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JP2000275582A - Depth-of-field enlarging system - Google Patents

Depth-of-field enlarging system

Info

Publication number
JP2000275582A
JP2000275582A JP11080454A JP8045499A JP2000275582A JP 2000275582 A JP2000275582 A JP 2000275582A JP 11080454 A JP11080454 A JP 11080454A JP 8045499 A JP8045499 A JP 8045499A JP 2000275582 A JP2000275582 A JP 2000275582A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image
phase modulation
depth
liquid crystal
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP11080454A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichiro Aizaki
紳一郎 合▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP11080454A priority Critical patent/JP2000275582A/en
Publication of JP2000275582A publication Critical patent/JP2000275582A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)
  • Endoscopes (AREA)
  • Image Input (AREA)
  • Image Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Studio Devices (AREA)
  • Closed-Circuit Television Systems (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To observe a sample image on an optimum condition at the time of observing a sample by using a depth-of-field enlarging system. SOLUTION: This depth-of-field enlarging system is provided with a subject detection optical system provided with 1st to 3rd lenses 2 to 4 condensing light from a sample 9 and a CCD 22 detecting the light condensed by the lens groups 2 to 4 so as to detect the image of the sample 9, and a liquid crystal spatial phase modulator 5 arranged between the sample 9 and an imaging device 22 and modulating the passing light to phase distribution of specified shape in accordance with the enlarging amount of field, and the phase modulation amount of the modulator 5 is varied.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光学系の被写界深度
を拡大する被写界深度拡大システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a depth of field expanding system for expanding the depth of field of an optical system.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光学系の被写界深度を拡大するた
めの技術として、(1)米国特許第5748371号
(コロラド大学)、(2)Edward R.Dowski,Jr.,W.Thom
as Cathey,“Extended depth of field through wave-f
ront coding”,Appl.Opt.Vol.39,1859-1866(1995)、
(3)Sara Bradburn,Wade Thomas Cathey,Edward R.Do
wski,Jr.,“Realization of focus invariance in opti
cal-digital systems with wave-front coding”,Appl.
Opt.Vol136,9157-9166(1997)に開示されたものがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques for expanding the depth of field of an optical system include (1) US Pat. No. 5,748,371 (University of Colorado), and (2) Edward R. Dowski, Jr., W. Thom.
as Cathey, “Extended depth of field through wave-f
ront coding ”, Appl. Opt. Vol. 39, 1859-1866 (1995),
(3) Sara Bradburn, Wade Thomas Cathey, Edward R. Do
wski, Jr., “Realization of focus invariance in opti
cal-digital systems with wave-front coding ”, Appl.
Opt. Vol 136, 9157-9166 (1997).

【0003】このうち米国特許第5748371号に開
示された被写界深度拡大システムの概略構成を図6に示
す。図6に示すように、この光学システムはレンズ系6
2とCCD63からなる光学系の瞳位置に挿入されたキ
ュービック位相変調マスク60を有する。このキュービ
ック位相変調マスク60は物体61から反射された光に
位相分布を与え、レンズ系62を介してCCD63に投
影する。このCCD63からの出力は画像処理装置64
によって画像処理される。
FIG. 6 shows a schematic configuration of a depth-of-field expanding system disclosed in US Pat. No. 5,748,371. As shown in FIG. 6, the optical system includes a lens system 6.
And a cubic phase modulation mask 60 inserted at the pupil position of the optical system composed of the CCD 2 and the CCD 63. The cubic phase modulation mask 60 imparts a phase distribution to the light reflected from the object 61 and projects the light on a CCD 63 via a lens system 62. The output from the CCD 63 is transmitted to an image processing device 64.
Image processing.

【0004】キュービック位相変調マスク60の具体的
な構成を図3に示す。キュービック位相変調マスク60
は、一方の面(上面)は、図3に網掛けで示すようなz
=k(x3+y3)の曲面形状を有し、もう一方の面、す
なわち底面は平面形状をなしている。このキュービック
位相変調マスク60を透過した光の位相は、入射光に対
し、その入射位置(x,y)に応じて P(x,y)=exp(jα(x3+y3)),|x|≦1,|y|≦1 …(1) のずれを生じる。ここでαは位相変調量、x,yは最大
値1で規格化された瞳位置での座標である。
FIG. 3 shows a specific configuration of the cubic phase modulation mask 60. Cubic phase modulation mask 60
Means that one surface (upper surface) is z as shown by hatching in FIG.
= K (x 3 + y 3 ), and the other surface, that is, the bottom surface, has a planar shape. The phase of the light transmitted through the cubic phase modulation mask 60 is, for incident light, P (x, y) = exp (jα (x 3 + y 3 )), | x according to the incident position (x, y). | ≦ 1, | y | ≦ 1 (1) Here, α is a phase modulation amount, and x and y are coordinates at a pupil position standardized by a maximum value of 1.

【0005】次に、この被写界深度拡大システムを用い
ることで得られるOTF(Optical Transfer Function:
光学伝達関数)の強度分布を図7〜図10により説明す
る。図7は通常の光学系を通したOTFを示すものであ
る。通常の光学系では物体が合焦位置からずれるにした
がってOTFの強度分布は図7(a)〜(c)へと変化
する。一方、被写界深度拡大システムでは、図8(a)
〜(c)に示すようになり、その変化は小さい。これを
図9に示す特性を有する逆フィルタを用いて処理する
と、図10(a)〜(c)に示すように、合焦位置から
ずれている場合(図10(b)(c))であっても合焦
時のOTFの強度分布(図10(a))に近い結果が得
られる。
Next, an OTF (Optical Transfer Function: OTF) obtained by using the depth of field expanding system.
The intensity distribution of the optical transfer function will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows an OTF through a normal optical system. In an ordinary optical system, the intensity distribution of the OTF changes from FIG. 7A to FIG. 7C as the object shifts from the in-focus position. On the other hand, in the depth of field expansion system, FIG.
(C), and the change is small. When this is processed using an inverse filter having the characteristics shown in FIG. 9, when it is out of focus (FIGS. 10B and 10C), as shown in FIGS. Even if there is, a result close to the intensity distribution of the OTF at the time of focusing (FIG. 10A) is obtained.

