JP2016218285A - レンズユニットおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光位相変調素子に設けた絞り膜での反射に起因するゴースト像の発生を抑制する。【解決手段】レンズユニットは、被写体からの光を撮像素子に結像させる、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系と、結像光学系の光路中に配置され、該結像光学系を通る光の位相を変える光位相変調素子１２と、光位相変調素子１２の被写体側または撮像素子側の面に設けられ、該光位相変調素子１２への入射光または該光位相変調素子１２からの出射光を絞る、基準値以上の反射率を有する絞り膜１３と、光位相変調素子１２の撮像素子側、または光位相変調素子１２よりも撮像素子側に設けられ、撮像素子側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光部材１５と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、レンズユニットおよび撮像装置に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの画像センサを撮像素子として備える撮像装置において、画像処理を前提として光学系を設計し、光学系で得られた画像を画像処理により復元させてシステムを最適化する手法がある。この手法を用いることにより、通常の光学系では実現できない様々な効果を実現することが可能となる。

このような撮像装置の一例として、波面コード化（ＷＦＣ：Wavefront Coding）法により被写界深度が拡大されたＥＤｏＦ（Expanded Depth of Field）画像を出力する撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の撮像装置は、結像光学系の絞り位置近傍に配置された光位相変調素子を備える。光位相変調素子は、結像光学系を通る光に球面収差を与えて光の位相を変調し、結像光学系による結像特性を変化させる。具体的には、撮像素子の像面における点像分布関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）を２画素以上に跨るように拡散させる。そして、撮像装置は、撮像素子から出力された画像データに対し、光位相変調素子による変調を復元する処理、つまり、拡散されたＰＳＦを復元する処理を行うことによりＥＤｏＦ画像を生成し、出力する。この特許文献１に記載の撮像装置における絞りは、光位相変調素子とは別体として構成される一般的な絞り機構（いわゆるメカ絞り）である。このようなメカ絞りでは一般的なサテン加工などの加工を施し、反射率を低い値（１％未満）に抑制することが容易に行える。

本発明では、光位相変調素子に絞りとして機能する絞り膜を設ける構成を採用した。この絞り膜は、メカ絞りと異なり、光位相変調素子に一体的に形成される。このような絞り膜を採用した場合、メカ絞りの場合に可能であった反射率を低く抑制するサテン加工などの加工を施すことが極めて困難である。

このような絞り膜を用いた構成の撮像装置により得られるＥＤｏＦ画像の品質について、被写体の種類を変えながら様々な評価・検討を行ったところ、特に光沢素材や光源などを被写体とした場合に、メカ絞りを用いた構成では確認されなかったゴースト像がＥＤｏＦ画像に写りこむ場合があることが分かった。これは、絞り膜の反射率が一般的なメカ絞りの反射率よりも高いため、結像光学系に強い光が入射した場合に、絞り膜で反射した光が迷光となって撮像素子に入射することによるものである。ゴースト像が写りこんだＥＤｏＦ画像は品質が低下した画像となるため、ゴースト像の発生を抑制することが求められる。

上述した課題を解決するために、本発明は、被写体と撮像素子との間に配置されるレンズユニットであって、前記被写体からの光を前記撮像素子に結像させる、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系と、前記結像光学系の光路中に配置され、該結像光学系を通る光の位相を変える光位相変調素子と、前記光位相変調素子の前記被写体側または前記撮像素子側の面に設けられ、該光位相変調素子への入射光または該光位相変調素子からの出射光を絞る、基準値以上の反射率を有する絞り膜と、前記光位相変調素子の前記撮像素子側、または前記光位相変調素子よりも前記撮像素子側に設けられ、前記撮像素子側から前記絞り膜へ入射する迷光、または前記絞り膜から前記撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光手段と、を備える。

