JP2007122055A - 多重曲率レンズを具備する光学システム及びその形成方法 - Google Patents

多重曲率レンズを具備する光学システム及びその形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】多重曲率レンズを具備する光学システム及びその形成方法が提供される。
【解決手段】光学システムは、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面を少なくとも一側の屈折面に有する少なくとも一つの多重曲率レンズと、上記多重曲率レンズの前や後に配置され球面または非球面の連続的な曲面を有する屈折面が両側に形成された少なくとも一つの単一曲率レンズを具備する撮像レンズ群と、上記撮像レンズ群から結像されたイメージを感知するイメージセンサと、上記イメージセンサから感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は撮像光学システムに関することであって、より詳細には焦点深度が深く、レンズ駆動部なく多様な物体距離において改善された画質を提供する撮像光学システムに関する。
一般的に、固定焦点光学システムは、物体がカメラに近付くほどポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（以下'ＰＳＦ'と称する）の劣化が増し焦点が合わなくなる。特に、略１０ｃｍの物体に対して接写を遂行する場合には、イメージの劣化が非常に深刻という問題がある。
このような問題を解決すべく、自動焦点調節機能を遂行する光学システムが提案された。しかし、このような光学システムは、自動焦点調節のためレンズまたはイメージセンサの移送が必要で、このための駆動装置が必須的である。従って、このような自動焦点調節光学システムが適用された光学機器は、重みが増加するだけでなく、大型化が不可避という問題点がある。
従って、自動焦点調節のための駆動装置を具備することなく、イメージ処理を通じて広い焦点距離に対して画質が優れたイメージが得られる装置または方法が提案されつつある。
特許文献１は、位相マスクを用いて波面コーディング（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ）光学システムのフィールド深度を増加させるための方法及び装置を開示している。
図１に図示された通り、上記特許文献１は、物体１５のイメージを結像するレンズ２５と、結像されたイメージを感知するイメージセンサ３０と、イメージ処理装置３５を具備する従来の固定焦点光学システムに、位相マスク２０を装着してフィールド深度を増加させる方法及び装置を提案している。
この際、上記マスク２０は、物体１５とレンズ２５との間に配置され、光学伝達関数（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ、ＯＴＦ）が特定範囲の物体距離にわたって誤焦点（ｍｉｓｆｏｃｕｓ）によって影響を受けないようにする。
このような波面コーディング（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ）方法は、被写体から入射される光の波面に位相マスクを通じて非球面の位相変化を与え、焦点深度を深くし誤焦点（ｍｉｓｆｏｃｕｓ）の影響を減少させるため使用され、これによるＭＴＦの低下を防ぎ波面コーディングの空間的影響を除去するため画像の処理が必要となる。
しかし、上記光学システムは、位相マスク２０を使用して多様な物体距離において類似な大きさのＰＳＦを有することは出来るが、該ＰＳＦの大きさが相対的に大きく非対称となり（図４ｂ、図５ｃ参照）、全ての物体距離においてＭＴＦ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が相当低くなる（図７ｂ参照）。
即ち、上記光学システムは、イメージの劣化程度がひどく、復元したイメージの画質も良くないという問題点がある。
従って、固定焦点光学システムにおいて駆動装置を使用することなく、広い物体距離範囲に対して優れた画質を具現することが出来る光学システム及びイメージ処理方法が要求される。
米国特許５，７４８，３７１号
本発明は上記のような問題点を解決すべく、駆動装置を利用することなく、近接（接写）距離と無限大（遠距離）を含む多様な物体距離に対して優れたイメージを具現することが出来る多重曲率レンズを具備する光学システム及びその形成方法を提供することを目的とする。
また、焦点深度を大きくしつつもＰＳＦの大きさが小さく、ＭＴＦ特性が優れた多重曲率レンズを具備する光学システム及びその形成方法を提供することを目的とする。
上記のような目的を達成するための一側面として本発明は、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面を、少なくとも一側の屈折面に有する少なくとも一つの多重曲率レンズと、上記多重曲率レンズの前や後に配置され、 球面または非球面の連続的な曲面を有する屈折面が両側に形成された少なくとも一つの単一曲率レンズを具備する撮像レンズ群と、上記撮像レンズ群から結像されたイメージを感知するイメージセンサと、上記イメージセンサから感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置と、を含む多重曲率レンズを具備する光学システムを提供する。
好ましくは、上記多重曲率面が形成される少なくとも一つの屈折面は、上記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が最も大きい屈折面を含むことが出来る。
また好ましくは、上記多重曲率面が形成される複数の屈折面は、上記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が大きい順番を有する屈折面から成ることが出来る。
好ましくは、上記多重曲率面は、球面または非球面の屈折面に形成されることが出来る。
また、上記多重曲率面に形成される各々の曲面は、球面または非球面から成ることが出来る。
好ましくは、上記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の個数は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一だったり、上記目標物体距離の個数より多いことが出来る。
また好ましくは、上記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面は上記目標物体距離に対して焦点が合うよう曲率半径が各々設定されることが出来る。
さらに好ましくは、上記目標物体距離は近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離と、を含むことが出来る。
この際、上記目標物体距離は、上記目標接写距離と目標無限大物体距離との間に位置する物体に対して、焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離をさらに含むことができ、上記目標中間物体距離は２以上設定されることが出来る。
好ましくは、上記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の面積は相互同一であることが出来る。
また好ましくは、上記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の面積は、同一の面積比である時の曲面面積の±５０％であることが出来る。
また好ましくは、上記多重曲率面の中央に形成される曲面の面積は、他の曲面各々の面積より大きいことが出来る。
好ましくは、上記イメージ処理装置は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いてイメージを復元処理することが出来る。
