相位校正板、成像系統和設備、行動電話、車載設備、監控攝像機、內窺設備、數位相機、數...的製作方法

2023-05-16 00:15:11

專利名稱：相位校正板、成像系統和設備、行動電話、車載設備、監控攝像機、內窺設備、數位相機、數 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及要安裝在成像透鏡上的相位校正板，對通過其上安裝有相位校正板的 成像透鏡獲得的、代表對象的像數據進行復原處理的成像系統，以及包括該成像系統在內 的成像設備。此外，本發明涉及包括該成像系統在內的行動電話、車載設備、監控攝像機、內 窺設備、數位相機和數碼攝像機、以及包括該相位校正板的透鏡單元。
背景技術：
傳統上，已知諸如具有內置相機的行動電話等移動終端設備。作為移動終 端設備上安裝的小相機的成像透鏡，已知具有焦點調整機制而採用調焦方法的成像 透鏡、以及不具有焦點調整機制而採用定焦方法的成像透鏡(請參照日本待審專利 公開No. 2006-246492，日本待審專利公開No. 2005-292443，以及日本待審專利公開 No. 2004-258111)。採用定焦方法的成像設備被設計為具有較大合焦(in-focus)範圍，在合焦範圍 中像合焦(in focus)。通過在一定程度上增加景深而容許解析度降低和亮度降低(換言 之，增加F數)來設置較大合焦範圍。通常，在定焦方法中，不考慮近景拍攝(近距拍攝) 以確定成像透鏡的景深，換言之，不考慮近距離處的物作為拍攝對象。相反，採用調焦方法的成像設備通常被設計為具有高解析度和包括近距離處的 物在內的大範圍拍攝對象。此外，採用調焦方法的成像設備被設計為包括亮透鏡(bright lens,具有小F數的透鏡)。作為採用調焦方法的成像設備，已知具有自動聚焦機制和大量 開關(macroswitching)機制的成像設備。此外，已知用於獲得具有增加景深的像的方法。在該方法中，通過使用具有 波前調製表面(相位調製表面)的透鏡單元來對對象成像，並且對對象的像執行復原 (restoration)處理來獲得具有增加景深的像(請參照日本待審專利公開No. 2009-008935 和 PCT 國際公開 No. W02009/106996)。在行動電話等上安裝的小相機不僅用於捕獲風景像和肖像，還用於讀取條形碼和 字母或字符(字母文本)。此外，需要具有較深景深的透鏡，以能夠應對包括遠距離拍攝到 近距離拍攝的大範圍拍攝。然而，當採用調焦方法的成像透鏡用於在相對暗的室內進行近距離拍攝(近景拍 攝)時，打開光圈，並且將F數設置得較低(例如，F2.8等)。因此，景深變得非常淺。當 從對角方向對條形碼或字母文本成像時，在一些情況下，僅有對象的一部分合焦。因此，成 像透鏡的姿態(方向)被調整為使得成像透鏡的光軸與條形碼或字母文本的表面垂直以執 行成像。然而，由於景深淺，沿著光軸的方向發生抖動模糊，並且在一些情況下像出現失焦 (out of focus) ο同時，當減小使用調焦方法的成像透鏡的孔徑(增加F數)以增加景深從而防止 沿著成像透鏡的光軸方向的模糊時，由於接收光量降低而需要降低快門速度，光量由於縮小孔徑而減少。因此，問題在於，沿著與光軸垂直的方向的抖動模糊變得顯著，並且解析度 變得較低。因此，需要增加成像透鏡的景深，而同時保持大孔徑成像透鏡的亮度(F數)和解析度。所述問題不僅對於移動終端設備(例如，行動電話)上安裝的成像透鏡是共有的， 而且對於用於獲得對象的像的廣泛成像透鏡也是共有的。此外，在內窺鏡(對病人的體腔進行成像)中，很難獲得足夠光量。因此，當縮小 孔徑時，成像變得困難。此外，在監控攝像機、車載設備的鏡頭和攝像機的鏡頭中，光量極大改變。當由於 成本或結構約束很難提供可變孔徑機制時，在光量不足時成像困難。 為了增加景深而保持亮度(F數)和解析度，可以採用在日本待審專利公開 No. 2009-008935中公開的方法。在日本待審專利公開No. 2009-008935中，通過使用具有波 前調製表面(相位調製表面)的成像透鏡來對對象進行成像，並且對對象的像執行復原處 理以獲得具有增加景深的像。然而，在該方法中，波前調製表面(相位調製表面)整體(一 體)形成在組成透鏡單元的透鏡表面上。因此，很難排除波前調製表面(相位調製表面) 測量透鏡單元的光學性能。在透鏡單元的製造中，用於測試透鏡單元性能的檢驗變得困難， 並且增加了用於製造透鏡單元的成本。

發明內容
鑑於上述情況，本發明的目的是提供一種相位校正板，可以容易地增加成像透鏡 的景深，同時防止成像透鏡的解析度降低和亮度降低(F數增加)。此外，本發明的另一目的 是提供一種包括該相位校正板的成像系統、成像設備、行動電話、車載設備、監控攝像機、內 窺設備(內窺鏡)、數位相機、數碼攝像機、以及透鏡單元。本發明的相位校正板是要安裝在成像透鏡上(或插入成像透鏡中)的相位校正 板，其中，已經通過相位校正板的中間區(包括中心在內的圍繞相位校正板中心的區域)的 光的最大相位差低於已經通過相位校正板的外圍區的光的最大相位差，其中，在外圍區中， 已經通過相位校正板的光的相位差從外圍區的中間區一側向外圍區的外圍側增加。相位校正板可以被構造為，使得已經通過相位校正板的中間區的光的相位差低於 已經通過相位校正板的外圍區的光的相位差，並且，通過外圍區的光的波前形式的變形量 從通過外圍區的光的中心側位置向外圍側單調增加，其中，所述中心側位置最接近相位校 正板的中心。本發明的相位校正板被構造為，使得在散焦期間(在改變合焦位置期間)已經通 過其上安裝有相位校正板的成像透鏡的光在成像平面上的每個位置處形成的每個光斑的 直徑變化小於在散焦期間已經通過其上沒有安裝相位校正板的單獨成像透鏡的光形成的、 與成像平面上每個所述位置相對應的光斑的直徑變化。在散焦期間通過其上安裝有相位校正板的成像透鏡在成像平面上的每個位置處 形成的每個光斑的直徑變化與在散焦期間已經通過其上沒有安裝相位校正板的單獨成像 透鏡的光形成的、與成像平面上每個所述位置相對應的每個光斑的直徑變化的比值可以小 於或等於50 %。期望該比值小於或等於20 %，並可選地，小於或等於7 %。
相位校正板可以是簡單透鏡(單透鏡)。此外，簡單透鏡的表面可以是平的。當將 相位校正板安裝在成像透鏡上以對對象成像時，簡單透鏡的平表面可以是布置在入射光一 側的透鏡表面。簡單透鏡沒有面對成像透鏡的光瞳的表面可以是平的。期望通過中間區的光的相位差小於1/2波長。期望通過外圍區的光的相位差大於或等於1/2波長。波長可以是參考波長(基本波長)的波長。當拍攝的對象是通常使用的可見波長 區時，可以採用d線(587. 6nm)的波長。當使用紅外光學系統並且拍攝的對象是紅外線波 長區時，可以採用紅外區(1200nm)等的波長。此外，相位校正板可以具有旋轉對稱形式。「可以具有旋轉對稱形式」的表述意味 著不需要該形式是完全旋轉對稱的。相位校正板的形式可以是近似旋轉對稱的。 期望相位校正板滿足以下公式5/100 < A/(A+B) < 100/100，其中，A是中間區的面積，B是外圍區的面積，A+B是 將外圍區的面積與中間區的面積相加而獲得的有效區的面積。中間區可以僅包括包括光軸在內的近軸區。備選地，中間區可以是其面積是有效 區面積5%的區域。可選地，中間區可以是其面積是有效區面積10%的區域。此外，可選 地，中間區可以是其面積是有效區面積50%的區域。備選地，其中來自通過光軸的光的相位 差小於1/2波長的區域可以被定義為中間區，其中來自通過光軸的光的相位差大於或等於 1/2波長的面積可以被定義為外圍區。此外，例如，在散焦期間光斑的直徑的變化量可以是在散焦期間該光斑的最小直 徑與該光斑的最大直徑的比值。相位校正板可以被構造為，使得相對於通過相位校正板的外圍區中的中心側位置 的光的相位，已經通過相位校正板的光的相位從相位校正板的中間區一側向相位校正板的 外圍一側提前(相位至少不會延遲，而是單調提前)，所述中心側位置最接近相位校正板的 中心。換言之，光的相位從外圍區中的中心側位置向外圍側提前。備選地，相位校正板可 以被構造為，使得已經通過相位校正板的光的相位延遲(相位至少不會提前，而是單調延 遲)。與沒有提供相位校正板時通過相同區域的光的相位相比，已經通過相位校正板的 光的相位延遲。換言之，相對於沒有在該區域中提供相位校正板時通過相同區域(相同位 置)的光，已經通過相位校正板的光始終延遲。當光的波長為λ時，相位的延遲可以大於 或等於1λ，例如，3.5λ、20.3λ等。相位的延遲不僅由滿足0彡λ彡1的範圍來定義。此外，表述「已經通過相位校正板的外圍區的光的相位差」與「已經通過相位校正 板的外圍區的光的相位變化的最大值和最小值之間的差值，該變化是從光通過相位校正板 之前光的相位到光通過相位校正板之後光的相位的變化」相對應。