【0006】また、このOTFの変化を、実際の画像で
説明すると、通常の光学系では焦点位置がずれるにつれ
て、焦点ずれによるボケが生じてくるが、被写界深度拡
大システムを用いた場合、焦点位置をずらしたときの画
像処理前の画像はぼけてはいるが、それぞれの画像にお
いてボケ方が変化しない。これらの画像に対し、逆フィ
ルタによる画像処理を行うと、通常の光学系の焦点ずれ
がしていない画像と同等の画像が得られ、被写界深度が
拡大できることがわかる。
If the change of the OTF is described with an actual image, blurring due to defocus occurs as the focal position shifts in a normal optical system. However, when the depth of field expanding system is used, The image before the image processing when the focal position is shifted is blurred, but the blurring does not change in each image. When image processing is performed on these images by an inverse filter, an image equivalent to an image in which a normal optical system is not defocused is obtained, and it can be seen that the depth of field can be increased.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したキ
ュービック位相変調マスク60はその位相変調量、すな
わち式(1)のαによって、被写界深度の拡大率や、画
像処理の際に用いる空間フィルタのサイズ、さらに画像
処理装置へ取り込む時の撮像手段のノイズに対する影響
が異なるという特性を有する。
By the way, the cubic phase modulation mask 60 described above uses the phase modulation amount, that is, α in equation (1), to increase the depth of field and the spatial filter used in image processing. And the influence of the image pickup means on the noise when the image is taken into the image processing apparatus.

【0008】すなわち、αが大きいほど被写界深度の拡
大率が大きくなる一方で、空間フィルタのサイズが大き
くなり、画像処理に要する計算量が多くなる。
That is, as α increases, the enlargement rate of the depth of field increases, while the size of the spatial filter increases, and the amount of calculation required for image processing increases.

【0009】図11は、αが20の場合と60の場合の
合焦位置における被写界深度拡大システムを通したOT
Fの強度分布を示すものであり、図11に示すように、
αが20の場合のほうがOTFの強度は大きく、60の
場合のほうが小さい。この被写界深度拡大システムを通
したOTFを画像処理により通常の光学系でのOTFの
強度分布へ戻すためには、図12のような特性の空間フ
ィルタが必要となる。
FIG. 11 shows OT through the depth of field expansion system at the in-focus position when α is 20 and 60.
FIG. 11 shows the intensity distribution of F. As shown in FIG.
When α is 20, the OTF intensity is higher, and when O is 60, it is lower. In order to return the OTF that has passed through the depth of field expanding system to the OTF intensity distribution in a normal optical system by image processing, a spatial filter having characteristics as shown in FIG. 12 is required.

【0010】図12は画像処理によって、観察している
試料の対応する空間周波数の情報が何倍になるかを表し
ており、図15より、α=20の場合は最大で約5倍で
あるのに対し、α=60の場合には約8倍になる。この
ような空間フィルタにより画像処理を行うと、画像処理
前の画像に撮像手段のノイズがのっていた場合に、ノイ
ズも一緒に強調されてしまうので、上記したようにαが
20の場合よりも60の場合のほうが、ノイズが強調さ
れる度合いが大きく、撮像手段のノイズに対する影響が
大きい。またこのノイズに対する影響は、観察する試料
の構造によっても異なる。
FIG. 12 shows how many times the information of the corresponding spatial frequency of the sample under observation is multiplied by the image processing. FIG. 15 shows that when α = 20, the maximum is about five times. On the other hand, when α = 60, it becomes about 8 times. When image processing is performed using such a spatial filter, if noise of the imaging unit is present in the image before image processing, the noise is also enhanced together. 60, the degree of noise emphasis is greater, and the influence of the imaging means on noise is greater. The influence on the noise also differs depending on the structure of the sample to be observed.

【0011】以上のように試料を観察するときには、必
要な被写界深度、画像処理に費やすことができる計算
量、試料の構造などは一定の条件にはならず、最適な条
件があり、それに合わせて位相変調量αを変更すること
が必要である。
As described above, when observing a sample, the necessary depth of field, the amount of calculation that can be spent on image processing, the structure of the sample, and the like are not fixed conditions, but there are optimal conditions. In addition, it is necessary to change the phase modulation amount α.

【0012】しかしながら、従来の被写界深度拡大シス
テムで用いられているキュービック位相変調マスク等で
は、位相変調量αは一義的に定まってしまうものであ
り、試料の構造の変動に対して何らノイズの影響を低減
することはできなかった。
However, in a cubic phase modulation mask or the like used in a conventional depth-of-field expansion system, the amount of phase modulation α is uniquely determined, and any noise caused by a change in the structure of the sample. Could not be reduced.