他の側面として本発明は、ａ）少なくとも一つのレンズを具備する固定焦点方式の撮像レンズ群を設定する段階と、ｂ）上記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面の中で、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面が形成される多重曲率レンズの屈折面を一つ以上選択する段階と、ｃ）上記多重曲率レンズの屈折面が多重曲率面を成すよう多数の曲面を形成する段階と、を含む多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法を提供する。
好ましくは、上記ｂ）段階は、上記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が最も大きい屈折面が含まれるよう多重曲率面が形成される屈折面を選択することが出来る。
好ましくは、上記ｂ）段階は上記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面の中で、屈折力が大きい順番通り多数の屈折面が含まれるよう多重曲率面が形成される屈折面を選択することが出来る。
また好ましくは、上記ｂ）段階は、上記撮像レンズ群に具備されるレンズの球面または非球面の屈折面の中で、多重曲率面が形成される屈折面を選択することが出来る。
そして、上記ｃ）段階は、ｃ１）多重曲率面を形成する曲面の個数を決定する段階と、ｃ２）多重曲率面を形成する各々の曲面の面積を決定する段階と、ｃ３）多重曲率面を形成する各々の曲面の曲率半径を決定する段階と、を含んで成ることが出来る。
好ましくは、上記ｃ１）段階は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一だったり上記目標物体距離の個数より多いよう曲面の個数を決定することが出来る。
この際、上記目標物体距離は、近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離と、を含むことが出来る。
また、上記目標物体距離は、上記目標接写距離と目標無限大物体距離との間に位置する物体に対して、焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離をさらに含むことができ、上記目標中間物体距離は２以上設定されることが出来る。
好ましくは、上記ｃ２）段階は、各々の曲面の面積が相互同一であるよう各々の曲面の面積を決定することが出来る。
また好ましくは、上記ｃ２）段階は、同一の面積比である時の曲面面積の±５０％となるよう各々の曲面の面積を決定することが出来る。
また好ましくは、上記ｃ２）段階は、上記多重曲率面の中央に形成される曲面の面積が他の曲面各々の面積より大きいよう各々の曲面の面積を決定することも出来る。
好ましくは、上記ｃ３）段階は、目標物体距離に対して焦点が合うよう各々の目標物体距離に対応する曲面の曲率半径を決定することが出来る。
また好ましくは、上記ｃ３）段階は、上記多重曲率面に形成される各々の曲面が球面または非球面を成すよう曲率半径を決定することが出来る。
好ましくは、本発明による多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法は、ｄ）上記レンズを通じて結像されたイメージを感知するようイメージセンサを設置する段階と、ｅ）上記イメージセンサから感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置を設置する段階と、をさらに含むことが出来る。
この際、上記ｅ）段階のイメージ処理装置は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いてイメージを復元処理することが出来る。
本発明によると、近接距離及び遠距離に対する自動焦点調節を具現するためのレンズ駆動部が不要なため、小型軽量の光学システムを提供することが可能となる。
また、本発明によると、従来の固定焦点光学システムにおいて、光学部品の追加や変形なくレンズの屈折面に多重曲率面を形成することにより、近接距離と遠距離を含む広い物体距離に対して優れたイメージを具現することが出来るという効果が得られる。
そして、ＰＳＦの大きさが小さくＭＴＦ特性が優れるため、一般的な固定焦点光学システムまたはマスクを用いた波面コーディング光学システムより優れたイメージが得られるという効果がある。
以下、本発明の実施例に対して添付の図面を参照にさらに詳細に説明する。図２は、本発明による多重曲率レンズを具備する光学システムの構成図で、図３は、本発明による多重曲率レンズの概略図で、図４ａ乃至図４ｃは、各々従来の固定焦点光学系、従来の波面コーディング光学系、本発明によるスポットダイヤグラム（ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ）を図示したグラフで、図５ａ乃至図５ｄは、従来技術と本発明による参照ＰＳＦのイメージで、図６ａ乃至図６ｄは、従来技術と本発明によるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を図示したグラフである。
また、図７ａ乃至図７ｃは、従来技術と本発明によるＭＴＦを図示したグラフで、図８ａ乃至図８ｃは、本発明による曲面個数変化によるＭＴＦを図示したグラフで、図９ａ及び図９ｂは、本発明による曲面の面積比によるＭＴＦを図示したグラフで、図１０は従来技術と本発明による目標接写距離におけるＭＴＦを図示したグラフで、図１１ａ乃至図１１ｅは、従来技術と本発明によるイメージ復元を示した説明図で、図１２は従来技術と本発明の比較に使用された光学システムのレンズ構成図である。
本発明による多重曲率レンズを具備する光学システムは、多様な物体距離に対して焦点が合うようレンズの屈折面に不連続的な多数の曲面を形成することにより、焦点深度を深くしつつもＰＳＦの大きさが小さいため、優れたイメージを得るようにすることを特徴とする。
図２に図示された通り、本発明による多重曲率レンズを具備する光学システム１００は、物体（被写体）５０のイメージを結像する撮像レンズ群１１０と、上記撮像レンズ群１１０から結像されたイメージを感知するイメージセンサ１２０と、上記イメージセンサ１２０から感知されたイメージを処理するイメージ処理装置１３０を含む。
上記撮像レンズ群１１０は、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面１１１ａを、少なくとも一側の屈折面に有する少なくとも一つの多重曲率レンズ１１１と、上記多重曲率レンズ１１１の前または後に配置され、単一の曲率半径の連続的な曲面を有する屈折面が両側に形成された少なくとも一つの単一曲率レンズ１１２を具備する。
このように撮像レンズ群１１０に具備される多重曲率レンズ１１１または単一曲率レンズ１１２は、光学システムの光学的性能を具現するため、多数のレンズから成ることができ、固定焦点方式であれば撮像レンズ群１１０に具備されるレンズ１１１，１１２の形状、パワー配置、枚数などは限定されない。即ち、上記撮像レンズ群１１０は、多重曲率レンズ１１１に多重曲率面１１１ａが形成されたことを除いては、従来の一般的な固定焦点方式の光学システムと同一の構成を有する。
また、上記イメージセンサ１２０はＣＣＤ、ＣＭＯＳのような公知のセンサが使用されることが出来る。
そして、上記イメージ処理装置１３０は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ、ＰＳＦ）を用いてイメージを処理する装置など、公知のイメージ処理手段が使用されることが出来る。特に、本発明による光学システムは、後述する通り、ＰＳＦの大きさが小さく対称であるため、ＰＳＦを用いてイメージを復元する場合、従来の方式よりイメージ復元に非常に有利という利点がある。
図３を参照して本発明による多重曲率レンズ１１１に対して説明する。上記多重曲率レンズ１１１は、少なくとも一側の屈折面に曲率半径が異なる２以上の曲面を具備する。