此外，表述「已經通過相 位校正板的外圍區的光的相位差」與「通過相位校正板的外圍區的光的波前形式的變形量 的最大值(最大程度)」相對應。此外，表述「已經通過相位校正板的中間區的光的相位差」與「已經通過相位校正 板的中間區的光的相位變化的最大值和最小值之間的差值，該變化是從光通過中間區之前 的相位到光通過中間區之後的相位的變化」相對應。此外，表述「已經通過相位校正板的中間區的光的相位差」與「通過相位校正板的中間區的光的波前形式的變形量的最大值(最 大程度)」相對應。如上所述，相位差是可以由值的幅度單獨表達的物理值。因此，相位差是不具有符 號的值(正/負等)。此外，由相位校正板引起的相位差可以定義如下。如圖27A至27D所示，使用光軸 作為原點(origin)，入射光的波前處的相位形式是I(I)(請參照圖27A)。使用光軸作為原 點，已經通過相位校正板的輸出光的波前處的相位形式是I (2)(參照圖27B)。在這種情況 下，I (2)-I (1)(請參照圖27C和27D)定義為相位差。在圖27A至27D中的每幅圖中，水平軸代表光軸Z1，垂直軸代表與光軸Zl垂直的 方向H。在圖27A至27D中所示的坐標平面中，示出了相位形式和相位差。圖27A示出了相 位形式I(I)，圖27B示出了相位形式I (2)。圖27C示出了相位差I (2)-1(1)。圖27D示出 了相對於相位形式I (1)的相位差I (2)-I (1)。期望沿著光傳播方向上的矢量來計算相位差I (2)-1 (1)。
當入射光的波前形式是平面波時，相位差與相位形式I (2)相同。此外，可以通過相對於通過外圍區的光的中心側位置(與中心最接近)，比較第一 外圍波前形式和第二外圍波前形式，來獲得相對於通過外圍區的光的中心側位置，通過外 圍區的光的波前形式的變形量，其中所述中心側位置與相位校正板的中心最接近。第一外 圍波前形式是光通過外圍區之前的波前形式，第二外圍波前形式是光通過外圍區之後的波 前形式。在其上安裝有相位校正板的成像透鏡中，形成代表對象的像的光所通過的相位校 正板區域是有效區。有效區包括中間區和外圍區。換言之，外圍區是除了中間區以外的有 效區。作為成像設備，可以採用具有調焦機制的成像設備和定焦方法的成像設備。期望在成像透鏡的光瞳附件布置相位校正板。如果以這樣的方式布置相位校正 板，則可以在廣角(視角)光學系統中實現類似的有利效果。期望相位校正板包含滿足阿貝數Yd > 45的材料，並且可選地，滿足阿貝數Yd >50的材料。此外，期望具有反常色散特性的材料用於相位校正板。因此，可以防止在透 鏡數目較少時在相位校正板中產生色差(chromatic aberration)。本發明的透鏡單元可以包括相位校正板和至少一個透鏡。相位校正板可以是包括沿著光軸方向彼此疊置的相位校正部分和基礎部分的復 合體。此外，相位校正部分和基礎部分可以由彼此具有不同光學特性的部件形成。相位校 正部分向通過相位校正板的光給出相位差，但是基本部分不會向通過相位校正板的光給出 任何相位差。相位差可以是已經通過相位校正板的平面波相對於平面波的平面的偏移(移位 等)(或者已經通過相位校正板的球面波相對於球面波的球面的偏移)。例如，當相位校正 板是沒有功能的平行平面板時，「已經垂直進入平行平面板」的平面波不偏移，換言之，不引 起相位差。然而，當相位校正板具有不平行或凸起(或不平滑部分)時，已經通過相位校正 板的平面波偏移，換言之，引起相位差。例如，當相位校正板是沒有功能的球面板時，「已經垂直進入球面板」的球面波不偏移，換言之，不引起相位差。然而，當相位校正板具有非均勻厚度或凸起(或不平滑部分) 時，已經通過相位校正板的球面波偏移，換言之，引起相位差。相位校正板可以被形成為，使得相對於通過相位校正板的外圍區的光的中心側位 置，已經通過相位校正板的光的相位從相位校正板的中間區一側向相位校正板的外圍一側 提前，所述中心側位置最接近相位校正板的中心。在這種情況下，由已經通過其上安裝有相 位校正板的成像透鏡的光形成的像的深度(景深)向成像位置的前側(對象側)增加(擴
展)ο相位校正板可以被形成為，使得相對於通過相位校正板的外圍區的光的中心側位 置，已經通過相位校正板的光的相位從相位校正板的中間區一側向相位校正板的外圍一側 延遲，所述中心側位置最接近相位校正板的中心。在這種情況下，由已經通過其上安裝有相 位校正板的成像透鏡的光形成的向的深度(景深)向成像位置的後側(已經進入且穿過成 像平面的光被輸出的成像平面側)增加(擴展)。根據本發明另一方面的相位校正板是要安裝在成像透鏡上的相位校正板，該成像 透鏡形成代表對象的像。相位校正板被構造為，使得已經通過相位校正板的中間區的光的 波前形式的最大變形量低於已經通過相位校正板的外圍區的光的波前形式的最 大變形量， 並且通過外圍區的光的波前形式的變形量從通過外圍區的光的中心側位置向外圍側單調 增加，所述中心側位置最接近相位校正板的中心。此外，相位校正板可以被構造為，使得在散焦期間已經通過其上安裝與相位校正 板的成像透鏡的光在成像平面上的每個位置處形成的每個光斑的直徑(大小)變化小於在 散焦期間已經通過其上沒有安裝相位校正板的單獨成像透鏡的光形成的光斑(與成像平 面上的每個所述位置相對應)的直徑(大小)變化。相位校正板可以是簡單透鏡。此外，簡單透鏡的表面可以是平的。當將相位校正 板安裝在成像透鏡以對對象進行成像時，平表面可以是在入射光側上布置的透鏡表面。期望通過中間區的光的波前形式的最大變形量小於1/2波長。期望通過外圍區的光的波前形式的最大變形量大於或等於1/2波長。波長是參 考波長(基本波長)的波長。當拍攝的物體是通常使用的可見波長區時，可以採用d線 (587. 6nm)的波長。當使用紅外光學系統並且拍攝的物體是紅外線波長區時，可以採用紅外 區(1200nm)等的波長。期望相位校正板滿足以下公式5/100 < A/(A+B) < 100/100。在公式中，A是中間區的面積，B是外圍區的面積， A+B是將外圍區的面積與中間區的面積相加而獲得的有效區的面積。參照隨後將描述的圖3，中間區Ul是主要形成像的核心從而形成像的區域。外圍 區U2是用於增加焦深的區域。基於透鏡所需的深度範圍和外圍區U2中相位差的範圍δ 2 的規格，適當改變中間區Ul和外圍區U2。具體地，當δ 2maX的值小時，深度增加效果弱。因此，需要保持寬(大)外圍區 U2。相反，當δ 2max的值大時，可以增加深度，但是像眩光(flare)增加。因此，需要設置 形成像的核心的大中間區U1。例如，在散焦期間聚光斑的大小的變化量可以是在散焦期間聚光斑的大小的最小 值和最大值之間的比值。
此外，可以通過相對於通過外圍區的光的中心側位置(最接近中心)，比較第一外 圍波前形式和第二波前形式，來獲得相對於通過外圍區的光的中心側位置，通過外圍區的 光的波前形式的變形量，所述中心側位置最接近相位校正板的中心。第一外圍波前形式是 光通過外圍區之前的波前形式，第二外圍波前形式是光通過外圍區之後的波前形式。在其上安裝有相位校正板的成像透鏡中，形成代表對象的像的光所通過的相位校 正板區域是有效區。有效區包括中間區和外圍區。換言之，外圍區是除了中間區以外的有 效區。作為成像透鏡，可以採用具有調焦機制的成像透鏡和定焦方法的成像透鏡。期望在成像透鏡的光瞳附件布置相位校正板。如果以這樣的方式布置相位校正 板，則可以在廣角(視角)光學系統中實現類似的有利效果。期望相位校正板包含滿足阿貝數Yd > 45的材料，並且可選地，滿足阿貝數Yd >50的材料。此外，期望具有反常色散特性的材料用於相位校正板。因此，能夠防止在透 鏡數目較少時在相位校正板中產生色差。