【0013】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、被写界深度拡大シ
ステムを用いて試料を観察する時に、試料像を最適な条
件で観察することのできる被写界深度拡大システムを提
供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to observe a sample image under optimum conditions when observing the sample using a depth-of-field expanding system. It is an object of the present invention to provide a depth-of-field expansion system capable of performing the following.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の主要な観点によれば、被写体からの光を
集光するレンズ系及びこのレンズ系によって集光された
光を検知し被写体の像を検出する撮像手段を有する被写
体検出光学系と、被写体と撮像手段との間に配置され、
被写体からの光の位相分布を変調可能な波面変換素子
と、撮像手段から出力された像検出信号を空間フィルタ
を用いて画像変換する画像変換手段とを有し、波面変換
素子により位相変調された被写体像を画像変換手段によ
って画像処理することにより被写界深度が拡大された画
像を生成する被写界深度拡大システムであって、波面変
換素子は、被写体からの光の位相変調量を任意に設定可
能であり、画像変換手段の空間フィルタは、波面変換素
子で設定された光の位相変調量に応じて変更可能である
ことを特徴とする被写界深度拡大システムが提供され
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a lens system for condensing light from a subject, and a method for detecting light condensed by the lens system and detecting the light. A subject detection optical system having an imaging unit that detects an image of the object, and disposed between the subject and the imaging unit;
A wavefront conversion element capable of modulating the phase distribution of light from the subject, and image conversion means for image-converting an image detection signal output from the imaging means using a spatial filter, wherein the phase is modulated by the wavefront conversion element A depth-of-field expansion system that generates an image with an expanded depth of field by subjecting a subject image to image processing by image conversion means, wherein the wavefront conversion element arbitrarily adjusts a phase modulation amount of light from the subject. The depth of field expanding system is provided, wherein the spatial filter of the image converting means can be set according to the phase modulation amount of the light set by the wavefront converting element.

【0015】このような構成によれば、撮像手段で得ら
れる画像のノイズの状態に応じて、被写界深度を得るた
めの位相変調量を波面変換素子により任意に制御するこ
とができるため、従来のキュービック位相変調マスクを
用いた場合と比較してシステムの自由度が向上し、試料
の観察をより良好に行える。
According to such a configuration, the amount of phase modulation for obtaining the depth of field can be arbitrarily controlled by the wavefront conversion element according to the state of noise in the image obtained by the imaging means. The degree of freedom of the system is improved as compared with the case where the conventional cubic phase modulation mask is used, and the sample can be observed more favorably.

【0016】また、画像変換手段の空間フィルタは、波
面変換素子で設定された光の位相変調量に応じて変更可
能であるため、被写界深度拡大システムの制御がより良
好に行える。
Further, since the spatial filter of the image conversion means can be changed according to the amount of phase modulation of light set by the wavefront conversion element, the control of the depth-of-field expansion system can be performed better.

【0017】なお、波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することが望ましい。
The wavefront conversion element is preferably a matrix liquid crystal spatial phase modulator, and preferably has a liquid crystal controller that causes the matrix liquid crystal spatial phase modulator to function as a cubic phase modulation mask.

【0018】また、波面変換素子は、被写体検出光学系
の光学伝達関数を被写体の観察光軸方向位置に関わらず
ほぼ一定に変形させるキュービック位相変調マスクとし
て機能するものであり、画像変換手段は、光学伝達関数
を復元するように空間フィルタを用いて撮像手段からの
像検出信号を画像変換するものであり、波面変換素子の
キュービック位相変調マスクとしての位相変調量を任意
に設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部
において設定された位相変調量に対応して空間フィルタ
を変更する空間フィルタ制御部とを有することが望まし
い。
The wavefront conversion element functions as a cubic phase modulation mask that deforms the optical transfer function of the object detection optical system almost uniformly regardless of the position of the object in the observation optical axis direction. A phase modulation amount setting for arbitrarily setting a phase modulation amount of a wavefront conversion element as a cubic phase modulation mask by image-converting an image detection signal from an imaging unit using a spatial filter so as to restore an optical transfer function. And a spatial filter control unit that changes a spatial filter in accordance with the phase modulation amount set by the phase modulation amount setting unit.

【0019】また、撮像手段により出力され、画像変換
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設け、表示画像を確認しながら位相変調量の設定を行
うことがより望ましい。
It is more desirable to provide image display means for displaying an image output by the image pickup means and subjected to image processing by the image conversion means, and to set the amount of phase modulation while checking the display image.

【0020】また、画像変換手段は、空間フィルタを制
御する制御部を有することが望ましい。
Preferably, the image conversion means has a control unit for controlling the spatial filter.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】(第1実施形態)まず本発明の第1実施形
態を図1〜図5を参照して説明する。
(First Embodiment) First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0023】図1は本発明を適用したビデオマイクロス
コープ装置の全体構成を示すものである。このビデオマ
イクロスコープは、対物レンズユニット1と、この対物
レンズユニット1が取り付けられるビデオマイクロスコ
ープヘッド21と、この装置を制御する制御システムに
大別される。
FIG. 1 shows the overall configuration of a video microscope apparatus to which the present invention is applied. The video microscope is roughly classified into an objective lens unit 1, a video microscope head 21 to which the objective lens unit 1 is attached, and a control system for controlling the apparatus.

