相位校正板、成像系统和设备、移动电话、车载设备、监控摄像机、内窥设备、数码相机、数...的制作方法

专利名称：相位校正板、成像系统和设备、移动电话、车载设备、监控摄像机、内窥设备、数码相机、数 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及要安装在成像透镜上的相位校正板，对通过其上安装有相位校正板的 成像透镜获得的、代表对象的像数据进行复原处理的成像系统，以及包括该成像系统在内 的成像设备。此外，本发明涉及包括该成像系统在内的移动电话、车载设备、监控摄像机、内 窥设备、数码相机和数码摄像机、以及包括该相位校正板的透镜单元。
背景技术：
传统上，已知诸如具有内置相机的移动电话等移动终端设备。作为移动终 端设备上安装的小相机的成像透镜，已知具有焦点调整机制而采用调焦方法的成像 透镜、以及不具有焦点调整机制而采用定焦方法的成像透镜(请参照日本待审专利 公开No. 2006-246492，日本待审专利公开No. 2005-292443，以及日本待审专利公开 No. 2004-258111)。采用定焦方法的成像设备被设计为具有较大合焦(in-focus)范围，在合焦范围 中像合焦(in focus)。通过在一定程度上增加景深而容许分辨率降低和亮度降低(换言 之，增加F数)来设置较大合焦范围。通常，在定焦方法中，不考虑近景拍摄(近距拍摄) 以确定成像透镜的景深，换言之，不考虑近距离处的物作为拍摄对象。相反，采用调焦方法的成像设备通常被设计为具有高分辨率和包括近距离处的 物在内的大范围拍摄对象。此外，采用调焦方法的成像设备被设计为包括亮透镜(bright lens,具有小F数的透镜)。作为采用调焦方法的成像设备，已知具有自动聚焦机制和大量 开关(macroswitching)机制的成像设备。此外，已知用于获得具有增加景深的像的方法。在该方法中，通过使用具有 波前调制表面(相位调制表面)的透镜单元来对对象成像，并且对对象的像执行复原 (restoration)处理来获得具有增加景深的像(请参照日本待审专利公开No. 2009-008935 和 PCT 国际公开 No. W02009/106996)。在移动电话等上安装的小相机不仅用于捕获风景像和肖像，还用于读取条形码和 字母或字符(字母文本)。此外，需要具有较深景深的透镜，以能够应对包括远距离拍摄到 近距离拍摄的大范围拍摄。然而，当采用调焦方法的成像透镜用于在相对暗的室内进行近距离拍摄(近景拍 摄)时，打开光圈，并且将F数设置得较低(例如，F2.8等)。因此，景深变得非常浅。当 从对角方向对条形码或字母文本成像时，在一些情况下，仅有对象的一部分合焦。因此，成 像透镜的姿态(方向)被调整为使得成像透镜的光轴与条形码或字母文本的表面垂直以执 行成像。然而，由于景深浅，沿着光轴的方向发生抖动模糊，并且在一些情况下像出现失焦 (out of focus) ο同时，当减小使用调焦方法的成像透镜的孔径(增加F数)以增加景深从而防止 沿着成像透镜的光轴方向的模糊时，由于接收光量降低而需要降低快门速度，光量由于缩小孔径而减少。因此，问题在于，沿着与光轴垂直的方向的抖动模糊变得显著，并且分辨率 变得较低。因此，需要增加成像透镜的景深，而同时保持大孔径成像透镜的亮度(F数)和分辨率。所述问题不仅对于移动终端设备(例如，移动电话)上安装的成像透镜是共有的， 而且对于用于获得对象的像的广泛成像透镜也是共有的。此外，在内窥镜(对病人的体腔进行成像)中，很难获得足够光量。因此，当缩小 孔径时，成像变得困难。此外，在监控摄像机、车载设备的镜头和摄像机的镜头中，光量极大改变。当由于 成本或结构约束很难提供可变孔径机制时，在光量不足时成像困难。 为了增加景深而保持亮度(F数)和分辨率，可以采用在日本待审专利公开 No. 2009-008935中公开的方法。在日本待审专利公开No. 2009-008935中，通过使用具有波 前调制表面(相位调制表面)的成像透镜来对对象进行成像，并且对对象的像执行复原处 理以获得具有增加景深的像。然而，在该方法中，波前调制表面(相位调制表面)整体(一 体)形成在组成透镜单元的透镜表面上。因此，很难排除波前调制表面(相位调制表面) 测量透镜单元的光学性能。在透镜单元的制造中，用于测试透镜单元性能的检验变得困难， 并且增加了用于制造透镜单元的成本。

发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种相位校正板，可以容易地增加成像透镜 的景深，同时防止成像透镜的分辨率降低和亮度降低(F数增加)。此外，本发明的另一目的 是提供一种包括该相位校正板的成像系统、成像设备、移动电话、车载设备、监控摄像机、内 窥设备(内窥镜)、数码相机、数码摄像机、以及透镜单元。本发明的相位校正板是要安装在成像透镜上(或插入成像透镜中)的相位校正 板，其中，已经通过相位校正板的中间区(包括中心在内的围绕相位校正板中心的区域)的 光的最大相位差低于已经通过相位校正板的外围区的光的最大相位差，其中，在外围区中， 已经通过相位校正板的光的相位差从外围区的中间区一侧向外围区的外围侧增加。相位校正板可以被构造为，使得已经通过相位校正板的中间区的光的相位差低于 已经通过相位校正板的外围区的光的相位差，并且，通过外围区的光的波前形式的变形量 从通过外围区的光的中心侧位置向外围侧单调增加，其中，所述中心侧位置最接近相位校 正板的中心。本发明的相位校正板被构造为，使得在散焦期间(在改变合焦位置期间)已经通 过其上安装有相位校正板的成像透镜的光在成像平面上的每个位置处形成的每个光斑的 直径变化小于在散焦期间已经通过其上没有安装相位校正板的单独成像透镜的光形成的、 与成像平面上每个所述位置相对应的光斑的直径变化。在散焦期间通过其上安装有相位校正板的成像透镜在成像平面上的每个位置处 形成的每个光斑的直径变化与在散焦期间已经通过其上没有安装相位校正板的单独成像 透镜的光形成的、与成像平面上每个所述位置相对应的每个光斑的直径变化的比值可以小 于或等于50 %。期望该比值小于或等于20 %，并可选地，小于或等于7 %。
相位校正板可以是简单透镜(单透镜)。此外，简单透镜的表面可以是平的。当将 相位校正板安装在成像透镜上以对对象成像时，简单透镜的平表面可以是布置在入射光一 侧的透镜表面。简单透镜没有面对成像透镜的光瞳的表面可以是平的。期望通过中间区的光的相位差小于1/2波长。期望通过外围区的光的相位差大于或等于1/2波长。波长可以是参考波长(基本波长)的波长。当拍摄的对象是通常使用的可见波长 区时，可以采用d线(587. 6nm)的波长。当使用红外光学系统并且拍摄的对象是红外线波 长区时，可以采用红外区(1200nm)等的波长。此外，相位校正板可以具有旋转对称形式。“可以具有旋转对称形式”的表述意味 着不需要该形式是完全旋转对称的。相位校正板的形式可以是近似旋转对称的。 期望相位校正板满足以下公式5/100 < A/(A+B) < 100/100，其中，A是中间区的面积，B是外围区的面积，A+B是 将外围区的面积与中间区的面积相加而获得的有效区的面积。中间区可以仅包括包括光轴在内的近轴区。备选地，中间区可以是其面积是有效 区面积5%的区域。可选地，中间区可以是其面积是有效区面积10%的区域。此外，可选 地，中间区可以是其面积是有效区面积50%的区域。备选地，其中来自通过光轴的光的相位 差小于1/2波长的区域可以被定义为中间区，其中来自通过光轴的光的相位差大于或等于 1/2波长的面积可以被定义为外围区。此外，例如，在散焦期间光斑的直径的变化量可以是在散焦期间该光斑的最小直 径与该光斑的最大直径的比值。相位校正板可以被构造为，使得相对于通过相位校正板的外围区中的中心侧位置 的光的相位，已经通过相位校正板的光的相位从相位校正板的中间区一侧向相位校正板的 外围一侧提前(相位至少不会延迟，而是单调提前)，所述中心侧位置最接近相位校正板的 中心。换言之，光的相位从外围区中的中心侧位置向外围侧提前。备选地，相位校正板可 以被构造为，使得已经通过相位校正板的光的相位延迟(相位至少不会提前，而是单调延 迟)。与没有提供相位校正板时通过相同区域的光的相位相比，已经通过相位校正板的 光的相位延迟。换言之，相对于没有在该区域中提供相位校正板时通过相同区域(相同位 置)的光，已经通过相位校正板的光始终延迟。当光的波长为λ时，相位的延迟可以大于 或等于1λ，例如，3.5λ、20.3λ等。相位的延迟不仅由满足0彡λ彡1的范围来定义。