焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)以及EDoF攝像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】不損害景深，提高由軟件識(shí)別在近景圖像拍到的字符等的識(shí)別率。焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)(11)具有：光學(xué)透鏡(11)，其使來自被攝體(14)的光在攝像元件成像；和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件，其調(diào)節(jié)波陣面，以使該光學(xué)透鏡(11)的成像位置根據(jù)距光軸(L0)的距離而變化，從而擴(kuò)展焦點(diǎn)范圍。進(jìn)而，在將攝像元件(12)的奈奎斯特頻率的1／2的空間頻率下的MTF設(shè)為第1MTF，將1／4的空間頻率下的MTF設(shè)為第2MTF時(shí)，滿足第2MTF相對(duì)于第1MTF為3倍以下的值這樣的條件。
【專利說明】焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)以及EDoF攝像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及擴(kuò)展光學(xué)透鏡的焦深(焦點(diǎn)深度)的光學(xué)系統(tǒng)(以下稱作焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng))、和對(duì)通過該焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)拍攝的圖像實(shí)施還原處理(去卷積(deconvolution)處理)來使其銳化的EDoF攝像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在便攜式電話機(jī)、PDA、小型筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)等中搭載數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。過去，搭載于這樣便攜式電話機(jī)等中的數(shù)碼相機(jī)為了小型且廉價(jià)地制造，例如一般使用固定焦點(diǎn)光學(xué)透鏡，無法謀求高畫質(zhì)的攝影圖像。但是，近年來，對(duì)于這樣的簡(jiǎn)易的數(shù)碼相機(jī)也開始謀求攝影圖像的畫質(zhì)提升。
[0003]另外，搭載于便攜式電話機(jī)等的數(shù)碼相機(jī)在從數(shù)米外的人物或風(fēng)景攝影等數(shù)米外的被攝體攝像到為了讀取字符或二維碼等的數(shù)十厘米外的像的攝像中都有使用。為了進(jìn)行寬范圍的被攝體距離下的攝影，需要按照攝影距離來對(duì)焦，但是，在便攜式電話等中搭載的數(shù)碼相機(jī)中，由于小型且廉價(jià)是必須的，因此難以設(shè)置焦點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
[0004]為此，近年來，從成本等方面出發(fā)，在便攜式電話機(jī)等的裝置中，開始使用EDoF (Extended Depth of Field,擴(kuò)展景深)攝像系統(tǒng),作為不用對(duì)焦就能夠覆蓋數(shù)十厘米程度的微距攝影域到大致無限遠(yuǎn)的攝像距離范圍的數(shù)碼相機(jī)(專利文獻(xiàn)I?3)。EDoF攝像系統(tǒng)是如下攝像系統(tǒng):使用對(duì)應(yīng)于距光軸的距離(入射高度)通過相位板等使焦點(diǎn)距離不同的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)來攝像，通過還原處理使所得到的影像模糊的圖像銳化，以得到與用景深寬的光學(xué)透鏡拍攝的同等的圖像。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)I JP特開2010-213274號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2 JP特開2007-206738號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)3 JP特開2006-094471號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明要解決的課題
[0011]在將通過EDoF攝像系統(tǒng)以作為近景而拍攝的字符或二維碼等作為被攝體的情況下，不是僅人眼看到能識(shí)別為字符等即可，而且謀求取得能由0CR(0ptical CharacterRecognition，光學(xué)字符識(shí)別)應(yīng)用或解碼應(yīng)用等的軟件從拍攝的圖像正確地識(shí)別字符等的圖像。人進(jìn)行的識(shí)別與基于OCR等軟件的字符等的識(shí)別不同，即使是人眼看到能識(shí)別為字符等的圖像，也有在軟件中不能正確識(shí)別的情況。