本発明によれば、絞り膜での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

図１は、撮像装置のハードウェア構成例を示す図である。 図２は、光位相変調素子の光学面の形状の一例を示す図である。 図３は、光位相変調素子周りのレイアウトの一例を示す図である。 図４は、ゴースト像が発生する原理を説明する図である。 図５は、遮光部材の遮光効果を説明する図である。 図６は、被写界深度拡大系のレンズ特性の具体例を示す図である。 図７は、図６に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いた場合のＭＤ曲線を、光位相変調素子が設けられていない通常の結像光学系を用いた場合のＭＤ曲線と対比して示す図である。 図８は、遮光部材が設けられていない場合の画像例を示す図である。 図９は、遮光部材が設けられている場合の画像例を示す図である。 図１０は、被写界深度拡大系のレンズ特性の他の具体例を示す図である。 図１１は、図１０に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いた場合のＭＤ曲線を、光位相変調素子が設けられていない通常の結像光学系を用いた場合のＭＤ曲線と対比して示す図である。 図１２は、遮光部材が設けられていない場合の画像例を示す図である。 図１３は、遮光部材が設けられている場合の画像例を示す図である。 図１４は、光位相変調素子周りのレイアウトの他の例を示す図である。 図１５は、光位相変調素子周りのレイアウトの他の例を示す図である。 図１６は、光位相変調素子周りのレイアウトの他の例を示す図である。 図１７は、光位相変調素子周りのレイアウトの他の例を示す図である。 図１８は、遮光部材に保持部材としての機能を持たせた例を示す図である。 図１９は、光位相変調素子の出射面に粗し面を形成して遮光手段とした例を示す図である。 図２０は、撮像装置の変形例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係るレンズユニットおよび撮像装置の実施形態について詳しく説明する。本実施形態の撮像装置は、ＷＦＣ法により被写界深度が拡大されたＥＤｏＦ画像を出力する撮像装置である。本実施形態のレンズユニットは、この撮像装置の光学系として用いられる。レンズユニットの結像光学系の絞り位置近傍には光位相変調素子が配置され、この光位相変調素子に絞り膜が設けられている。そして、この絞り膜により光位相変調素子への入射光または光位相変調素子からの出射光を絞ることにより、結像光学系のＦ値が所望の値となるように構成されている。また、絞り膜での反射に起因するゴースト像の発生を抑制するために、撮像素子側から絞り膜へと入射する迷光、または絞り膜から撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光手段が設けられている。

図１は、本実施形態の撮像装置１００のハードウェア構成例を示す図である。この撮像装置１００は、本体部２０と、本体部２０に対して着脱可能に構成されたレンズユニット１０とを備える。なお、撮像装置１００は、レンズユニット１０と本体部２０とが一体化された構成であってもよい。

本体部２０は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの画像センサを用いた撮像素子２１と、撮像素子２１から出力される画像データに対して復元処理を行って被写界深度が拡大されたＥＤｏＦ画像を生成し出力する画像処理装置２２とを備える。撮像素子２１は、被写体からの光を光電変換して受光量に応じたアナログ信号を出力する受光素子アレイのほか、受光素子アレイから出力されるアナログ信号に対してゲイン調整やＡＤ変換などのＡＦＥ（Analog Front End）処理を行って画像データを出力するＡＦＥ回路なども含む。

画像処理装置２２は、撮像素子２１から出力される画像データ（以下、「中間画像」という。）に対し、後述の光位相変調素子１２による変調を復元する復元処理、つまり光位相変調素子１２により拡散されたＰＦＳを復元する処理を行って、被写界深度が拡大されたＥＤｏＦ画像を生成する。この画像処理装置２２による復元処理は、例えば、中間画像に対してデコンボリューション（逆畳み込み演算）・フィルタをかけるフィルタ処理として実現される。光位相変調素子１２による位相の変調により、ＰＳＦが焦点はずれ量に依存しない中間画像が撮像素子２１から出力される。したがって、画像処理装置２２は、この中間画像に対して、光位相変調素子１２による変調に対応する１つのデコンボリュ―ション・フィルタを用いたフィルタ処理を行うことにより、ＥＤｏＦ画像を生成することができる。なお、この種の復元処理は公知技術であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

画像処理装置２２は、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの専用ハードウェア（集積回路）を用いた構成とすることができる。この場合、画像処理装置２２により実行される復元処理は、専用のハードウェアを用いたハードウェア処理となる。また、画像処理装置２２は、ＣＰＵなどのプロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリを備える通常のコンピュータシステムをハードウェアとして用いた構成とすることもできる。この場合、画像処理装置２２により実行される復元処理は、コンピュータシステム上で実行されるソフトウェア処理となる。

レンズユニット１０は、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系１１と、この結像光学系１１の光路中に配置された光位相変調素子１２と、を備える。光位相変調素子１２周りに配置される各部材については、図３を用いて後述する。

結像光学系１１は、被写体Ｏｂからの光を撮像素子２１に結像させる光学系である。本実施形態では、例えば、バーコード、２次元コードなどのコード情報や各種文字列など、情報を正しく認識するためにピントの合った画像を撮影することが求められる対象を被写体Ｏｂとすることを想定している。本実施形態の撮像装置１００は、被写界深度が拡大されたＥＤｏＦ画像を出力するので、撮像装置１００から被写体Ｏｂまでの距離が多少変動したとしても、あるいは、被写体Ｏｂが撮像装置１００に対して斜めの状態で撮影が行われたとしても、被写体Ｏｂにピントの合った画像を得ることができる。