【0024】対物レンズユニット1の光学系は、第1〜
第3のレンズ2〜4からなる3枚のレンズ群とこの発明
の要部である1枚の液晶空間位相変調器5からなる。こ
の対物レンズユニット1は、上記のレンズ群2〜4及び
液晶空間位相変調器5を保持する円筒状の筒6を有し、
この筒6は円筒状のカバー7により覆われている。ま
た、この筒6とカバー7の間には、筒6の周囲を囲む間
隙が設けられており、この間隙には照明光を導くための
光ファイバ8がヘッド21側から挿通されている。この
光ファイバ8は光源装置32から導入された照明光を導
光し、図に9で示す試料に照射することができるように
なっている。この光ファイバ8は、ビデオマイクロスコ
ープヘッド21の外部に設けられた光源装置32に接続
されている。カバー7の先端部分には照明ヘッド15が
取り付けられており、光ファイバ8からの光を反射させ
て観察対象の試料9を効率的に照射できるようになって
いる。
The optical system of the objective lens unit 1 has first to first
It comprises three lens groups including third lenses 2 to 4 and one liquid crystal spatial phase modulator 5 which is a main part of the present invention. The objective lens unit 1 has a cylindrical tube 6 that holds the lens groups 2 to 4 and the liquid crystal spatial phase modulator 5,
The cylinder 6 is covered by a cylindrical cover 7. A gap surrounding the periphery of the cylinder 6 is provided between the cylinder 6 and the cover 7, and an optical fiber 8 for guiding illumination light is inserted through the gap from the head 21 side. The optical fiber 8 guides the illumination light introduced from the light source device 32 and can irradiate the sample indicated by 9 in FIG. The optical fiber 8 is connected to a light source device 32 provided outside the video microscope head 21. An illumination head 15 is attached to a tip portion of the cover 7 so that light from the optical fiber 8 is reflected to efficiently irradiate the sample 9 to be observed.

【0025】また、筒6内に設けられた第1〜第3のレ
ンズ2〜4及び液晶空間位相変調器5はそれぞれ保持部
材10〜13を介して保持されている。各レンズ2〜4
及び液晶空間位相変調器5は保持部材10〜13に保持
された状態で、図に示す順序で筒6内に挿入され、定位
置に固定される。これにより、液晶空間位相変調器5
は、レンズ群2〜4からなる光学系の瞳位置又はその近
傍に配置される。
The first to third lenses 2 to 4 and the liquid crystal spatial phase modulator 5 provided in the cylinder 6 are held via holding members 10 to 13, respectively. Each lens 2-4
The liquid crystal spatial light modulator 5 is inserted into the cylinder 6 in the order shown in the drawing while being held by the holding members 10 to 13 and fixed at a fixed position. Thereby, the liquid crystal spatial phase modulator 5
Is disposed at or near the pupil position of the optical system including the lens groups 2 to 4.

【0026】一方、前記液晶空間位相変調器5は通過光
の位相を任意に変調できる波面変換素子であり例えばホ
モジニアス配向液晶パネルからなる。図2は液晶空間位
相変調器5の模式図である。液晶空間位相変調器5は図
2(a)に示すようなマトリックス状の電極で液晶分子
を挟んでおり、液晶分子はホモジニアス配向となってい
る。
On the other hand, the liquid crystal spatial phase modulator 5 is a wavefront conversion element capable of arbitrarily modulating the phase of transmitted light, and is composed of, for example, a homogeneous alignment liquid crystal panel. FIG. 2 is a schematic diagram of the liquid crystal spatial phase modulator 5. The liquid crystal spatial phase modulator 5 sandwiches liquid crystal molecules between matrix-like electrodes as shown in FIG. 2A, and the liquid crystal molecules are in a homogeneous alignment.

【0027】ホモジニアス配向は、図2(b)に示す電
圧0Vの状態、すなわち電極5a及び5a’の電圧が同
じ場合で液晶分子5bがガラス面に平行であるが、TN
パネルと違い液晶分子はねじれていないので、ディレク
タ、すなわち液晶分子の長軸方向は液晶層内で一定であ
る。図2(c)に示すように印加電圧がしきい値電圧よ
り大きくなると液晶層中間の液晶分子5bからディレク
タがガラス面に垂直になる。液晶分子5bがねじれてい
ないので施光性はなく、光強度変調素子としては使えな
いが、液晶分子5bの複屈折から印加電圧によって光路
長、すなわち位相を変化させることができる。
In the homogeneous alignment, the liquid crystal molecules 5b are parallel to the glass surface when the voltage is 0 V shown in FIG. 2B, that is, when the voltages of the electrodes 5a and 5a 'are the same.
Unlike the panel, the liquid crystal molecules are not twisted, so the director, that is, the major axis direction of the liquid crystal molecules is constant in the liquid crystal layer. As shown in FIG. 2C, when the applied voltage becomes larger than the threshold voltage, the director becomes perpendicular to the glass surface from the liquid crystal molecules 5b in the middle of the liquid crystal layer. Since the liquid crystal molecules 5b are not twisted, they have no light-emitting property and cannot be used as a light intensity modulation element. However, the optical path length, that is, the phase can be changed by the applied voltage from the birefringence of the liquid crystal molecules 5b.

【0028】このような液晶空間位相変調器5によれ
ば、液晶パネルのマトリックス電極へ与える電圧分布に
より、任意の位相分布を与えることができる。図3はこ
の変調器5によって与えたい位相差分布を示す模式図で
ある。すなわち、この位相変調器5を透過した光の位相
は、 P(x,y)=exp(jα(x3+y3)),|x|≦1,|y|≦1…(2 ) のずれを生じる。αは位相変調量、x,yは最大値1で
規格化された瞳位置での座標を表す。式(2)のαの値
によって透過する光に与える位相差は異なり、α=20
のとき最大の位相差は80radであり、α=60のと
きは240radである。
According to such a liquid crystal spatial phase modulator 5, an arbitrary phase distribution can be given by the voltage distribution applied to the matrix electrodes of the liquid crystal panel. FIG. 3 is a schematic diagram showing a phase difference distribution to be provided by the modulator 5. That is, the phase of the light transmitted through the phase modulator 5 is shifted as follows: P (x, y) = exp (jα (x 3 + y 3 )), | x | ≦ 1, | y | ≦ 1 (2) Is generated. α represents a phase modulation amount, and x and y represent coordinates at a pupil position standardized by a maximum value of 1. The phase difference given to the transmitted light differs depending on the value of α in the equation (2), and α = 20
The maximum phase difference is 80 rad at the time of α, and 240 rad at α = 60.