[0012]但是，在現(xiàn)有的EDoF攝像系統(tǒng)中，由于擴(kuò)展了景深，因此人能識(shí)別在拍攝近景的圖像(以下稱作近景圖像)中拍到的字符等。但是，在現(xiàn)有的EDoF攝像系統(tǒng)中，存在難以得到能由OCR等的軟件正確識(shí)別字符等的圖像。[0013]為了由OCR等軟件正確識(shí)別在近景圖像中拍到的字符等，提升對(duì)比度和分辨率等的所謂畫質(zhì)即可。但是，在EDoF攝像系統(tǒng)中，畫質(zhì)與景深是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。因此，若要提升基于軟件的字符識(shí)別率，則不得不縮窄景深，存在反而損害作為擴(kuò)展景深這樣的EDoF攝像系統(tǒng)的本來的功能的問題。
[0014]本發(fā)明目的在于提供一種焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)以及EDoF攝像系統(tǒng)，不損害景深、提高由OCR等從近景圖像識(shí)別字符等的識(shí)別率。
[0015]用于解決課題的手段
[0016]本發(fā)明的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)具備:光學(xué)透鏡，其使來自被攝體的光成像于攝像元件；和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件，其調(diào)節(jié)波陣面以使該光學(xué)透鏡的成像位置根據(jù)距光軸的距離變化，從而擴(kuò)展焦點(diǎn)范圍。進(jìn)而，在將攝像元件的奈奎斯特頻率的I / 2的空間頻率下的MTF設(shè)為第1MTF，將I / 4的空間頻率下的MTF設(shè)為第2MTF時(shí)，滿足第2MTF相對(duì)于第IMTF為3倍以下的值這樣的條件。
[0017]優(yōu)選在使用澤尼克多項(xiàng)式Zj (n, m)以及系數(shù)Kj以Ψ = Σ Kj.Zj來表征透射波陣面Ψ、將表示散焦的第4項(xiàng)Z4(n = 2，m = O)的系數(shù)設(shè)為K4時(shí)，第2MTF相對(duì)于第IMTF為3倍以下的系數(shù)K4的范圍包含0，為0.6以上的大小。
[0018]優(yōu)選第2MTF相對(duì)于第IMTF為3倍以下的系數(shù)K4的范圍包含0，為0.9以上的大小。
[0019]優(yōu)選第2MTF相對(duì)于第IMTF為3倍以下的系數(shù)K4的范圍包含0，負(fù)側(cè)的范圍的大小為0.3以上的大小。
[0020]優(yōu)選第2MTF相對(duì)于第IMTF為3倍以下的系數(shù)K4的范圍包含0，負(fù)側(cè)的范圍的大小為0.6以上的大小。
[0021]優(yōu)選第2MTF為0.4以上。
[0022]優(yōu)選第2MTF為0.5以上。
[0023]優(yōu)選光學(xué)透鏡以及所述焦點(diǎn)擴(kuò)展元件不在光軸方向上移動(dòng)地被固定。
[0024]本發(fā)明的EDoF攝像系統(tǒng)具備拍攝被攝體的像的攝像元件和焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)。焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)具有:光學(xué)透鏡，其使來自被攝體的光成像于攝像元件；和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件，其調(diào)節(jié)波陣面以使該光學(xué)透鏡的成像位置根據(jù)距光軸的距離而變化，從而擴(kuò)展光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)范圍。進(jìn)而，在將攝像元件的奈奎斯特頻率的I / 2的空間頻率下的MTF設(shè)為第IMTFJf I / 4的空間頻率下的MTF設(shè)為第2MTF時(shí)，滿足第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的值這樣的條件。
[0025]優(yōu)選具備:圖像處理部，其通過對(duì)攝像元件輸出的數(shù)據(jù)實(shí)施還原處理來生成擴(kuò)展了景深的圖像。
[0026]發(fā)明效果
[0027]根據(jù)本發(fā)明，不損害景深，能提高軟件識(shí)別在近景圖像拍到的字符等的識(shí)別率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是表示EDoF攝像系統(tǒng)的構(gòu)成的框圖。
[0029]圖2是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成的說明圖。
[0030]圖3A是示意表征被攝體的任意的點(diǎn)的像的RAW數(shù)據(jù)的圖。[0031]圖3B是示意表征RAW數(shù)據(jù)中的點(diǎn)像的像素值的分布的曲線圖。
[0032]圖3C是示意表征RAW數(shù)據(jù)的頻率MTF的曲線圖。
[0033]圖3D是示意表示還原處理后的點(diǎn)像的圖像數(shù)據(jù)的圖。
[0034]圖3E是示意表征還原處理后的點(diǎn)像的像素值的分布的曲線圖。
[0035]圖3F是示意表征還原處理后的頻率MTF的曲線圖。
[0036]圖4是表示通常光學(xué)透鏡和焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)的散焦MTF的曲線圖。
[0037]圖5是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1、#2的頻率MTF的曲線圖。
[0038]圖6A是使用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1得到的圖像。
