光学部件和使用其的摄像装置技术领域
本发明涉及用于扩大景深或扩大焦点深度的光学部件和使用其的摄像装置。
背景技术
作为本技术领域的背景技术，已知有例如美国专利第5,748,371号(专利文献1)中
记载的技术。该专利文献1中公开了如下技术：在光学系统中配置调制光的相位的光学掩
模，令点扩散函数(PSF：Point Spread Function，以下称为“PSF”)从对焦位置起一定距离
范围内大致不变，扩大景深或焦点深度。
上述专利文献1的光学系统中拍摄的图像的清晰度，不仅在偏离对焦位置的位置
劣化，在对焦位置也会劣化，但PSF在对焦位置和偏离对焦位置的位置都大致不变，所以通
过基于上述PSF的信息进行的信号处理，能够消除清晰度劣化，扩大景深。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5,748,371号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上述专利文献1等公开的那样，现有技术的光学相位掩模设计成在与光轴正交
的平面上在纵横彼此正交的方向上调制相位，相对于光轴非旋转对称。但是，由于光学透镜
大多相对于光轴旋转对称，所以上述的非旋转对称相位掩模不仅需要被称为偏芯的轴错
位，而且需要调节旋转方向，存在光学系统整体的设计误差的允许范围减小的问题点。其
中，图11(a)中表示了使用上述现有技术的光学相位掩模(21)的情况的点像概略形状。
对于这些问题，可以考虑如下的轴对称的光学相位掩模：具有多个环带，通过使一
个一个的环带对PSF的贡献成分在光轴方向上均匀化来使PSF整体的光轴方向的分布均匀
化，从而扩大焦点深度。在此，一个环带具有凹或凸的截面形状，以由凹凸的最大值或最小
值构成的圆为界分为内侧和外侧，各自包括具有正或负的斜率的部分。各环带的凹凸顶点
的斜率为0，所以通过顶点的光线组集中到轴上的一点，但通过凹凸部的具有正斜率的部分
的光线，通过比轴上的上述聚光点靠近(远离)像侧的点附近，通过凹凸部的具有负斜率的
部分的光线，通过比上述聚光点远离(靠近)像侧的点附近，能够使PSF在光轴方向上接近均
匀的状态。另外，图11(b)中表示了使用该轴对称的光学相位掩模(21)的情况的点像概略形
状。
但是，实际上，对通过一个环带的内侧和外侧的各自的总光通量进行比较，通过外
侧的总光通量比通过内侧的总光通量多，所以无法在光轴方向上将PSF均匀化，存在无法实
现与轴对称的多数光学透镜匹配良好的轴对称的相位掩模的问题。因此，在使用这样的轴
对称环带相位板的情况下，当像面或摄像物体从对焦位置前后摆动时，由于PSF的轴向的强
度分布，无法取得深的景深或焦点深度的图像。
于是，本发明提供一种能够取得深的景深或焦点深度的图像的光学部件(相位板)
和具有其的摄像装置。
用于解决课题的技术方案
为了达成上述目的，本发明为一种光学部件，其包括由多个同心圆划分出的多个
环带，相对于上述同心圆的中心旋转对称，所述光学部件的特征在于：上述环带的、与垂直
于上述同心圆的方向平行且包含上述中心的面上的截面为凹或凸形状，环带的上述截面的
凹或凸形状相对于上述同心圆的径向的上述环带的宽度的中心线非对称。
另外，本发明为一种摄像装置，其包括光学部件，该光学部件包括由多个同心圆划
分出的多个环带，相对于上述同心圆的中心旋转对称，所述摄像装置的特征在于：包括上述
光学部件，在该光学部件中，上述环带的、与垂直于上述同心圆的方向平行且包含上述中心
的面的截面为凹或凸形状，环带的上述截面的凹或凸形状相对于上述同心圆的径向的上述
环带的宽度的中心线非对称。
发明效果
根据本发明，能够取得深的景深或焦点深度的图像。
附图说明
图1是表示使用本发明的光学部件(相位板)的摄像装置的结构的图。
图2是表示本发明的实施例1的相位板的结构的图。
图3是表示实施例1的变形例(变形例1)的相位板的结构的图。
图4是表示实施例1的变形例(变形例2)的相位板的结构的图。
图5是表示实施例1的变形例(变形例3)的相位板的结构的图。
图6是说明使用本发明的实施例1的相位板的情况下的效果的图。
图7是表示使用本发明的实施例1的相位板的情况下光轴上的光分布的简要的图。
图8是表示使用变形例1的相位板的情况下光轴上的光分布的简要的图。
图9是表示本发明的实施例2的相位板的结构的图。
图10是表示实施例2的变形例(变形例4)的相位板的结构的图。
