(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの感光表面をそれぞれ持つ、アレイ状に設けられた複数の画像センサユニット（２０、２０'）を有する画像センサアレイ（２）と、
前記画像センサアレイに割り当てられ、結像されるオブジェクト（６）および前記画像センサアレイの間に配され、リソグラフィー構造化技術で製造された少なくとも１つのマイクロレンズアレイ（３、３'、３"）と
を備え、
各画像センサユニット（２０）に、少なくとも１つのマイクロレンズ（３０）が割り当てられ、
前記マイクロレンズ（３０）は、前記マイクロレンズの光学軸が並行に伸びるよう、互いに位置合わせされるか、または、前記マイクロレンズ（３０）のうち前記画像センサアレイ（２）の中央に位置しているものの光学軸が、対応する前記画像センサユニットの感光表面に垂直となり、他の前記マイクロレンズの光学軸が、対応する前記画像センサユニットの感光表面に対して中央から端部に向かって次第に傾くように位置合わせされ、
前記画像センサアレイ（２）が、光学的に透明な基板（２１、２１'）または透明な中間層を介して前記少なくとも１つのマイクロレンズアレイ（３、３'、３"）に接続され、
リソグラフィー構造化技術で製造された少なくとも２つのピンダイアフラムアレイ（２２、２３）が、前記画像センサアレイ（２）に割り当てられ、前記画像センサアレイ（２）と前記マイクロレンズアレイ（３、３'、３"）との間に設けられた光ナビゲーションデバイス。
【請求項２】
第１画像センサユニットに結像されたオブジェクトセクション（６０）は、第２画像センサユニットに結像されたオブジェクトセクション（６０）と分離するように前記マイクロレンズ（３０）が構成された、請求項１に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項３】
前記マイクロレンズ（３０）は、少なくとも２つ（３、３'）、望ましくは３つの前記マイクロレンズアレイ（３、３'、３"）に設けられ、第１のマイクロレンズアレイの少なくとも１つのマイクロレンズが、第２のマイクロレンズアレイ、望ましくは第２および第３のマイクロレンズアレイの少なくとも１つのマイクロレンズに位置合わせされた、請求項１または２に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項４】
前記第１のマイクロレンズアレイが、前記第２のマイクロレンズアレイによって共通の画像平面に結像される中間画像を作成し、前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとの間にさらなるマイクロレンズアレイがフィールドレンズアレイとして挿入される請求項３に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項５】
前記マイクロレンズの配置は、ガボールスーパーレンズ（１０１）を形成する請求項４に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項６】
１つの前記画像センサユニット（２０）が単一の感光表面を有し、単一のマイクロレンズ（３０）に対応し、前記マイクロレンズの光学軸が前記感光表面に垂直である請求項１に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項７】
前記画像センサユニットと前記マイクロレンズとの間の個々の光チャンネルが光学的に隔離された請求項１から６のうちいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つのマイクロレンズアレイ（３、３'、３"）と前記画像センサアレイ（２）とがスペーサ（３４）を介し、少なくとも幾らかの領域において接続された請求項１から７のうちいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項９】
少なくとも１つのインコヒーレントまたはコヒーレントな光放射ソース（４）が前記画像センサアレイに割り当てられ、前記光放射ソース（４）が前記結像されるオブジェクト（６）に照射を行う請求項１から８のうちいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１０】
前記光放射ソース（４）が光ダイオードまたはレーザダイオードである請求項９に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１１】
前記光放射ソース（４）が直接、または偏向レンズシステムおよびコレクタレンズシステムの少なくとも一方によって、または前記オブジェクトの方向に分離する光ガイドによって前記オブジェクトに照射を行う請求項９または１０に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１２】
