JP2000098303A - Optical system with enlarged depth of field - Google Patents
Optical system with enlarged depth of fieldInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、インコヒーレント
光学系の被写界深度を拡大する装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for increasing the depth of field of an incoherent optical system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】インコヒーレント光学系の被写界深度を
拡大する手法は、例えば、米国特許５，７４８，３７１
号や、「Edward R. Dowski, Jr., W. Thomas Cathey, "
Extended depth of field through wave-front codin
g", Appl. Opt. Vol. 34, 1859-1866(1995) 」、「Sara
Bradburn, Wade Thomas Cathey, Edward R. Dowski, J
r., "Realization of focus invariance in optical-di
gital systems with wave-front coding", Appl. 0pt.
Vol. 36, 9157-9166(1997)」に開示されている。2. Description of the Related Art A technique for increasing the depth of field of an incoherent optical system is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,748,371.
And "Edward R. Dowski, Jr., W. Thomas Cathey,"
Extended depth of field through wave-front codin
g ", Appl. Opt. Vol. 34, 1859-1866 (1995)", "Sara
Bradburn, Wade Thomas Cathey, Edward R. Dowski, J
r., "Realization of focus invariance in optical-di
gital systems with wave-front coding ", Appl. 0pt.
Vol. 36, 9157-9166 (1997).
【０００３】この手法による装置は、図７に示されるよ
うに、ＣＣＤ等の撮像手段と、物体の像を撮像手段の受
光面に結像させるレンズ系と、光学系の瞳位置に配置さ
れたキュービック位相変調マスク（図８参照）と、撮像
手段からの画像データに基づいて画像を構築する画像処
理装置とを有している。As shown in FIG. 7, an apparatus according to this method is arranged at an pupil position of an optical system, including an image pickup means such as a CCD, a lens system for forming an image of an object on a light receiving surface of the image pickup means. It has a cubic phase modulation mask (see FIG. 8) and an image processing device for constructing an image based on image data from the imaging means.
【０００４】キュービック位相変調マスクは、一方の面
は平面で、もう一方の面は、図８に示されるように、ｚ
＝ｋ（ｘ3 ＋ｙ3 ）で表わされる形状をしている。キュ
ービック位相変調マスクは、これを通過する光の位相に
Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ3 ＋ｙ3 ））のずれを
与える。[0004] A cubic phase modulation mask has one surface which is flat and the other surface which has a z surface as shown in FIG.
= K (x 3 + y 3 ). The cubic phase modulation mask gives a phase shift of P (x, y) = exp (jα (x 3 + y 3 )) to the phase of light passing therethrough.
【０００５】このようなキュービック位相変調マスクを
持たない通常の光学系では、物体が合焦位置からずれる
にしたがって光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布が、
図９から図１０さらに図１１へと変化する。In an ordinary optical system having no such cubic phase modulation mask, the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) is changed as the object deviates from the in-focus position.
The state changes from FIG. 9 to FIG. 10 to FIG.
【０００６】これに対して、キュービック位相変調マス
クを持つ拡大被写界深度光学系では、同じずれに対する
ＯＴＦの強度分布はそれぞれ図１２と図１３と図１４に
示されるようになり、その変化は少ない。この光学系に
よって結像された画像は、画像処理装置によって、図１
５に示される特性の逆フィルタによる処理が行なわれ、
図１２と図１３と図１４に示されるＯＴＦの強度分布に
対してそれぞれ図１６と図１７と図１８に示されるＯＴ
Ｆの強度分布が得られる。これらは、いずれも、通常の
光学系の合焦時のＯＴＦの強度分布に近い形を有してい
る。On the other hand, in an enlarged depth-of-field optical system having a cubic phase modulation mask, the intensity distribution of the OTF for the same shift is as shown in FIGS. 12, 13 and 14, respectively. Few. The image formed by this optical system is processed by an image processing apparatus as shown in FIG.
5 is performed by the inverse filter having the characteristic shown in FIG.
The OTs shown in FIGS. 16, 17 and 18 respectively correspond to the intensity distributions of the OTFs shown in FIGS. 12, 13 and 14.
The intensity distribution of F is obtained. Each of these has a shape close to the intensity distribution of the OTF at the time of focusing of an ordinary optical system.
【０００７】次に実際の画像を用いて説明する。通常の
光学系では、物体が焦点位置からずれるにつれて、撮像
装置で得られる画像は図１９から図２０さらに図２１へ
と変化し、焦点ずれによるボケが生じてくる。図１９と
図２０と図２１の画像はそれぞれ図９と図１０と図１１
のＯＴＦの強度分布に対応している。Next, a description will be given using an actual image. In an ordinary optical system, as the object deviates from the focal position, the image obtained by the imaging device changes from FIG. 19 to FIG. 20 and further to FIG. 21, and blur occurs due to defocus. The images of FIGS. 19, 20, and 21 are shown in FIGS. 9, 10, and 11, respectively.
Corresponds to the intensity distribution of the OTF.
【０００８】これに対して、拡大被写界深度光学系で
は、同じずれに対して撮像装置で得られる画像すなわち
画像処理前の画像は、それぞれ図２２と図２３と図２４
となる。これらの画像は、いずれもボケてはいるが、ボ
ケの程度はほぼ一定となっている。これらの画像に対し
て前述の逆フィルタによる画像処理を行なうと、それぞ
れ図２５と図２６と図２７に示される画像が得られる。
これらの画像は、図１９の画像ほどではないが、ほぼこ
れに近い焦点ずれの少ない画像となっている。つまり、
図７の装置は、焦点深度を拡大していることがわかる。On the other hand, in the enlarged depth-of-field optical system, images obtained by the image pickup apparatus for the same shift, that is, images before image processing are shown in FIGS. 22, 23 and 24, respectively.