图11是表示现有技术的非旋转对称的相位板和具有环带的轴对称的相位板的点
像简要形状的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施例1)
图1是说明本实施例的摄像装置的一个结构例的图。
本实施例1的摄像装置100能够适用于例如AV摄像机、装载于便携式电话的摄像
机、装载于便携信息终端的摄像机、图像检查装置、自动控制用工业摄像机等。
被拍摄体1的光学像被光学系统2取入而由摄像元件3拍摄。在此，光学系统2是用
于取入被拍摄体1的光学像的组件，其包括：具有位于被拍摄体1一侧的多个透镜元件的前
透镜组23；具有位于摄像元件3一侧的多个透镜元件的后透镜组24；配置于前透镜组23与后
透镜组24之间的、具有与光学系统2相应的矩形(正方形)开口或圆形开口的光圈22；和在光
圈22的附近配置于前透镜组23一侧的、用于对被拍摄体1的光学像进行空间调制来赋予规
定的光学传递函数的作为光学相位滤波器的相位板21(光学部件)。
该相位板21是例如由丙烯酸酯、聚碳酸酯等透明树脂构成的光学部件。对其光学
特性的详细情况在后面叙述。
通过包括上述相位板21的光学系统2而得到的被拍摄体1的光学像，在摄像元件3
的摄像面31上成像而被取入。在此，摄像元件3例如由CCD、CMOS传感器等构成，例如以1/60
秒周期或1/30秒周期取入图像。即，本实施例1的摄像装置也能够应用于动态图像的拍摄。
在该摄像元件3的摄像面31上成像而被取入的光学像，由摄像元件3转换为模拟信
号，进而由A/D转换器4转换为数字信号而生成与光学像对应的图像数据。
来自A/D转换器4的图像数据作为中间图像被存储于RAW缓冲存储器5。存储于RAW
缓冲存储器5的图像数据由作为用于进行二维空间滤波处理的信号处理部的图像修正部6
读取。
在图像修正部6中，基于由上述光学系统2中所含的相位板21的光学调制特性决定
的光学传递函数，实施作为复原图像处理的二维空间滤波处理。即，在图像修正部6中，进行
复原图像处理以对由相位板21赋予了光学像的光学传递函数进行修正。例如，相位板21对
光学像赋予在光轴L(例如图1的虚线L)上的规定距离范围的各位置使被拍摄体1的光学像
大致一定地模糊那样的光学传递函数的情况下，图像修正部6通过对具有这样的光学传递
函数的光学像的特定的频率成分进行强调或增加、减少，进行去除上述模糊、得到清晰的图
像的复原处理。
为了进行这样的二维空间滤波处理，图像修正部6具有作为存储预先设定的空间
滤波系数等滤波器信息的存储部的ROM(未图示)。而且，图像修正部6读取该ROM中存储的滤
波器信息，对图像数据实施作为复原图像处理的二维空间滤波处理。
从图像修正部6输出的图像数据，由未图示的另一图像处理部根据需要实施例如
对比度调节、明亮度调节、色彩调节和放大缩小等缩放处理、以及根据需要进行的帧率转换
处理等。将被实施了这样的处理的图像数据提供给输出部7。
在本实施例1中，在上述结构的摄像装置或摄像系统中，作为光学系统2中所含的
相位板21，使用具有同心圆状的多个环带结构的相位滤波器。而且，本实施例1的特征在于，
在与相位板21的光轴(通过同心圆状的中心的轴)方向平行的面上的截面、即在与垂直于上
述同心圆的方向平行、且包含上述中心的面上的截面中，各环带具有相对于该各环带的宽
度的中心、即同心圆的径向的上述环带的宽度的中心线非对称的形状。其中，光轴方向是与
划分出多个环带的多个同心圆垂直的方向。以下参照图2～图8对其进行详细说明。
图2是本实施例1的轴对称相位滤波器的结构的例子。
本实施例1中，各环带的宽度(上述截面中径向的最大尺寸)相等。各环带的截面形
状为凸形状，当第i个环带被半径ri和半径ri+1的同心圆规定时，由成为凸的极大值的点构
成的圆的半径rci构成为满足：
rci＝sqr{(ri2+ri+12)/2} (式1)
利用由成为凸的极大值的点构成的圆将各环带分为内侧部分环带和外侧部分环
带，使上述内侧部分环带与外侧部分环带的面积相等。其结果是，由成为凸的极大值的点构
成的圆位于比由各环带的中点规定的圆靠外侧。为了使各环带的内侧部分环带与外侧部分
环带(为了便于说明，图2中对一部分的外侧部分环带画了阴影线)的宽度不同，凸形状以极
大点为界非对称。
如图2所示，各环带中，构成为“内侧的曲率＜外侧的曲率”，且成为环带的极大值