本發明的透鏡單元包括根據本發明另一方面的相位校正板和至少一個透鏡。本系統的成像系統是包括如下部件的成像系統成像裝置，獲得通過其上安裝有根據本發明第一方面的相位校正板和根據本發明 另一方面的相位校正板之一的成像透鏡投影的對象的光學像；以及信號處理裝置，對代表對象的像數據執行復原處理，像數據由成像裝置獲得。本發明的成像設備包括該成像系統。本發明的行動電話包括該成像系統。本發明的車載設備包括該成像系統。本發明的監控攝像機包括該成像系統。本發明的內窺設備包括該成像系統。本發明的數位相機包括該成像系統。本發明的數碼攝像機包括該成像系統。在成像系統中，成像裝置和信號處理裝置可以彼此集成。備選地，可以分離布置成 像裝置和信號處理裝置。作為應用於成像系統的「復原處理」，可以採用在日本待審專利公開 No. 2000-123168的W002]至W016]段中介紹的圖像復原處理等。此外，可以通過應用在 Y. Washizawa禾口 Y. Yamashita 的「Kernel WienerFiIterWorkshop on Information-Based Induction Scienes (IBIS2003), 2003中公開的技術等來執行復原處理。根據本發明的相位校正板，已經通過相位校正板的中間區的光的最大相位差低於 已經通過相位校正板的外圍區的光的最大相位差。此外，在外圍區中，已經通過相位校正板 的光的相位差從外圍區的中間區一側向外圍區的外圍一側增加。因此，可以增加景深，而同 時抑制解析度降低和亮度降低。換言之，當將相位校正板安裝在成像透鏡上以對對象進行 成像並且對對象的像執行復原處理時，可以獲得像，其景深增加，而不會縮小成像透鏡的孔 徑(光圈的孔徑)(換言之，不會增加F數)。本發明的相位校正板可以被構造為，使得已經通過相位校正板的中間區的光的相 位差低於已經通過相位校正板的外圍區的光的相位差，且通過外圍區的光的波前形式的變形量從通過外圍區的光的中心側位置向外圍側單調增加，所述中心側位置最接近相位校正 板的中心。當以這種方式構造相位校正板時，還可以增加景深，而同時抑制解析度降低和亮 度降低。換言之，當將相位校正板安裝在成像透鏡上以對對象成像並且對對象的像執行復 原處理時，可以獲得像，其景深增加，而不會縮小成像透鏡的孔徑(光圈的孔徑)(換言之， 不會增加F數)。根據本發明另一方面的相位校正板可以被構造為，使得已經通過相位校正板的中 間區的光的波前形式的最大變形量低於已經通過相位校正板的外圍區的光的波前形式的 最大變形量，並且通過外圍區的光的波前形式的變形量從通過外圍區的光的中心測位置向 外圍側單調增加，所述中心側位置最接近相位校正板的中心。當以這種方式構造相位校正 板時，也可以增加景深，而同時抑制解析度降低和亮度降低。換言之，當將相位校正板安裝 在成像透鏡上以對對象成像並且對對象的像執行復原處理時，可以獲得像，其景深增加，而 無需縮小成像透鏡的孔徑(光圈的孔徑)(換言之，無需增加F數)。更具體地，在根據本發明第一方面的相位校正板和根據本發明另一方面的相位校 正板中，當將相位校正板安裝在成像透鏡上時，F數基本上不會改變。因此，例如，當在較暗 的室內進行近距拍攝(近景拍攝)時，即使將包括成像透鏡以及安裝在該成像透鏡上的相 位校正板在內的透鏡系統的F數設置為較低時(例如，F2等)，也可以通過對所獲得的像執 行復原處理，來獲得具有深景深的像。因此，當對條形碼或字母文本進行成像時，即使從對 角方向對對象進行成像，或者沿著光軸方向發生抖動，也可以防止像模糊(失焦)，這是由 於能夠增加景深。此外，如上所述，由於當將相位校正板安裝在成像透鏡上時，光學系統的 亮度(F數)基本上不改變，因此無需設置慢快門速度。因此，不會增加沿著與光軸垂直 的 方向的抖動模糊。此外，在普通拍攝中，可以同時滿足對位於接近成像透鏡位置的對象和位於無限 遠位置的對象進行成像的需要。在根據本發明第一方面的相位校正板和根據本發明另一方面的相位校正板中，可 以獲得像，能夠對獲得的像執行復原處理，以獲得具有增加景深的像。通過使用具有預定性 能並在其上安裝有相位校正板的成像透鏡(例如，常規成像透鏡)對對象進行成像，來獲得 像，能夠對獲得的像執行復原處理。因此，可以排除相位校正板(換言之，其上形成波前調 制表面(相位調製表面)的相位校正板)的性能，容易地單獨測量成像透鏡的光學性能。此 夕卜，可以在製造其上安裝有相位校正板的成像透鏡時容易地測試透鏡的性能。此外，當在成像透鏡的光瞳附近布置相位校正板時，可以顯著增加景深，而同時抑 制解析度降低和亮度降低。可以在以下兩種情況中實現如上所述的有利效果將相位校正板安裝在具有調焦 機制的成像透鏡上；以及將相位校正板安裝在定焦的成像透鏡上。此外，特別是在將相位校 正板安裝在亮透鏡(具有小F數的透鏡)上並執行近距拍攝(近景拍攝)時，實現顯著有 利的效果。


圖1是示出了將根據本發明實施例的相位校正板安裝在成像透鏡上的狀態的截 面圖2A是示出了從光軸方向觀察到的相位校正板的圖；圖2B是示出了從與光軸垂直方向觀察到的相位校正板的截面圖；圖3是示出了已經通過相位校正板的光的波前形式的變形的圖；圖4A是示出了在散焦(defocusing)期間每個聚光斑的大小變化的圖，每個聚光 斑通過其上安裝有相位校正板的成像透鏡在成像平面上在相應位置處形成；圖4B是示出了在散焦期間每個聚光斑的大小變化的圖，每個聚光斑通過單獨的 成像透鏡在成像平面上在相應位置處形成；圖5是示出了在散焦期間聚光斑的大小變化的圖，聚光斑通過已經通過其上沒 有安裝相位校正板的單獨成像透鏡或者通過其上安裝有相位校正板的成像透鏡的光而形 成；
圖6A是示出了示例Al中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖6B是示出了示例Al中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差(spherical aberration)白勺圖；圖6C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖6D是示出了示例Al中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF(調製傳遞函 數)特性變化的圖；圖6E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖6F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖7A是示出了示例A2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖7B是示出了示例A2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖7C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖7D是示出了示例A2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖7E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖7F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖8A是示出了示例A3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖8B是示出了示例A3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖8C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖8D是示出了示例A3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖8E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖8F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖9A是示出了示例A4中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面圖；圖9B是示出了示例A4中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖9C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖9D是示出了示例A4中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖9E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖9F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖IOA是示出了示例Bl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖IOB是示出了示例Bl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖； 