例えば、図３に図示された通り、上記多重曲率レンズ１１１は、曲率半径がＲ１で半径がＹ１である円を成す第１曲面Ｓ１と、曲率半径がＲ２で半径がＹ１とＹ２の間のリング形状の面に形成される第２曲面Ｓ２と、曲率半径がＲ３で半径がＹ２とＹ３の間のリング形状の面に形成される第３曲面Ｓ３の３個の曲面から成ることが出来る。
この際、上記多重曲率面１１１ａが形成される屈折面は、図２に図示された撮像レンズ群１１０に具備されるレンズ１１１，１１２の屈折面の中で、屈折力が最も大きい屈折面に形成されることが好ましい。即ち、屈折力が最も大きい屈折面に多重曲率面１１１ａが形成されるようすることにより、焦点深度が深くなる効果を大きくすることが出来る。
また、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズのうち、２以上の屈折面に多重曲率面１１１ａを形成して焦点深度がさらに深くなるようにすることが出来る。このような場合に、多重曲率面１１１ａは、上記撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの屈折面のうち、屈折力が大きい順番を有する屈折面に形成されることが好ましい。
そして、上記多重曲率面１１１ａは、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの球面と非球面の屈折面に両方とも形成されることが出来る。
一方、上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の個数は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一であるよう設定されることが出来る。
即ち、目標物体距離は、近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離（Ｌ∞）を含むことができ、さらに上記目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と目標無限大物体距離（Ｌ∞）との間に位置する物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）を追加で含むことが出来る。
例えば、１ｍ距離（無限大に対応）の物体に対して焦点が合う目標無限大物体距離（Ｌ∞）と、１０ｃｍの近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）から成る２個の物体距離に対して焦点が合うよう設定する場合には、各々の物体距離に対応するよう２個の曲面を形成することが出来る。
また、１ｍ距離（無限大に対応）の物体に対して焦点が合う目標無限大物体距離（Ｌ∞）と、１０ｃｍの近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と、２０ｃｍ距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）から成る３個の物体距離に対して焦点が合うよう設定する場合には、各々の物体距離に対応するよう３個の曲面を形成することが出来る。
この際、上記目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）は、２以上設定されることが出来る。
例えば、目標無限大物体距離（Ｌ∞）と目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）との間に２０ｃｍ距離の物体に対する第１目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ１）と、５０ｃｍ距離の物体に対する第２目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ２）から成る２個の目標中間物体距離を設定することが出来る。このような場合、多重曲率面１１１ａに目標無限大物体距離（Ｌ∞）、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）、第１目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ１）及び第２目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ２）に対応して、最適化された４個の曲面を形成することが出来る。
しかし、これに対して一つの物体距離に対応する２個以上の曲面が形成されることが出来る。例えば、多重曲率面１１１ａに４個の曲面が形成される場合、相互離隔されている２個の曲面が目標無限大物体距離（Ｌ∞）、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）または目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）のうち一つに該当するよう形成されることが出来る。このような場合に、多重曲率面１１１ａに形成される曲面の個数は上記目標物体距離の個数より多くなる。
このように、多重曲率面１１１ａに具備される曲面の個数を増加させる場合には、それだけ焦点深度が深くなり多様な物体距離において焦点が正確に合い、固定焦点光学システムの問題点である接写距離における画質低下を補完することが出来る（図８参照）。即ち、一つの屈折面に多様な物体距離に対応する多数の曲面を設定することにより、従来の固定焦点光学システムより焦点深度が深くＭＴＦ性能が向上される。
一方、上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面の面積は相互同一であることが出来る。
例えば、図３に図示された通り、多重曲率面１１１ａに３個の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が形成される場合に、各曲面の面積比が１：１：１と成るよう設定することが出来る。即ち、各々の曲面に対応する物体距離に対して同一の光量が入射されるようにすることにより、全体物体距離に対してＭＴＦ改善が期待出来る。このように、各曲面の面積比が１：１：１と成るようにするためには、各曲面の半径の比、即ちＹ１：Ｙ２：Ｙ３が１：√３：√５となるよう設定することが出来る。
これに対して、特定の物体距離に対する光量をさらに大きくしてＭＴＦが改善されるよう構成することも出来る。即ち、特定物体距離が焦点深度に寄与する程度を調節することが出来る。
例えば、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対するイメージ改善が大きく要求されるよう設計仕様が定められる場合には、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応する曲面の入射光量を増大させることが出来る。
即ち、図３の第２曲面Ｓ２が目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応する場合に、第２曲面Ｓ２が第１曲面Ｓ１または第３曲面Ｓ３の面積より大きい面積を有するよう形成することが出来る。
このように、上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面の面積は、同一の面積比（１：１：１）の場合、曲面面積の±５０％に設定されることが出来る。即ち、各曲面の面積比が０．５〜１．５：０．５〜１．５：０．５〜１．５となるよう設定することができ、特定物体距離に対する面積を相対的に大きくすることが出来る。
しかし、特定曲面の面積がこのような範囲を外れる場合には、特定曲面が焦点深度に及ぼす影響が大き過ぎるか小さくなり、多様な物体距離におけるイメージ向上が非効果的であることが出来る。
また、上記多重曲率面１１１の中央に形成される曲面（図３のＳ１）の面積が、他の曲面Ｓ２，Ｓ３各々の面積より大きく形成して、中央の曲面Ｓ１に対応する物体距離に対してイメージ改善の効果を大きくすることも出来る。