的点的位置位于比中心点靠外侧。
环带的凹凸形状可以如本实施例1(图2)所示采用凸形状，也可以如作为本实施例
1的变形例的变形例1(图3)所示采用凹形状。另外，也可以如图7～图9的一例所示使相位板
21的朝向相反(颠倒方向)。其中，上述任意情况下都是，在各环带中，构成为“内侧的曲率＜
外侧的曲率”，且成为环带的极大值的点或成为极小值的点的位置位于比中心点靠外侧。其
中，图3中对一部分的外侧部分环带画了阴影线。
图6表示使用本实施例1的光学相位板(相位板21)，被拍摄体1位于1m处计算出的
光轴方向的PSF。为了与使用本实施例1的相位板21的情况的PSF(用实线表示)作比较，也一
并表示了使用具有对称的凹凸截面形状的相位板21的情况的PSF(用实线表示)。
在使用具有对称的凹凸截面形状的相位板21的情况下，着眼于一个环带考虑，由
于通过凸部的具有负斜率的部分即以凸极大值为界的环带的外侧部分的光线的光通量较
多，所以当从轴上的焦点(横轴的“0.0”的位置)向负的方向摆动时光强度变强，反之，由于
通过凸部的具有正斜率的部分即以凸极大值为界的环带的内侧部分的光线的光通量较少，
所以当从轴上的焦点向正的方向摆动时光强度变弱，对于轴向的偏差具有非对称的分布。
另一方面，在使用本实施例1的相位板21的情况下，即，通过使凸形状左右非对称，
使由成为凸的极大值的点构成的圆位于比由各环带的中点规定的圆靠外侧，由此能够使通
过以凸极大值为界的环带的外侧部分和内侧部分的光线的光通量相等，能够对于轴向的偏
差实现均匀的分布。
图7是表示作为现有例1使用具有对称的凸截面形状的相位板的情况下光轴上的
光分布(图7(a))、使用本实施例1的相位板21的情况下光轴上的光分布(图7(b))、和将本实
施例1的相位板21的凸面的朝向反向使用的情况下光轴上的光分布(图7(c))的简要的图。
其中，为了说明简要情况，相位板21和后透镜组24简化地进行表示。
上述现有例1中，例如，通过环带的顶点的光线组集中于轴上的一点，而通过外侧
环带的光线通过比轴上的上述聚光点靠近像侧的点附近，通过内侧环带的光线通过比上述
聚光点远离像侧的点附近，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上的分布范围变大(偏差的
程度变大)。
另一方面，本实施例1中，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上分布的范围与上
述现有例1相比显著变小(偏差的程度变小)。另外，将本实施例1的相位板21的凸面的朝向
反向使用的情况也与本实施例1的情况同样，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上分布的
范围与上述现有例1相比显著变小(偏差的程度变小)。
另外，图8是表示作为现有例2使用具有对称的凹截面形状的相位板的情况下光轴
上的光分布(图8(a))、使用变形例1的相位板21的情况下光轴上的光分布(图8(b))、和将变
形例1的相位板21的凹面的朝向反向使用的情况下光轴上的光分布(图8(c))的简要的图。
其中，为了说明简要情况，相位板21和后透镜组24简化地进行表示。
在上述现有例2中，例如，通过环带的顶点的光线组集中于轴上的一点，而通过外
侧环带的光线通过比轴上的上述聚光点靠近像侧的点附近，通过内侧环带的光线通过比上
述聚光点远离像侧的点附近，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上的分布范围变大(偏差
的程度变大)。
另一方面，在变形例1中，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上分布的范围与上
述现有例2相比显著变小(偏差的程度变小)。另外，将本实施例1的相位板21的凹面的朝向
反向使用的情况也与本实施例1的情况同样，特别是，通过内侧环带的光线在光轴上分布的
范围与上述现有例2相比显著变小(偏差的程度变小)。
像这样，在使用本实施例1和变形例1的相位板21的情况下，不论在凹凸面的朝向
为正方向的情况还是反方向的情况下，上述偏差的程度都变小，由此能够使PSF的光轴方向
的分布接近均匀的状态。
另外，相位板21的凹凸面的朝向可以为正方向也可以为反方向(即，可以将相位板
21的朝向正反颠倒)。