[0039]圖6B是使用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像。
[0040]圖7A是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3的頻率MTF的曲線圖。
[0041]圖7B是示意表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3拍攝的圖表圖像的圖。
[0042]圖7C是表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3拍攝的圖像的波形的曲線圖。
[0043]圖8A是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)M的頻率MTF的曲線圖。
[0044]圖8B是示意表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4拍攝的圖表圖像的圖。
[0045]圖SC是示意表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4拍攝的圖像的波形的曲線圖。
[0046]圖9A是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5的頻率MTF的曲線圖。
[0047]圖9B是示意表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5拍攝的圖表圖像的圖。
[0048]圖9C是表示用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5拍攝的圖像的波形的曲線圖。
[0049]圖10是表示通常光學(xué)透鏡的散焦MTF的曲線圖。
[0050]圖11是表示通常光學(xué)透鏡的散焦范圍的曲線圖。
[0051]圖12是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#6的散焦MTF的曲線圖。
[0052]圖13是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#6的散焦范圍的曲線圖。
[0053]圖14是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#7的散焦MTF的曲線圖。
[0054]圖15是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#7的散焦范圍的曲線圖。
[0055]圖16是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#8的散焦MTF的曲線圖。
[0056]圖17是表示焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#8的散焦范圍的曲線圖。
[0057]圖18A是通常光學(xué)透鏡圖像的示例。
[0058]圖18B是用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#6得到的圖像的示例。
[0059]圖18C是用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#7得到的圖像的示例。
[0060]圖18D是用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#8得到的圖像的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0061]如圖1所示，EDoF攝像系統(tǒng)10具備:焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11、攝像元件12、圖像處理部13。EDoF攝像系統(tǒng)10主要在兩種用途中使用，即:風(fēng)景或人物等數(shù)米外的?無限遠(yuǎn)的遠(yuǎn)景攝像、和字符或二維碼等在數(shù)十厘米程度的距離拍攝的近景攝像。
[0062]焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11用于使從被攝體14入射的光在攝像元件12成像，如后述那樣包含多個(gè)光學(xué)透鏡、和用于使光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)擴(kuò)展的焦點(diǎn)擴(kuò)展元件。例如，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11使包含光軸的中心附近的光束會(huì)聚在近前側(cè)(被攝體14側(cè))，使穿過外側(cè)的光束會(huì)聚在后側(cè)(攝像元件12側(cè))。由此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11對(duì)應(yīng)于入射高度而焦點(diǎn)變化。[0063]焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的光學(xué)性能被設(shè)計(jì)為在具體的EDoF攝像系統(tǒng)10中使用的性能，在該實(shí)施方式中，使用F值(Fn)為2.29的固定焦點(diǎn)光學(xué)透鏡。另外，光學(xué)透鏡的分辨力δ與F值(Fn)成反比，若將參考波長(zhǎng)設(shè)為λ (nm)，則δ = I / Fn / λ。因此，若設(shè)為參考波長(zhǎng)λ = 546η，則焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的分辨力δ為約800線/ mm。這與后述的攝像元件12的采樣頻率fs大致相等,是奈奎斯特頻率(nyquist freqency) Ny的2倍程度。