前記画像センサアレイ（２）および前記光放射ソース（４）の少なくとも一方がキャリア（５）に設けられた、請求項９から１１のいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１３】
望ましくはシリコン、ＰＣＢおよびプラスチック材料の少なくとも１つで作られた追加の基板層が前記キャリア（５）および前記画像センサアレイ（２）の間に設けられた、請求項１２に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１４】
前記画像センサ（２）が、０．２５μｍ２から１０ｍｍ２の表面積を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１５】
前記画像センサ（２）が、１００から１０，０００個、特に１００から１，０００個の画像センサユニットを有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイス。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイスが存在し、望ましくはコンピュータマウス、リモコン、またはコンソール制御デバイスである、データ処理ユニット用の入力デバイス。
【請求項１７】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の光ナビゲーションデバイスを使用して、画像センサと結像するオブジェクトとの相対的な動きによって画像出力デバイス上のカーソルを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、主請求項の導入部の特徴による光ナビゲーションのデバイスである。
【背景技術】
【０００２】
光ナビゲーションのデバイスは、コンピュータのマウスなどの入力デバイスの基準表面または基準オブジェクトに対する動きを例えばコンピュータ、携帯電話またはＰＤＡなどのディスプレイ上のポインタの動きへとデータ処理ユニット内で変換するべく使用される。
【０００３】
光ナビゲーションのデバイスの場合、いわゆるトラッキング表面あるいはオブジェクト平面は、デジタル画像センサの対物レンズによって結像される。同時に、オブジェクト平面は、レーザまたはＬＥＤおよび対応するビーム形成物によって横方向に照射を行う。画像の記録は、続けざまに（毎秒１，５００から６，０００回）連続して行われる。連続して記録された画像は互いに相関がとられ、画像の共通の移動量が、入力デバイスのトラッキング表面に対する（あるいはその逆の）移動量の幅と速度として用いられる。これは順次ディスプレイ上のポイントの移動へと変換される。上述のような光学ナビゲーションデバイス付きのコンピュータマウスは、例えば米国特許第６，９６７，３２１号明細書または米国特許第７，０４５，７７５号明細書に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、最新の光ナビゲーションデバイスでは、光学構造のさらなる小型化に伴い、問題が発生する。画像センサの対角線が与えられた上でおよび画像センサとオブジェクト平面との間隔が減縮すると、外側の画像領域がレンズの光学軸に対して非常に大きな角度に位置する。結果として、画像センサのエッジ領域の解像度および明度が低下する。
【０００５】
本発明の目的は、小型化が進み、画像平面とオブジェクト平面との間隔が画像センサのエッジ領域においても減縮される場合でも、画像センサのエッジで良好な解像度と明度をもたらす光ナビゲーションのデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
目的は主請求項の機能によるデバイスによって達成される。マイクロレンズアレイとして配されたレンズが数多く存在し、画像センサの一つの画像センサユニットに少なくとも１つのマイクロレンズが割り当てられることの結果として、画像センサユニットに割り当てられたマイクロレンズは、オブジェクト部分の一部を実質的に「軸上」に結像されるよう透過し得る。つまり、各マイクロレンズは、画像センサユニットおよびそこに配された感光表面にオブジェクトの一部の領域のみを結像し、オブジェクトと結像部分が実質的に互いに対抗して配されるような多数のアレイ上の画像センサユニットの組み合わせとなる。つまり、逆ではなく真っ直ぐなオブジェクトの結像がなされる。
【０００７】