圖IOC是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖IOD是示出了示例Bl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖IOE是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖IOF是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖IlA是示出了示例B2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖IlB是示出了示例B2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖1IC是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖IlD是示出了示例B2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖IlE是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖IlF是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖12A是示出了示例Cl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖12B是示出了示例Cl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖12C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖12D是示出了示例Cl中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖12E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖12F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖13A是示出了示例C2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖13B是示出了示例C2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖13C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在相應位置處形成；圖13D是示出了示例C2中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖13E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖13F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖14A是示出了示例C3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖14B是示出了示例C3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖14C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖14D是示出了示例C3中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖； 圖14E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖14F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖15A是示出了示例D中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的結構的示意截面 圖；圖15A1是示出了示例D中單獨成像透鏡的複雜非球面的結構的截面圖；圖15B是示出了示例D中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的球差的圖；圖15C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖15D是示出了示例D中其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性變化的 圖；圖15E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖15F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖16A是示出了比較示例AO中單獨的成像透鏡的結構的示意截面圖；圖16B是示出了比較示例AO中單獨的成像透鏡的球差的圖；圖16C是示出了在散焦期間每個聚光斑的變化的圖，每個聚光斑在成像平面上在 相應位置處形成；圖16D是示出了比較示例AO中單獨的成像透鏡的MTF特性變化的圖；圖16E是示出了在散焦期間70線/mm的MTF特性變化的圖；圖16F是示出了在散焦期間140線/mm的MTF特性變化的圖；圖17是示出了示例Al中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖18是示出了示例A2中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖19是示出了示例A3中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖20是示出了示例A4中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖21是示出了示例Bl中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖22是示出了示例B2中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖23是示出了示例Cl中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖24是示出了示例C2中相位校正板的透鏡表面形式的圖25是示出了示例C3中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖26是示出了示例D中相位校正板的透鏡表面形式的圖；圖27A是示出了相位形式I(I)的圖；圖27B是示出了相位形式I (2)的圖；圖27C是示出了相位差I (2)-I(I)的圖；以及圖27D是示出了相對於相位形式I(I)的相位差1(2)_1(1)的圖。
具體實施方式

下文中，將參照附圖描述本發明的實施例。圖1是示出了將根據本發明實施例的 相位校正板安裝在成像透鏡上的狀態的截面圖。圖2A是示出了從光軸方向觀察到的相位 校正板的圖。圖2B是示出了從與光軸垂直的方向觀察到的相位校正板的截面圖。圖3是 示出了已經通過相位校正板的光的波前形式變形的圖。圖4A是示出了在散焦期間每個光斑的直徑變化的圖，每個光斑由通過其上安裝 有相位校正板的成像透鏡的光在成像平面上在相應位置處形成。在圖4A的坐標中，水平軸 Zl代表光軸，垂直軸H代表與光軸垂直的方向。圖4B是示出了在散焦期間每個光斑的直徑 變化的圖，每個光斑由通過單獨的成像透鏡(其上沒有安裝相位校正板)的光在成像平面 上在相應位置處形成。圖5示出了彼此相比較的曲線Ep和曲線Eq的圖。在圖5的坐標中，垂直軸D代 表光斑的直徑，水平軸Zl代表光軸，並且示出了成像平面的散焦位置。曲線Ep示出了在散 焦期間由已經通過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的光形成的聚光斑的光斑直 徑變化。曲線Eq示出了在散焦期間由已經通過其上沒有安裝相位校正板100的單獨成像 透鏡200的光形成的聚光斑的直徑變化。在圖1、2A、2B和3中，僅示出了透鏡，省略了用於支撐透鏡的框架、用於將相位校 正板安裝在成像透鏡上的結構等等。作為將相位校正板安裝在成像透鏡上的機制，可以採 用與用於將普通濾波器(例如，ND濾波器等)安裝在透鏡柱體上的方法類似的機制。例如， 可以通過螺釘等安裝相位校正板。在本實施例中，描述將相位校正板附至成像透鏡的光入射側的情況。然而，不必以 這樣方式安附或安裝相位校正板。本發明可以應用於將相位校正板附至成像透鏡的光輸出 側的情況。此外，相位校正板可以應用於定焦方法的成像透鏡和採用能夠將焦點調整至特 定拍攝距離的調焦方法的成像透鏡。如圖所示，附至常規成像透鏡200光入射側的相位校正板100防止成像透鏡200 的性能(例如，解析度和亮度)下降，並增加景深。相位校正板100可容易地附至成像透鏡 200並可容易從成像透鏡拆下。〈成像透鏡的基本結構〉如圖1所示，成像透鏡200從物側(對象側)沿著光軸Zl依次包括孔徑光圈STO、 透鏡Li、透鏡L2、透鏡L3、透鏡L4以及保護玻璃L5。如圖1所示，已經通過附有相位校正 板100的成像透鏡200的光在成像平面Mp上形成代表對象的像。例如，在成像平面Mp處 布置成像設備的光接收表面。在保護玻璃L5處，可以設置低通濾波器、紅外線截止濾波器等。