【0029】但し、本実施形態においては液晶空間位相
変調器5は最大2πradの位相差しか与えることがで
きない。そこで、この実施形態では位相P(x,y)を
2πで割った余りとなる位相分布を与えるような電圧を
パネルの電極5aに印加することで、式(2)と等価な
位相分布を与えるようにしている。
However, in the present embodiment, the liquid crystal spatial phase modulator 5 can only provide a phase shift of 2πrad at the maximum. Therefore, in this embodiment, a voltage that gives a phase distribution that is the remainder of dividing the phase P (x, y) by 2π is applied to the electrode 5a of the panel, thereby giving a phase distribution equivalent to the equation (2). Like that.

【0030】説明を簡単にするため、図3に示す位相分
布において、α=20の場合のy=0での断面図を図4
に示す。横軸は最大値1で規格化された瞳位置での座
標、縦軸は位相である。この図4に示す位相分布を液晶
空間位相変調器5で実現するためには、図5に示すよう
な位相分布を与えればよい。横軸は最大値1で規格化さ
れた瞳位置での座標、縦軸は位相である。従って、液晶
空間位相変調器5に適当な電圧分布を与えることによ
り、αが20や60の場合に最大となる位相差である8
0rad,240radと等価な位相分布を与えること
ができる。
For the sake of simplicity, in the phase distribution shown in FIG. 3, a sectional view at y = 0 when α = 20 is shown in FIG.
Shown in The horizontal axis represents the coordinates at the pupil position standardized by the maximum value 1, and the vertical axis represents the phase. In order to realize the phase distribution shown in FIG. 4 by the liquid crystal spatial phase modulator 5, a phase distribution as shown in FIG. The horizontal axis represents the coordinates at the pupil position standardized by the maximum value 1, and the vertical axis represents the phase. Therefore, by giving an appropriate voltage distribution to the liquid crystal spatial phase modulator 5, the phase difference which is the maximum when α is 20 or 60 is 8
A phase distribution equivalent to 0 rad and 240 rad can be given.

【0031】このように構成された対物レンズユニット
1は、ビデオマイクロスコープヘッド21に取り付けら
れている。このビデオマイクロスコープヘッド21は、
試料9を照射する前記光ファイバ8に照明光を導く光フ
ァイバ23の基端部を保持するとともに、CCD22を
保持し試料9で反射された光を前記レンズ2〜4及び液
晶空間位相変調器5を介してCCD22で受光させる。
The objective lens unit 1 configured as described above is attached to a video microscope head 21. This video microscope head 21
While holding the base end of the optical fiber 23 for guiding the illumination light to the optical fiber 8 irradiating the sample 9, the CCD 22 is held and the light reflected by the sample 9 is reflected by the lenses 2 to 4 and the liquid crystal spatial light modulator 5. The light is received by the CCD 22 through the.

【0032】次に、このマイクロスコープを制御する制
御システムを説明する。このシステムは、前記液晶空間
位相変調器5のマトリックス電極5aに電圧を印加し、
任意の位相分布を形成する液晶コントローラ36と、位
相変調量(α)の設定部39と、αに応じて液晶コント
ローラ36を作動させ所望の被写界深度を生じさせる中
央制御部35と、CCD22を制御し、液晶空間位相変
調器5を通過した光強度を検出するCCDコントローラ
31と、空間フィルタ40及びこの空間フィルタ40の
フィルタ係数をαに応じて設定するフィルタ制御部を有
し、画像変換を行う画像処理装置33と、この画像処理
手段33から出力された画像を表示したモニタ34を有
する。ここで、位相変調量(α)設定部39を通したα
の設定はオペレータがモニタ34を見ながら行ってもよ
いし、被写体に応じて予め設定しておいてもよい。
Next, a control system for controlling the microscope will be described. This system applies a voltage to the matrix electrode 5a of the liquid crystal spatial phase modulator 5,
A liquid crystal controller 36 for forming an arbitrary phase distribution, a setting unit 39 for a phase modulation amount (α), a central control unit 35 for operating the liquid crystal controller 36 in accordance with α to generate a desired depth of field, and the CCD 22 A CCD controller 31 for detecting the intensity of light passing through the liquid crystal spatial phase modulator 5, a spatial filter 40, and a filter control unit for setting a filter coefficient of the spatial filter 40 according to α. And a monitor 34 for displaying an image output from the image processing means 33. Here, α through the phase modulation amount (α) setting unit 39
May be set while the operator looks at the monitor 34, or may be set in advance according to the subject.

【0033】次に、上述のように構成されるビデオマイ
クロスコープの動作を説明する。
Next, the operation of the video microscope configured as described above will be described.