一方、上記多重曲率レンズの多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面は、上記目標物体距離に対して焦点が合うよう曲率半径が各々設定される。
例えば、目標無限大物体距離に対応する曲面は、目標無限大物体距離（Ｌ∞）において焦点が合うよう曲率半径が設定される。このような曲面は、球面または非球面から成ることができ、特に非球面の場合には球面から起因する各種数差の補正が可能となる。
一例として、図３に図示された通り、多重曲率面１１１ａに３個の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が形成される場合に、第１曲面Ｓ１の曲率半径Ｒ１は、目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍｉｄ）を有するよう設定され、第２曲面Ｓ２の曲率半径Ｒ２は、目標接写物体距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍａｃｒｏ）を有するよう設定され、第３曲面Ｓ３の曲率半径Ｒ３は、目標無限大物体距離（Ｌ∞）に対応して最適化された曲率半径（Ｒ∞）を有するよう設定されることが出来る。このように各々の曲面に対応する物体距離は前述の例に限定されず、設計仕様によって任意の順番を有することが出来る。
また、２個の曲面が形成される場合には、各々の曲面が目標無限大物体距離（Ｌ∞）に対応して最適化された曲率半径（Ｒ∞）と、目標接写物体距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍａｃｒｏ）を有するよう設定されることが出来る。
そして、例えば４個の曲面が形成される場合には、各々の曲面が目標無限大物体距離（Ｌ∞）に対応して最適化された曲率半径（Ｒ∞）と、目標接写物体距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍａｃｒｏ）と、第１目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ１）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍｉｄ１）と、第２目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ２）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍｉｄ２）を有するよう設定されることが出来る。これに対して、一つの目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）を離隔された２個の曲面に設置することも出来る。
上記のような構成を有する多重曲率レンズ１１１を具備する光学システムの作用に対して従来技術と対比して説明する（従来技術と本発明に使用された光学システムの具体的な数値例は後述する）。
焦点が正確に合う物体距離の時の固定焦点光学システムのスポットダイヤグラム（ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ）を図示した図４ａのように、−０．０５ｍｍのデフォーカシングでは１５．５９μｍ、０．００ｍｍのデフォーカシングでは３．０４μｍ、＋０．０５ｍｍでは９．９５μｍのＲＭＳスポット直径を有することと成る。また、従来の一般的な固定焦点光学システムの場合、焦点が正確に合う物体距離の時には、図５ａに図示された通りポイントスプレッド関数（ＰＳＦ、ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）も非常に小さい大きさを有することが分かる。これによって、図６ａに図示された通りＰＳＦの１次元関数であるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の空間位置（ｓｐａｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）が非常に小さくなる。
しかし、このような従来の一般的な固定焦点光学システムは、１０ｃｍ距離の物体に対するＰＳＦを示した図５ｂに図示された通り、接写距離（１０ｃｍ）でＰＳＦが急激に大きくなり、これによって図６ｂに図示された通りＰＳＦの１次元関数であるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の空間位置（ｓｐａｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）が非常に大きくなる。
このような結果として、従来の固定焦点光学システムのＭＴＦを図示した図７ａのように、焦点が正確に合う無限大物体距離（１ｍ）に比べ接写距離（１０ｃｍ）でＭＴＦ性能が急激に低下されることが分かる。また、３０％のＭＴＦに対して略２０ｌｐ／ｍｍの空間周波数を有することが分かり、４０％のＭＴＦに対して略１８ｌｐ／ｍｍの空間周波数を有することとなり、光学的特性が低下されることが確認出来る。
このように、固定焦点光学システムの場合には、物体距離が近くなるにつれＰＳＦの大きさが急激に大きくなりイメージの劣化が非常に増大される。
また、一般的な固定焦点光学システムにマスク（ＣＤＭ Ｏｐｔｉｃｓ社のＣＰＭ １２７−Ｒ２０マスクを使用）を適用する従来の光学システム（図１の光学システム）の場合には、図４ｂに図示された通り、スポットダイヤグラム（ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ）のＲＭＳスポット直径が−０．０５ｍｍのデフォーカシングでは４２．００μｍ、０．００ｍｍのデフォーカシングでは３９．６９μｍ、＋０．０５ｍｍでは４１．３４μｍとなる。
即ち、マスクを使用する従来の光学システムは、焦点の近くで類似な大きさのスポット直径を有するが、その大きさが相対的に大きく非対称である。
そして、物体距離１０ｃｍで接写する場合を示した図５ｃに図示された通り、マスクを使用する従来の光学システムの場合、図５ａに比べ相対的に大きく非対称のＰＳＦを有することと成る。これによって、図６ｃに図示された通り、ＰＳＦの１次元関数であるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の空間位置（ｓｐａｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）が全体的に大きくなる。
即ち、固定焦点光学システムにおいて焦点が正確に合う場合のＬＳＦを図示した図６ａに比べ、マスクを使用する従来の光学システムにおいて物体距離１０ｃｍから接写する場合（図６ｃ）の空間位置が大きくなる。
また、図７ｂに図示された通り、３０％のＭＴＦに対して略３５ｌｐ／ｍｍの空間周波数、４０％のＭＴＦに対して略２０ｌｐ／ｍｍの空間周波数を有することとなり、光学的特性が低下されることが確認出来る。
このように、マスクを使用する光学システムの場合にも、全体物体距離に対してＰＳＦの大きさが大きくなり、イメージの劣化程度がひどく復元したイメージの画質も良くないという問題点がある。
これに対して、本発明によって３重曲率レンズが適用された図４ｃの場合には、−０．０５ｍｍのデフォーカシングでは１４．４９μｍ、０．００ｍｍのデフォーカシングでは９．０１μｍ、＋０．０５ｍｍでは１７．４０μｍのＲＭＳスポット直径を有することとなり、図４ｂに図示されたマスクを使用する従来の光学系よりスポットの直径が非常に小さくなることが分かる。
また、本発明によって３重曲率レンズを使用し目標接写距離１０ｃｍにおけるＰＳＦを示した図５ｄに図示された通り、本発明による光学システムはＰＳＦが非常に小さい。即ち、本発明による光学システムは、目標接写距離において従来の固定焦点方式やマスクを用いた従来の光学システムよりＰＳＦの大きさが非常に小さく対称に近い。これによって、図６ｄに図示された通り、物体距離１０ｃｍから接写する場合に対して、ＰＳＦの１次元関数であるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の空間位置（ｓｐａｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）が図６ｂ及び図６ｃに比べ著しく小さくなる。