Becomes Although these images are all blurred, the degree of blurring is almost constant. When these images are subjected to the image processing by the above-described inverse filter, the images shown in FIGS. 25, 26 and 27 are obtained, respectively.
Although these images are not as good as the images in FIG. 19, they are almost similar to the images with little defocus. That is,
It can be seen that the apparatus of FIG. 7 has increased the depth of focus.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】図７に示される装置で
は、基本的にディスプレイ等に表示される画像は、常に
画像処理装置によって図１５の特性を持つフィルタによ
る処理が施されたものとなる。In the apparatus shown in FIG. 7, basically, an image displayed on a display or the like is always an image processed by a filter having the characteristics shown in FIG. 15 by an image processing apparatus. .
【００１０】しかし、このフィルタ処理は多くの時間を
要するため、装置が物体に向けて距離を合わせる最初の
段階では、物体と装置の相対距離が短時間の内に大きく
変化するため、装置がそのとき捕らえている画像と実際
に表示されている画像との間に食い違いが生じる。However, since this filtering process takes a lot of time, in the first stage where the apparatus adjusts the distance to the object, the relative distance between the object and the apparatus changes greatly within a short time, so Sometimes, there is a discrepancy between the captured image and the actually displayed image.
【００１１】また、物体と装置の相対距離を最適な距離
に合わせたい等の場面では、深い被写界深度が災いし
て、使用者の要望を満足させることができない。さら
に、被写界深度を拡大しているため、得られる画像はボ
ケが発生し難いが、その解像度は通常の光学系により得
られる画像には及ばない。In a situation where it is desired to adjust the relative distance between the object and the apparatus to an optimum distance, the depth of field suffers and the user's demand cannot be satisfied. Further, since the depth of field is enlarged, the obtained image is hardly blurred, but the resolution is lower than that of an image obtained by a normal optical system.
【００１２】このような事情から、さらに一歩進んで、
通常の光学系と拡大被写界深度光学系とを簡単に切り換
えられる装置の提供が望まれている。本発明は、このよ
うな実状に鑑みて成されたものであり、その目的は、通
常の光学系に容易に切り換え可能な拡大被写界深度光学
系を提供することである。[0012] Under such circumstances, go one step further,
It is desired to provide a device that can easily switch between a normal optical system and an enlarged depth-of-field optical system. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an enlarged depth-of-field optical system that can be easily switched to a normal optical system.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明による拡大被写界
深度光学系は、物体からのインコヒーレント光を像面上
に集光するレンズ系と、前記レンズ系によって像面上に
集光された像を撮像する撮像手段と、物体と撮像手段の
間に配置される一対の位相変調マスクと、撮像手段で得
られる画像データに対して適宜処理を行なう画像処理手
段とを有しており、位相変調マスクの各々は、これを透
過する光にＰ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）（ここに
ｊは虚数単位、αは定数、ｘ，ｙは位相変調マスク上の
二次元座標）の位相変調を与え得る機能を有し、一対の
位相変調マスクは、向きが１８０°異なる位置関係とな
るようにする配置と向きが９０°異なる位置関係となる
ようにする配置とに切換可能に支持されている。An enlarged depth of field optical system according to the present invention includes a lens system for converging incoherent light from an object on an image plane, and a lens system for condensing incoherent light from the object on the image plane. Imaging means for capturing an image obtained by the imaging means, a pair of phase modulation masks disposed between the object and the imaging means, and an image processing means for appropriately processing image data obtained by the imaging means, In each of the phase modulation masks, P (x, y) = exp (jαx 3 ) (where j is an imaginary unit, α is a constant, and x and y are two-dimensional coordinates on the phase modulation mask). And a pair of phase modulation masks can be switched between an arrangement in which the orientations are different by 180 ° and an arrangement in which the orientations are different by 90 °. Supported.
【００１４】一対の位相変調マスクは、両者の向きが１
８０°異なる位置関係にあるときは実質的に平行平板と
して作用し、両者の向きが９０°異なる位置関係にある
ときは実質的にキュービック位相変調マスクとして作用
する。[0014] The pair of phase modulation masks have directions of 1
When the positions are different from each other by 80 °, they function as substantially parallel plates, and when the directions are different from each other by 90 °, they substantially function as cubic phase modulation masks.
【００１５】位相変調マスクは、一実施形態において、
一方の面が平面、もう一方の面がｚ（ｘ，ｙ）＝ｋｘ3
（ここにｋは定数）で表わされる表面形状を持つ曲面か
らなる光学的に透明な部材で構成され得る。[0015] In one embodiment, the phase modulation mask is
One surface is a plane, the other surface is z (x, y) = kx 3
(Where k is a constant) and may be constituted by an optically transparent member having a curved surface having a surface shape represented by:
【００１６】あるいは、位相変調マスクは、別の一実施
形態において、ｎ（ｘ，ｙ）＝ｍｘ3 ＋ｎ0 （ここにｍ
は定数、ｎ0 は中心の屈折率）で表わされる屈折率分布
を持つ光学的に透明な平行平面板で構成され得る。Alternatively, the phase modulation mask is, in another embodiment, n (x, y) = mx 3 + n 0 (where m
Is a constant, and n 0 is a refractive index distribution represented by a central refractive index).