附至成像透鏡200光入射側的相位校正板100定位在成像透鏡200的光瞳 (pupil)附近。在相位校正板100中設置有效區部分UO (請參照圖2A和2B)。當將相位校正板 100附至成像透鏡200的光入射側時，通過相位校正板100和成像透鏡200並在成像平面上 形成對象的像的光通過相位校正板100的有效區部分UOo有效區部分UO包括定位在有效區部分UO中間的中間區部分Ul和定位在有效區 部分UO外側上的外圍區部分U2。換言之，外圍區部分U2是除了中間區部分Ul之外的有效 區部分UO。如圖3所示，相位校正板100被形成為，使得中間區部分Ul的最大變形量δ Imax 小於外圍區部分U2的最大變形量δ 2max(5 Imax < δ Imax)。最大變形量δ Imax是已經 通過中間區部分Ul的光束Kl的波前形式的最大變形量，換言之，從光通過中間區部分Ul 之前光的波前形式至光通過中間區部分Ul之後光的波前形式的最大變形量。最大變形量 δ 2max是已經通過外圍區部分U2的光束Κ2的波前形式的最大變形量，換言之，從光通過外 圍區部分U2之前光的波前形式至光通過外圍區部分U2之後光的波前形式的最大變形量。 如圖3所示，光束在通過相位校正板100的有效區部分UO之前的波前形式Wa是 平面(平坦表面)。光束在通過有效區部分UO之後的波前形式Wb是波狀的。此外，相位校正板100的中間區部分(也被稱作中間區或中心區)可以定義如下。如圖3所示，當在進入相位校正板100的光的波前形式Wa與通過相位校正板 100並從相位校正板100輸出的光的波前形式Wb之間的形式最大偏移量(相位差)超過 λ/2(λ是波長)之前緊接的拐點的位置是位置Q2時，相位校正板100的中間區部分Ul可 以被定義為具有相對於光軸Zl由位置Q2確定的半徑的區域。換言之，中間區部分Ul可以是相對於光軸Zl形成的柱面中所包括的相位校正板 100的區域，柱面的圓端具有拐點的位置Q2確定的半徑。術語「緊接」的使用基於針對拐點等的搜索範圍從光軸Zl向外圍擴展的假定。換 言之，術語「緊接」的使用是基于越靠近光軸Zi的位置越早被發現的假定。當如上所述設置中間區部分Ul時，通過中間區部分Ul的光的波前形式最大變形 變得與最大變形量S Imax相同，該最大變形量δ Imax是已經通過中間區部分Ul的光的波 前形式的最大變形量，該變形是從光通過中間區部分Ul之前光的波前形式至光通過中間 區部分Ul之後光的波前形式的變形。中間區部分Ul不包括通過中間區部分Ul的光的變 形量超過λ/2的區域。備選地，在由相位校正板100引起的相位差的形式中，中間區和外圍區可以定義 如下。中間區的半徑是從光軸Zl到拐點的高度，在包括光軸Zl的區域中相位差的程度超 過λ/2的相位形式中，拐點最接近於光軸Ζ1。同時，外圍區是拐點外部的有效區。通過外圍區部分U2的光的波前形式的最大變形量S2maX大於最大變形量 δ lmax,該變形量是從光通過外圍區部分U2之前光的波前形式到光通過外圍區部分U2之 後光的波前形式的變形量。光(光束)的波前是將具有相同相位的部分連接起來的表面。這裡，最大變形量 δ Imax是光(光束)的波前形式的最大變形量，由光(光束)的相位確定，該變形是從光通過中間區之前光的波前形式至光通過中間區之後光的波前形式的變形。將具有相同相位的 部分連接起來的表面是等相位表面，並且等相位表面的形式與波前形式相對應。當具有統一相位的軸向光進入中間區並從中間區輸出時，相位差可以與軸向光的 相位變化的最大值和最小值之間的差值相對應，該變化是從光通過中間區之前的光相位至 光通過中間區之後的光相位的變化。此外，相位校正板100被構造為，使得通過外圍區部分U2的光束K2的波前形式的 變形量從通過外圍區部分U2的光束K2的中心側位置Q2向外圍側單調增加。具體地，光束 K2的波前形式的變形量5 2從光束K2的中心側位置Q2向外圍側單調增加，該變形量是從 光束K2通過外圍區部分U2之前光束K2的波前形式到光束K2通過外圍區部分U2之後光 束K2的波前形式的變形量。此外，相位校正板100被構造為，使得在散焦期間由已經通過其上安裝有相位校 正板100的成像透鏡的光在成像平面上在每個位置處形成的每個光斑的直徑(代表對象的 像的像素的模糊量)的變化小於在散焦期間由已經通過單獨成像透鏡200 (其上沒有安裝 相位校正板100)的光形成的光斑(與成像平面上的每個所述位置相對應)的直徑的變化。散焦期間的光斑直徑可以由當與成像平面平行的平坦表面平行於成像平面沿著 成像透鏡200的光軸從成像平面開始移動預定量時，代表在該平坦表面上形成的光斑的像 的直徑來定義。此外，可以獲得在散焦期間光斑直徑的變化量例如為比值￡ (e =Ds2/Dsl)。比 值￡是代表光斑Sp2的像的直徑(Ds2)與代表光斑Spl (在成像平面上形成)的像的直徑 (Dsl)的比值。光斑Sp2與光斑Spl相對應，並且在平坦表面上形成，該平坦表面平行於成 像平面、沿著成像透鏡200的光軸從成像平面的位置移動預定量。此外，其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200被稱作透鏡單元。由通過透鏡單元(該透鏡單元是其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200)的 光在成像平面上在每個位置處形成的每個光斑的直徑在散焦期間變化。如圖4A所示，當在 參考位置處(光斑的面積為最小、並且散焦量為0)的成像平面Mp(與光軸Z1垂直)沿著 光軸Z1向位置-lOOiim、-50iim、+50 u m, +100 y m中的每一個平行移動(散焦)時，光軸 Z1上的光斑Sp (o)的面積從960平方微米(直徑近似35 u m)的最小值向2400平方微米 (直徑近似55 ym)的最大值變化。具體地，在散焦期間光斑Sp(o)的面積最大值是面積最 小值的2. 5倍。因此，光軸上光斑面積的變化量的值是2. 5 (變化量=光斑面積的最大值/ 光斑面積的最小值)，該光斑由已經通過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的光在 成像平面上在每個位置處形成。如上所述，例如，光斑的大小可以是光斑面積或光斑直徑。對於在光軸以外在成像平面Mp上形成的光斑Sp (g)，在散焦(成像平面Mp沿著光 軸Z 1向-100 i! m、-50 i! m、士 0 i! m、+50 u m、+100 u m中的每個位置移動)期間光斑Sp (g) 的面積變化的值也近似於2. 5，類似於光斑Sp(o)的情況。對於在成像平面Mp上在任何位置處形成的每個光斑而言，散焦(成像平面Mp沿 著光軸Z1向-100 i! m、-50 i! m、士 0 i! m、+50 u m、+100 u m中的每個位置移動)期間光斑面 積變化的值也近似於2. 5。相反，如圖4B所示，由通過其上沒有安裝相位校正板100的單獨成像透鏡200的光在成像平面上在每個位置處成像的每個光斑(光斑的面積)的變化量在散焦期間變化。 具體地，當在參考位置處(光斑的面積為最小、並且散焦量為0)的成像平面Mp沿著光軸 Zl向-100 μ m、-50 μ m、+50 μ m、+100 μ m中的每個位置平行移動(散焦)時，光軸Zl上的 光斑Sq(O)的面積從79平方微米(直徑近似10 μ m)的最小值向2800平方微米(直徑近 似60μπι)的最大值變化。具體地，在散焦期間光斑Sq (ο)的面積最大值是面積最小值的35 倍。因此，光軸上光斑面積的變化量的值是35 (變化量=光斑面積的最大值/光斑面積的 最小值)，該光斑由已經通過單獨成像透鏡200的光在成像平面上在每個位置處形成。對於在成像平面Mp上在任何位置處形成的每個光斑而言，散焦(成像平面Mp沿 著光軸Zl向-100 μ m、-50 μ m、士0 μ m、+50 μ m、+100 μ m中的每個位置移動)期間光斑面 積變化的值也近似於35。如上所述，在散焦期間由已經通過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的 光形成的聚光斑的面積的變化量近似為由已經通過單獨成像透鏡200的光形成的聚光斑 的面積的變化量的0. 