また、図７ｃに図示された通り、３０％のＭＴＦに対して略３５ｌｐ／ｍｍの空間周波数、４０％のＭＴＦに対して略３０ｌｐ／ｍｍの空間周波数を有することとなり、光学的特性が図７ａ及び図７ｂの従来の光学システムより優れていることが確認出来る。特に、目標接写距離（１０ｃｍ）が焦点深度に及ぼす影響を増大させるため、目標接写距離（１０ｃｍ）に対応する曲面の面積をさらに大きくする場合には、接写距離におけるＭＴＦ特性が向上され全体的なＭＴＦ性能向上が可能となる。
このように、本発明による光学システムは、ＰＳＦの大きさが小さく対称であるため、従来の方式よりイメージ復元に有利という利点がある。
一方、図８ａ乃至図８ｃは、本発明によって多重曲率面に形成される曲面の個数を変化させた時のＭＴＦ特性を示すこととして、図８ａは２重曲率レンズ、図８ｂは３重曲率レンズ、図８ｃは４重曲率レンズに対することである。
図８ａ乃至図８ｃに図示された通り、本発明の場合、多重曲率面に形成される曲面の個数が増加するほどＭＴＦが向上される。即ち、多様な物体距離に対応して最適化された曲面の数を増加させることにより、多様な物体距離において焦点が正確に合うこととなり、従来の固定焦点光学システムの問題点である近接距離における画質低下を補完出来ることとなる。
また、図９ａ及び図９ｂは、３重曲率レンズの多重曲率面に形成される曲面の面積比を変化させた場合のＭＴＦ特性を示すこととして、図９ａは各曲面の面積比が１：１：１の場合、図９ｂは各曲面の面積比が１：１．５：１の場合を示す。
この際、多重曲率面には中央部から順番で目標中間物体距離（２０ｃｍ）、目標接写距離（１０ｃｍ）、目標無限大物体距離（１ｍ）に対応して最適化された曲面が形成される。
図９ａ及び図９ｂを比較すると、図９ｂのように目標接写距離（１０ｃｍ）に対応する曲面が焦点深度に及ぼす影響を大きくする場合には、図９ａに比べ目標接写距離（１０ｃｍ）におけるＭＴＦ特性が大きく改善されることが確認出来る。このように、特定物体距離に対応する曲面が焦点深度に及ぼす程度を調整して特定物体距離及び全体領域におけるＭＴＦ特性を調整することが可能と成る。
一方、図１０は目標接写距離（１０ｃｍ）における従来技術と本発明による ＭＴＦ特性を示すこととして、Ａは従来の固定焦点光学システム、Ｂはマスクを用いた従来の光学システム（図１の光学システム）、Ｃは本発明による３重曲率レンズを有する光学システム、Ｄは本発明による４重曲率レンズを有する光学システムを示す。
図１０に図示された通り、目標接写距離から従来の固定焦点光学システム（Ａ）、マスクを使用した従来の光学システム（Ｂ）、本発明による３重曲率レンズを有する光学システム（Ｃ）、本発明による４重曲率レンズを有する光学システム（Ｄ）の順でＭＴＦ特性が優れていることが分かる。即ち、本発明の場合、従来より目標接写距離においてＭＴＦ特性が非常に優秀で、多重曲率面に形成される曲面の数が多いほどＭＴＦ性能が改善されることが確認出来る。
図１１は、同一の近接距離（１０ｃｍ）において一般的な固定焦点光学システムのイメージ（図１１ｂと図１１ｃ）と本発明による光学システムのイメージ（図１１ｄと図１１ｅ）の復元前後を比較した例である。
この際、物体はＩＳＯ １２２３３レゾリューションターゲット（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔａｒｇｅｔ）の中心イメージである。
図１１ａは近接距離で焦点が正確に合う場合で、復元する必要がない。
しかし、図１１ｂと図１１ｃの固定焦点光学システムと図１１ｄと図１１ｅの本発明による光学システムを比較すると、復元前後において本発明による時復元されたイメージ（図１１ｅ）の画質がより優れていることが分かる。
これは、本発明による場合が従来の固定焦点光学システムまたはマスクを用いた光学システムに比べ、復元前のイメージ画質も優秀で復元時参照したＰＳＦの大きさが小さいからである。
従来技術と本発明による光学システムの比較のため図１２の光学システムが使用された。
従来の一般的な固定焦点光学システムと従来のマスクを用いた従来の光学システム（図１）及び本発明に使用された光学システムは、図１２に図示された通り、物体側から順番で、開口絞りＡＳ、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、赤外線フィルタＯＦ及び像面ＩＰが配置される。この際、全体システムの有効焦点距離（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）（ｆ）は３．５１１９ｍｍで、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は２．８で、レンズの全画角（２ω）は６０°で、像面のピクセルピッチは３．３μｍである。
但し、マスクを用いた従来の光学システム（図１）は、従来の一般的な固定焦点光学システムの開口絞りＡＳと第１レンズＬ１の物体側面２との間にＣＤＭ Ｏｐｔｉｃｓ社のＣＰＭ １２７−Ｒ２０マスクを使用した。
また、従来とは異なり本発明は、第１レンズＬ１の物体側面２に多重曲率面を形成し、これによって各曲面の曲率半径が変化される。
図１２に図示された光学システムの具体的な数値例は次の表１の通りである。
表１において、＃１は従来技術による光学システムと本発明による光学システムで次の表２の通り相互異なる値を有する。
また、次の表２には多重曲率面に曲面が各々２個、３個、４個形成された２重、３重、４重曲率レンズに対して、各曲面の曲率半径（図３のＲ１、Ｒ２、Ｒ３等に順次対応）と各曲面の半径（図３のＹ１、Ｙ２、Ｙ３等に順次対応）の値が図示されている。
この際、２重曲率レンズは中央部から順番で、目標接写距離（１０ｃｍ）に対応して最適化された曲面、目標無限大物体距離（１ｍ）に対応して最適化された曲面が形成された場合である。
また、３重曲率レンズは中央部から順番で、目標中間物体距離（２０ｃｍ）、目標接写距離（１０ｃｍ）、目標無限大物体距離（１ｍ）に対応して最適化された曲面が形成された場合である。
そして、４重曲率レンズは中央部から順番で、第１目標中間物体距離（２０ｃｍ）、目標接写距離（１０ｃｍ）、第２目標中間物体距離（５０ｃｍ）、目標無限大物体距離（１ｍ）に対応して最適化された曲面が形成された場合である。
一方、２重曲率レンズ、３重曲率レンズ、４重曲率レンズの場合に各曲面の面積は、図９ｂの場合を除いては相互同一である。例えば、３重曲率レンズの場合に、各曲面の面積比は１：１：１である。一方、図９ｂに使用された曲面の面積比は１：１．５：１である。
ここで、多重曲率レンズに形成される曲面は、隣する曲面と接点を連結するため最適化した曲率半径に若干差があることが出来る。
即ち、上記実施例において、３重曲率レンズの第２曲面Ｓ２と４重曲率レンズの第２曲面Ｓ２は、目標接写距離に対応する曲面であるが、隣する曲面と連結するため最適化した曲率半径に若干差があることが出来る。
一方、表１において、＊は非球面を示し、非球面は次の式から得られる。
ここで、Ｚ：レンズの頂点から光軸方向への距離
Ｙ：光軸に垂直な方向への距離
ｒ：レンズの頂点における曲率半径
Ｋ：円錐(Ｃｏｎｉｃ)定数
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ:非球面係数
式１による円錐定数Ｋ及び非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの値は次の表３の通りである。
本発明による多重曲率レンズを具備する光学システムを形成する方法に対して説明する。
図１３は、本発明による光学システムを形成する方法２００を図示した順番図である。