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態に
ついて図１ないし図４を用いて説明する。本実施形態
は、本発明による拡大被写界深度光学系をビデオマイク
ロスコープに適用した例である。なお、ビデオマイクロ
スコープでは物体を撮像する光学系の周りに３６０°に
わたり、物体を照明するための光ファイバが配されてい
るので、位相変調マスクを抜き差しする機構を設け難い
ため、本実施形態では、ビデオマイクロスコープに配置
された光ファイの内側に回転機構を設けることにより本
発明を適用する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is an example in which the enlarged depth of field optical system according to the present invention is applied to a video microscope. In the video microscope, since an optical fiber for illuminating the object is disposed over 360 ° around the optical system for imaging the object, it is difficult to provide a mechanism for inserting and removing the phase modulation mask. The present invention is applied by providing a rotation mechanism inside an optical fiber arranged in a video microscope.
【００１８】図１に示されるように、ビデオマイクロス
コープは、レンズ１，２，３と位相変調マスク４，５と
ＣＣＤカメラ６とから成る撮像光学系と、光源装置１８
とライトガイド７と照明ヘッド８とから成る照明光学系
と、ＣＣＤカメラ６をコントロールするＣＣＤコントロ
ーラ９と、ＣＣＤコントローラ９からの画像データを処
理する画像処理装置１０と、画像処理装置１０による処
理結果を表示するモニタ１１とを有している。As shown in FIG. 1, the video microscope comprises an imaging optical system comprising lenses 1, 2, 3, phase modulation masks 4, 5 and a CCD camera 6, and a light source device 18.
An illumination optical system comprising a light guide 7 and an illumination head 8, a CCD controller 9 for controlling the CCD camera 6, an image processing device 10 for processing image data from the CCD controller 9, and a processing result by the image processing device 10. And a monitor 11 for displaying the same.
【００１９】レンズ１，２，３は共に筒１５に対して固
定的に支持されている。位相変調マスク４，５は共に、
図３に示されるように、一方の面が平面で、もう一方の
面は、ｚ＝ｋｘ3 （ここにｋは定数）で表わされる形状
をしている。一方の位相変調マスク５は筒１５に対して
固定的に支持されているが、もう一方の位相変調マスク
４は筒１５に対して回転可能に支持されている。The lenses 1, 2, 3 are both fixedly supported on the cylinder 15. Both the phase modulation masks 4 and 5
As shown in FIG. 3, one surface is a plane and the other surface has a shape represented by z = kx 3 (where k is a constant). One phase modulation mask 5 is fixedly supported with respect to the cylinder 15, while the other phase modulation mask 4 is rotatably supported with respect to the cylinder 15.
【００２０】図２に示されるように、位相変調マスク４
は円盤状のマスク枠１４に固定される。マスク枠１４は
筒１５の小径部１５ｂの内径よりも僅かに小さい径を有
し、筒１５の中に回転可能に配置される。筒１５の小径
部１５ｂは９０°の角度幅を持つ溝１５ａを有してお
り、この溝１５ａを通してマスク枠１４にピン１７が取
り付けられる。As shown in FIG. 2, the phase modulation mask 4
Is fixed to a disk-shaped mask frame 14. The mask frame 14 has a diameter slightly smaller than the inner diameter of the small diameter portion 15b of the cylinder 15, and is rotatably disposed in the cylinder 15. The small diameter portion 15b of the cylinder 15 has a groove 15a having an angular width of 90 °, and a pin 17 is attached to the mask frame 14 through the groove 15a.
【００２１】筒１５の小径部１５ｂには、その外径より
も僅かに大きい内径を持つ回転筒１６が被される。マス
ク枠１４に取り付けられたピン１７は筒１５の小径部１
５ｂより突出しており、回転筒１６に設けられた切り欠
き１６ａ内に配置される。回転筒１６は筒１５に対して
回転可能であり、回転筒１６の回転によりマスク枠１４
は９０°の角度範囲で回転し得る。A rotating cylinder 16 having an inner diameter slightly larger than its outer diameter is covered on the small diameter portion 15b of the cylinder 15. The pin 17 attached to the mask frame 14 is the small-diameter portion 1 of the cylinder 15.
5b, and is disposed in a notch 16a provided in the rotary cylinder 16. The rotating cylinder 16 is rotatable with respect to the cylinder 15, and the rotation of the rotating cylinder 16 causes the mask frame 14 to rotate.
Can rotate over an angle range of 90 °.
【００２２】光源装置１８からの光はライトガイド７を
通り、照明ヘッド８で反射され、物体１３を照明する。
照明された物体１３からの反射光は筒１５内に置かれる
レンズ１、位相変調マスク４，５、レンズ２，３を順に
透過し、ＣＣＤカメラ６上に結像される。Light from the light source device 18 passes through the light guide 7, is reflected by the illumination head 8, and illuminates the object 13.
The reflected light from the illuminated object 13 passes through the lens 1, the phase modulation masks 4 and 5, and the lenses 2 and 3 placed in the cylinder 15 in order, and is imaged on the CCD camera 6.