此外，表述“已经通过相位校正板的外围区的光的相位差”与“已经通过相位校正 板的外围区的光的相位变化的最大值和最小值之间的差值，该变化是从光通过相位校正板 之前光的相位到光通过相位校正板之后光的相位的变化”相对应。此外，表述“已经通过相 位校正板的外围区的光的相位差”与“通过相位校正板的外围区的光的波前形式的变形量 的最大值(最大程度)”相对应。此外，表述“已经通过相位校正板的中间区的光的相位差”与“已经通过相位校正 板的中间区的光的相位变化的最大值和最小值之间的差值，该变化是从光通过中间区之前 的相位到光通过中间区之后的相位的变化”相对应。此外，表述“已经通过相位校正板的中间区的光的相位差”与“通过相位校正板的中间区的光的波前形式的变形量的最大值(最 大程度)”相对应。如上所述，相位差是可以由值的幅度单独表达的物理值。因此，相位差是不具有符 号的值(正/负等)。此外，由相位校正板引起的相位差可以定义如下。如图27A至27D所示，使用光轴 作为原点(origin)，入射光的波前处的相位形式是I(I)(请参照图27A)。使用光轴作为原 点，已经通过相位校正板的输出光的波前处的相位形式是I (2)(参照图27B)。在这种情况 下，I (2)-I (1)(请参照图27C和27D)定义为相位差。在图27A至27D中的每幅图中，水平轴代表光轴Z1，垂直轴代表与光轴Zl垂直的 方向H。在图27A至27D中所示的坐标平面中，示出了相位形式和相位差。图27A示出了相 位形式I(I)，图27B示出了相位形式I (2)。图27C示出了相位差I (2)-1(1)。图27D示出 了相对于相位形式I (1)的相位差I (2)-I (1)。期望沿着光传播方向上的矢量来计算相位差I (2)-1 (1)。
当入射光的波前形式是平面波时，相位差与相位形式I (2)相同。此外，可以通过相对于通过外围区的光的中心侧位置(与中心最接近)，比较第一 外围波前形式和第二外围波前形式，来获得相对于通过外围区的光的中心侧位置，通过外 围区的光的波前形式的变形量，其中所述中心侧位置与相位校正板的中心最接近。第一外 围波前形式是光通过外围区之前的波前形式，第二外围波前形式是光通过外围区之后的波 前形式。在其上安装有相位校正板的成像透镜中，形成代表对象的像的光所通过的相位校 正板区域是有效区。有效区包括中间区和外围区。换言之，外围区是除了中间区以外的有 效区。作为成像设备，可以采用具有调焦机制的成像设备和定焦方法的成像设备。期望在成像透镜的光瞳附件布置相位校正板。如果以这样的方式布置相位校正 板，则可以在广角(视角)光学系统中实现类似的有利效果。期望相位校正板包含满足阿贝数Yd > 45的材料，并且可选地，满足阿贝数Yd >50的材料。此外，期望具有反常色散特性的材料用于相位校正板。因此，可以防止在透 镜数目较少时在相位校正板中产生色差(chromatic aberration)。本发明的透镜单元可以包括相位校正板和至少一个透镜。相位校正板可以是包括沿着光轴方向彼此叠置的相位校正部分和基础部分的复 合体。此外，相位校正部分和基础部分可以由彼此具有不同光学特性的部件形成。相位校 正部分向通过相位校正板的光给出相位差，但是基本部分不会向通过相位校正板的光给出 任何相位差。相位差可以是已经通过相位校正板的平面波相对于平面波的平面的偏移(移位 等)(或者已经通过相位校正板的球面波相对于球面波的球面的偏移)。例如，当相位校正 板是没有功能的平行平面板时，“已经垂直进入平行平面板”的平面波不偏移，换言之，不引 起相位差。然而，当相位校正板具有不平行或凸起(或不平滑部分)时，已经通过相位校正 板的平面波偏移，换言之，引起相位差。例如，当相位校正板是没有功能的球面板时，“已经垂直进入球面板”的球面波不偏移，换言之，不引起相位差。然而，当相位校正板具有非均勻厚度或凸起(或不平滑部分) 时，已经通过相位校正板的球面波偏移，换言之，引起相位差。相位校正板可以被形成为，使得相对于通过相位校正板的外围区的光的中心侧位 置，已经通过相位校正板的光的相位从相位校正板的中间区一侧向相位校正板的外围一侧 提前，所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。在这种情况下，由已经通过其上安装有相 位校正板的成像透镜的光形成的像的深度(景深)向成像位置的前侧(对象侧)增加(扩
展)ο相位校正板可以被形成为，使得相对于通过相位校正板的外围区的光的中心侧位 置，已经通过相位校正板的光的相位从相位校正板的中间区一侧向相位校正板的外围一侧 延迟，所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。在这种情况下，由已经通过其上安装有相 位校正板的成像透镜的光形成的向的深度(景深)向成像位置的后侧(已经进入且穿过成 像平面的光被输出的成像平面侧)增加(扩展)。根据本发明另一方面的相位校正板是要安装在成像透镜上的相位校正板，该成像 透镜形成代表对象的像。相位校正板被构造为，使得已经通过相位校正板的中间区的光的 波前形式的最大变形量低于已经通过相位校正板的外围区的光的波前形式的最 大变形量， 并且通过外围区的光的波前形式的变形量从通过外围区的光的中心侧位置向外围侧单调 增加，所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。此外，相位校正板可以被构造为，使得在散焦期间已经通过其上安装与相位校正 板的成像透镜的光在成像平面上的每个位置处形成的每个光斑的直径(大小)变化小于在 散焦期间已经通过其上没有安装相位校正板的单独成像透镜的光形成的光斑(与成像平 面上的每个所述位置相对应)的直径(大小)变化。相位校正板可以是简单透镜。此外，简单透镜的表面可以是平的。当将相位校正 板安装在成像透镜以对对象进行成像时，平表面可以是在入射光侧上布置的透镜表面。期望通过中间区的光的波前形式的最大变形量小于1/2波长。期望通过外围区的光的波前形式的最大变形量大于或等于1/2波长。波长是参 考波长(基本波长)的波长。当拍摄的物体是通常使用的可见波长区时，可以采用d线 (587. 6nm)的波长。当使用红外光学系统并且拍摄的物体是红外线波长区时，可以采用红外 区(1200nm)等的波长。期望相位校正板满足以下公式5/100 < A/(A+B) < 100/100。在公式中，A是中间区的面积，B是外围区的面积， A+B是将外围区的面积与中间区的面积相加而获得的有效区的面积。参照随后将描述的图3，中间区Ul是主要形成像的核心从而形成像的区域。外围 区U2是用于增加焦深的区域。基于透镜所需的深度范围和外围区U2中相位差的范围δ 2 的规格，适当改变中间区Ul和外围区U2。具体地，当δ 2maX的值小时，深度增加效果弱。因此，需要保持宽(大)外围区 U2。相反，当δ 2max的值大时，可以增加深度，但是像眩光(flare)增加。因此，需要设置 形成像的核心的大中间区U1。例如，在散焦期间聚光斑的大小的变化量可以是在散焦期间聚光斑的大小的最小 值和最大值之间的比值。
此外，可以通过相对于通过外围区的光的中心侧位置(最接近中心)，比较第一外 围波前形式和第二波前形式，来获得相对于通过外围区的光的中心侧位置，通过外围区的 光的波前形式的变形量，所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。第一外围波前形式是 光通过外围区之前的波前形式，第二外围波前形式是光通过外围区之后的波前形式。在其上安装有相位校正板的成像透镜中，形成代表对象的像的光所通过的相位校 正板区域是有效区。有效区包括中间区和外围区。换言之，外围区是除了中间区以外的有 效区。作为成像透镜，可以采用具有调焦机制的成像透镜和定焦方法的成像透镜。期望在成像透镜的光瞳附件布置相位校正板。如果以这样的方式布置相位校正 板，则可以在广角(视角)光学系统中实现类似的有利效果。期望相位校正板包含满足阿贝数Yd > 45的材料，并且可选地，满足阿贝数Yd >50的材料。此外，期望具有反常色散特性的材料用于相位校正板。因此，能够防止在透 镜数目较少时在相位校正板中产生色差。