図１３に図示された通り、本発明による光学システム形成方法２００は、固定焦点方式の撮像レンズ群を設定し、上記撮像レンズ群に具備される少なくとも一つのレンズの少なくとも一つの屈折面に多重曲率面を形成してＰＳＦ大きさが小さいながらも焦点深度が深い光学システムを形成することを特徴とする。
本発明による光学システムの形成方法２００は、図１３に図示された通り次の段階で行われる。
ａ）固定焦点方式の撮像レンズ群を設定する段階２１０
従来の一般的な固定焦点方式と同様に少なくとも一つのレンズを具備する固定焦点方式の撮像レンズ群を設定する。
このように固定焦点方式の撮像レンズ群１１０に具備されるレンズは、光学システムの光学的性能を具現するため多数のレンズから成ることができ、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの形状、パワー配置、枚数などは固定焦点方式であれば特に限定されない。
ｂ）多重曲率面が形成される多重曲率レンズの屈折面を一つ以上選択する段階２２０
上記撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの屈折面のうち、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面が形成される多重曲率レンズの屈折面を一つ以上選択する。
この際、上記多重曲率面１１１ａが形成される屈折面は、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズ１１１，１１２の屈折面の中で屈折力が最も大きい屈折面に形成されるよう設定することが好ましい。即ち、屈折力が最も大きい屈折面に多重曲率面１１１ａが形成されるようにすることで、焦点深度が深くなる効果を大きくすることが出来る。
また、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズのうち、２以上の屈折面に多重曲率面１１１ａを形成して焦点深度がさらに深くなるようにすることが出来る。このような場合に、多重曲率面１１１ａは上記撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が大きい順番を有する屈折面に形成されることが出来る。
そして、上記多重曲率面１１１ａは、撮像レンズ群１１０に具備されるレンズの球面と非球面の屈折面に両方とも形成されることが出来る。
ｃ）上記多重曲率レンズの屈折面が多重曲率面を成すよう多数の曲面を形成する段階２３０
上記ｂ）段階から多重曲率面１１１ａが形成される屈折面が決まると、上記屈折面に多数の曲面を形成して多重曲率面１１１ａを構成する。
この際、上記曲面の形成のために多重曲率面１１１ａを形成する曲面の個数と、各々の曲面の面積と曲率半径を決定するため、上記ｃ）段階は次の段階を含んで構成される。
ｃ１）多重曲率面を形成する曲面の個数を決定する段階
上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａを形成するためには、多重曲率面に形成される曲面の個数を先に設定することとなる。
この際、多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の個数は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一であるよう設定されることが出来る。
このような目標物体距離は、近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離（Ｌ∞）を含むことができ、さらに上記目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と目標無限大物体距離（Ｌ∞）との間に位置する物体に対して、焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）を追加で含むことが出来る。
例えば、１ｍ距離（無限大に対応）の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離（Ｌ∞）と１０ｃｍの近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）と、２０ｃｍ距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）から成る３個の物体距離に対して焦点が合うよう設定する場合には、各々の物体距離に対応するよう３個の曲面を形成することが出来る。
この際、上記目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）は、２以上設定することが出来る。
例えば、目標無限大物体距離（Ｌ∞）と目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）との間に、２０ｃｍ距離の物体に対する第１目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ１）と、５０ｃｍ距離の物体に対する第２目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ２）から成る２個の目標中間物体距離を設定することが出来る。このような場合、多重曲率面１１１ａに目標無限大物体距離（Ｌ∞）、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）、第１目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ１）及び第２目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ２）に対応して最適化された４個の曲面を形成することが出来る。
これに対して、一つの物体距離に対応する曲面が２個以上形成されるよう構成することも出来る。例えば、多重曲率面１１１ａに４個の曲面が形成される場合、相互離隔された２個の曲面が目標無限大物体距離（Ｌ∞）、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）または目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）のうち一つに該当するよう形成されることが出来る。このような場合に、多重曲率面１１１ａに形成される曲面の個数は上記目標物体距離の個数より多くなる。
このように、多重曲率面１１１ａに具備される曲面の個数を増加させる場合には、それだけ焦点深度が深くなり多様な物体距離において焦点が正確に合い、固定焦点光学システムの問題点である接写距離における画質低下を補完することが出来る（図８参照）。即ち、一つの屈折面に多様な物体距離に対応する多数の曲面を設定することにより、従来の固定焦点光学システムより焦点深度が深くＭＴＦ性能が向上される。
ｃ２）多重曲率面を形成する各々の曲面の面積を決定する段階
多重曲率面の曲面の個数が決まると各々の曲面が屈折面で占める面積を決定することとなる。
この際、上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面の面積は、相互同一であるよう設定されることが出来る（図９ａ参照）。
例えば、図３に図示された通り、多重曲率面１１１ａに３個の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が形成される場合に、各曲面の面積比が１：１：１となるよう設定することが出来る。即ち、各々の曲面に対応する物体距離に対して同一の光量が入射されるようにすることで、全体物体距離に対してＭＴＦ改善が期待出来る。このように、各曲面の面積比が１：１：１となるようにするためには各曲面の半径の比、即ちＹ１：Ｙ２：Ｙ３が１：√３：√５となるよう設定することが出来る。
これに対して、特定の物体距離に対する光量をより大きくしてＭＴＦが改善されるよう構成することも出来る。即ち、特定物体距離が焦点深度に寄与する程度を調節することが出来る（図９ｂ参照）。