光位相変調素子１２は、結像光学系１１の光路中の絞り位置Ｐｄ近傍に配置され、結像光学系１１を通る被写体Ｏｂからの光の位相を変調して結像光学系１１による結像特性を変化させる光学素子である。被写体Ｏｂからの光は、この光位相変調素子１２を通過することで、被写界深度を拡大させるための球面収差が発生し、撮像素子２１の像面におけるＰＳＦが２画素以上に跨るように拡散される。本実施形態のレンズユニット１０は、結像光学系１１の光路中に光位相変調素子１２が設けられることにより、被写体Ｏｂの光学像を収差が乗った状態で撮像素子２１の像面上に結像させる。なお、本実施形態のレンズユニット１０は、光位相変調素子１２を結像光学系１１に対して着脱可能な構成とすることが望ましい。このように構成することで、用途に応じて光位相変調素子１２を交換したり、光位相変調素子１２を用いずに結像光学系１１を通常の結像光学系として利用したりすることが可能となる。

本実施形態のレンズユニット１０では、結像光学系１１の絞り位置Ｐｄ近傍に光位相変調素子１２が配置されているため、この光位相変調素子１２の被写体Ｏｂ側または撮像素子２１側の面に絞りとして機能する絞り膜を設けることで、結像光学系１１のＦ値を所望の値とすることができる。このような絞り膜は、光位相変調素子１２の光学有効部の外周部に直接形成されるため、光位相変調素子１２とは別体として構成される一般的なメカ絞りと比較して、位置決め精度に優れている。

図２は、光位相変調素子１２の光学面の形状の一例を示す図であり、横軸を正規化半径、縦軸を面形状（ザグ量）として、光位相変調素子１２の光学面の具体的な形状例を示している。図中のｄ１は、光位相変調素子１２の光学有効部と同軸に設けられた絞りの位置を表し、図中のｄ２は、光位相変調素子１２の光学有効部と同軸でない（位置ずれが生じている）絞りの位置を表している。図中のｄ２のように、光位相変調素子１２に対する絞りの位置精度が悪い場合には、光位相変調素子１２の光学有効部の周辺形状が蹴られる、あるいは光学有効部外に光が入射するといった不都合が生じ、結果として設計通りの被写界深度拡大特性が得られなくなる。

図２のｄ１のように、光位相変調素子１２に対して位置精度のよい絞りを実現するためには、メカ絞りを用いるよりも上述した絞り膜を用いる方が適している。つまり、光位相変調素子１２に対して直接形成される絞り膜を結像光学系１１の絞りとして用いることにより、絞りと光位相変調素子１２とを高い同軸度とし、優れた被写界深度拡大特性を得ることができる。また、結像光学系１１の絞りとして絞り膜を用いることにより、メカ絞りを設ける必要がなくなるため、部品点数削減によるコストダウンや組み付け性の向上などの利点が得られる。そこで、本実施形態のレンズユニット１０においては、結像光学系１１の絞りとして絞り膜を用いる構成としている。

図３は、本実施形態のレンズユニット１０における光位相変調素子１２周りのレイアウトの一例を示す図である。図３に示すように、光位相変調素子１２の被写体Ｏｂ側の面（以下、「入射面」という）１２ａには、光学有効部の外周部を覆うように形成された絞り膜１３が設けられている。この絞り膜１３は、光位相変調素子１２への入射光を絞る絞りとして機能するものであり、例えば、光位相変調素子１２の入射面１２ａにおける光学有効部の外周部にブラックマトリクス材料を成膜することで形成される。ブラックマトリクス材料としては、クロム系材料によるものや、樹脂系材料によるものなどがある。

光位相変調素子１２に設けられる絞り膜１３は、基準値以上の反射率を有する。ここでの基準値は、一般的なメカ絞りの反射率に基づく値であり、絞り膜１３の反射率は一般的なメカ絞りの反射率よりも高いことを意味する。例えば、樹脂系材料を成膜することで形成される絞り膜１３の反射率は３％であり、一般的なメカ絞りの反射率よりも高い。メカ絞りでは一般的なサテン加工などの加工を施し反射率を１％未満に抑制することは容易であるが、本実施形態のように絞り膜１３を採用した場合、メカ絞りの場合に可能であった反射率を１％未満に抑制するサテン加工などの加工を施すことが極めて困難だからである。なお、絞り膜１３を構成する材料はブラックマトリクス材料に限らない。ただし、本実施形態では、一般的なメカ絞りよりも高い反射率を有する絞り膜１３が光位相変調素子１２に設けられているものとする。

絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２は、例えば図３に示すように、光位相変調素子１２の被写体Ｏｂ側に設けられた保持部材１４ａと、光位相変調素子１２の撮像素子２１側に設けられた保持部材１４ｂとにより、結像光学系１１の光路中に位置決めされた状態で保持される。これら保持部材１４ａ，１４ｂは、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、結像光学系１１に対して着脱可能に保持する。

