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより第一の位相変調素子だけを配置した状態に比べて焦点深度の拡大効果を大きく設定できることが分かる。一方、図7(B)によると、広角端では第二の位相変調素子を配置することにより焦点深度拡大効果は僅かに減少するものの殆ど変わらないことが分かる。   FIG. 7 shows a simulation result of the depth of focus. According to FIG. 7A, it can be seen that the effect of expanding the depth of focus can be set larger by disposing the second phase modulation element at the telephoto end than when only the first phase modulation element is disposed. On the other hand, according to FIG. 7B, it can be seen that, at the wide-angle end, the effect of extending the depth of focus is slightly reduced by disposing the second phase modulation element, but hardly changes.

以上説明したように、本実施例によれば、実施例2と同様に、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, similarly to the second embodiment, by arranging the second phase modulation element in addition to the first phase modulation element, the desired values can be obtained at the wide-angle end and the telephoto end, respectively. A depth of focus expansion effect can be obtained.

なお、実施例2では、第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子を適用した例、実施例3では、第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに輪帯構造からなる位相変調素子を適用した例について説明したが、この組み合わせに限ることなく、例えば第一の位相変調素子が三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子であり、第二の位相変調素子が輪帯構造からなる位相変調素子であっても良いし、その逆の組み合わせであっても良い。   In Example 2, an example in which a surface-shaped phase modulation element having a cubic function component is applied to both the first phase modulation element and the second phase modulation element, and in Example 3, the first phase modulation element, The example in which the phase modulation element having the annular zone structure is applied to the second phase modulation element has been described. However, the present invention is not limited to this combination. For example, the first phase modulation element has a surface-shaped phase modulation having a cubic function component. It is an element, and the second phase modulation element may be a phase modulation element having an annular structure, or may be a reverse combination.

また、以上の実施例では位相変調素子を2つ用いた例について説明したが、これに限定されず、例えば、3つ用いても良い。具体的には、固定されていないレンズ群の近傍、つまり、図3における第二レンズ群2、に第三の位相変調素子を設けることにより、さらに焦点深度拡大効果の設定の自由度向上を図ることもできる。   Moreover, although the example which used two phase modulation elements was demonstrated in the above Example, it is not limited to this, For example, you may use three. Specifically, by providing a third phase modulation element in the vicinity of the lens group that is not fixed, that is, the second lens group 2 in FIG. 3, the degree of freedom in setting the focal depth expansion effect is further improved. You can also.

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

1…第一レンズ群
2…第二レンズ群
3…第三レンズ群
4…第四レンズ群
5…開口
6…第一の位相変調素子
7…第二の位相変調素子
8…撮像素子
10…光学系
20…画像生成部
21…レンズ位置制御部
22…レンズ位置決定部
23…画像処理部
24…画像補正用変数格納部
25…出力部
101…撮像システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st lens group 2 ... 2nd lens group 3 ... 3rd lens group 4 ... 4th lens group 5 ... Aperture 6 ... 1st phase modulation element 7 ... 2nd phase modulation element 8 ... Imaging element 10 ... Optical System 20 ... Image generation unit 21 ... Lens position control unit 22 ... Lens position determination unit 23 ... Image processing unit 24 ... Image correction variable storage unit 25 ... Output unit 101 ... Imaging system

Claims (8)

ズーム機能を有する撮像装置であって、
点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けたことを特徴とする撮像装置。
An imaging device having a zoom function,
An imaging apparatus comprising at least two phase modulation elements having a function of reducing a change in the optical axis direction of a point image.
請求項1に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを広角端において制限する部品の近傍に配置されていることを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
One of the phase modulation elements is disposed in the vicinity of a component that restricts the size of a light beam incident parallel to the optical axis at the wide-angle end.
請求項1または2のいずれか1項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを望遠端において制限する部品の近傍に配置されていることを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 and 2,
One of the phase modulation elements is disposed in the vicinity of a component that restricts the size of a light beam incident parallel to the optical axis at the telephoto end.
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の少なくとも一つが三次関数の成分を有する面形状であることを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
At least one of the phase modulation elements has a surface shape having a cubic function component.
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の少なくとも一つが輪帯構造からなる面形状であることを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An image pickup apparatus, wherein at least one of the phase modulation elements has a surface shape having an annular structure.
請求項1から5のいずれか1項に記載の撮像装置と撮像素子が一体となったことを特徴とするレンズモジュール。   6. A lens module, wherein the imaging device according to claim 1 and an imaging element are integrated. 請求項1から5のいずれか1項に記載の撮像装置からの被写体像をアナログ信号に変換する撮像素子と、
該撮像素子からのアナログ信号をデジタル信号に変換して前記被写体像に対応した画像データを生成する画像生成部と、
前記画像生成部からの画像データの信号処理を行う信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
An imaging device that converts a subject image from the imaging device according to any one of claims 1 to 5 into an analog signal;
An image generation unit that converts an analog signal from the image sensor into a digital signal and generates image data corresponding to the subject image;
An imaging system comprising: a signal processing unit that performs signal processing of image data from the image generation unit.
請求項7に記載の撮像システムであって、
前記信号処理部は、前記位相変調素子の位相変調に起因する被写体像のボケを除去するための補正処理を行うことを特徴とする撮像システム。
The imaging system according to claim 7,
The image processing system, wherein the signal processing unit performs a correction process for removing blur of a subject image caused by phase modulation of the phase modulation element.
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