[0064]另外，如后述那樣，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11形成為奈奎斯特頻率Ny的I / 4的低頻率下的MTF值成為奈奎斯特頻率Ny的I / 2的高頻率下的MTF值的3倍以下。進(jìn)而，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11形成為:在散焦MTF下，奈奎斯特頻率Ny的I / 4的低頻率下的MTF值成為奈奎斯特頻率Ny的I / 2的高頻率下的MTF值的3倍以下的范圍大于球面光學(xué)透鏡，成為1.5倍以上。
[0065]攝像元件12通過將由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11成像的被攝體14的像按每個(gè)像素進(jìn)行光電變換，由此來進(jìn)行攝像，將得到的RAW數(shù)據(jù)輸出給圖像處理部13。攝像元件12配置為排列多個(gè)像素的攝像面位于焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的焦點(diǎn)范圍內(nèi)。
[0066]另外，作為攝像元件12，使用在具體的EDoF攝像系統(tǒng)10求得的性能的攝像元件，以下，像素間距P為1.25 μ m。S卩,攝像元件12的采樣頻率fs設(shè)為fs = I / p = 800線/mm。因此，奈奎斯特頻率Ny為400線/ mm。
[0067]圖像處理部13由DSP或DIP等構(gòu)成，對(duì)攝像元件12輸出的RAW數(shù)據(jù)實(shí)施各種圖像處理，來變換為整體鮮明的圖像15。具體地，圖像處理部13對(duì)RAW數(shù)據(jù)按照還原處理、減噪處理、混色補(bǔ)正處理、陰影補(bǔ)正處理、白平衡調(diào)整處理、同步處理、色矩陣補(bǔ)正處理、YC變換處理、Y補(bǔ)正處理、邊緣強(qiáng)調(diào)處理的順序?qū)嵤┻@些處理，生成給定格式(例如jpeg)的圖像15。
[0068]如圖2所示，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11例如具備多個(gè)光學(xué)透鏡11a、lib、和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件16。光學(xué)透鏡Ila將從被攝體14的點(diǎn)14a作為球面波而射出的光整理為平面波，并使其入射到焦點(diǎn)擴(kuò)展元件16。光學(xué)透鏡Ilb使從焦點(diǎn)擴(kuò)展元件16入射的光會(huì)聚。焦點(diǎn)擴(kuò)展元件16對(duì)從光學(xué)透鏡Ila入射的平面波調(diào)節(jié)波陣面，以使得穿過包含光軸LO的中心部分的光束(下面稱作內(nèi)光束)LI和穿過內(nèi)光束LI的周圍的光束(下面稱作外光束)L2的直到被光學(xué)透鏡Ilb會(huì)聚為止的距離不同。具體地，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11使入射高度小的內(nèi)光束LI會(huì)聚在短距離的焦點(diǎn)F1，使入射高度大的外光束L2會(huì)聚在遠(yuǎn)距離的焦點(diǎn)F2。因此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11將焦點(diǎn)由一點(diǎn)擴(kuò)大為從短距離焦點(diǎn)Fl到遠(yuǎn)距離焦點(diǎn)F2間的焦點(diǎn)范圍E。如前述那樣，由于攝像元件12配置在焦點(diǎn)范圍E內(nèi)的給定位置，因此攝像元件12輸出的RAW數(shù)據(jù)成為會(huì)聚在焦點(diǎn)Fl的像、會(huì)聚在焦點(diǎn)F2的像、或者會(huì)聚在焦點(diǎn)Fl和F2之間的像在模糊的狀態(tài)下疊合的數(shù)據(jù)。下面，將攝像元件12配置在焦點(diǎn)F2，以使得無限遠(yuǎn)的遠(yuǎn)景成為最佳對(duì)焦。
[0069]如圖3A所示那樣，在從攝像元件12輸出的RAW數(shù)據(jù)21中，被攝體14的某點(diǎn)14a的像對(duì)應(yīng)于攝像元件12的配置成為模糊的像。由此，例如，如圖3B所示，點(diǎn)14a的像，作為像素值，廣泛地分布在RAW數(shù)據(jù)21的線A-B方向上。由此，如圖3C所示，若就如RAW數(shù)據(jù)21那樣，則針對(duì)空間頻率Fq的MTF (下面稱作頻率MTF)隨著空間頻率Fq的增大而急劇減少，分辨率較低。[0070]但是，通過用圖像處理部13實(shí)施還原處理(所謂的去卷積處理)，如圖3D所示的還原處理后的圖像數(shù)據(jù)22那樣，點(diǎn)14a成為不模糊的點(diǎn)像。即，在還原處理中，從廣泛的像素值的分布(圖3B)被銳化為圖3E所示那樣具有陡峭的峰值。由此，如圖3F所示，頻率MTF恢復(fù)到與用通常的固定焦點(diǎn)光學(xué)透鏡進(jìn)行攝像的情況相同程度，得到給定的分辨率。另夕卜，還原處理由于在此與例示的點(diǎn)14a的像相同地將在RAW數(shù)據(jù)21疊合的成像在焦點(diǎn)F1、焦點(diǎn)F2 (或其間)的像根據(jù)其焦點(diǎn)位置來各自銳化，因此，比起用固定焦點(diǎn)光學(xué)透鏡拍攝的圖像，能得到深化了景深的圖像15。