【００２３】ここで、位相変調マスク４，５を透過した
光線の位相変化について説明する。前述したように、位
相変調マスク４，５は、一方の面が平面で、もう一方の
面がｚ（ｘ，ｙ）＝ｋｘ3 （ここにｋは定数）で表わさ
れる曲面形状をしている。位相変調マスクの屈折率をｎ
とすると、位相変調マスクの中心（ｘ，ｙ）＝（０，
０）を基準として、点（ｘ，ｙ）における光路長差は
（ｎ−１）ｚ／λ＝（ｎ−１）ｋｘ3 ／λで表わされ
る。Here, the phase change of the light beam transmitted through the phase modulation masks 4 and 5 will be described. As described above, each of the phase modulation masks 4 and 5 has a flat surface, and the other surface has a curved surface shape represented by z (x, y) = kx 3 (where k is a constant). . Let the refractive index of the phase modulation mask be n
Then, the center of the phase modulation mask (x, y) = (0,
With reference to (0), the optical path length difference at the point (x, y) is expressed by (n-1) z / λ = (n-1) kx 3 / λ.
【００２４】従って、位相変調マスクを透過した光は、
元の光の波動関数にｅｘｐ｛ｊ２π（ｎ−１）ｋｘ3 ／
λ｝（ここにｊは虚数単位）を掛けたものとなる。言い
換えれば、位相変調マスクを透過した光は、ｅｘｐ｛ｊ
２π（ｎ−１）ｋｘ3 ／λ｝の位相変調を受ける。ここ
で、２π（ｎ−１）ｋ／λ＝αとすれば、位相変調マス
クを透過した光が受ける位相変化はｅｘｐ（ｊαｘ3 ）
となる。Therefore, the light transmitted through the phase modulation mask is
The wave function of the original light is expressed as exp 3j2π (n−1) kx 3 /
λ｝ (where j is an imaginary unit). In other words, the light transmitted through the phase modulation mask is exp ｛j
It undergoes phase modulation of 2π (n-1) kx 3 / λ}. Here, if 2π (n−1) k / λ = α, the phase change received by the light transmitted through the phase modulation mask is exp (jαx 3 ).
Becomes
【００２５】上述したように二枚の位相変調マスク４，
５は９０°の角度範囲で相対的に回転可能であり、つま
り、位相変調マスク４は位相変調マスク５に対して９０
°の角度範囲で回転可能に支持されている。二枚の位相
変調マスク４，５は、例えば、位相変調マスク４が（＋
ｚ側から見て）最も右側に回転された位置（便宜上「０
°位置」とする）にあるとき、図４の上側に描かれる相
対的な位置関係を取り、位相変調マスク４が（＋ｚ側か
ら見て）最も左側に回転された位置（便宜上「９０°位
置」とする）にあるとき、図４の下側に描かれる相対的
な位置関係を取るように調整されている。As described above, the two phase modulation masks 4,
5 is relatively rotatable in an angle range of 90 °, that is, the phase modulation mask 4 is 90 ° with respect to the phase modulation mask 5.
It is supported rotatably in the angle range of °. For example, the two phase modulation masks 4 and 5 are such that the phase modulation mask 4 is (+)
The position rotated to the rightmost side (as viewed from the z side) (for convenience, "0
4), the relative positional relationship drawn on the upper side of FIG. 4 is taken, and the phase modulation mask 4 is rotated to the leftmost position (as viewed from the + z side) (for convenience, the “90 ° position”). ) Is adjusted so as to take the relative positional relationship depicted on the lower side of FIG.
【００２６】図４の上側に描かれている相対的な位置関
係においては、言い換えれば、位相変調マスク４，５の
向きが１８０°異なる位置関係においては、位相変調マ
スク４の曲面形状はｚ（ｘ，ｙ）＝ｋ（−ｘ）3 で表わ
され、位相変調マスク５の曲面形状はｚ（ｘ，ｙ）＝ｋ
ｘ3 で表わされる。従って、各位相変調マスク４，５を
透過した光はそれぞれｅｘｐ（ｊα（−ｘ）3 ），ｅｘ
ｐ（ｊαｘ3 ）の位相変調を受ける。二枚の位相変調マ
スク４，５の両方を透過した光が受ける位相変調は、こ
れらを掛け合わさせて得られ、ｅｘｐ（ｊα（−ｘ）
3 ）ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）＝１となる。つまり、この姿勢
の二枚の位相変調マスク４，５は光に位相変化を与え
ず、実質的に平行平面板として作用する。In the relative positional relationship depicted on the upper side of FIG. 4, in other words, in the positional relationship where the directions of the phase modulation masks 4 and 5 are different by 180 °, the curved surface shape of the phase modulation mask 4 is z ( x, y) = k (−x) 3 , and the curved surface shape of the phase modulation mask 5 is z (x, y) = k
represented by x 3. Therefore, the light transmitted through each of the phase modulation masks 4 and 5 is exp (jα (−x) 3 ) and ex, respectively.
It undergoes phase modulation of p (jαx 3 ). The phase modulation received by the light transmitted through both of the two phase modulation masks 4 and 5 is obtained by multiplying them by exp (jα (−x)
3 ) exp (jαx 3 ) = 1. That is, the two phase modulation masks 4 and 5 in this position do not change the phase of the light, and function as substantially parallel plane plates.