本发明的透镜单元包括根据本发明另一方面的相位校正板和至少一个透镜。本系统的成像系统是包括如下部件的成像系统成像装置，获得通过其上安装有根据本发明第一方面的相位校正板和根据本发明 另一方面的相位校正板之一的成像透镜投影的对象的光学像；以及信号处理装置，对代表对象的像数据执行复原处理，像数据由成像装置获得。本发明的成像设备包括该成像系统。本发明的移动电话包括该成像系统。本发明的车载设备包括该成像系统。本发明的监控摄像机包括该成像系统。本发明的内窥设备包括该成像系统。本发明的数码相机包括该成像系统。本发明的数码摄像机包括该成像系统。在成像系统中，成像装置和信号处理装置可以彼此集成。备选地，可以分离布置成 像装置和信号处理装置。作为应用于成像系统的“复原处理”，可以采用在日本待审专利公开 No. 2000-123168的W002]至W016]段中介绍的图像复原处理等。此外，可以通过应用在 Y. Washizawa禾口 Y. Yamashita 的“Kernel WienerFiIterWorkshop on Information-Based Induction Scienes (IBIS2003), 2003中公开的技术等来执行复原处理。根据本发明的相位校正板，已经通过相位校正板的中间区的光的最大相位差低于 已经通过相位校正板的外围区的光的最大相位差。此外，在外围区中，已经通过相位校正板 的光的相位差从外围区的中间区一侧向外围区的外围一侧增加。因此，可以增加景深，而同 时抑制分辨率降低和亮度降低。换言之，当将相位校正板安装在成像透镜上以对对象进行 成像并且对对象的像执行复原处理时，可以获得像，其景深增加，而不会缩小成像透镜的孔 径(光圈的孔径)(换言之，不会增加F数)。本发明的相位校正板可以被构造为，使得已经通过相位校正板的中间区的光的相 位差低于已经通过相位校正板的外围区的光的相位差，且通过外围区的光的波前形式的变形量从通过外围区的光的中心侧位置向外围侧单调增加，所述中心侧位置最接近相位校正 板的中心。当以这种方式构造相位校正板时，还可以增加景深，而同时抑制分辨率降低和亮 度降低。换言之，当将相位校正板安装在成像透镜上以对对象成像并且对对象的像执行复 原处理时，可以获得像，其景深增加，而不会缩小成像透镜的孔径(光圈的孔径)(换言之， 不会增加F数)。根据本发明另一方面的相位校正板可以被构造为，使得已经通过相位校正板的中 间区的光的波前形式的最大变形量低于已经通过相位校正板的外围区的光的波前形式的 最大变形量，并且通过外围区的光的波前形式的变形量从通过外围区的光的中心测位置向 外围侧单调增加，所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。当以这种方式构造相位校正 板时，也可以增加景深，而同时抑制分辨率降低和亮度降低。换言之，当将相位校正板安装 在成像透镜上以对对象成像并且对对象的像执行复原处理时，可以获得像，其景深增加，而 无需缩小成像透镜的孔径(光圈的孔径)(换言之，无需增加F数)。更具体地，在根据本发明第一方面的相位校正板和根据本发明另一方面的相位校 正板中，当将相位校正板安装在成像透镜上时，F数基本上不会改变。因此，例如，当在较暗 的室内进行近距拍摄(近景拍摄)时，即使将包括成像透镜以及安装在该成像透镜上的相 位校正板在内的透镜系统的F数设置为较低时(例如，F2等)，也可以通过对所获得的像执 行复原处理，来获得具有深景深的像。因此，当对条形码或字母文本进行成像时，即使从对 角方向对对象进行成像，或者沿着光轴方向发生抖动，也可以防止像模糊(失焦)，这是由 于能够增加景深。此外，如上所述，由于当将相位校正板安装在成像透镜上时，光学系统的 亮度(F数)基本上不改变，因此无需设置慢快门速度。因此，不会增加沿着与光轴垂直 的 方向的抖动模糊。此外，在普通拍摄中，可以同时满足对位于接近成像透镜位置的对象和位于无限 远位置的对象进行成像的需要。在根据本发明第一方面的相位校正板和根据本发明另一方面的相位校正板中，可 以获得像，能够对获得的像执行复原处理，以获得具有增加景深的像。通过使用具有预定性 能并在其上安装有相位校正板的成像透镜(例如，常规成像透镜)对对象进行成像，来获得 像，能够对获得的像执行复原处理。因此，可以排除相位校正板(换言之，其上形成波前调 制表面(相位调制表面)的相位校正板)的性能，容易地单独测量成像透镜的光学性能。此 夕卜，可以在制造其上安装有相位校正板的成像透镜时容易地测试透镜的性能。此外，当在成像透镜的光瞳附近布置相位校正板时，可以显著增加景深，而同时抑 制分辨率降低和亮度降低。可以在以下两种情况中实现如上所述的有利效果将相位校正板安装在具有调焦 机制的成像透镜上；以及将相位校正板安装在定焦的成像透镜上。此外，特别是在将相位校 正板安装在亮透镜(具有小F数的透镜)上并执行近距拍摄(近景拍摄)时，实现显著有 利的效果。


图1是示出了将根据本发明实施例的相位校正板安装在成像透镜上的状态的截 面图2A是示出了从光轴方向观察到的相位校正板的图；图2B是示出了从与光轴垂直方向观察到的相位校正板的截面图；图3是示出了已经通过相位校正板的光的波前形式的变形的图；图4A是示出了在散焦(defocusing)期间每个聚光斑的大小变化的图，每个聚光 斑通过其上安装有相位校正板的成像透镜在成像平面上在相应位置处形成；图4B是示出了在散焦期间每个聚光斑的大小变化的图，每个聚光斑通过单独的 成像透镜在成像平面上在相应位置处形成；图5是示出了在散焦期间聚光斑的大小变化的图，聚光斑通过已经通过其上没 有安装相位校正板的单独成像透镜或者通过其上安装有相位校正板的成像透镜的光而形 成；
图6A是示出了示例Al中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图6B是示出了示例Al中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差(spherical aberration)白勺图；图6C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图6D是示出了示例Al中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF(调制传递函 数)特性变化的图；图6E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图6F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图7A是示出了示例A2中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图7B是示出了示例A2中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图7C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图7D是示出了示例A2中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图7E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图7F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图8A是示出了示例A3中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图8B是示出了示例A3中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图8C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图8D是示出了示例A3中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图8E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图8F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图9A是示出了示例A4中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面图；图9B是示出了示例A4中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图9C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图9D是示出了示例A4中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图9E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图9F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图IOA是示出了示例Bl中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图IOB是示出了示例Bl中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图； 