また、本実施形態のレンズユニット１０では、例えば図３に示すように、光位相変調素子１２の撮像素子２１側の面（以下、「出射面」という）１２ｂ上に、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を遮光する遮光部材１５（遮光手段の一例）が設けられている。遮光部材１５は、例えば光位相変調素子１２の出射面１２ｂの面内で、撮像素子２１側に配置された保持部材１４ｂと並ぶように配置される。この遮光部材１５は、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を抑制するために設けられる。この遮光部材１５としては、例えば、アルミ材の表面に黒アルマイトサテン加工を施したものなどが有効に利用できる。

本願発明者は、結像光学系１１の絞りとして一般的なメカ絞りに代えて上述したような絞り膜１３を用いた場合にＥＤｏＦ画像にどのような影響が現れるかを検討すべく、被写体Ｏｂの種類を変えながら、絞り膜１３を用いた構成の撮像装置１００により撮影を行って、得られたＥＤｏＦ画像の品質に対する評価・検討を行った。その結果、特に光沢素材や光源などを被写体Ｏｂとした場合に、メカ絞りを用いた構成では確認されなかったゴースト像がＥＤｏＦ画像に写りこむ場合があることが分かった。また、本願発明者による検討の結果、このようなゴースト像は、絞り膜１３の反射率が一般的なメカ絞りの反射率よりも高いため、結像光学系１１に強い光が入射した場合に、絞り膜１３で反射した光が迷光となって撮像素子２１に入射することにより発生することが判明した。

このような知見に基づき、本実施形態のレンズユニット１０では、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制し、高品位なＥＤｏＦ画像を得られるようにするために、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１５によって遮光する構成としている。

図４は、絞り膜１３での反射によりゴースト像が発生する原理を説明する図であり、遮光部材１５が設けられていない構成のレンズユニット１０における光路を追跡した様子を示している。なお、ここでは原理説明のため、結像光学系１１の光位相変調素子１２よりも被写体Ｏｂ側のレンズ１１ａおよび撮像素子２１側のレンズ１１ｂを、それぞれ単レンズとして示している。

被写体Ｏｂからの光は、レンズ１１ａ、光位相変調素子１２、およびレンズ１１ｂを順次通過して、撮像素子２１の像面２１ａ上に結像する。このとき、被写体Ｏｂからの光の一部は撮像素子２１のカバーガラス２１ｂなどで反射され、その反射光ｒ１，ｒ２がレンズ１１ｂを通過して光位相変調素子１２に入射する。ここで、光位相変調素子１２に設けられた絞り膜１３の反射率が高いため、撮像素子２１側からの反射光の一部が絞り膜１３によりさらに反射され、その反射光ｒ１１がゴースト光ｇとなって撮像素子２１の像面２１ａに到達する。その結果、撮像素子２１から出力される画像データを用いて生成されるＥＤｏＦ画像にゴースト像が発生する。なお、撮像素子２１側からの反射光のうち、光位相変調素子１２の光学有効部で反射される反射光ｒ２２は、光学有効部の反射率が絞り膜１３の反射率よりも低いため、たとえ撮像素子２１の像面２１ａに到達したとしても、ＥＤｏＦ画像の品質を低下させるようなゴースト像にはならない。

図５は、遮光部材１５による遮光効果を説明する図であり、遮光部材１５を設けた本実施形態のレンズユニット１０における光路を追跡した様子を示している。なお、図５においても図４と同様に、結像光学系１１の光位相変調素子１２よりも被写体Ｏｂ側のレンズ１１ａおよび撮像素子２１側のレンズ１１ｂを、それぞれ単レンズとして示している。

図５に示すように、光位相変調素子１２の撮像素子２１側に遮光部材１５を設けることにより、撮像素子２１のカバーガラス２１ｂなどで反射されて光位相変調素子１２に向かう反射光ｒ１を遮光部材１５により遮光して、絞り膜１３に入射させない構成とすることができる。すなわち、図４の例において撮像素子２１の像面２１ａに到達するゴースト光ｇとなっていた反射光ｒ１１を発生させないように、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する反射光（迷光）ｒ１を遮光部材１５により遮光することができ、ゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

なお、絞り膜１３での反射に起因するゴースト光ｇは、図４に示したように、撮像素子２１の像面２１ａの中央付近に結像する可能性がある。撮像素子２１の像面２１ａの中央付近に結像するゴースト光ｇを遮光するために、遮光部材１５を光位相変調素子１２から撮像素子２１側に離れた位置に配置した場合には、ゴースト光ｇだけでなく正規の光線も遮光してしまい、意図した画像が得られなくなる懸念がある。したがって、遮光部材１５は、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに近い位置に配置することが望ましい。図３の例では、光位相変調素子１２の出射面１２ｂ上に遮光部材１５を配置しているので、ゴースト光ｇではない正規の光線を遮ることなく、光位相変調素子１２に設けた絞り膜１３での反射に起因するゴースト像を有効に抑制することができる。