07倍(2. 5/35)。在散焦期間通過其上安裝有相位校正板的成像透鏡的光在成像平面上在每個位 置處形成的每個聚光斑的面積的變化與在散焦期間通過其上沒有安裝相位校正板的單獨 成像透鏡的光形成的每個聚光斑(與成像平面上每個所述位置相對應)的面積的變化的比 值可以小於或等於50%。期望該比值小於或等於20%，並可選地，小於或等於7%。 接下來，將比較圖5中示出的曲線Ep和曲線Eq。曲線Ep示出了在散焦期間由已 經通過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的光形成的聚光斑的光斑直徑(直徑) 的變化。曲線Eq示出了在散焦期間由已經通過其上沒有安裝相位校正板100的單獨成像 透鏡200的光形成的聚光斑的直徑的變化。在圖5中，光斑的直徑用作光斑直徑。然而，不 一定要採用光斑直徑。類似描述可適用於採用光斑面積等代替光斑直徑的情況。如圖5中曲線Eq所示，由已經通過單獨成像透鏡200的光形成的聚光斑的大小在 成像平面Mp的參考位置處最小(該光斑直徑在參考位置處最小，並且散焦量在參考位置處 為0)。然而，如圖5中的曲線Ep所示，當將相位校正板100安裝在成像透鏡200上時，由通 過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的光形成的聚光斑的光斑直徑為最小的散焦 位置離開成像平面Mp的參考位置(散焦量為0的位置)約+70 μ m。此外，由已經通過其上安裝有相位校正板100的成像透鏡200的光形成的聚光斑 的變化(請參照曲線Ep)相對於由已經通過單獨成像透鏡200的光形成的聚光斑的變化 (請參照曲線Eq)較緩和。當假定光斑的直徑小於或等於50 μ m時光斑(像)合焦時，在曲線Ep中，光斑直 徑小於或等於50 μ m的散焦範圍的寬度Jpl (換言之，與景深相對應的散焦範圍的寬度Jpl) 近似為220 μ m。同時，在曲線Eq中，光斑直徑小於或等於50 μ m的散焦範圍的寬度Jql (換 言之，與景深相對應的散焦範圍的寬度Jql)近似為220 μ m。因此，在曲線Ep和曲線Eq中， 光斑直徑小於或等於50 μ m的散焦範圍近似相同。當將用於判斷光斑(像)合焦的光斑直徑設置為大於50 μπι時，其上安裝有相位 校正板100的成像透鏡200的散焦範圍(請參照曲線Ep)寬於沒有相位校正板100的成像 透鏡200的散焦範圍(請參照曲線Eq)。換言之，其上安裝有相位校正板100的成像透鏡 200的景深比沒有相位校正板100的成像透鏡200的景深深。
更具體地，當對條形碼和字母文本進行拍攝時，不需要高解析度。甚至當將像散焦為使得光斑直徑例如為70 μ m或80 μ m時，也可以認為像合焦。當以這樣的方式設置合焦 範圍時，可以判斷安裝在成像透鏡200上的相位校正板100能夠增加景深。在圖5中，當光斑直徑小於或等於80 μ m的範圍是可允許的合焦範圍(與景深相 對應的範圍)時，在通過其上沒有安裝相位校正板100的成像透鏡200對對象進行拍攝 時，與景深相對應的散焦範圍的寬度Jq2近似為250μπι。相反，在通過其上安裝有相位校 正板100的成像透鏡200對對象進行拍攝時，與景深相對應的散焦範圍的寬度Jp2近似為 400 μ m。因此，當將相位校正板100安裝在成像透鏡200上時，對象被視為合焦的距離範圍 (景深)大大增加。通過單獨成像透鏡200執行拍攝時的亮度(F數)與通過其上安裝有相位校正板 100的成像透鏡200執行拍攝時的亮度(F數)基本上相同。因此，可以將拍攝快門速度設 置為相似速度。如上所述，當將相位校正板100安裝在成像透鏡200上時，可以增加景深，而同時 防止解析度降低和亮度降低。特別是，當在相對暗的地點(例如，室內(建築物內))進行 近距拍攝(近景拍攝)來對條形碼、字母文本等成像時，打開光圈。在這樣的情況下，字母 文本(草稿或原始版本)相對於成像透鏡200光軸的傾斜以及沿著成像透鏡200光軸方向 的抖動可以模糊在成像平面上形成的對象的像。然而，本發明可以顯著防止像的模糊。〈具體示例〉對其中將本發明的相位校正板安裝在成像透鏡上的示例Al至A4、示例Bl和B2、 示例Cl至C3、以及示例D有關的數值數據等進行概述。此外，將描述單獨成像透鏡(比較 示例AO)有關的數值數據等。在比較示例AO中，從根據示例Al至A4的其上安裝有相位校 正板的成像透鏡中移除相位校正板。在說明書的結尾處提供了表格1至23，這將在說明書剩餘部分中描述。隨後將描述的圖6A、6B、6C、6D、6E和6F以及表格1A、1B和IC示出了與根據示例 Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖7A至7F以及表格2A至2C示出了與根據示例A2的其上安裝有 相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖8A至8F以及表格3A至3C示出了與根據示例A3的其上安裝有 相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖9A至9F以及表格4A至4C示出了與根據示例A4的其上安裝有 相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖IOA至IOF以及表格5A至5C示出了與根據示例Bl的其上安裝 有相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖IlA至IlF以及表格6A至6C示出了與根據示例B2的其上安裝 有相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖12A至12F以及表格7A至7C示出了與根據示例Cl的其上安裝 有相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖13A至13F以及表格8A至8C示出了與根據示例C2的其上安裝 有相位校正板的成像透鏡有關的數據。
隨後將描述的圖14A至14F以及表格9A至9C示出了與根據示例C3的其上安裝 有相位校正板的成像透鏡有關的數據。隨後將描述的圖15A、15A1、15B、15C、1OT、15E和15F以及表格IOA至IOC示出了
與根據示例D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡有關的數據。示例D的相位校正板是包括沿著光軸方向彼此疊置的相位校正部分和基礎部分 在內的複合體。相位校正部分和基礎部分由彼此具有不同光學特性的部件形成。隨後將描述的圖16A至16F以及表格IlA至IlC示出了與根據比較示例AO的成 像透鏡(其上沒有安裝相位校正板的單獨成像透鏡)有關的數據。在比較示例AO中，從根 據示例Al至A4的其上安裝有相位校正板的成像透鏡中移除相位校正板。 圖17至26是分別示出了在示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3以及D中使用的相位 校正板的像側透鏡表面的形式(非球面形式)的圖。在圖17至26中，垂直軸代表沿光軸 Zl方向的位置，水平軸代表沿與光軸Zl垂直的方向H的位置。表格12概述了與根據示例Al至A4、B1、B2、C1至C3和D的其上安裝有相位校正 板的成像透鏡、以及根據比較示例Α0、Β0和CO的其上沒有安裝相位校正板的單獨成像透鏡 有關的數據。在比較示例BO中，從根據示例Bl的其上安裝有相位校正板的成像透鏡中移 除相位校正板。在比較示例CO中，從根據示例Cl的其上安裝有相位校正板的成像透鏡中 移除相位校正板。表格13示出了在示例Al至A4、B1、B2、C1至C3和D中使用的相位校正板的像側 透鏡表面的非球面係數。可以分別從表格1B、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8B、9B和IOB中讀取表 格13中所示的相位校正板的像側透鏡表面的非球面係數。表格14至23分別示出了代表在示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D中使用的相 位校正板的像側透鏡表面上的位置的坐標值。透鏡表面上的每個位置由代表沿光軸Zl方 向的位置的水平軸坐標和代表沿與光軸Zl垂直的方向H的位置的垂直軸坐標來表示。圖 6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A 分別是示出 了示例 Al 至 A4、 Bi、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡以及比較示例AO的成像透鏡的 結構的示意截面圖。在圖6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A中，與圖1中的 符號相同的符號用於與圖1所示的那些元件相對應的元件。在圖6A、7A、8A、9A、10A、11A、 12A、13A、14A、15A和16A中的每幅圖中，示出了以四種不同入射角度(像高)進入成像平面 的光的路徑(軌跡)，這將在隨後描述。在圖6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A 中，符號 R1、R2、· · ·指示以