图IOC是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图IOD是示出了示例Bl中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图IOE是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图IOF是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图IlA是示出了示例B2中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图IlB是示出了示例B2中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图1IC是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图IlD是示出了示例B2中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图IlE是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图IlF是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图12A是示出了示例Cl中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图12B是示出了示例Cl中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图12C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图12D是示出了示例Cl中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图12E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图12F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图13A是示出了示例C2中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图13B是示出了示例C2中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图13C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在相应位置处形成；图13D是示出了示例C2中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图13E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图13F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图14A是示出了示例C3中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图14B是示出了示例C3中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图14C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图14D是示出了示例C3中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图； 图14E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图14F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图15A是示出了示例D中其上安装有相位校正板的成像透镜的结构的示意截面 图；图15A1是示出了示例D中单独成像透镜的复杂非球面的结构的截面图；图15B是示出了示例D中其上安装有相位校正板的成像透镜的球差的图；图15C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图15D是示出了示例D中其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性变化的 图；图15E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图15F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图16A是示出了比较示例AO中单独的成像透镜的结构的示意截面图；图16B是示出了比较示例AO中单独的成像透镜的球差的图；图16C是示出了在散焦期间每个聚光斑的变化的图，每个聚光斑在成像平面上在 相应位置处形成；图16D是示出了比较示例AO中单独的成像透镜的MTF特性变化的图；图16E是示出了在散焦期间70线/mm的MTF特性变化的图；图16F是示出了在散焦期间140线/mm的MTF特性变化的图；图17是示出了示例Al中相位校正板的透镜表面形式的图；图18是示出了示例A2中相位校正板的透镜表面形式的图；图19是示出了示例A3中相位校正板的透镜表面形式的图；图20是示出了示例A4中相位校正板的透镜表面形式的图；图21是示出了示例Bl中相位校正板的透镜表面形式的图；图22是示出了示例B2中相位校正板的透镜表面形式的图；图23是示出了示例Cl中相位校正板的透镜表面形式的图；图24是示出了示例C2中相位校正板的透镜表面形式的图25是示出了示例C3中相位校正板的透镜表面形式的图；图26是示出了示例D中相位校正板的透镜表面形式的图；图27A是示出了相位形式I(I)的图；图27B是示出了相位形式I (2)的图；图27C是示出了相位差I (2)-I(I)的图；以及图27D是示出了相对于相位形式I(I)的相位差1(2)_1(1)的图。
具体实施方式

下文中，将参照附图描述本发明的实施例。图1是示出了将根据本发明实施例的 相位校正板安装在成像透镜上的状态的截面图。图2A是示出了从光轴方向观察到的相位 校正板的图。图2B是示出了从与光轴垂直的方向观察到的相位校正板的截面图。图3是 示出了已经通过相位校正板的光的波前形式变形的图。图4A是示出了在散焦期间每个光斑的直径变化的图，每个光斑由通过其上安装 有相位校正板的成像透镜的光在成像平面上在相应位置处形成。在图4A的坐标中，水平轴 Zl代表光轴，垂直轴H代表与光轴垂直的方向。图4B是示出了在散焦期间每个光斑的直径 变化的图，每个光斑由通过单独的成像透镜(其上没有安装相位校正板)的光在成像平面 上在相应位置处形成。图5示出了彼此相比较的曲线Ep和曲线Eq的图。在图5的坐标中，垂直轴D代 表光斑的直径，水平轴Zl代表光轴，并且示出了成像平面的散焦位置。曲线Ep示出了在散 焦期间由已经通过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的光形成的聚光斑的光斑直 径变化。曲线Eq示出了在散焦期间由已经通过其上没有安装相位校正板100的单独成像 透镜200的光形成的聚光斑的直径变化。在图1、2A、2B和3中，仅示出了透镜，省略了用于支撑透镜的框架、用于将相位校 正板安装在成像透镜上的结构等等。作为将相位校正板安装在成像透镜上的机制，可以采 用与用于将普通滤波器(例如，ND滤波器等)安装在透镜柱体上的方法类似的机制。例如， 可以通过螺钉等安装相位校正板。在本实施例中，描述将相位校正板附至成像透镜的光入射侧的情况。然而，不必以 这样方式安附或安装相位校正板。本发明可以应用于将相位校正板附至成像透镜的光输出 侧的情况。此外，相位校正板可以应用于定焦方法的成像透镜和采用能够将焦点调整至特 定拍摄距离的调焦方法的成像透镜。如图所示，附至常规成像透镜200光入射侧的相位校正板100防止成像透镜200 的性能(例如，分辨率和亮度)下降，并增加景深。相位校正板100可容易地附至成像透镜 200并可容易从成像透镜拆下。〈成像透镜的基本结构〉如图1所示，成像透镜200从物侧(对象侧)沿着光轴Zl依次包括孔径光圈STO、 透镜Li、透镜L2、透镜L3、透镜L4以及保护玻璃L5。如图1所示，已经通过附有相位校正 板100的成像透镜200的光在成像平面Mp上形成代表对象的像。例如，在成像平面Mp处 布置成像设备的光接收表面。在保护玻璃L5处，可以设置低通滤波器、红外线截止滤波器等。