【００２７】図４の下側に描かれている相対的な位置関
係においては、言い換えれば、位相変調マスク４，５の
向きが９０°異なる位置関係においては、位相変調マス
ク４の曲面形状はｚ（ｘ，ｙ）＝ｋｙ3 で表わされ、位
相変調マスク５の曲面形状はｚ（ｘ，ｙ）＝ｋｘ3 で表
わされる。従って、各位相変調マスク４，５を透過した
光はそれぞれｅｘｐ（ｊαｙ3 ），ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）
の位相変調を受ける。二枚の位相変調マスク４，５の両
方を透過した光が受ける位相変調は、これらを掛け合わ
させて得られ、ｅｘｐ（ｊαｙ3 ）ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）
＝ｅｘｐ｛ｊα（ｙ3 ＋ｘ3 ）｝となる。これは、従来
技術として説明したキュービック位相変調マスクと同じ
形である。つまり、この姿勢の二枚の位相変調マスク
４，５は実質的にキュービック位相変調マスクとして作
用し、被写界深度を拡大する。In the relative positional relationship illustrated in the lower part of FIG. 4, in other words, in the positional relationship where the directions of the phase modulation masks 4 and 5 are different by 90 °, the curved shape of the phase modulation mask 4 is z. (X, y) = ky 3 , and the curved surface shape of the phase modulation mask 5 is represented by z (x, y) = kx 3 . Accordingly, the light transmitted through each of the phase modulation masks 4 and 5 is exp (jαy 3 ) and exp (jαx 3 ), respectively.
Phase modulation. The phase modulation received by the light transmitted through both of the two phase modulation masks 4 and 5 is obtained by multiplying them by exp (jαy 3 ) exp (jαx 3 )
= Exp {jα (y 3 + x 3 )}. This is the same form as the cubic phase modulation mask described as the prior art. In other words, the two phase modulation masks 4 and 5 in this position substantially act as cubic phase modulation masks, and extend the depth of field.
【００２８】画像処理装置１０は、位相変調マスク４が
０°位置にあるときは、ＣＣＤコントローラ９から送ら
れてくる画像データに対して何ら処理を行なうことなく
モニタ１１に送り、位相変調マスク４が９０°位置にあ
るときは、ＣＣＤコントローラ９から送られてくる画像
データに対して図１５に示される特性の逆フィルタによ
る処理を行なってモニタ１１に送る。When the phase modulation mask 4 is at the 0 ° position, the image processing apparatus 10 sends the image data sent from the CCD controller 9 to the monitor 11 without performing any processing. Is located at the 90 ° position, the image data sent from the CCD controller 9 is processed by an inverse filter having the characteristics shown in FIG.
【００２９】その結果、モニタ１１には、位相変調マス
ク４が０°位置にあるときは、通常の光学系による画像
つまり前述した図１９ないし図２１の画像が表示され、
位相変調マスク４が９０°位置にあるときは、拡大被写
界深度光学系による画像つまり前述した図２５ないし図
２７の画像が表示される。As a result, when the phase modulation mask 4 is at the 0 ° position, the image by the ordinary optical system, that is, the image shown in FIGS. 19 to 21 is displayed on the monitor 11.
When the phase modulation mask 4 is at the 90 ° position, an image obtained by the enlarged depth-of-field optical system, that is, the images shown in FIGS. 25 to 27 are displayed.
【００３０】以上の説明から分かるように、本実施形態
の装置では、撮像光学系を、回転筒１６の回転操作によ
り、位相変調マスク４を０°位置に合わせることで通常
の光学系とし、位相変調マスク４を９０°位置に合わせ
ることで拡大被写界深度光学系とすることができる。つ
まり、簡単な回転筒１６の回転操作によって通常の光学
系と拡大被写界深度光学系を切り換えることができる上
に、装置の小型化にもつながる。As can be understood from the above description, in the apparatus according to the present embodiment, the imaging optical system is a normal optical system by adjusting the phase modulation mask 4 to the 0 ° position by rotating the rotary cylinder 16, By setting the modulation mask 4 at the 90 ° position, an enlarged depth of field optical system can be obtained. That is, the normal optical system and the enlarged depth-of-field optical system can be switched by a simple rotation operation of the rotary cylinder 16, and the size of the apparatus can be reduced.
【００３１】さらに、光路に光学素子を抜き差しする機
構でないので、鏡筒内への埃や塵の進入を防止すること
ができる。次に本実施形態の変形例について図５と図６
を参照して説明する。本変形例は、位相変調マスク４，
５と同等の機能を、物理的な形状ではなく、屈折率分布
により達成する例である。Furthermore, since it is not a mechanism for inserting and removing the optical element in and out of the optical path, it is possible to prevent dust and dirt from entering the lens barrel. Next, a modified example of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG. In this modification, the phase modulation mask 4,
This is an example in which a function equivalent to 5 is achieved not by a physical shape but by a refractive index distribution.
【００３２】この変形例における位相変調マスクは、そ
の形状は、図５に示されるように、平行平面板そのもの
であるが、図６に示されるように、ｎ（ｘ，ｙ）＝ｍｘ
3 ＋ｎ0 によって表わされる屈折率分布を有している。The phase modulation mask in this modification has the shape of a parallel plane plate itself as shown in FIG. 5, but as shown in FIG. 6, n (x, y) = mx
Has a refractive index profile represented by 3 + n 0.
【００３３】この位相変調マスクの厚さをｄとすると、
位相変調マスクの中心（ｘ，ｙ）＝（０，０）を基準と
して、点（ｘ，ｙ）における光路長差はｎ（ｘ，ｙ）ｄ
／λ−ｎ（０，０）ｄ／λ＝ｄｍｘ3 ／λで表わされ
る。Assuming that the thickness of this phase modulation mask is d,
With reference to the center (x, y) = (0, 0) of the phase modulation mask, the optical path length difference at the point (x, y) is n (x, y) d.
/ Λ−n (0,0) d / λ = dmx 3 / λ.