下組成元件。Rl是相位校正板的物側透鏡表面，R2是相位校正板的像側透鏡表面。R3是 孔徑光圈STO的位置。R4是第一透鏡Ll的物側透鏡表面，R5是第一透鏡Ll的像側透鏡表 面。R6是第二透鏡L2的物側透鏡表面，R7是第二透鏡L2的像側透鏡表面。R8是第三透 鏡L3的物側透鏡表面，R9是第三透鏡L3的像側透鏡表面。RlO是第四透鏡L4的物側透鏡 表面，Rll是第四透鏡L4的像側透鏡表面。R12是第五透鏡L5(保護玻璃(Cov))的物側透 鏡表面，R12是第五透鏡L5的像側透鏡表面。R14是成像平面Mp。在圖15A中所示的示例D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡中，Rl'是相位校 正板中彼此疊置的不同部件的接合面。在表格認、24、34、44、54、64、74、84、9々、1(^和1認中，光學元件(例如，透鏡)的表面號(第i個(i—l、(1』 )、2、3…))從物側向像側增加。透鏡數據包括孔徑光圈STo的表面號(i一3)、平行於平板的保護玻璃(C。V)的物側表面的表面號、保護玻璃(C。V)的像側表面的表面號、成像平面(Mp)的表面號等。此外，。B丁代表物。
在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中的每個表格中，Ri代表第i表面的近軸曲率半徑。Di代表光軸Zl上第i表面與第(i+1)表面之間的距離。此外，透鏡數據中的Ri與圖l中的Ri相對應，代表透鏡表面。
此外，在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中，Ndj代表第j光學元件相對於d線(波長為587．6nm)的折射率。j的值從物側向像側順序增加。此外，Y dj代表第j光學元件相對於d線的阿貝數(Abbe number)。
此外，在示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡以及比較示例Ao的成像透鏡中，設計參考波長為546．1nm。
在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中，中代表直徑。
近軸曲率半徑、表面之間的距離以及直徑由毫米(mm)代表。此外，當表面向物側突出時，近軸曲率半徑為正。當表面向像側突出時，近軸曲率半徑為負。
這裡，每個非球面由代表非球面的以下公式表示
[公式1]．，．N
Z一一一屍蘭蘭=千+0l力』+0d力*+0j力『+0『力『+o』力』+08力『+0，A』+alohI~l+√1一(1+K)C『^『』
+dr」乃」+0．，力』』+0、1人』』+0．d力』*+0、jA』『+0．『力．『
其中，A」(、／x』+y』) ，C是曲率，K是錐形常數(C。niC C。nStant)。
表格lB至11B示出了代表每個非球面Ri的公式中的係數K、o，、o+、o 5＼．…的值。
表格lC、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、loC和11C示出了具有以下值的規格
設計參考波長、焦距、F數、以及進入成像平面的光的入射角度(光具有在圖6A、7A、．．．16A、6C、7C、．．．16C、6D、7D、．．．16D、6E、7E、．．．16E、6F、7F、．．．16F中的每幅圖中司雲出的四種像高)。
圖6B、7B、…16B分別示出了示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡以及比較示例Ao的成像透鏡的球差。
圖6C、7C、…16C分別示出了在散焦期間由已經通過示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡以及比較示例Ao的成像透鏡的光在成像平面上在每個位置處成像的每個光斑的變化(每個光斑由以如上所述四個不同入射角度(像高)進入成像平面的光形成)。作為散焦量，示出了當成像平面沿著光軸Zl向一lOO u m、一50 u m、±o u m、+50 u m、+lOO u m中的每個位置平行移動時，在成像平面上成像的光斑的形式(聚光斑)。
圖6D、7D、．．．16D示出了由以如上所述的四種不同入射角度(像高)進入成像平面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。圖6D、7D、…16D分別示出了由已經通過示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像透鏡以及比較示例Ao的成像透鏡的光形成的像的MTF特性。
圖6E、7E、...16E示出了由以如上所述的四種不同入射角度(像高)進入成像平面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。圖6E、7E、. . . 16E分別示出了針對70線/mm在 散焦期間由已經通過示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成像 透鏡以及比較示例AO的成像透鏡的光形成的像的MTF特性。圖6F、7F、...16F示出了由以如上所述的四種不同入射角度(像高)進入成像平 面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。圖6F、7F、. . . 16F分別示出了針對140線/mm 在散焦期間由已經通過示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D的其上安裝有相位校正板的成 像透鏡以及比較示例AO的成像透鏡的光形成的像的MTF特性。當將示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡與比較示例AO的成像透鏡(其 中，從示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡中移除相位校正板)彼此進行比較時， 如下性能彼此不同。 相對於在散焦期間針對140線/mm的MTF特性，與比較示例AO的成像透鏡的MTF 的峰值相比，示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF的峰值大大減小。此外， 實質上不會產生這樣的散焦範圍，在該散焦範圍中示例Al的其上安裝有相位校正板的成 像透鏡可以實現比比較示例AO的其上沒有安裝相位校正板的成像透鏡更高的性能。此外，相對於針對70線/mm的MTF特性，與比較示例AO的成像透鏡的MTF的峰值 相比，示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF的峰值大大減小，類似於140線 /mm的情況。然而，示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF的值在散焦期間逐 漸降低，而比較示例AO的其上沒有安裝相位校正板的成像透鏡的MTF的值在散焦期間急劇 降低。因此，在沒有處於表現出MTF峰值的散焦範圍附近的散焦範圍中，示例Al的其上 安裝有相位校正板的成像透鏡的性能(透鏡性能)超過比較示例AO的其上沒有安裝相位 校正板的成像透鏡的性能(透鏡性能)(MTF的值較高)。具體地，當MTF的值不是指示合焦狀態的峰值時，示例Al的其上安裝有相位校正 板的成像透鏡可以實現比比較示例AO的其上沒有安裝相位校正板的成像透鏡高的解析度。因此，當低解析度對於透鏡使用目的而言可接受時，相比於比較示例AO的其上沒 有安裝相位校正板的成像透鏡，示例Al的其上安裝有相位校正板的成像透鏡可以在較寬 散焦範圍中獲得期望的解析度。具體地，當以低解析度使用成像透鏡時，如果將相位校正板 安裝在常規成像透鏡上，則可以增加成像透鏡的景深，而不會犧牲成像透鏡的亮度和解析度。相對於針對70線/mm的其上安裝有相位校正板的成像透鏡的MTF特性，針對由 以四種不同輸入角度進入成像平面的光在成像平面上形成的像，示出散焦期間MTF特性曲 線。當MTF特性曲線表現出最大值的散焦位置和MTF特性曲線表現出最小值的散焦位置對 於四種MTF特性曲線相同時，可以大大增加成像透鏡的景深，而不會犧牲成像透鏡的分辨 率和亮度。此外，當MTF特性曲線表現出最大值的散焦位置與MTF特性曲線表現出最小值的 散焦位置之間的距離較長時，換言之，當MTF值在散焦期間逐漸降低時，能夠更大地增加成 像透鏡的景深，而不會犧牲成像透鏡的解析度和亮度。