例えば、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対するイメージ改善が大きく要求されるよう設計仕様が決まる場合には、目標接写距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応する曲面の入射光量を増大させることが出来る。
このように、上記多重曲率レンズ１１１の多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面の面積は、同一の面積比（１：１：１）の時、曲面面積の±５０％に設定されることが出来る。即ち、各曲面の面積比が０．５〜１．５：０．５〜１．５：０．５〜１．５となるよう設定することができ、特定物体距離に対する面積を相対的に大きくすることが出来る。
また、上記多重曲率面１１１の中央に形成される曲面（図３のＳ１）の面積が、他の曲面Ｓ２，Ｓ３各々の面積より大きいよう形成して中央の曲面Ｓ１に対応する物体距離に対してイメージ改善の効果を大きくすることも出来る。
ｃ３）多重曲率面を形成する各々の曲面の曲率半径を決定する段階
上記多重曲率レンズの多重曲率面１１１ａに形成される各々の曲面は、上記目標物体距離に対して焦点が合うよう曲率半径が各々設定される。
例えば、目標無限大物体距離に対応する曲面は、目標無限大物体距離（Ｌ∞）において焦点が合うよう数差などを考慮して最適化された曲率半径が設定される。このような曲面は球面または非球面から成ることができ、特に非球面の場合には球面から起因する各種数差の補正が可能となる。
一例として、図３に図示された通り、多重曲率面１１１ａに３個の曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が形成される場合に、第１曲面Ｓ１の曲率半径Ｒ１は、目標中間物体距離（Ｌｍｉｄ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍｉｄ）を有するよう設定され、第２曲面Ｓ２の曲率半径Ｒ２は、目標接写物体距離（Ｌｍａｃｒｏ）に対応して最適化された曲率半径（Ｒｍａｃｒｏ）を有するよう設定され、第３曲面Ｓ３の曲率半径Ｒ３は、目標無限大物体距離（Ｌ∞）に対応して最適化された曲率半径（Ｒ∞）を有するよう設定されることが出来る。このように各々の曲面に対応する物体距離は、前述の例に限定されず、設計仕様によって任意の順番を有することが出来る。
ｄ）イメージセンサを設置する段階２４０
図２及び図１３に図示された通り、少なくとも一つの多重曲率面１１１ａが形成された少なくとも一つの多重曲率レンズ１１１と、上記多重曲率レンズ１１１の前や後に配置され単一の曲率半径の連続的な曲面を有する屈折面が両側に形成された少なくとも一つの単一曲率レンズ１１２を具備するレンズ群１１０を通じて結像されたイメージを感知するようイメージセンサ１２０を設置する。
この際、上記イメージセンサ１２０はＣＣＤ、ＣＭＯＳのような公知のセンサが使用されることが出来る。
ｅ）イメージ処理装置を設置する段階２５０
図２及び図１３に図示された通り、上記イメージセンサ１２０から感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置１３０を設置する。
この際、上記イメージ処理装置１３０は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ、ＰＳＦ）を用いてイメージを処理する装置など公知のイメージ処理手段が使用されることが出来る。特に、本発明による光学システムは、前述の通りＰＳＦの大きさが小さく対称であるため、ＰＳＦを用いてイメージを復元する場合、画質が改善されるという利点が得られる。
本発明は特定の実施例に関し図示して説明したが、当業界において通常の知識を有している者であれば、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることが可能ということを明らかにする。
従来技術によるマスクが適用された光学システムの構成図である。 本発明による多重曲率レンズを具備する光学システムの構成図である。 本発明による多重曲率レンズの概略図である。 （ａ）から（ｃ）は、各々従来の固定焦点光学系、従来の波面コーディング光学系、本発明によるスポットダイヤグラム（ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ）を図示したグラフである。 （ａ）から（ｄ）は、従来技術と本発明による参照ＰＳＦのイメージである。 従来技術と本発明によるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＬＳＦ（ｌｉｎｅ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＭＴＦを図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＭＴＦを図示したグラフである。 従来技術と本発明によるＭＴＦを図示したグラフである。 本発明による曲面個数変化によるＭＴＦを図示したグラフである。 本発明による曲面個数変化によるＭＴＦを図示したグラフである。 本発明による曲面個数変化によるＭＴＦを図示したグラフである。 本発明による曲面の面積比によるＭＴＦを図示したグラフである。 本発明による曲面の面積比によるＭＴＦを図示したグラフである。 従来技術と本発明による目標接写距離におけるＭＴＦを図示したグラフである。 （ａ）から（ｅ）は、従来技術と本発明によるイメージ復元を示した説明図である。 従来技術と本発明の比較に使用された光学システムのレンズ構成図である。 本発明による光学システムの形成方法の順番図である。
符号の説明
１００ 光学システム
１１０ 撮像レンズ群
１１１ 多重曲率レンズ
１１２ 単一曲率レンズ
１２０ イメージセンサ
１３０ イメージ処理装置
２００ 光学システムの形成方法
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 曲面
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 曲率半径
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３ 各曲面の半径

Claims (30)

  1. 曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面を少なくとも一側の屈折面に有する少なくとも一つの多重曲率レンズと、前記多重曲率レンズの前や後に配置され球面または非球面の連続的な曲面を有する屈折面が両側に形成された少なくとも一つの単一曲率レンズを具備する撮像レンズ群と、
    前記撮像レンズ群から結像されたイメージを感知するイメージセンサと、
    前記イメージセンサから感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置と、
    を含むことを特徴とする多重曲率レンズを具備する光学システム。