【００３４】従って、位相変調マスクを透過した光は、
元の光の波動関数にｅｘｐ（ｊ２πｄｍｘ3 ／λ）（こ
こにｊは虚数単位）を掛けたものとなる。言い換えれ
ば、位相変調マスクを透過した光は、ｅｘｐ（ｊ２πｄ
ｍｘ3 ／λ）の位相変調を受ける。ここで、２πｄｍ／
λ＝αとすれば、位相変調マスクを透過した光が受ける
位相変化はｅｘｐ（ｊαｘ3 ）となる。Therefore, the light transmitted through the phase modulation mask is
The wave function of the original light is multiplied by exp (j2πdmx 3 / λ) (where j is an imaginary unit). In other words, the light transmitted through the phase modulation mask is exp (j2πd
mx 3 / λ). Here, 2πdm /
If λ = α, the phase change received by the light transmitted through the phase modulation mask is exp (jαx 3 ).
【００３５】これから、本変形例の位相変調マスクも、
前述の位相変調マスク４，５と全く同じ働きをすること
が分かる。つまり、本実施形態の装置に、前述の位相変
調マスク４，５に代えて本変形例の位相変調マスクを適
用しても、全く同じ機能が得られる。From this, the phase modulation mask of the present modification is also
It can be seen that the operation is exactly the same as that of the phase modulation masks 4 and 5 described above. That is, even if the phase modulation mask of the present modified example is applied to the apparatus of the present embodiment instead of the above-described phase modulation masks 4 and 5, exactly the same function can be obtained.
【００３６】上述した実施の形態では、本発明による拡
大被写界深度光学系を適用したビデオマイクロスコープ
を例示したが、本発明の適用先はビデオマイクロスコー
プに限らない。本発明による拡大被写界深度光学系は、
あらゆる光学系に好適に適用可能である。In the embodiment described above, the video microscope to which the enlarged depth of field optical system according to the present invention is applied has been exemplified. However, the application of the present invention is not limited to the video microscope. The enlarged depth of field optics according to the present invention comprises:
It can be suitably applied to any optical system.
【００３７】また、上述した実施形態では、一対の位相
変調マスクの一方を固定し、他方を回転可能に構成して
いるが、これに限られるものではなく、相対的に回転可
能に構成することもできる。また本実施の形態では、ビ
デオマイクロスコープの構成上、回転機構により図４の
位相変調マスクの向きの切り換えを行なったが、この切
り換えは回転に限ったものではなく、構成の許す範囲で
図４の位相変調マスクの向きを切り換えることができれ
ば、どのような構成を使ってもよい。In the above-described embodiment, one of the pair of phase modulation masks is fixed and the other is rotatable. However, the present invention is not limited to this. Can also. Further, in the present embodiment, the direction of the phase modulation mask in FIG. 4 is switched by the rotating mechanism due to the configuration of the video microscope. However, this switching is not limited to the rotation, and the switching in FIG. Any configuration may be used as long as the direction of the phase modulation mask can be switched.
【００３８】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれ
るすべての実施を含む。本発明は下記の各項に記す発明
を含んでいる。 （１） 物体からのインコヒーレント光を像面上に集光
するレンズ系と前記レンズ系によって像面上に集光され
た像を撮像する撮像手段とからなる光学系と、物体と前
記撮像手段の間に置かれ前記光学系の光学的伝達関数
（０ＴＦ）を物体の光軸方向位置によらず一定に変形さ
せるキュービック位相変調マスクと、前記撮像手段で撮
像した画像を画像処理により、変形していない０ＴＦに
戻す処理を行う画像処理手段とからなる拡大被写界深度
光学系において、前記キュービック位相変調マスクが一
対の位相変調マスクと、一対の位相変調マスクのうち少
なくとも一方の向きを切換可能に保持する保持手段とか
らなることを特徴とする拡大被写界深度光学系。 （２） 前記位相変調マスクを透過する光の位相がＰ
（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）だけずれる位相変調マ
スクであることを特徴とする（１）項に記載の被写界深
度拡大光学系。ただしｊ＝（−１）1/2 、αは定数、ｘ
及びｙは位相変調マスク上における２次元座標。 （３） 前記位相変調マスクの表面形状が一方がｚ
（ｘ，ｙ）＝ｋｘ3 で表わされ、もう一方が平面であ
り、光学プラスチックまたは光学ガラスで形成されるこ
とを特徴とする（２）項に記載の拡大被写界深度光学
系。ただしｋは定数。 （４） 前記位相変調マスクがｎ（ｘ，ｙ）＝ｍｘ3 ＋
ｎ0 の屈折率分布をもつ屈折率分布材料からなる平行平
面板であることを特徴とする（２）項に記載の拡大被写
界深度光学系。ただしｍは定数、ｎ0 は中心の屈折率。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes all embodiments carried out without departing from the gist thereof. The present invention includes the inventions described in the following items. (1) An optical system including a lens system for condensing incoherent light from an object on an image plane, and an image pickup unit for picking up an image condensed on an image plane by the lens system, an object, and the image pickup unit A cubic phase modulation mask that is disposed between the optical system and the optical transfer function (0TF) of the optical system and that constantly deforms the image regardless of the position of the object in the optical axis direction. The cubic phase modulation mask can switch the orientation of at least one of a pair of phase modulation masks and a pair of phase modulation masks in an enlarged depth-of-field optical system including an image processing unit that performs processing to return to 0TF. And a holding means for holding the zoom lens in an enlarged depth of field. (2) The phase of light transmitted through the phase modulation mask is P
The depth-of-field expanding optical system according to item (1), wherein the phase modulation mask is shifted by (x, y) = exp (jαx 3 ). Where j = (− 1) 1/2 , α is a constant, x
And y are two-dimensional coordinates on the phase modulation mask. (3) One of the surface shapes of the phase modulation mask is z.