【0034】光源装置32からの光は光ファイバ23,
8を通過し照明ヘッド15で反射され、観察対象の試料
9を照射する。試料9で反射された光は第1のレンズ
2、液晶空間位相変調器5、第2のレンズ3及び第3の
レンズ4の光学系を通った後、CCD22上へ結像され
る。このとき、液晶コントローラ36は、中央制御部3
5により設定された任意のαに基づいて、対応するキュ
ービック位相変調マスクの位相分布(図3,図4)を与
えるような電圧分布(図5)を液晶空間位相変調器5へ
与える。このことで、被写界深度を拡大することができ
る。
The light from the light source device 32 is
8, is reflected by the illumination head 15 and irradiates the sample 9 to be observed. The light reflected by the sample 9 passes through the optical system of the first lens 2, the liquid crystal spatial phase modulator 5, the second lens 3, and the third lens 4, and then forms an image on the CCD 22. At this time, the liquid crystal controller 36
The voltage distribution (FIG. 5) that gives the phase distribution (FIGS. 3 and 4) of the corresponding cubic phase modulation mask is given to the liquid crystal spatial phase modulator 5 based on the arbitrary α set by 5. Thus, the depth of field can be increased.

【0035】このようにキュービック位相変調マスクと
同様な位相変調作用をもつ液晶空間位相変調器5を通
り、CCD22で撮像された画像はCCDコントローラ
31を介して、画像処理装置33へ取り込まれる。画像
処理装置33は、中央制御部35により設定されたαに
対応するように空間フィルタ40を設定し、この空間フ
ィルタを用いた画像処理を行う。
The image picked up by the CCD 22 through the liquid crystal spatial phase modulator 5 having the same phase modulation function as the cubic phase modulation mask is taken into the image processing device 33 via the CCD controller 31. The image processing device 33 sets the spatial filter 40 so as to correspond to α set by the central control unit 35, and performs image processing using the spatial filter.

【0036】このような動作によれば、位相変調器αに
応じて液晶空間位相変調器5を制御することで所望の被
写界深度を得ることができ、かつこのαに応じた空間フ
ィルタ40を用いて画像処理を行うことで被写界深度の
拡大された画像を得ることが可能になる。
According to such an operation, a desired depth of field can be obtained by controlling the liquid crystal spatial phase modulator 5 according to the phase modulator α, and the spatial filter 40 corresponding to the α can be obtained. By performing image processing using, it is possible to obtain an image with an increased depth of field.

【0037】次に位相変調量の設定について説明する。Next, the setting of the phase modulation amount will be described.

【0038】オペレータはαを任意の初期値に設定して
モニタ34を用いて試料9の観察を開始する。すなわ
ち、オペレータは、試料9の画像を合焦位置付近でずら
しながらモニタ34で観察し、このモニタ34を通して
被写界深度及びノイズの量を確認する。そして、設定さ
れていたαでは、被写界深度が足りなかったり、画像に
のるノイズが大きい場合には、位相変調量(α)設定部
39を調整することによりαの設定を変更する。つまり
被写界深度が足りない場合はαを大きくし、ノイズが大
きい場合はαを小さくする。このように観察者はモニタ
34を見ながら最適なαを決定して観察を行う。
The operator sets α to an arbitrary initial value and starts observing the sample 9 using the monitor 34. That is, the operator observes the image of the sample 9 on the monitor 34 while shifting the image near the in-focus position, and confirms the depth of field and the amount of noise through the monitor 34. Then, if the depth of field is not enough or the noise on the image is large with the set α, the setting of α is changed by adjusting the phase modulation amount (α) setting unit 39. That is, α is increased when the depth of field is insufficient, and α is decreased when the noise is large. As described above, the observer determines the optimal α while observing the monitor 34 and performs observation.

【0039】以上のような構成、動作及び観察方法によ
れば、試料9を観察する場合に、必要な被写界深度、画
像処理に費やすことができる計算量、試料の構造など
を、最適な条件にする位相変調量αを用いて観察を行う
ことができる。
According to the above configuration, operation, and observation method, when observing the sample 9, the necessary depth of field, the amount of calculation that can be spent on image processing, the structure of the sample, and the like are optimized. Observation can be performed using the phase modulation amount α as a condition.

【0040】なお本実施形態ではビデオマイクロスコー
プについて適用した例について示したが、本発明はビデ
オマイクロスコープに限らず顕微鏡やカメラ、内視鏡等
の様々な光学系へ適用可能である。液晶空間位相変調器
5は、透過する光に任意の位相分布を与えることができ
る波面変換素子(例えば電気光学材料や磁気光学材料で
作られた位相変調素子)であれば、特に限定されない。
また、本実施形態では透過形の構成をとっているが、反
射形の波面変換素子を使うことも可能で、その場合はマ
イロクミラーデバイス等を利用することができる。ま
た、観察者の手動により中央制御部35を制御してαの
値を設定する場合を示したが、所定の位相変調量制御部
を設け、撮像された画像に基づいてαの値を自動で設定
する機能を付加することもできる。
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a video microscope has been described. However, the present invention is not limited to the video microscope but can be applied to various optical systems such as a microscope, a camera, and an endoscope. The liquid crystal spatial phase modulator 5 is not particularly limited as long as it is a wavefront conversion element (for example, a phase modulation element made of an electro-optical material or a magneto-optical material) capable of giving an arbitrary phase distribution to transmitted light.
Further, in the present embodiment, a transmission type configuration is adopted, but a reflection type wavefront conversion element can be used, and in this case, a myroc mirror device or the like can be used. Although the case where the value of α is set by controlling the central control unit 35 manually by the observer has been described, a predetermined phase modulation amount control unit is provided, and the value of α is automatically set based on a captured image. A function for setting can also be added.

【0041】なお、この明細書には、以下の発明が含ま
れることを確認する。
It is confirmed that the present specification includes the following inventions.