[0071]若針對(duì)相對(duì)于散焦的MTF的變化(下面稱作散焦MTF)來比較與焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11同樣地用在便攜式電話機(jī)等中的一般的固定焦點(diǎn)光學(xué)透鏡(下面稱作通常光學(xué)透鏡)、和焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11，則如圖4所示，通常光學(xué)透鏡雖然在最佳對(duì)焦位置(散焦=0.0mm的位置)MTF值大于焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11，但若聚焦位置移位，則MTF與焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11相比急劇減少。這表示，即使是從最佳對(duì)焦位置稍稍偏移的被攝體，像的模糊也較大。另外，在將攝像元件12置于焦點(diǎn)范圍E中的焦點(diǎn)F2的情況下，最佳對(duì)焦位置的MTF表征例如無限遠(yuǎn)等拍攝遠(yuǎn)景的情況下的分辨率，在-0.3?-0.5_程度散焦的位置表征拍攝近景的情況下的分辨率。由此，通常光學(xué)透鏡雖然能以高分辨率拍攝遠(yuǎn)景的風(fēng)景或人物，但在拍攝近景的情況下分辨率較低，例如在拍攝紙面或監(jiān)視器的字符等的情況下，人眼都難以讀取字符等。
[0072]另一方面，在焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的情況下，由于遠(yuǎn)景的MTF與近景的MTF是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，因此最佳對(duì)焦位置的MTF小于通常光學(xué)透鏡。但是，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11即使從最佳對(duì)焦位置偏移也能緩和MTF的減少，能得到能通過還原處理使像銳化程度的一定以上的MTF值。由此，通過對(duì)用焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11拍攝的RAW數(shù)據(jù)實(shí)施還原處理來生成圖像15，至少人眼能讀取在近景圖像拍到的字符等。
[0073]另外，通常光學(xué)透鏡的散焦MTF不論相對(duì)于最佳對(duì)焦位置散焦的方向(正負(fù))如何，都是相對(duì)于最佳對(duì)焦位置對(duì)稱的曲線形狀。另一方面，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11由于為了提升近景的MTF，在使聚焦位置向負(fù)方向移位的情況下得到給定以上的分辨率，因此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的散焦MTF成為相對(duì)于最佳對(duì)焦位置非對(duì)稱的曲線形狀。
[0074]如上述那樣，得到人眼能讀取字符等的近景圖像的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)能制作為各種特性，但僅是人眼能識(shí)別字符等，并不意味著能由OCR等軟件正確地識(shí)別字符等。這是因?yàn)槿搜酆蛙浖M(jìn)行的字符等的識(shí)別的方式相異。
[0075]在由人眼進(jìn)行的情況下，只要有某種程度的分辨率，則對(duì)比度高的字符等易于讀取。另一方面，在由OCR等軟件進(jìn)行的情況下，比起像的對(duì)比度，像的波形更重要。例如，字符等像的波形越接近矩形波則能正確識(shí)別的比率越高，但即使是對(duì)比度高、用人眼看易于讀取的字符等，也存在像的波形越接近三角波則能正確的識(shí)別的比率越低的傾向。如前述那樣，若提高分辨率(MTF)就能使基于軟件的字符等的識(shí)別率提升，但在焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)的情況下，遠(yuǎn)景圖像的畫質(zhì)也不得不保持在一定以上，由于遠(yuǎn)景圖像用的最佳對(duì)焦位置下的頻率MTF、和近景圖像用的在負(fù)地散焦的位置的頻率MTF是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，因此，為了從近景圖像用軟件正確識(shí)別字符等而提高向負(fù)側(cè)散焦的位置下的頻率MTF，則會(huì)犧牲在遠(yuǎn)景圖像的頻率MTF。
[0076]為此，構(gòu)成EDoF攝像系統(tǒng)10的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11按照至少在最佳對(duì)焦位置使奈奎斯特頻率Ny的I / 4的低頻率(下面稱作I / 4Ny)下的頻率MTF的值成為奈奎斯特頻率Ny的I / 2的高頻率(下面稱作I / 2Ny)下的頻率MTF的值的3倍以下的方式來確定I / 4Ny下的頻率MTF和I / 2Ny下的頻率MTF的比率。由此，在EDoF攝像系統(tǒng)10中，不損害遠(yuǎn)景圖像以及近景圖像的畫質(zhì)，人眼看到能從近景圖像識(shí)別字符等，且用基于OCR等的軟件也能從近景圖像正確識(shí)別字符等。