以上的说明设所有的环带宽度相等，但是重要的是一个一个的环带的凹凸形状为
非对称，例如也可以是每个环带的光通量相同的形状。具体来说，也能够应用像作为本实施
例1的变形例的变形例2(图4)那样随着从内向外去，环带宽度单调减小的相位板。另外，也
可以为例如作为本实施例1的变形例的变形例3(图5)那样仅一部分具有凹凸截面形状的相
位板。其中，图4和图5中也对一部分的外侧部分环带画了阴影线。
像这样，根据本实施例1和变形例1～3，能够发挥以下的效果。
即，不论像面或摄像物体在规定范围内从对焦位置向前摆动还是向后摆动，都能
够拍摄PSF的变化少(即在对焦位置前后模糊程度相同)的像，其结果是，能够取得深的景深
或焦点深度的图像。
另外，由于相位板21相对于光轴旋转对称，所以与多数的光学系统匹配良好，不需
要以光轴为轴的旋转方向的调节，能够缓和光学系统整体的设计精度、制造精度。
而且，由于PSF在像面上各向同性地扩展，所以基于信号处理的复原图像不再具有
方向性，能够抑制重影的发生，能够削减存储信号处理中使用的系数矩阵的存储器，能够使
信号处理电路小型化。
而且，由于相位板21为旋转对称形状，所以其成形所用的模具也为旋转对称形状，
能够进行旋转车床加工，能够缩短加工时间，削减制造成本。
在本实施例1和各变形例(变形例1～3)中，相位板21采用折射率n1的石英玻璃，利
用图案形成技术和蚀刻技术在各环带上形成凹凸。另外，也可以不使用这样的技术，而使用
金刚石那样的硬的切削工具，实施槽加工来形成凹凸(特别是凹的槽)。而且，也可以作为模
具形成具有凹凸的车床，利用该模具进行塑料注塑成形。
另外，也可以通过在透明的平面状的基板上设置折射率n1的环带状凸部或环带状
凹部来形成。
另外，在本实施例1和各变形例中，通过有意地赋予比因焦点偏差而产生的散焦像
差大的像差，使得看不到焦点偏差的散焦像差的影响。通常的光学系统中的散焦像差的最
大值为波长λ的1/4(即λ/4)，但为了在施加比其大的散焦像差(例如λ)时也看不到影响，需
要具有曲率的凹凸形状的高度为波长λ以上。因此，具有曲率的凹凸形状的高度需要为上述
λ以上。
(实施例2)
在本实施例2中，对不是内侧部分环带和外侧部分环带的宽度非对称，而是仅通过
凹凸形状的不对称性，能够使PSF的光轴方向的分布接近均匀的状态的例子进行说明。
图9是本实施例2的轴对称相位滤波器的结构的例子。
在本实施例2中，对于用凹凸的极小极大值规定的圆，内侧部分环带和外侧部分环
带的宽度相等。由于外侧部分环带和内侧部分环带的宽度设定为相等，所以通过外侧部分
环带的总光通量比通过内侧部分环带的总光通量多。
但是，设计成外侧部分环带部的凹凸形状的斜率的绝对值比内侧部分环带部的凹
凸形状的斜率的绝对值大。斜率的绝对值越大，通过该部分的光线越远离焦点，所以即使部
分环带为相同面积，通过斜率大的外侧部分环带的光线也向光轴方向扩散，所以轴向的PSF
的分布大幅缓和。
另外，在本实施例2中，如图9所示，环带与环带之间具有阶差，但是如作为本实施
例2的变形例的变形例4(图10)所示，可以使各环带具有偏移量连续地变化。本变形例4的情
况也与本实施例2同样，设计成外侧部分环带部的凹凸形状的斜率的绝对值比内侧部分环
带部的凹凸形状的斜率的绝对值大。斜率的绝对值越大，通过该部分的光线越远离焦点，所
以即使部分环带为相同面积，通过斜率大的外侧部分环带的光线也向光轴方向扩散，所以
轴向的PSF的分布大幅缓和。
如图9和图10所示，成为环带的极大值的点的位置为中心点，但是各环带的曲率构
成为满足“内侧的曲率＜外侧的曲率”。另外，在图9和图10中也对一部分的外侧部分环带画
了阴影线。
另外，本发明并不限定于上述的实施例(实施例1、实施例2)和变形例(变形例1～
变形例4)，也包括各种变形例。例如，上述实施例和变形例是为了容易地说明本发明而详细
说明的，并不限定于必须具备说明过的全部结构。
另外，某个实施例和变形例的结构的一部分能够替换为其他实施例和变形例的结
构，另外，也能够在某个实施例和变形例的结构中加入其他实施例和变形例的结构。另外，
能够对各实施例和各变形例结构的一部分追加、删除、置换其它的结构。
附图标记说明
1 被拍摄体
2 光学系统
3 摄像元件
4 A/D转换器
5 RAW缓冲存储器
6 图像修正部
7 输出部
21 相位板(相位滤波器)
22 光圈
23 前透镜组
24 后透镜组
100 摄像装置。