なお、遮光部材１５は、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに近い位置に配置されればよく、必ずしも図３の例のように、光位相変調素子１２の出射面１２ｂ上に遮光部材１５を配置しなくてもよい。本実施形態のレンズユニット１０における光位相変調素子１２周りのレイアウトのバリエーションについては、詳細を後述する。

ここで、光位相変調素子１２を設けることで所望の被写界深度拡大特性が得られるように構成された結像光学系１１（以下、「被写界深度拡大系」という）の具体例を例示しながら、遮光部材１５を設けることによる効果を実例とともに説明する。

図６は、被写界深度拡大系のレンズ特性の具体例を示す図であり、図７は、図６に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いた場合のＭＤ曲線（４０ｌｐ／ｍｍ）を、光位相変調素子１２が設けられていない通常の結像光学系を用いた場合のＭＤ曲線と対比して示す図である。図６において、ｆは被写界深度拡大系の焦点距離、Ｆｎｏは被写界深度拡大系のＦ値をそれぞれ表している。図７のＭＤ曲線は、画像のコントラストの評価値となるＭＴＦ（Modulation Transfer Function）値を縦軸とし、デフォーカス量を横軸とした座標系で、デフォーカス量とＭＴＦ値との関係を曲線として表したものであり、所望のＭＴＦ値が得られるデフォーカス量の範囲が、被写界深度の深さに対応している。

図７の例では、図６に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いて得られる画像（復元後）のＭＤ曲線を実線で表し、この被写界深度拡大系から光位相変調素子１２を除いた通常の結像光学系を用いて得られる画像のＭＤ曲線を破線で表している。図７に示す２つのＭＤ曲線を比べると、光位相変調素子１２を設けた被写界深度拡大系を用いることにより、通常の結像光学系を用いた場合と比べて被写界深度が拡大されていることが分かる。

図８および図９は、図６に示したレンズ特性を持つ被写界深度拡大系として構成されたレンズユニット１０を用い、光源を被写体として撮影を行った場合に得られたＥＤｏＦ画像の一例を示す図であり、図８は遮光部材１５が設けられていない場合の画像例、図９は遮光部材１５が設けられている場合の画像例をそれぞれ示している。

上述した遮光部材１５が設けられていない場合には、光位相変調素子１２に設けた絞り膜１３に対し撮像素子２１側から入射する光が絞り膜１３で反射し、その反射光が撮像素子２１の像面に到達することで、図８に示すように、ＥＤｏＦ画像にゴースト像が発生する。図８中のＧ１，Ｇ２，Ｇ３が、それぞれ絞り膜１３での反射に起因するゴースト像である。

これに対し、光位相変調素子１２の撮像素子２１側に遮光部材１５を設けた場合には、撮像素子２１側から絞り膜１３に入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光がこの遮光部材１５により遮光される。その結果、図９に示すように、図８の画像例で確認されたゴースト像Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３が写りこんでいないＥＤｏＦ画像を得ることができる。つまり、光位相変調素子１２の撮像素子２１側、または光位相変調素子１２よりも撮像素子２１側に、撮像素子２１側から絞り膜１３に入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を遮光する遮光部材１５を設けることによって、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

図１０は、被写界深度拡大系のレンズ特性の他の具体例を示す図であり、図１１は、図１０に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いた場合のＭＤ曲線（４０ｌｐ／ｍｍ）を、光位相変調素子１２が設けられていない通常の結像光学系を用いた場合のＭＤ曲線と対比して示す図である。図１０において、ｆは被写界深度拡大系の焦点距離、Ｆｎｏは被写界深度拡大系のＦ値をそれぞれ表している。図１１のＭＤ曲線は、図７の例と同様に、画像のコントラストの評価値となるＭＴＦ値を縦軸とし、デフォーカス量を横軸とした座標系で、デフォーカス量とＭＴＦ値との関係を曲線として表したものであり、所望のＭＴＦ値が得られるデフォーカス量の範囲が、被写界深度の深さに対応している。

図１１の例では、図１０に示すレンズ特性を持つ被写界深度拡大系を用いて得られる画像（復元後）のＭＤ曲線を実線で表し、この被写界深度拡大系から光位相変調素子１２を除いた通常の結像光学系を用いて得られる画像のＭＤ曲線を破線で表している。図１１に示す２つのＭＤ曲線を比べると、光位相変調素子１２を設けた被写界深度拡大系を用いることにより、通常の結像光学系を用いた場合と比べて被写界深度が拡大されていることが分かる。

図１２および図１３は、図１０に示したレンズ特性を持つ被写界深度拡大系として構成されたレンズユニット１０を用い、光源を被写体として撮影を行った場合に得られたＥＤｏＦ画像の一例を示す図であり、図１２は遮光部材１５が設けられていない場合の画像例、図１３は遮光部材１５が設けられている場合の画像例をそれぞれ示している。