[0077]下面，說明調(diào)節(jié)I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny的頻率MTF的比率所起到的作用。另外，由于焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的分辨力δ與攝像元件12的采樣頻率fs大致相等(約800線/ mm)，因此，EDoF攝像系統(tǒng)10的分辨率基于攝像元件12的采樣頻率fs (800線/ mm)。由此，在EDoF攝像系統(tǒng)10中，I / 2Ny為400線/ mm，I / 4Ny為200線/ mm。另外，在近景圖像拍到的字符等的幅度(字符的線寬)因攝影距離等條件不同而不同，但在下面為了簡(jiǎn)單，字符等的幅度為2?3像素程度，字符等為I / 2Ny程度的高頻率的像。
[0078]如圖5所示，作為一例，在最佳對(duì)焦位置(散焦0.0mm)比較2個(gè)種類的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)。焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1的I / 2Ny下的頻率MTF為0.1，I / 4Ny下的頻率MTF為0.2。因此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1的I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:2，滿足I / 4Ny下的頻率MTF為I / 2Ny下的頻率MTF的3倍以下這樣的在焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11中設(shè)置的條件。
[0079]焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2與焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1同樣，I / 2Ny下的頻率MTF為0.1，但I(xiàn) / 4Ny下的頻率MTF為0.5，大于焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1。焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2的I /2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:5，不滿足I / 4Ny下的頻率MTF為I / 2Ny下的頻率MTF的3倍以下這樣的在焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11中設(shè)置的條件。
[0080]在圖6A和圖6B示出由上述焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1、#2在一定的攝影條件下拍攝“film”的字符的情況下得到的圖像。圖6A、圖6B都是通過模擬而得到的圖像。
[0081]若比較圖6A所示的由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1得到的圖像31、和圖6B所示的由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像32，則都能由人眼充分識(shí)別“film”的字符。但是，但由于由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1得到的圖像31與由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像32相比對(duì)比度低，因此，若比較兩者，則由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像32 —方更易于識(shí)別“film”的字符。
[0082]但是，若用OCR軟件來識(shí)別“film”的字符，雖然圖6A的由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1得到的圖像31能正確識(shí)別“film”的字符。但不能從圖6B的由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像32正確識(shí)別“film”的字符。這是因?yàn)?，雖然由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#1得到的圖像31對(duì)比度低，但字符部分的濃度分布的波形接近于矩形波，由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#2得到的圖像32雖然對(duì)比度高，但字符部分的濃度分布的波形接近于三角波。
[0083]拍攝的像的波形能通過調(diào)節(jié)I / 2Ny下的頻率MTF、與I / 4Ny下的頻率MTF的比率來變更。
[0084]例如，如圖7A所示，在I / 2Ny下的頻率MTF為0.2、I / 4Ny下的頻率MTF為0.4的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3的情況下，I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:2。在用該焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3拍攝I / 2Ny程度的高頻圖表時(shí)，能得到如圖7B所示那樣對(duì)比度高且如圖7C所示那樣像的波形為大致完全的矩形波的圖表圖像41。