The enlarged depth-of-field optical system according to item (2), wherein (x, y) = kx 3 , and the other is a plane and is formed of optical plastic or optical glass. Where k is a constant. (4) The phase modulation mask is n (x, y) = mx 3 +
The enlarged depth-of-field optical system according to item (2), which is a parallel flat plate made of a refractive index distribution material having a refractive index distribution of n 0 . Here, m is a constant, and n 0 is the center refractive index.
【００３９】[0039]
【発明の効果】本発明によれば、一対の位相変調マスク
の夫々の向きが切換可能であり、両者の向きが１８０°
異なる位置関係にあるときは実質的に平行平板として作
用し、両者の向きが９０°異なる位置関係にあるときは
実質的にキュービック位相変調マスクとして作用するの
で、通常の光学系に容易に切り換え可能な拡大被写界深
度光学系が提供される。According to the present invention, the directions of the pair of phase modulation masks can be switched, and both directions can be switched by 180 °.
When they are in a different positional relationship, they function as a substantially parallel plate, and when they are in a 90 ° different positional relationship, they substantially function as a cubic phase modulation mask, so that it is easy to switch to a normal optical system. A large expanded depth of field optical system is provided.
【図１】本発明による拡大被写界深度光学系を適用した
ビデオマイクロスコープの構成を示している。FIG. 1 shows a configuration of a video microscope to which an enlarged depth of field optical system according to the present invention is applied.
【図２】回転可能に支持される位相変調マスクの支持機
構の部分分解斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a support mechanism of a phase modulation mask rotatably supported.
【図３】図１に示される位相変調マスクの外観形状を示
す平面図と側面図である。3A and 3B are a plan view and a side view showing an external shape of the phase modulation mask shown in FIG.
【図４】平行平板として作用する際とキュービック位相
変調マスクとして作用する際のそれぞれの二枚の位相変
調マスクの相対的な位置関係を示している。FIG. 4 shows the relative positional relationship between the two phase modulation masks when acting as a parallel plate and when acting as a cubic phase modulation mask.
【図５】図１に示される位相変調マスクに代わって適用
可能な変形例による位相変調マスクの外観形状を示す平
面図と側面図である。5A and 5B are a plan view and a side view showing an external shape of a phase modulation mask according to a modified example applicable to the phase modulation mask shown in FIG.
【図６】図５に示される位相変調マスクの屈折率分布を
示すグラフである。6 is a graph showing a refractive index distribution of the phase modulation mask shown in FIG.
【図７】従来例による拡大被写界深度光学系の構成を概
略的に示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram schematically showing a configuration of an enlarged depth of field optical system according to a conventional example.
【図８】図７に示されるキュービック位相変調マスクの
外観形状を示す斜視図である。8 is a perspective view showing an external shape of the cubic phase modulation mask shown in FIG.
【図９】通常の光学系において物体が焦点位置にあると
きの光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布を示すグラフ
である。FIG. 9 is a graph showing an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) when an object is at a focal position in a normal optical system.
【図１０】通常の光学系において物体が焦点位置から外
れたときの光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布を示す
グラフである。FIG. 10 is a graph showing an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) when an object deviates from a focal position in a normal optical system.
【図１１】通常の光学系において物体が焦点位置から図
１０のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（０
ＴＦ）の強度分布を示すグラフである。11 is a diagram showing an optical transfer function (0) when an object deviates further from the focal position than in FIG. 10 in a normal optical system.
It is a graph which shows the intensity distribution of TF).
【図１２】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置にあるときの光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布を
示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) when an object is at a focal position in an enlarged depth-of-field optical system.
【図１３】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置から外れたときの光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分
布を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) when an object deviates from a focal position in an enlarged depth-of-field optical system.
【図１４】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置から図１３のときよりも更に外れたときの光学的伝達
関数（０ＴＦ）の強度分布を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) when an object further deviates from a focal position in FIG. 13 in the enlarged depth of field optical system.
【図１５】拡大被写界深度光学系において光学的伝達関
数（０ＴＦ）の強度分布に対して行なわれる処理の逆フ
ィルタの特性を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing characteristics of an inverse filter of a process performed on an intensity distribution of an optical transfer function (0TF) in an enlarged depth-of-field optical system.
【図１６】図１２の光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分
布に対して図１５の特性を持つ逆フィルタによる処理を
行なって得られる光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布
を示すグラフである。16 is a graph showing the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) obtained by performing the processing by the inverse filter having the characteristics of FIG. 15 on the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) of FIG. .
【図１７】図１３の光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分
布に対して図１５の特性を持つ逆フィルタによる処理を
行なって得られる光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布
を示すグラフである。17 is a graph showing an intensity distribution of the optical transfer function (0TF) obtained by performing a process using an inverse filter having the characteristics of FIG. 15 on the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) of FIG. 13; .
【図１８】図１４の光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分
布に対して図１５の特性を持つ逆フィルタによる処理を
行なって得られる光学的伝達関数（０ＴＦ）の強度分布
を示すグラフである。18 is a graph showing the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) obtained by performing the processing by the inverse filter having the characteristics of FIG. 15 on the intensity distribution of the optical transfer function (0TF) of FIG. .