上述した遮光部材１５が設けられていない場合には、光位相変調素子１２に設けた絞り膜１３に対し撮像素子２１側から入射する光が絞り膜１３で反射し、その反射光が撮像素子２１の像面に到達することで、図１２に示すように、ＥＤｏＦ画像にゴースト像が発生する。図１２中のＧ４，Ｇ５が、それぞれ絞り膜１３での反射に起因するゴースト像である。

これに対し、光位相変調素子１２の撮像素子２１側に遮光部材１５を設けた場合には、撮像素子２１側から絞り膜１３に入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光がこの遮光部材１５により遮光される。その結果、図１３に示すように、図１２の画像例で確認されたゴースト像Ｇ４，Ｇ５が写りこんでいないＥＤｏＦ画像を得ることができる。つまり、光位相変調素子１２の撮像素子２１側、または光位相変調素子１２よりも撮像素子２１側に、撮像素子２１側から絞り膜１３に入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を遮光する遮光部材１５を設けることによって、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態のレンズユニット１０は、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２の撮像素子２１側、または光位相変調素子１２よりも撮像素子２１側に遮光部材１５を設け、この遮光部材１５により、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を遮光するようにしている。したがって、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができ、ゴースト像の写りこみのない高品位なＥＤｏＦ画像を得ることができる。

なお、本実施形態のレンズユニット１０における光位相変調素子１２周りのレイアウトは、図３に示した例に限らず、様々なバリエーションが考えられる。以下では、光位相変調素子１２周りのレイアウトのバリエーションについて、図１４乃至図１７を参照して説明する。図１４乃至図１７は、本実施形態のレンズユニット１０における光位相変調素子１２周りのレイアウトの他の例を示す図である。

図３に示した例では、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、光位相変調素子１２の被写体Ｏｂ側および撮像素子２１側にそれぞれ設けられた保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成としていたが、これに限らない。図１４に示すように、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、被写体Ｏｂ側の保持部材１４ａと撮像素子２１側の保持部材１４ｂとのいずれか一方により保持する構成としてもよい。図１４（ａ）は、撮像素子２１側の保持部材１４ｂにより光位相変調素子１２を保持する構成を示し、図１４（ｂ）は、被写体Ｏｂ側の保持部材１４ａにより光位相変調素子１２を保持する構成を示している。

図１４に示す構成の場合、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２は、例えば、保持部材１４ａまたは保持部材１４ｂに接着され、結像光学系１１の光路中に位置決めされた状態で保持される。また、図１４（ｂ）に示すように、被写体Ｏｂ側の保持部材１４ａにより光位相変調素子１２を保持する構成の場合には、光位相変調素子１２の出射面（撮像素子２１側の面）１２ｂにおいて、保持部材１４ｂが配置されていた領域も覆うように遮光部材１５が設けられる。図１４に示す構成であっても、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１５により遮光することができるので、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

また、図３に示した例では、光位相変調素子１２の入射面（被写体Ｏｂ側の面）１２ａに絞り膜１３を設ける構成としていたが、これに限らない。図１５に示すように、光位相変調素子１２の出射面（撮像素子２１側の面）１２ｂに絞り膜１３を設ける構成としてもよい。図１５（ａ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成を示し、図１５（ｂ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成を示し、図１５（ｃ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａにより保持する構成を示している。

図１５に示す構成の場合、遮光部材１５は、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに設けられた絞り膜１３が露出しないように設けられる。図１５に示す構成であっても、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１５により遮光することができるので、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

また、図３に示した例では、遮光部材１５を、光位相変調素子１２の出射面（撮像素子２１側の面）１２ｂの面内で、撮像素子２１側に配置された保持部材１４ｂと並ぶように配置する構成としていたが、これに限らない。図１６に示すように、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと、撮像素子２１側の保持部材１４ｂとの間に、遮光部材１５を配置する構成としてもよい。図１６（ａ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成において、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと保持部材１４ｂとの間に遮光部材１５を配置した構成を示し、図１６（ｂ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成において、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと保持部材１４ｂとの間に遮光部材１５を配置した構成を示している。また、図１６（ｃ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成において、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと保持部材１４ｂとの間に遮光部材１５を配置した構成を示し、図１６（ｄ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成において、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと保持部材１４ｂとの間に遮光部材１５を配置した構成を示している。

図１６に示す構成の場合、遮光部材１５は、光位相変調素子１２に設けられた絞り膜１３と同等の大きさとされ、光位相変調素子１２の出射面１２ｂと保持部材１４ｂとの間に配置される。図１６に示す構成であっても、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１５により遮光することができるので、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