附至成像透镜200光入射侧的相位校正板100定位在成像透镜200的光瞳 (pupil)附近。<相位校正板的基本结构>在相位校正板100中设置有效区部分UO (请参照图2A和2B)。当将相位校正板 100附至成像透镜200的光入射侧时，通过相位校正板100和成像透镜200并在成像平面上 形成对象的像的光通过相位校正板100的有效区部分UOo有效区部分UO包括定位在有效区部分UO中间的中间区部分Ul和定位在有效区 部分UO外侧上的外围区部分U2。换言之，外围区部分U2是除了中间区部分Ul之外的有效 区部分UO。如图3所示，相位校正板100被形成为，使得中间区部分Ul的最大变形量δ Imax 小于外围区部分U2的最大变形量δ 2max(5 Imax < δ Imax)。最大变形量δ Imax是已经 通过中间区部分Ul的光束Kl的波前形式的最大变形量，换言之，从光通过中间区部分Ul 之前光的波前形式至光通过中间区部分Ul之后光的波前形式的最大变形量。最大变形量 δ 2max是已经通过外围区部分U2的光束Κ2的波前形式的最大变形量，换言之，从光通过外 围区部分U2之前光的波前形式至光通过外围区部分U2之后光的波前形式的最大变形量。 如图3所示，光束在通过相位校正板100的有效区部分UO之前的波前形式Wa是 平面(平坦表面)。光束在通过有效区部分UO之后的波前形式Wb是波状的。此外，相位校正板100的中间区部分(也被称作中间区或中心区)可以定义如下。如图3所示，当在进入相位校正板100的光的波前形式Wa与通过相位校正板 100并从相位校正板100输出的光的波前形式Wb之间的形式最大偏移量(相位差)超过 λ/2(λ是波长)之前紧接的拐点的位置是位置Q2时，相位校正板100的中间区部分Ul可 以被定义为具有相对于光轴Zl由位置Q2确定的半径的区域。换言之，中间区部分Ul可以是相对于光轴Zl形成的柱面中所包括的相位校正板 100的区域，柱面的圆端具有拐点的位置Q2确定的半径。术语“紧接”的使用基于针对拐点等的搜索范围从光轴Zl向外围扩展的假定。换 言之，术语“紧接”的使用是基于越靠近光轴Zi的位置越早被发现的假定。当如上所述设置中间区部分Ul时，通过中间区部分Ul的光的波前形式最大变形 变得与最大变形量S Imax相同，该最大变形量δ Imax是已经通过中间区部分Ul的光的波 前形式的最大变形量，该变形是从光通过中间区部分Ul之前光的波前形式至光通过中间 区部分Ul之后光的波前形式的变形。中间区部分Ul不包括通过中间区部分Ul的光的变 形量超过λ/2的区域。备选地，在由相位校正板100引起的相位差的形式中，中间区和外围区可以定义 如下。中间区的半径是从光轴Zl到拐点的高度，在包括光轴Zl的区域中相位差的程度超 过λ/2的相位形式中，拐点最接近于光轴Ζ1。同时，外围区是拐点外部的有效区。通过外围区部分U2的光的波前形式的最大变形量S2maX大于最大变形量 δ lmax,该变形量是从光通过外围区部分U2之前光的波前形式到光通过外围区部分U2之 后光的波前形式的变形量。光(光束)的波前是将具有相同相位的部分连接起来的表面。这里，最大变形量 δ Imax是光(光束)的波前形式的最大变形量，由光(光束)的相位确定，该变形是从光通过中间区之前光的波前形式至光通过中间区之后光的波前形式的变形。将具有相同相位的 部分连接起来的表面是等相位表面，并且等相位表面的形式与波前形式相对应。当具有统一相位的轴向光进入中间区并从中间区输出时，相位差可以与轴向光的 相位变化的最大值和最小值之间的差值相对应，该变化是从光通过中间区之前的光相位至 光通过中间区之后的光相位的变化。此外，相位校正板100被构造为，使得通过外围区部分U2的光束K2的波前形式的 变形量从通过外围区部分U2的光束K2的中心侧位置Q2向外围侧单调增加。具体地，光束 K2的波前形式的变形量5 2从光束K2的中心侧位置Q2向外围侧单调增加，该变形量是从 光束K2通过外围区部分U2之前光束K2的波前形式到光束K2通过外围区部分U2之后光 束K2的波前形式的变形量。此外，相位校正板100被构造为，使得在散焦期间由已经通过其上安装有相位校 正板100的成像透镜的光在成像平面上在每个位置处形成的每个光斑的直径(代表对象的 像的像素的模糊量)的变化小于在散焦期间由已经通过单独成像透镜200 (其上没有安装 相位校正板100)的光形成的光斑(与成像平面上的每个所述位置相对应)的直径的变化。散焦期间的光斑直径可以由当与成像平面平行的平坦表面平行于成像平面沿着 成像透镜200的光轴从成像平面开始移动预定量时，代表在该平坦表面上形成的光斑的像 的直径来定义。此外，可以获得在散焦期间光斑直径的变化量例如为比值￡ (e =Ds2/Dsl)。比 值￡是代表光斑Sp2的像的直径(Ds2)与代表光斑Spl (在成像平面上形成)的像的直径 (Dsl)的比值。光斑Sp2与光斑Spl相对应，并且在平坦表面上形成，该平坦表面平行于成 像平面、沿着成像透镜200的光轴从成像平面的位置移动预定量。此外，其上安装有相位校正板100的成像透镜200被称作透镜单元。由通过透镜单元(该透镜单元是其上安装有相位校正板100的成像透镜200)的 光在成像平面上在每个位置处形成的每个光斑的直径在散焦期间变化。如图4A所示，当在 参考位置处(光斑的面积为最小、并且散焦量为0)的成像平面Mp(与光轴Z1垂直)沿着 光轴Z1向位置-lOOiim、-50iim、+50 u m, +100 y m中的每一个平行移动(散焦)时，光轴 Z1上的光斑Sp (o)的面积从960平方微米(直径近似35 u m)的最小值向2400平方微米 (直径近似55 ym)的最大值变化。具体地，在散焦期间光斑Sp(o)的面积最大值是面积最 小值的2. 5倍。因此，光轴上光斑面积的变化量的值是2. 5 (变化量=光斑面积的最大值/ 光斑面积的最小值)，该光斑由已经通过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的光在 成像平面上在每个位置处形成。如上所述，例如，光斑的大小可以是光斑面积或光斑直径。对于在光轴以外在成像平面Mp上形成的光斑Sp (g)，在散焦(成像平面Mp沿着光 轴Z 1向-100 i! m、-50 i! m、士 0 i! m、+50 u m、+100 u m中的每个位置移动)期间光斑Sp (g) 的面积变化的值也近似于2. 5，类似于光斑Sp(o)的情况。对于在成像平面Mp上在任何位置处形成的每个光斑而言，散焦(成像平面Mp沿 着光轴Z1向-100 i! m、-50 i! m、士 0 i! m、+50 u m、+100 u m中的每个位置移动)期间光斑面 积变化的值也近似于2. 5。相反，如图4B所示，由通过其上没有安装相位校正板100的单独成像透镜200的光在成像平面上在每个位置处成像的每个光斑(光斑的面积)的变化量在散焦期间变化。 具体地，当在参考位置处(光斑的面积为最小、并且散焦量为0)的成像平面Mp沿着光轴 Zl向-100 μ m、-50 μ m、+50 μ m、+100 μ m中的每个位置平行移动(散焦)时，光轴Zl上的 光斑Sq(O)的面积从79平方微米(直径近似10 μ m)的最小值向2800平方微米(直径近 似60μπι)的最大值变化。具体地，在散焦期间光斑Sq (ο)的面积最大值是面积最小值的35 倍。因此，光轴上光斑面积的变化量的值是35 (变化量=光斑面积的最大值/光斑面积的 最小值)，该光斑由已经通过单独成像透镜200的光在成像平面上在每个位置处形成。对于在成像平面Mp上在任何位置处形成的每个光斑而言，散焦(成像平面Mp沿 着光轴Zl向-100 μ m、-50 μ m、士0 μ m、+50 μ m、+100 μ m中的每个位置移动)期间光斑面 积变化的值也近似于35。