【0042】(1)被写体からの光を集光するレンズ系
及びこのレンズ系によって集光された光を検知し被写体
の像を検出する撮像手段を有する被写体検出光学系と、
被写体と撮像手段との間に配置され、被写体からの光の
位相分布を変調可能な波面変換素子と、撮像手段から出
力された像検出信号を空間フィルタを用いて画像変換す
る画像変換手段とを有し、波面変換素子により位相変調
された被写体像を画像変換手段によって画像処理するこ
とにより被写界深度が拡大された画像を生成する被写界
深度拡大システムであって、波面変換素子は、被写体か
らの光の位相変調量を任意に設定可能であり、画像変換
手段の空間フィルタは、波面変換素子で設定された光の
位相変調量に応じて変更可能であり、さらに波面変換素
子は、被写体検出光学系の光学伝達関数を被写体の観察
光軸方向位置に関わらずほぼ一定に変形させるものであ
り、画像変換手段は、光学伝達関数を復元するように空
間フィルタを用いて撮像手段からの像検出信号を画像変
換するものであり、波面変換素子の位相変調量を任意に
設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部に
おいて設定された位相変調量に対応して空間フィルタを
変更する空間フィルタ制御部とを有することを特徴とす
る被写界深度拡大システム。
(1) a subject detection optical system having a lens system for condensing light from a subject and an image pickup means for detecting light condensed by the lens system and detecting an image of the subject;
A wavefront conversion element disposed between the subject and the imaging unit and capable of modulating the phase distribution of light from the subject; and an image conversion unit for performing image conversion of an image detection signal output from the imaging unit using a spatial filter. A depth-of-field expanding system that has a depth-of-field expanded image by subjecting the subject image phase-modulated by the wavefront converting element to image processing by image conversion means. The amount of phase modulation of light from the subject can be set arbitrarily, the spatial filter of the image conversion means can be changed according to the amount of phase modulation of light set by the wavefront conversion element, and the wavefront conversion element is The optical transfer function of the subject detection optical system is deformed almost uniformly regardless of the position of the subject in the observation optical axis direction, and the image conversion means uses a spatial filter to restore the optical transfer function. A phase modulation amount setting unit for arbitrarily setting the phase modulation amount of the wavefront conversion element, and a phase modulation amount corresponding to the phase modulation amount set in the phase modulation amount setting unit. And a spatial filter control unit for changing a spatial filter.

【0043】(2)波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することを特徴とする被写
界深度拡大システム。
(2) The wavefront conversion element is a matrix-shaped liquid crystal spatial phase modulator, and includes a liquid crystal controller that functions as a cubic phase modulation mask using the matrix liquid crystal spatial phase modulator. Depth of field expansion system.

【0044】(3)波面変換素子がホモジニアス配向の
液晶空間位相変調器であることを特徴とする被写界深度
拡大システム。
(3) A system for expanding the depth of field, wherein the wavefront conversion element is a liquid crystal spatial phase modulator having a homogeneous alignment.

【0045】(4)撮像手段により出力され、画像変換
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設けたことを特徴とする被写界深度拡大システム。
(4) A depth-of-field expansion system characterized by comprising image display means for displaying an image output by the image pickup means and subjected to image processing by the image conversion means.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、試
料の構造に最適な位相変調量により任意の位相分布を与
えて観察できるようになるため、拡大被写界深度を充分
に確保した条件で、ノイズの少ない試料の観察が可能と
なる。
As described above in detail, according to the present invention, an observation can be made by giving an arbitrary phase distribution with an optimum phase modulation amount to the structure of a sample, and thus a sufficient enlarged depth of field can be ensured. Under such conditions, it is possible to observe a sample with less noise.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係る被写界深度拡大シ
ステムが適用されるビデオマイクロスコープの全体構成
を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a video microscope to which a depth-of-field expanding system according to a first embodiment of the present invention is applied.

【図2】同実施形態に係る液晶空間位相変調器の模式
図。
FIG. 2 is a schematic diagram of a liquid crystal spatial light modulator according to the same embodiment.

【図3】液晶空間位相変調器により与える位相差分布を
示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a phase difference distribution provided by a liquid crystal spatial phase modulator.

【図4】液晶空間位相変調器により与える位相差分布の
位相変調量α=20の場合のy=0での断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view at y = 0 when a phase modulation amount α = 20 of a phase difference distribution provided by a liquid crystal spatial phase modulator.

【図5】同実施形態に係る液晶空間位相変調器の位相分
布を示す図。
FIG. 5 is a view showing a phase distribution of the liquid crystal spatial light modulator according to the embodiment.

【図6】従来の被写界深度拡大システムの概略構成を示
す図。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional depth of field expanding system.

【図7】通常の光学系の光強度分布を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a light intensity distribution of a normal optical system.

【図8】被写界深度拡大システムの光強度分布を示す
図。
FIG. 8 is a diagram showing a light intensity distribution of the depth of field expanding system.

【図9】被写界深度拡大システムにより変形された試料
の光強度分布を変形前に戻すための逆フィルタの特性曲
線を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a characteristic curve of an inverse filter for returning the light intensity distribution of the sample deformed by the depth of field expansion system to the state before the deformation.

【図10】逆フィルタを通した光強度分布を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a light intensity distribution passed through an inverse filter.

【図11】合焦位置における被写界深度拡大システムを
通したOTFの強度分布を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing an intensity distribution of OTF through a depth of field expansion system at a focus position.