[0085]另一方面，如圖8A所示，在I / 2Ny下的頻率MTF為0.1、I / 4Ny下的頻率MTF為0.4的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4的情況下，I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:4。若將焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4與焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3進(jìn)行比較，則焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4是I / 2Ny下的頻率MTF減半，I / 4Ny下的頻率MTF不變的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)。在用該焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4拍攝I / 2Ny程度的高頻圖表時(shí)，如圖SB所示，雖然對(duì)比度與由焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3得到的圖像大致相同，但圖SC所示，得到像的波形接近于三角波的圖表圖像42。
[0086]進(jìn)而，如圖9A所示，在I / 2Ny下的頻率MTF為0.1、I / 4Ny下的頻率MTF為0.2的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5的情況下，I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:2。若將焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5與圖7A的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3進(jìn)行比較，則焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5是雖然I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比相同但I(xiàn) / 2Ny下的頻率MTF和I / 4Ny下的頻率MTF都減半的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)。另外，若將焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5與圖8A的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#4進(jìn)行比較，則焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5是I / 2Ny下的頻率MTF相等、I / 4Ny下的頻率MTF減半的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比也不同。
[0087]在用該焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#5拍攝I / 2Ny程度的高頻圖表時(shí)，如圖9B所示，對(duì)比度比焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3、#4都低，但如圖9C所示，能得到像的波形接近于矩形波的圖表圖像43。
[0088]若比較圖7A、圖8A、圖9A的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)#3~#5則可知，I / 4Ny下的頻率MTF相對(duì)于I / 2Ny下的頻率MTF之比小的即使拍攝相同的高頻的圖表，像的波形也接近于矩形波。
[0089]由此，一般改變I / 2Ny與I / 4Ny下的頻率MTF之比一邊通過模擬來作成與上述相同的圖表圖像，取得所得到的圖表圖像的像的波形、與三角波以及矩形波的相關(guān)。于是，在I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比(I / 2ny下的頻率組MTF:1 / 4Ny下的頻率MTF)大于1:3的情況下，即，在I / 4Ny下的頻率MTF大于I / 2Ny下的頻率MTF的3倍的情況下，圖表圖像的波形與三角波的相關(guān)高于矩形波。另一方面，在I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:3以下的情況下，即，在I / 4Ny下的頻率MTF為I / 2Ny下的頻率MTF的3倍以下的情況下，圖表圖像的波形與矩形波的相關(guān)高于三角波。為此，搭載于EDoF攝像系統(tǒng)10的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11滿足I / 2Ny下的頻率MTF與I / 4Ny下的頻率MTF之比為1:3以下這樣的條件地形成。
[0090]另外，說明了最佳對(duì)焦位置(散焦±0.0mm)的I / 2Ny以及I / 4Ny的頻率MTF與像的波形的關(guān)系，但EDoF攝像系統(tǒng)10是通過對(duì)在最佳對(duì)焦位置以外以模糊的狀態(tài)拍攝的像進(jìn)行圖像處理來還原，從而使景深深化的攝像系統(tǒng)。由此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11雖然需要至少在最佳對(duì)焦位置滿足上述條件，僅在最佳對(duì)焦位置附近的極窄范圍滿足上述條件，也不能說易于得到能由OCR等的軟件識(shí)別字符等的識(shí)別率高的近景圖像。