  2. 前記多重曲率面が形成される少なくとも一つの屈折面は、前記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が最も大きい屈折面を含むことを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  3. 前記多重曲率面が形成される複数の屈折面は、前記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち屈折力が大きい順番を有する屈折面から成ることを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  4. 前記多重曲率面は、球面または非球面の屈折面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  5. 前記多重曲率面に形成される各々の曲面は、球面または非球面から成ることを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  6. 前記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の個数は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一だったり、前記目標物体距離の個数より多いことを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  7. 前記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面は、前記目標物体距離に対して焦点が合うよう曲率半径が各々設定されることを特徴とする請求項６に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  8. 前記目標物体距離は、近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離と、を含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  9. 前記目標物体距離は、前記目標接写距離と目標無限大物体距離との間に位置する物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  10. 前記目標中間物体距離は、２以上設定されることを特徴とする請求項９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  11. 前記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の面積は、相互同一であることを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  12. 前記多重曲率レンズの多重曲率面に形成される各々の曲面の面積は、同一の面積比である時の曲面面積の±５０％であることを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  13. 前記多重曲率面の中央に形成される曲面の面積は、他の曲面各々の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  14. 前記イメージ処理装置は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いてイメージを復元処理することを特徴とする請求項１に記載の多重曲率レンズを具備する光学システム。
  15. ａ）少なくとも一つのレンズを具備する固定焦点方式の撮像レンズ群を設定する段階と、
    ｂ）前記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち、曲率半径が異なる２以上の曲面が同心円形態を成す多重曲率面が形成される多重曲率レンズの屈折面を一つ以上選択する段階と、
    ｃ）前記多重曲率レンズの屈折面が多重曲率面を成すよう多数の曲面を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  16. 前記ｂ）段階は、前記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち、屈折力が最も大きい屈折面が含まれるよう多重曲率面が形成される屈折面を選択することを特徴とする請求項１５に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  17. 前記ｂ）段階は、前記撮像レンズ群に具備されるレンズの屈折面のうち、屈折力が大きい順番の多数の屈折面が含まれるよう多重曲率面が形成される屈折面を選択することを特徴とする請求項１５に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  18. 前記ｂ）段階は、前記撮像レンズ群に具備されるレンズの球面または非球面の屈折面のうち、多重曲率面が形成される屈折面を選択することを特徴とする請求項１５に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  19. 前記ｃ）段階は、
    ｃ１）多重曲率面を形成する曲面の個数を決定する段階と、
    ｃ２）多重曲率面を形成する各々の曲面の面積を決定する段階と、
    ｃ３）多重曲率面を形成する各々の曲面の曲率半径を決定する段階と、
    を含んで成ることを特徴とする請求項１５に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  20. 前記ｃ１）段階は、焦点が合うよう予め設定された目標物体距離の個数と同一だったり、前記目標物体距離の個数より多いよう曲面の個数を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  21. 前記目標物体距離は、近接物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標接写距離と、無限大に対応する距離の物体に対して焦点が合うよう予め設定された目標無限大物体距離と、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  22. 前記目標物体距離は、前記目標接写距離と目標無限大物体距離との間に位置する物体に対して、焦点が合うよう予め設定された目標中間物体距離をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  23. 前記目標中間物体距離は、２以上設定されることを特徴とする請求項２２に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  24. 前記ｃ２）段階は、各々の曲面の面積が相互同一であるよう各々の曲面の面積を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  25. 前記ｃ２）段階は、同一の面積比である時の曲面面積の±５０％となるよう各々の曲面の面積を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  26. 前記ｃ２）段階は、前記多重曲率面の中央に形成される曲面の面積が、他の曲面各々の面積より大きいよう各々の曲面の面積を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  27. 前記ｃ３）段階は、目標物体距離に対して焦点が合うよう各々の目標物体距離に対応する曲面の曲率半径を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  28. 前記ｃ３）段階は、前記多重曲率面に形成される各々の曲面が球面または非球面を成すよう曲率半径を決定することを特徴とする請求項１９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  29. ｄ）前記レンズを通じて結像されたイメージを感知するようイメージセンサを設置する段階と、
    ｅ）前記イメージセンサから感知されたイメージを復元処理するイメージ処理装置を設置する段階と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
  30. 前記ｅ）段階のイメージ処理装置は、ポイントスプレッド関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いてイメージを復元処理することを特徴とする請求項２９に記載の多重曲率レンズを具備する光学システムの形成方法。
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