また、図３に示した例では、遮光部材１５を、光位相変調素子１２の出射面１２ｂ上に設ける構成としていたが、これに限らない。図１７に示すように、撮像素子２１側の保持部材１４ｂよりもさらに撮像素子２１側に、遮光部材１５を配置する構成としてもよい。図１７（ａ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成において、保持部材１４ｂよりも撮像素子２１側に遮光部材１５を配置した構成を示し、図１７（ｂ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成において、保持部材１４ｂよりも撮像素子２１側に遮光部材１５を配置した構成を示している。また、図１７（ｃ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成において、保持部材１４ｂよりも撮像素子２１側に遮光部材１５を配置した構成を示し、図１７（ｄ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成において、保持部材１４ｂよりも撮像素子２１側に遮光部材１５を配置した構成を示している。

図１７に示す構成の場合、遮光部材１５は、光位相変調素子１２に設けられた絞り膜１３と同等の大きさとされ、保持部材１４ｂよりも撮像素子２１側に間に配置される。図１７に示す構成であっても、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１５により遮光することができるので、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。

以上、光位相変調素子１２周りのレイアウトのバリエーションについて説明したが、遮光手段の構成においても様々な変形例が考えられる。例えば、遮光手段として用いる遮光部材１５と光位相変調素子１２を保持する撮像素子２１側の保持部材１４ｂとを１つの部材として構成し、遮光部材１５に保持部材１４ｂとしての機能を持たせるようにしてもよい。

図１８は、遮光部材１５に保持部材１４ｂとしての機能を持たせた例を示す図である。図１８の例では、保持部材１４ｂとしての機能を持つ遮光部材１５を遮光部材１６として示している。図１８（ａ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、被写体Ｏｂ側の保持部材１４ａと遮光部材１６とにより保持する構成を示し、図１８（ｂ）は、入射面１２ａに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、遮光部材１６のみで保持する構成を示している。また、図１８（ｃ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、被写体Ｏｂ側の保持部材１４ａと遮光部材１６とにより保持する構成を示し、図１８（ｄ）は、出射面１２ｂに絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を、遮光部材１６のみにより保持する構成を示している。

図１８の例のように、絞り膜１３が設けられた光位相変調素子１２を遮光部材１６により保持する構成とした場合であっても、撮像素子２１側から絞り膜１３へ入射する迷光、または絞り膜１３から撮像素子２１へ向かう迷光を、遮光部材１６により遮光することができるので、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。また、図１８に示す構成の場合は、遮光部材１６に保持部材としての機能を持たせているため、部品点数の削減や組み付け工数の削減によるコストダウンを図ることができる。

また、上述した実施形態では、遮光手段の一例として、光位相変調素子１２の撮像素子２１側、または光位相変調素子１２よりも撮像素子２１側に設けられた遮光部材１５を例示したが、遮光手段はこれに限らない。例えば、光位相変調素子１２の出射面（撮像素子２１側の面）１２ｂに粗し加工を施すことで形成される粗し面を、遮光手段としてもよい。

図１９は、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに粗し面１７を形成して遮光手段とした例を示す図である。図１９（ａ）は、出射面１２ｂに粗し面１７が形成された光位相変調素子１２を保持部材１４ａ，１４ｂにより保持する構成を示し、図１９（ｂ）は、出射面１２ｂに粗し面１７が形成された光位相変調素子１２を保持部材１４ｂにより保持する構成を示し、図１９（ｃ）は、出射面１２ｂに粗し面１７が形成された光位相変調素子１２を保持部材１４ａにより保持する構成を示している。

図１９に示す構成の場合、図４中ｒ１で示したような撮像素子２１側からの反射光が光位相変調素子１２の出射面１２ｂに形成された粗し面１７に入射すると、この反射光が粗し面１７により拡散されるため、絞り膜１３に入射する光強度は弱くなる。その結果、たとえ入射した光が絞り膜１３により反射され、その反射光が撮像素子２１の像面２１ａに到達したとしても、ＥＤｏＦ画像の画質を損なうようなゴースト像とはならない。また、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに形成された粗し面１７で拡散された光が撮像素子２１の像面２１ａに到達したとしても、粗し面１７での拡散により光強度の集中度が弱められているため、仮に像面２１ａ上で像を形成したとしてもその濃度は低く、ＥＤｏＦ画像の画質を損なうようなゴースト像とはならない。

したがって、図１９の例のように、光位相変調素子１２の出射面１２ｂに粗し面１７を形成して遮光手段とした構成であっても、絞り膜１３での反射に起因するゴースト像の発生を有効に抑制することができる。また、この構成の場合は、遮光部材１５を別途設ける必要がないため、部品点数の削減や組み付け工数の削減によるコストダウンを図ることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や変更を加えて具体化することができる。例えば、上述した実施形態では、撮像素子２１と画像処理装置２２とを備える本体部２０に対して、レンズユニット１０が着脱可能とされた構成の撮像装置１００（図１参照）を例示したが、撮像装置１００の構成はこれに限らない。例えば、図２０に示す撮像装置１００Ａのように、撮像素子２１を含むレンズユニット１０Ａが、画像処理装置２２を備える本体部２０Ａに対して着脱可能とされた構成であってもよい。