如上所述，在散焦期间由已经通过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的 光形成的聚光斑的面积的变化量近似为由已经通过单独成像透镜200的光形成的聚光斑 的面积的变化量的0. 07倍(2. 5/35)。在散焦期间通过其上安装有相位校正板的成像透镜的光在成像平面上在每个位 置处形成的每个聚光斑的面积的变化与在散焦期间通过其上没有安装相位校正板的单独 成像透镜的光形成的每个聚光斑(与成像平面上每个所述位置相对应)的面积的变化的比 值可以小于或等于50%。期望该比值小于或等于20%，并可选地，小于或等于7%。 接下来，将比较图5中示出的曲线Ep和曲线Eq。曲线Ep示出了在散焦期间由已 经通过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的光形成的聚光斑的光斑直径(直径) 的变化。曲线Eq示出了在散焦期间由已经通过其上没有安装相位校正板100的单独成像 透镜200的光形成的聚光斑的直径的变化。在图5中，光斑的直径用作光斑直径。然而，不 一定要采用光斑直径。类似描述可适用于采用光斑面积等代替光斑直径的情况。如图5中曲线Eq所示，由已经通过单独成像透镜200的光形成的聚光斑的大小在 成像平面Mp的参考位置处最小(该光斑直径在参考位置处最小，并且散焦量在参考位置处 为0)。然而，如图5中的曲线Ep所示，当将相位校正板100安装在成像透镜200上时，由通 过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的光形成的聚光斑的光斑直径为最小的散焦 位置离开成像平面Mp的参考位置(散焦量为0的位置)约+70 μ m。此外，由已经通过其上安装有相位校正板100的成像透镜200的光形成的聚光斑 的变化(请参照曲线Ep)相对于由已经通过单独成像透镜200的光形成的聚光斑的变化 (请参照曲线Eq)较缓和。当假定光斑的直径小于或等于50 μ m时光斑(像)合焦时，在曲线Ep中，光斑直 径小于或等于50 μ m的散焦范围的宽度Jpl (换言之，与景深相对应的散焦范围的宽度Jpl) 近似为220 μ m。同时，在曲线Eq中，光斑直径小于或等于50 μ m的散焦范围的宽度Jql (换 言之，与景深相对应的散焦范围的宽度Jql)近似为220 μ m。因此，在曲线Ep和曲线Eq中， 光斑直径小于或等于50 μ m的散焦范围近似相同。当将用于判断光斑(像)合焦的光斑直径设置为大于50 μπι时，其上安装有相位 校正板100的成像透镜200的散焦范围(请参照曲线Ep)宽于没有相位校正板100的成像 透镜200的散焦范围(请参照曲线Eq)。换言之，其上安装有相位校正板100的成像透镜 200的景深比没有相位校正板100的成像透镜200的景深深。
更具体地，当对条形码和字母文本进行拍摄时，不需要高分辨率。甚至当将像散焦为使得光斑直径例如为70 μ m或80 μ m时，也可以认为像合焦。当以这样的方式设置合焦 范围时，可以判断安装在成像透镜200上的相位校正板100能够增加景深。在图5中，当光斑直径小于或等于80 μ m的范围是可允许的合焦范围(与景深相 对应的范围)时，在通过其上没有安装相位校正板100的成像透镜200对对象进行拍摄 时，与景深相对应的散焦范围的宽度Jq2近似为250μπι。相反，在通过其上安装有相位校 正板100的成像透镜200对对象进行拍摄时，与景深相对应的散焦范围的宽度Jp2近似为 400 μ m。因此，当将相位校正板100安装在成像透镜200上时，对象被视为合焦的距离范围 (景深)大大增加。通过单独成像透镜200执行拍摄时的亮度(F数)与通过其上安装有相位校正板 100的成像透镜200执行拍摄时的亮度(F数)基本上相同。因此，可以将拍摄快门速度设 置为相似速度。如上所述，当将相位校正板100安装在成像透镜200上时，可以增加景深，而同时 防止分辨率降低和亮度降低。特别是，当在相对暗的地点(例如，室内(建筑物内))进行 近距拍摄(近景拍摄)来对条形码、字母文本等成像时，打开光圈。在这样的情况下，字母 文本(草稿或原始版本)相对于成像透镜200光轴的倾斜以及沿着成像透镜200光轴方向 的抖动可以模糊在成像平面上形成的对象的像。然而，本发明可以显著防止像的模糊。〈具体示例〉对其中将本发明的相位校正板安装在成像透镜上的示例Al至A4、示例Bl和B2、 示例Cl至C3、以及示例D有关的数值数据等进行概述。此外，将描述单独成像透镜(比较 示例AO)有关的数值数据等。在比较示例AO中，从根据示例Al至A4的其上安装有相位校 正板的成像透镜中移除相位校正板。在说明书的结尾处提供了表格1至23，这将在说明书剩余部分中描述。随后将描述的图6A、6B、6C、6D、6E和6F以及表格1A、1B和IC示出了与根据示例 Al的其上安装有相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图7A至7F以及表格2A至2C示出了与根据示例A2的其上安装有 相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图8A至8F以及表格3A至3C示出了与根据示例A3的其上安装有 相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图9A至9F以及表格4A至4C示出了与根据示例A4的其上安装有 相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图IOA至IOF以及表格5A至5C示出了与根据示例Bl的其上安装 有相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图IlA至IlF以及表格6A至6C示出了与根据示例B2的其上安装 有相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图12A至12F以及表格7A至7C示出了与根据示例Cl的其上安装 有相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图13A至13F以及表格8A至8C示出了与根据示例C2的其上安装 有相位校正板的成像透镜有关的数据。
随后将描述的图14A至14F以及表格9A至9C示出了与根据示例C3的其上安装 有相位校正板的成像透镜有关的数据。随后将描述的图15A、15A1、15B、15C、1OT、15E和15F以及表格IOA至IOC示出了
与根据示例D的其上安装有相位校正板的成像透镜有关的数据。示例D的相位校正板是包括沿着光轴方向彼此叠置的相位校正部分和基础部分 在内的复合体。相位校正部分和基础部分由彼此具有不同光学特性的部件形成。随后将描述的图16A至16F以及表格IlA至IlC示出了与根据比较示例AO的成 像透镜(其上没有安装相位校正板的单独成像透镜)有关的数据。在比较示例AO中，从根 据示例Al至A4的其上安装有相位校正板的成像透镜中移除相位校正板。 图17至26是分别示出了在示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3以及D中使用的相位 校正板的像侧透镜表面的形式(非球面形式)的图。在图17至26中，垂直轴代表沿光轴 Zl方向的位置，水平轴代表沿与光轴Zl垂直的方向H的位置。表格12概述了与根据示例Al至A4、B1、B2、C1至C3和D的其上安装有相位校正 板的成像透镜、以及根据比较示例Α0、Β0和CO的其上没有安装相位校正板的单独成像透镜 有关的数据。在比较示例BO中，从根据示例Bl的其上安装有相位校正板的成像透镜中移 除相位校正板。在比较示例CO中，从根据示例Cl的其上安装有相位校正板的成像透镜中 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侧 透镜表面的非球面系数。可以分别从表格1B、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8B、9B和IOB中读取表 格13中所示的相位校正板的像侧透镜表面的非球面系数。表格14至23分别示出了代表在示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D中使用的相 位校正板的像侧透镜表面上的位置的坐标值。透镜表面上的每个位置由代表沿光轴Zl方 向的位置的水平轴坐标和代表沿与光轴Zl垂直的方向H的位置的垂直轴坐标来表示。图 6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A 分别是示出 了示例 Al 至 A4、 Bi、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像透镜以及比较示例AO的成像透镜的 结构的示意截面图。在图6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A中，与图1中的 符号相同的符号用于与图1所示的那些元件相对应的元件。在图6A、7A、8A、9A、10A、11A、 12A、13A、14A、15A和16A中的每幅图中，示出了以四种不同入射角度(像高)进入成像平面 的光的路径(轨迹)，这将在随后描述。在图6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A、14A、15A* 16A 中，符号 R1、R2、· · ·指示以