[0091]因此，對(duì)于散焦，優(yōu)選在某種程度的范圍內(nèi)滿足上述條件。為此，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11優(yōu)選澤尼克(Zernike)多項(xiàng)式第4項(xiàng)Z4的系數(shù)K4 (后述)范圍為0.6 (與通常光學(xué)透鏡相同)以上，更優(yōu)選為0.75(通常光學(xué)透鏡的1.25倍)以上，特別優(yōu)選0.9 (通常光學(xué)透鏡的1.5倍)以上，其中，在散焦MTF中包含最佳對(duì)焦位置，I / 2Ny下的頻率MTF與I /4Ny下的頻率MTF之比成為1:3以下。[0092]下面，說明相對(duì)于系數(shù)K4的散焦MTFJP I / 2Ny與I / 4Ny下的MTF之比成為3以下的范圍。另外，澤尼克多項(xiàng)式Z使用距光軸的距離P (p〈1)和距給定方向(例如S方向)的角度Θ、整數(shù)m、n、s，用下述數(shù)式I來表征，焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)11的波陣面Ψ能使用系數(shù)Kj,用Ψ =EKj*Zj來表征。第4項(xiàng)Z4(n = 2,m = O)是表征波陣面的散焦的項(xiàng)，該系數(shù)K4表示散焦的大小。另外，系數(shù)K4和散焦量Λ有下述數(shù)式2的關(guān)系。D為口徑(mm)、f為焦點(diǎn)距離(mm)、波長(zhǎng)為λ (nm)。
[0093][數(shù)式I]
【權(quán)利要求】
1.一種焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，具備: 至少I個(gè)光學(xué)透鏡，其使來自被攝體的光成像于攝像元件；和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件，其調(diào)節(jié)波陣面，以使所述光學(xué)透鏡的成像位置根據(jù)距光軸的距離而變化，從而擴(kuò)展焦點(diǎn)范圍， 在將所述攝像元件的奈奎斯特頻率的I / 2的空間頻率下的MTF設(shè)為第IMTFdf I /4的空間頻率下的MTF設(shè)為第2MTF時(shí)，滿足所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的值的條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 在使用澤尼克多項(xiàng)式Zj (n，m)以及系數(shù)Kj以Ψ = Σ Kj.Zj表征透射波陣面Ψ、將表示散焦的第4項(xiàng)Z4 (η = 2，m = O)的系數(shù)設(shè)為K4時(shí)，所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的所述系數(shù)K4的范圍包含O，為0.6以上的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的所述系數(shù)K4的范圍包含O，為0.9以上的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的所述系數(shù)K4的范圍包含O，負(fù)側(cè)的范圍的大小為0.3以上的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的所述系數(shù)K4的范圍包含O，負(fù)側(cè)的范圍的大小為0.6以上的大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2MTF為0.4以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2MTF為0.5以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述光學(xué)透鏡以及所述焦點(diǎn)擴(kuò)展元件被固定為不在光軸方向上移動(dòng)。
9.一種EDoF攝像系統(tǒng)，其特征在于，具備: 攝像元件，其拍攝被攝體的像；和 焦點(diǎn)擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)，其具有至少I個(gè)光學(xué)透鏡、和焦點(diǎn)擴(kuò)展元件，所述至少I個(gè)光學(xué)透鏡使來自被攝體的光成像于所述攝像元件，所述焦點(diǎn)擴(kuò)展元件調(diào)節(jié)波陣面以使所述光學(xué)透鏡的成像位置根據(jù)距光軸的距離而變化，從而擴(kuò)展焦點(diǎn)范圍， 在將所述攝像元件的奈奎斯特頻率的I / 2的空間頻率下的MTF設(shè)為第IMTFjf I /4的空間頻率下的MTF設(shè)為第2MTF時(shí)，滿足所述第2MTF相對(duì)于所述第IMTF為3倍以下的值的條件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的EDoF攝像系統(tǒng)，其特征在于， 所述EDoF攝像系統(tǒng)還具備: 圖像處理部，其通過對(duì)所述攝像元件輸出的數(shù)據(jù)實(shí)施還原處理來生成擴(kuò)展了景深的圖像。
【文檔編號(hào)】G02B13/00GK103460108SQ201280016595
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月31日
【發(fā)明者】岸根慶延 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社