１０ レンズユニット
１１ 結像光学系
１１ａ，１１ｂ レンズ
１２ 光位相変調素子
１３ 絞り膜
１４ａ，１４ｂ 保持部材
１５ 遮光部材
１６ 遮光部材
１７ 粗し面
２０ 本体部
２１ 撮像素子
２２ 画像処理装置
１００ 撮像装置

特開２０１２−７４８６１号公報

Claims (11)

1. 被写体と撮像素子との間に配置されるレンズユニットであって、
   前記被写体からの光を前記撮像素子に結像させる、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系と、
   前記結像光学系の光路中に配置され、該結像光学系を通る光の位相を変える光位相変調素子と、
   前記光位相変調素子の前記被写体側または前記撮像素子側の面に設けられ、該光位相変調素子への入射光または該光位相変調素子からの出射光を絞る、基準値以上の反射率を有する絞り膜と、
   前記光位相変調素子の前記撮像素子側、または前記光位相変調素子よりも前記撮像素子側に設けられ、前記撮像素子側から前記絞り膜へ入射する迷光、または前記絞り膜から前記撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光手段と、を備えることを特徴とするレンズユニット。
2. 前記絞り膜は、前記光位相変調素子の前記被写体側または前記撮像素子側の面にブラックマトリクス材料を成膜してなることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
3. 前記遮光手段は、前記光位相変調素子の前記撮像素子側、または前記光位相変調素子よりも前記撮像素子側に配置された遮光部材であることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズユニット。
4. 前記遮光部材は、アルミ材の表面に黒アルマイトサテン加工を施したものであることを特徴とする請求項３に記載のレンズユニット。
5. 前記光位相変調素子の前記被写体側と前記撮像素子側のうち少なくとも前記撮像素子側に配置され、前記光位相変調素子を保持する保持部材をさらに備え、
   前記遮光部材は、前記光位相変調素子の前記撮像素子側の面内で、前記撮像素子側に配置された前記保持部材と並ぶように配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレンズユニット。
6. 前記光位相変調素子の前記被写体側と前記撮像素子側のうち少なくとも前記撮像素子側に配置され、前記光位相変調素子を保持する保持部材をさらに備え、
   前記遮光部材は、前記光位相変調素子の前記撮像素子側の面と、前記撮像素子側に配置された前記保持部材との間に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレンズユニット。
7. 前記光位相変調素子の前記被写体側と前記撮像素子側のうち少なくとも前記撮像素子側に配置され、前記光位相変調素子を保持する保持部材をさらに備え、
   前記遮光部材は、前記撮像素子側に配置された前記保持部材よりも前記撮像素子側に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレンズユニット。
8. 前記遮光部材は、前記光位相変調素子を保持する保持部材としての機能を有することを特徴とする請求項３または４に記載のレンズユニット。
9. 前記遮光手段は、前記光位相変調素子の前記撮像素子側の面に粗し加工を施すことで形成された粗し面であることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズユニット。
10. 撮像素子と、
    被写体からの光を前記撮像素子に結像させる、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系と、
    前記結像光学系の光路中に配置され、該結像光学系を通る光の位相を変える光位相変調素子と、
    前記光位相変調素子の前記被写体側または前記撮像素子側の面に設けられ、該光位相変調素子への入射光または該光位相変調素子からの出射光を絞る、基準値以上の反射率を有する絞り膜と、
    前記光位相変調素子の前記撮像素子側、または前記光位相変調素子よりも前記撮像素子側に設けられ、前記撮像素子側から前記絞り膜へ入射する迷光、または前記絞り膜から前記撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光手段と、を備えることを特徴とするレンズユニット。
11. 撮像素子と、
    被写体からの光を前記撮像素子に結像させる、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系と、
    前記結像光学系の光路中に配置され、該結像光学系を通る光の位相を変える光位相変調素子と、
    前記光位相変調素子の前記被写体側または前記撮像素子側の面に設けられ、該光位相変調素子への入射光または該光位相変調素子からの出射光を絞る、基準値以上の反射率を有する絞り膜と、
    前記光位相変調素子の前記撮像素子側、または前記光位相変調素子よりも前記撮像素子側に設けられ、前記撮像素子側から前記絞り膜へ入射する迷光、または前記絞り膜から前記撮像素子へ向かう迷光を遮光する遮光手段と、
    前記撮像素子から出力される画像に対し前記光位相変調素子による変調を復元する復元処理を行って被写界深度が拡大された画像を生成する画像処理部と、を備えることを特徴とする撮像装置。