下组成元件。Rl是相位校正板的物侧透镜表面，R2是相位校正板的像侧透镜表面。R3是 孔径光圈STO的位置。R4是第一透镜Ll的物侧透镜表面，R5是第一透镜Ll的像侧透镜表 面。R6是第二透镜L2的物侧透镜表面，R7是第二透镜L2的像侧透镜表面。R8是第三透 镜L3的物侧透镜表面，R9是第三透镜L3的像侧透镜表面。RlO是第四透镜L4的物侧透镜 表面，Rll是第四透镜L4的像侧透镜表面。R12是第五透镜L5(保护玻璃(Cov))的物侧透 镜表面，R12是第五透镜L5的像侧透镜表面。R14是成像平面Mp。在图15A中所示的示例D的其上安装有相位校正板的成像透镜中，Rl'是相位校 正板中彼此叠置的不同部件的接合面。在表格认、24、34、44、54、64、74、84、9々、1(^和1认中，光学元件(例如，透镜)的表面号(第i个(i—l、(1’ )、2、3…))从物侧向像侧增加。透镜数据包括孔径光圈STo的表面号(i一3)、平行于平板的保护玻璃(C。V)的物侧表面的表面号、保护玻璃(C。V)的像侧表面的表面号、成像平面(Mp)的表面号等。此外，。B丁代表物。
在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中的每个表格中，Ri代表第i表面的近轴曲率半径。Di代表光轴Zl上第i表面与第(i+1)表面之间的距离。此外，透镜数据中的Ri与图l中的Ri相对应，代表透镜表面。
此外，在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中，Ndj代表第j光学元件相对于d线(波长为587．6nm)的折射率。j的值从物侧向像侧顺序增加。此外，Y dj代表第j光学元件相对于d线的阿贝数(Abbe number)。
此外，在示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像透镜以及比较示例Ao的成像透镜中，设计参考波长为546．1nm。
在表格lA、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、loA和11A中，中代表直径。
近轴曲率半径、表面之间的距离以及直径由毫米(mm)代表。此外，当表面向物侧突出时，近轴曲率半径为正。当表面向像侧突出时，近轴曲率半径为负。
这里，每个非球面由代表非球面的以下公式表示
[公式1]．，．N
Z一一一尸兰兰=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是锥形常数(C。niC C。nStant)。
表格lB至11B示出了代表每个非球面Ri的公式中的系数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规格
设计参考波长、焦距、F数、以及进入成像平面的光的入射角度(光具有在图6A、7A、．．．16A、6C、7C、．．．16C、6D、7D、．．．16D、6E、7E、．．．16E、6F、7F、．．．16F中的每幅图中司云出的四种像高)。
图6B、7B、…16B分别示出了示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像透镜以及比较示例Ao的成像透镜的球差。
图6C、7C、…16C分别示出了在散焦期间由已经通过示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像透镜以及比较示例Ao的成像透镜的光在成像平面上在每个位置处成像的每个光斑的变化(每个光斑由以如上所述四个不同入射角度(像高)进入成像平面的光形成)。作为散焦量，示出了当成像平面沿着光轴Zl向一lOO u m、一50 u m、±o u m、+50 u m、+lOO u m中的每个位置平行移动时，在成像平面上成像的光斑的形式(聚光斑)。
图6D、7D、．．．16D示出了由以如上所述的四种不同入射角度(像高)进入成像平面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。图6D、7D、…16D分别示出了由已经通过示例Al至A4、Bl、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像透镜以及比较示例Ao的成像透镜的光形成的像的MTF特性。
图6E、7E、...16E示出了由以如上所述的四种不同入射角度(像高)进入成像平面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。图6E、7E、. . . 16E分别示出了针对70线/mm在 散焦期间由已经通过示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成像 透镜以及比较示例AO的成像透镜的光形成的像的MTF特性。图6F、7F、...16F示出了由以如上所述的四种不同入射角度(像高)进入成像平 面的光在成像平面上形成的像的MTF特性。图6F、7F、. . . 16F分别示出了针对140线/mm 在散焦期间由已经通过示例Al至A4、Bi、B2、Cl至C3和D的其上安装有相位校正板的成 像透镜以及比较示例AO的成像透镜的光形成的像的MTF特性。当将示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜与比较示例AO的成像透镜(其 中，从示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜中移除相位校正板)彼此进行比较时， 如下性能彼此不同。 相对于在散焦期间针对140线/mm的MTF特性，与比较示例AO的成像透镜的MTF 的峰值相比，示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF的峰值大大减小。此外， 实质上不会产生这样的散焦范围，在该散焦范围中示例Al的其上安装有相位校正板的成 像透镜可以实现比比较示例AO的其上没有安装相位校正板的成像透镜更高的性能。此外，相对于针对70线/mm的MTF特性，与比较示例AO的成像透镜的MTF的峰值 相比，示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF的峰值大大减小，类似于140线 /mm的情况。然而，示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF的值在散焦期间逐 渐降低，而比较示例AO的其上没有安装相位校正板的成像透镜的MTF的值在散焦期间急剧 降低。因此，在没有处于表现出MTF峰值的散焦范围附近的散焦范围中，示例Al的其上 安装有相位校正板的成像透镜的性能(透镜性能)超过比较示例AO的其上没有安装相位 校正板的成像透镜的性能(透镜性能)(MTF的值较高)。具体地，当MTF的值不是指示合焦状态的峰值时，示例Al的其上安装有相位校正 板的成像透镜可以实现比比较示例AO的其上没有安装相位校正板的成像透镜高的分辨率。因此，当低分辨率对于透镜使用目的而言可接受时，相比于比较示例AO的其上没 有安装相位校正板的成像透镜，示例Al的其上安装有相位校正板的成像透镜可以在较宽 散焦范围中获得期望的分辨率。具体地，当以低分辨率使用成像透镜时，如果将相位校正板 安装在常规成像透镜上，则可以增加成像透镜的景深，而不会牺牲成像透镜的亮度和分辨率。相对于针对70线/mm的其上安装有相位校正板的成像透镜的MTF特性，针对由 以四种不同输入角度进入成像平面的光在成像平面上形成的像，示出散焦期间MTF特性曲 线。当MTF特性曲线表现出最大值的散焦位置和MTF特性曲线表现出最小值的散焦位置对 于四种MTF特性曲线相同时，可以大大增加成像透镜的景深，而不会牺牲成像透镜的分辨 率和亮度。此外，当MTF特性曲线表现出最大值的散焦位置与MTF特性曲线表现出最小值的 散焦位置之间的距离较长时，换言之，当MTF值在散焦期间逐渐降低时，能够更大地增加成 像透镜的景深，而不会牺牲成像透镜的分辨率和亮度。