【図12】空間フィルタの特性曲線を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a characteristic curve of a spatial filter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…対物レンズ 2…第1のレンズ 3…第2のレンズ 4…第3のレンズ 5…液晶空間位相変調器 6…筒 7…カバー 8…光ファイバ 9…試料 10,11,12,13…保持部材 14…固定枠 15…照明ヘッド 21…ビデオマイクロスコープヘッド 22…CCD 23…光ファイバ 31…CCDコントローラ 32…光源装置 33…画像処理装置 34…モニタ 35…中央制御部 36…液晶コントローラ 39…位相変調量(α)設定部 40…空間フィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Objective lens 2 ... 1st lens 3 ... 2nd lens 4 ... 3rd lens 5 ... Liquid crystal spatial phase modulator 6 ... Cylinder 7 ... Cover 8 ... Optical fiber 9 ... Sample 10, 11, 12, 13 ... Holding member 14 Fixed frame 15 Illumination head 21 Video microscope head 22 CCD 23 Optical fiber 31 CCD controller 32 Light source device 33 Image processing device 34 Monitor 35 Central control unit 36 Liquid crystal controller 39 Phase modulation amount (α) setting unit 40: spatial filter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04N 5/225 H04N 5/335 V 5C024 7/18 M 5C054 5/335 G06F 15/64 320D 7/18 15/68 400A Fターム(参考) 2H088 EA47 HA10 MA02 MA03 4C061 AA00 BB02 CC06 DD00 LL01 NN01 NN05 PP01 SS13 SS30 5B047 AA17 BB01 BC07 CA17 CB16 DA10 5B057 AA07 BA02 BA15 BA23 CE06 5C022 AA01 AB13 AB15 AB51 AC42 AC54 AC55 AC69 AC75 5C024 AA01 AA03 CA00 CA02 EA08 FA01 GA11 HA27 5C054 AA01 CA04 CC03 CD01 CE06 DA08 EA01 EJ00 FA01 FC00 FC03 HA01 HA12 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H04N 5/225 H04N 5/335 V 5C024 7/18 M 5C054 5/335 G06F 15/64 320D 7/18 15 / 68 400A F term (reference) 2H088 EA47 HA10 MA02 MA03 4C061 AA00 BB02 CC06 DD00 LL01 NN01 NN05 PP01 SS13 SS30 5B047 AA17 BB01 BC07 CA17 CB16 DA10 5B057 AA07 BA02 BA15 BA23 CE06 5C022 AA51 AC01 AB15 AC15 CA00 CA02 EA08 FA01 GA11 HA27 5C054 AA01 CA04 CC03 CD01 CE06 DA08 EA01 EJ00 FA01 FC00 FC03 HA01 HA12

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被写体からの光を集光するレンズ系及び
このレンズ系によって集光された光を検知し前記被写体
の像を検出する撮像手段を有する被写体検出光学系と、 前記被写体と前記撮像手段との間に配置され、前記被写
体からの光の位相分布を変調可能な波面変換素子と、 前記撮像手段から出力された像検出信号を空間フィルタ
を用いて画像変換する画像変換手段とを有し、 前記波面変換素子により位相変調された前記被写体像を
前記画像変換手段によって画像処理することにより被写
界深度が拡大された画像を生成する被写界深度拡大シス
テムであって、 前記波面変換素子は、前記被写体からの光の位相変調量
を任意に設定可能であり、 前記画像変換手段の空間フィルタは、前記波面変換素子
で設定された光の位相変調量に応じて変更可能であるこ
とを特徴とする被写界深度拡大システム。
1. An object detection optical system comprising: a lens system for condensing light from an object; and image pickup means for detecting light condensed by the lens system and detecting an image of the object; A wavefront conversion element that is arranged between the imaging means and a light source and modulates a phase distribution of light from the subject; and an image conversion means that converts an image detection signal output from the imaging means using a spatial filter. A depth-of-field expanding system that generates an image having an expanded depth-of-field by subjecting the subject image phase-modulated by the wavefront converting element to image processing by the image converting means; The element can arbitrarily set the amount of phase modulation of light from the subject, and the spatial filter of the image conversion means changes the amount of phase modulation according to the amount of light phase modulation set by the wavefront conversion element. Possible depth of field expansion system characterized in that a.
【請求項2】 前記波面変換素子は、前記被写体検出光
学系の光学伝達関数を前記被写体の観察光軸方向位置に
関わらずほぼ一定に変形させるキュービック位相変調マ
スクとして機能するものであり、 前記画像変換手段は、前記光学伝達関数を復元するよう
に前記空間フィルタを用いて前記撮像手段からの像検出
信号を画像変換するものであり、 前記波面変換素子の前記キュービック位相変調マスクと
しての位相変調量を任意に設定する位相変調量設定部
と、 この位相変調量設定部において設定された位相変調量に
対応して前記空間フィルタを変更する空間フィルタ制御
部とを有することを特徴とする請求項1に記載の被写界
深度拡大システム。
2. The image processing apparatus according to claim 1, wherein the wavefront conversion element functions as a cubic phase modulation mask that deforms an optical transfer function of the object detection optical system to be substantially constant regardless of the position of the object in the observation optical axis direction. The conversion unit converts the image detection signal from the imaging unit to an image using the spatial filter so as to restore the optical transfer function. The phase modulation amount of the wavefront conversion element as the cubic phase modulation mask 2. A phase modulation amount setting unit that arbitrarily sets the spatial modulation amount, and a spatial filter control unit that changes the spatial filter in accordance with the phase modulation amount set by the phase modulation amount setting unit. 3. The depth of field expansion system according to 1.
【請求項3】 前記波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器を前記キュービック位相変調マスクとして
機能させる液晶コントローラを有することを特徴とする
請求項1又は2に記載の被写界深度拡大システム。
3. The liquid crystal device according to claim 2, wherein the wavefront converting element is a matrix liquid crystal spatial phase modulator, and further includes a liquid crystal controller that causes the matrix liquid crystal spatial phase modulator to function as the cubic phase modulation mask. The depth of field expansion system according to claim 1.
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