此外，可以提供一種成像系統，該成像系統包括成像單元和信號處理裝置，所述成 像單元用於形成通過其上安裝有相位校正板的成像透鏡投影的對象的光學像。信號處理裝 置對由成像單元獲得的、代表對象的像數據執行復原處理。此外，本發明不限於本發明的實施例以及如上所述的示例。在不背離本發明範圍 的前提下可以進行各種修改。[表格1A]示例A1:透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格1B]示例A1:非球面係數 [表格1C]示例Al 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格2A]示例A2 透鏡數據表面號 RiDiNdj ~~vdj Φ OBJ ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格2B]示例A2:非球面係數
[表格況]示例A2 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格3A]示例A3 透鏡數據 《玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格 3B]示例A3 非球面係數 [表格 3C]示例A3 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格 4A]示例A4:透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格4B]示例A4:非球面係數 [表格4C]示例A4 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格5A]示例Bl 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格5B] [表格 6A]示例B2 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格詘]示例B2:非球面係數
[表格C]示例B2 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格汛]示例C1.非球面係數 [表格冗]示例C1 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格骱]示例C2 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格池]示例C2 非球面係數
[表格 8C]示例C2 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格 9A]示例C3 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格9B]示例C3 非球面係數 [表格9C]示例C3 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格 10A]示例D 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格 10B]示例D:非球面係數 [表格 10C]示例D 具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格 [表格11A]比較示例AO 透鏡數據 ※玻璃材料相對於d線的折射率和阿貝數[表格 11B]比較示例AO:非球面係數
Q1
-
[表格 11C]比較示例AO 不具有透鏡適配器的成像透鏡的示意規格
^入射角度(度)
0.000
21. 134
31. 588
實現最大響應(mtf)的散焦位置處的最低響應 (*2)針對70 %或以下像高實現15 %或以上mtf響應的深度 (*3)針對70 %或以下像高實現5 %或以上mtf響應的深度 [表格I5] [表格I6] [表格18] [表格20] [表格21]
權利要求
一種要安裝在成像透鏡上的相位校正板，其中，已經通過相位校正板的中間區的光的最大相位差低於已經通過相位校正板的外圍區的光的最大相位差，其中，在外圍區中，已經通過相位校正板的光的相位差從外圍區的中間區一側向外圍區的外圍側增加。
2.一種要安裝在成像透鏡上的相位校正板，其中，在散焦期間由已經通過其上安裝有 相位校正板的成像透鏡的光在成像平面上的每個位置處形成的每個光斑的直徑變化小於 在散焦期間由已經通過不具有相位校正板的成像透鏡的光形成的、與成像平面上每個所述 位置相對應的光斑的直徑變化。
3.根據權利要求1或2所述的相位校正板，其中，所述相位校正板是簡單透鏡。
4.根據權利要求3所述的相位校正板，其中，簡單透鏡的表面是平的。
5.根據權利要求4所述的相位校正板，其中，簡單透鏡中沒有面對成像透鏡的光瞳的 表面是平的。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的相位校正板，其中，通過中間區的光的相位差小 於1/2波長。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的相位校正板，其中，通過外圍區的光的相位差大 於或等於1/2波長。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的相位校正板，其中，相位校正板具有旋轉對稱形式。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的相位校正板，其中，相位校正板滿足以下公式 5/100 <A/(A+B) < 100/100，其中，A是中間區的面積，B是外圍區的 面積，A+B是將外圍區的面積與中間區的面積相加而獲得的有效區的面積。
10.一種成像系統，包括成像裝置，獲得通過其上安裝有根據權利要求1至9中任一項所述的相位校正板的成 像透鏡投影的對象的光學像；以及信號處理裝置，對由成像裝置獲得、代表對象的像數據執行復原處理。
11.一種包括根據權利要求10所述的成像系統的成像設備。
12.一種包括根據權利要求10所述的成像系統的行動電話。
13.—種包括根據權利要求10所述的成像系統的車載設備。
14.一種包括根據權利要求10所述的成像系統的監控攝像機。
15.一種包括根據權利要求10所述的成像系統的內窺設備。
16.一種包括根據權利要求10所述的成像系統的數位相機。
17.—種包括根據權利要求10所述的成像系統的數碼攝像機。
18.一種透鏡單元，包括根據權利要求1至9中任一項所述的相位校正板；以及 至少一個透鏡。
19.根據權利要求1至9中任一項所述的相位校正板，其中，相位校正板是包括沿著光 軸方向彼此疊置的相位校正部分和基礎部分的複合體，其中，相位校正部分和基礎部分由 彼此具有不同光學特性的部件形成。
20.根據權利要求1至9和19中任一項所述的相位校正板，其中，相對於通過相位校正 板的外圍區的光的中心側位置，已經通過相位校正板的光的相位從相位校正板的中間區一側向相位校正板的外圍側提前，其中所述中心側位置最接近相位校正板的中心。
21.根據權利要求1至9、19和20中任一項所述的相位校正板，其中，相對於通過相位 校正板的外圍區的光的中心側位置，已經通過相位校正板的光的相位從相位校正板的中間 區一側向相位校正板的外圍側延遲，其中所述中心側位置最接近相位校正板的中心。
全文摘要
本發明提供了一種安裝在成像透鏡上的相位校正板。相位校正板被構造為使得已經通過相位校正板的中間區的光的相位差低於已經通過相位校正板的外圍區的光的相位差，並且，在外圍區中，已經通過相位校正板的光的相位差從外圍區的中間區一側向外圍區的外圍側增加。
文檔編號G02B15/00GK101872031SQ20101017012
公開日2010年10月27日 申請日期2010年4月21日 優先權日2009年4月21日
發明者佐藤賢一, 岸根慶延, 西畑純弘 申請人:富士能株式會社;富士膠片株式會社