此外，可以提供一种成像系统，该成像系统包括成像单元和信号处理装置，所述成 像单元用于形成通过其上安装有相位校正板的成像透镜投影的对象的光学像。信号处理装 置对由成像单元获得的、代表对象的像数据执行复原处理。此外，本发明不限于本发明的实施例以及如上所述的示例。在不背离本发明范围 的前提下可以进行各种修改。[表格1A]示例A1:透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格1B]示例A1:非球面系数 [表格1C]示例Al 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格2A]示例A2 透镜数据表面号 RiDiNdj ~~vdj Φ OBJ ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格2B]示例A2:非球面系数
[表格况]示例A2 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格3A]示例A3 透镜数据 《玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格 3B]示例A3 非球面系数 [表格 3C]示例A3 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格 4A]示例A4:透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格4B]示例A4:非球面系数 [表格4C]示例A4 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格5A]示例Bl 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格5B] [表格 6A]示例B2 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格诎]示例B2:非球面系数
[表格C]示例B2 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格汛]示例C1.非球面系数 [表格冗]示例C1 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格骱]示例C2 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格池]示例C2 非球面系数
[表格 8C]示例C2 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格 9A]示例C3 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格9B]示例C3 非球面系数 [表格9C]示例C3 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格 10A]示例D 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格 10B]示例D:非球面系数 [表格 10C]示例D 具有透镜适配器的成像透镜的示意规格 [表格11A]比较示例AO 透镜数据 ※玻璃材料相对于d线的折射率和阿贝数[表格 11B]比较示例AO:非球面系数
Q1
-
[表格 11C]比较示例AO 不具有透镜适配器的成像透镜的示意规格
^入射角度(度)
0.000
21. 134
31. 588
实现最大响应(mtf)的散焦位置处的最低响应 (*2)针对70 %或以下像高实现15 %或以上mtf响应的深度 (*3)针对70 %或以下像高实现5 %或以上mtf响应的深度 [表格I5] [表格I6] [表格18] [表格20] [表格21]
权利要求
一种要安装在成像透镜上的相位校正板，其中，已经通过相位校正板的中间区的光的最大相位差低于已经通过相位校正板的外围区的光的最大相位差，其中，在外围区中，已经通过相位校正板的光的相位差从外围区的中间区一侧向外围区的外围侧增加。
2.一种要安装在成像透镜上的相位校正板，其中，在散焦期间由已经通过其上安装有 相位校正板的成像透镜的光在成像平面上的每个位置处形成的每个光斑的直径变化小于 在散焦期间由已经通过不具有相位校正板的成像透镜的光形成的、与成像平面上每个所述 位置相对应的光斑的直径变化。
3.根据权利要求1或2所述的相位校正板，其中，所述相位校正板是简单透镜。
4.根据权利要求3所述的相位校正板，其中，简单透镜的表面是平的。
5.根据权利要求4所述的相位校正板，其中，简单透镜中没有面对成像透镜的光瞳的 表面是平的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的相位校正板，其中，通过中间区的光的相位差小 于1/2波长。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的相位校正板，其中，通过外围区的光的相位差大 于或等于1/2波长。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的相位校正板，其中，相位校正板具有旋转对称形式。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的相位校正板，其中，相位校正板满足以下公式 5/100 <A/(A+B) < 100/100，其中，A是中间区的面积，B是外围区的 面积，A+B是将外围区的面积与中间区的面积相加而获得的有效区的面积。
10.一种成像系统，包括成像装置，获得通过其上安装有根据权利要求1至9中任一项所述的相位校正板的成 像透镜投影的对象的光学像；以及信号处理装置，对由成像装置获得、代表对象的像数据执行复原处理。
11.一种包括根据权利要求10所述的成像系统的成像设备。
12.一种包括根据权利要求10所述的成像系统的移动电话。
13.—种包括根据权利要求10所述的成像系统的车载设备。
14.一种包括根据权利要求10所述的成像系统的监控摄像机。
15.一种包括根据权利要求10所述的成像系统的内窥设备。
16.一种包括根据权利要求10所述的成像系统的数码相机。
17.—种包括根据权利要求10所述的成像系统的数码摄像机。
18.一种透镜单元，包括根据权利要求1至9中任一项所述的相位校正板；以及 至少一个透镜。
19.根据权利要求1至9中任一项所述的相位校正板，其中，相位校正板是包括沿着光 轴方向彼此叠置的相位校正部分和基础部分的复合体，其中，相位校正部分和基础部分由 彼此具有不同光学特性的部件形成。
20.根据权利要求1至9和19中任一项所述的相位校正板，其中，相对于通过相位校正 板的外围区的光的中心侧位置，已经通过相位校正板的光的相位从相位校正板的中间区一侧向相位校正板的外围侧提前，其中所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。
21.根据权利要求1至9、19和20中任一项所述的相位校正板，其中，相对于通过相位 校正板的外围区的光的中心侧位置，已经通过相位校正板的光的相位从相位校正板的中间 区一侧向相位校正板的外围侧延迟，其中所述中心侧位置最接近相位校正板的中心。
全文摘要
本发明提供了一种安装在成像透镜上的相位校正板。相位校正板被构造为使得已经通过相位校正板的中间区的光的相位差低于已经通过相位校正板的外围区的光的相位差，并且，在外围区中，已经通过相位校正板的光的相位差从外围区的中间区一侧向外围区的外围侧增加。
文档编号G02B15/00GK101872031SQ20101017012
公开日2010年10月27日 申请日期2010年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者佐藤贤一, 岸根庆延, 西畑纯弘 申请人:富士能株式会社;富士胶片株式会社