【図１９】通常の光学系において物体が焦点位置にある
ときに得られるディスプレー上に表示した中間調画像の
写真である。FIG. 19 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained when an object is at a focal position in a normal optical system.
【図２０】通常の光学系において物体が焦点位置から外
れたときに得られるディスプレー上に表示した中間調画
像の写真である。FIG. 20 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained when an object deviates from a focal position in a normal optical system.
【図２１】通常の光学系において物体が焦点位置から図
２０のときよりも更に外れたときに得られるディスプレ
ー上に表示した中間調画像の写真である。FIG. 21 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained when an object deviates further from the focal position than in FIG. 20 in a normal optical system.
【図２２】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置にあるときに得られるディスプレー上に表示した中間
調画像の写真である。FIG. 22 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained when an object is at a focal position in an enlarged depth of field optical system.
【図２３】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置から外れたときに得られる画像処理後のディスプレー
上に表示した中間調画像の写真である。FIG. 23 is a photograph of a halftone image displayed on a display after image processing, which is obtained when an object deviates from a focal position in an enlarged depth-of-field optical system.
【図２４】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位
置から図２３のときよりも更に外れたときに得られるデ
ィスプレー上に表示した中間調画像の写真である。FIG. 24 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained when an object further deviates from the focal position in FIG. 23 in the enlarged depth of field optical system.
【図２５】図２２の画像に対して図１５の特性を持つ逆
フィルタによる処理を行なって得られるディスプレー上
に表示した中間調画像の写真である。FIG. 25 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained by performing a process using an inverse filter having the characteristics of FIG. 15 on the image of FIG. 22;
【図２６】図２３の画像に対して図１５の特性を持つ逆
フィルタによる処理を行なって得られるディスプレー上
に表示した中間調画像の写真である。26 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained by performing a process using an inverse filter having the characteristics of FIG. 15 on the image of FIG. 23;
【図２７】図２４の画像に対して図１５の特性を持つ逆
フィルタによる処理を行なって得られるディスプレー上
に表示した中間調画像の写真である。27 is a photograph of a halftone image displayed on a display obtained by performing a process using the inverse filter having the characteristic of FIG. 15 on the image of FIG. 24;
１，２，３ レンズ ４，５ 位相変調マスク ６ ＣＣＤカメラ ９ ＣＣＤコントローラ １０ 画像処理装置 １１ モニタ １４ マスク枠 １５ 筒 １６ 回転筒 １７ ピン 1, 2, 3 lens 4, 5 phase modulation mask 6 CCD camera 9 CCD controller 10 image processing device 11 monitor 14 mask frame 15 cylinder 16 rotating cylinder 17 pin
Claims (3)
に集光するレンズ系と、前記レンズ系によって像面上に
集光された像を撮像する撮像手段と、物体と撮像手段の
間に配置される一対の位相変調マスクと、撮像手段で得
られる画像データに対して適宜処理を行なう画像処理手
段とを有しており、 位相変調マスクの各々は、これを透過する光にＰ（ｘ，
ｙ）＝ｅｘｐ（ｊαｘ3 ）（ここにｊは虚数単位、αは
定数、ｘ，ｙは位相変調マスク上の二次元座標）の位相
変調を与え得る機能を有し、 一対の位相変調マスクは、向きが１８０°異なる位置関
係となるようにする配置と向きが９０°異なる位置関係
となるようにする配置とに切換可能に支持されている拡
大被写界深度光学系。1. A lens system for converging incoherent light from an object on an image plane, an image pickup means for picking up an image condensed on the image plane by the lens system, and a lens system between the object and the image pickup means. It has a pair of phase modulation masks arranged, and image processing means for appropriately processing image data obtained by the imaging means. Each of the phase modulation masks has a light transmitting through it, P (x ,
y) = exp (jαx 3 ) (where j is an imaginary unit, α is a constant, and x and y are two-dimensional coordinates on a phase modulation mask). An enlarged depth-of-field optical system that is switchably supported between an arrangement in which the orientations are different from each other by 180 ° and an arrangement in which the orientations are different from each other by 90 °.
う一方の面がｚ（ｘ，ｙ）＝ｋｘ3 （ここにｋは定数）
で表わされる表面形状を持つ曲面からなる光学的に透明
な部材である、請求項１に記載の拡大被写界深度光学
系。2. A phase modulation mask according to claim 1, wherein one surface is a flat surface and the other surface is z (x, y) = kx 3 (where k is a constant).
The enlarged depth-of-field optical system according to claim 1, which is an optically transparent member formed of a curved surface having a surface shape represented by:
3 ＋ｎ0 （ここにｍは定数、ｎ0 は中心の屈折率）で表
わされる屈折率分布を持つ光学的に透明な平行平面板で
ある、請求項１に記載の拡大被写界深度光学系。3. The phase modulation mask has n (x, y) = mx
3 + n 0 (where m is a constant, n 0 is the refractive index of the center) is an optically transparent parallel flat plate having a refractive index profile represented by an enlarged depth of field optical system according to claim 1 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10266624A JP2000098303A (en) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | Optical system with enlarged depth of field |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10266624A JP2000098303A (en) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | Optical system with enlarged depth of field |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000098303A true JP2000098303A (en) | 2000-04-07 |
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ID=17433414
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10266624A Withdrawn JP2000098303A (en) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | Optical system with enlarged depth of field |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2000098303A (en) |
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