画像センサユニットの反対に配されたオブジェクト部分が割り当てられたマイクロレンズの光学軸に沿って配された結果、結像される画像センサユニットのマイクロレンズの角度領域は、昆虫の複眼と同様に非常に狭く、事実上、画像センサはオブジェクト平面に好きなだけ近づけられることができる。この種類の配置では、画像センサのエッジにおける解像度が特に向上し、強いビネット効果が画像エッジにおいて自然に発生しないことから、光の強度が画像センサの領域を減縮することはない。
【０００８】
画像センサの結像特性の向上に起因して、各ピクセルが非常に小さい角度領域ではあるが顕著に優れた結像を行うことができることから、光ナビゲーションデバイスは、より少数の感光表面あるいはピクセルを装備してよい。従って、ビネット効果に対する修正を補償するために必要とされる感光表面は少ない。同様に、画像センサの表面は本質的に同じ大きさのオブジェクトフィールドを解像度の損失がほとんどなく結像可能であることから、感光表面間の間隔を非常に狭く構成する必要がない。事実、最終的には画像センサが非常に小さいことが望まれる場合がある。
【０００９】
現在の画像センサはリソグラフィー構造化技術で製造されていることから、少なくとも１つのマイクロレンズアレイは、各画像センサユニットまたは画像センサユニットアレイの製造中に、マイクロレンズアレイが画像センサアームに割り当てられさらに／または配され、これに接続されるように施される。このようにして、短時間で多数のセンサを製造することが可能となる。従って、製造はウエハ規模で有利に行われる。
【００１０】
独立および従属項にさらなる有利な展開を記載する。
【００１１】
マイクロレンズは、それぞれ互いの光学軸が並行に伸びるように位置合わせされると有利である。このようにして、個別のセンサユニットに結像されるオブジェクト領域の重なりの数を（結像可能なマイクロレンズの角度領域の関数として）抑えることができ、さらに、単純にオブジェクトフィールドの１：１の結像を画像センサに作成することが可能である。従って、オブジェクトフィールド領域はマイクロレンズまたは検出器のピクセルそのものの間隔と正確に同一であって、マイクロレンズは、画像センサにオブジェクトフィールド領域を有利に結像する。さらに、個別のマイクロレンズの光学軸がオブジェクト平面に対して本質的に垂直であると有利である。このようにして、画像センサユニットによって記録された各画像センサユニットのオブジェクトフィールドポイントは、事実上同じ間隔である。結果として、各画像センサユニットのオブジェクトフィールドの証明条件は本質的に同じであり、各画像センサユニットの距離の影響により変化しないという、良い条件をもたらす。
【００１２】
上述の実装の代わりに、画像センサの中心でマイクロレンズの光学軸を基準点として、周辺のマイクロレンズの光学軸が外側あるいは内側に若干傾くように、マイクロレンズの光学軸が画像センサの中心からエッジに向かって次第に傾いてよい。光学軸の傾いた設計の結果、１：１結像からの偏差が生じ、光学軸を内側に傾けることでより大きな画像センサにより小さなオブジェクトフィールドが作成されたり、光学軸を外側に傾けることでより小さな画像センサにより大きなオブジェクトフィールドが作成され得る。しかしながら、光学軸を次第に傾けることについては、非点収差または画像フィールド湾曲などのその影響がマイクロレンズの設計において考慮される必要があるが、これは現在既に公知である。但し、所望の動作間隔において、個別の画像センサユニットに割り当てられたオブジェクトフィールド領域は互いに隣接し、これらの間には隙間がなく、画像センサユニットに割り当てられたオブジェクトフィールド領域のエッジ長はマイクロレンズ間の間隔よりも大きいことが、特に確実でなければならない。本発明によるオブジェクト平面と画像センサとの間の動作間隔は、０．１ｍｍから１ｍｍ、あるいは０．１ｍｍから数メートルのオーダーである。
【００１３】
マイクロレンズが、隣接するマイクロレンズのオブジェクトフィールド部分が重ならない、つまり互いに独立するように配され、互いに対して位置合わせされると特に有利である。隣接する２つのマイクロレンズのオブジェクトフィールド領域間に空間が全くなく、情報が冗長することなくオブジェクトフィールドの全てが画像センサに透過されることが可能であると特に有利である。マイクロレンズに助長され、オブジェクトフィールド領域は感光表面に結像される。グローバルな１：１結像を廃することなく、結像されたオブジェクト領域に比べ感光表面を顕著に小さくすることが可能である。
【００１４】
さらに、画像センサユニットが光学的に透明な基板によって少なくとも１つのマイクロレンズに接続されていると有利である。基板はマイクロレンズと同じ素材で製造されてよいが、これは絶対ではない。このように、作成される光学的な移行表面が減縮し、ビームパスの計算を簡略化し、さらには画像センサユニットにおけるマイクロレンズの配置が簡易化する。この結果、反射が抑制され光の透過率が向上する。
【００１５】
さらに、画像センサユニットの感光表面およびマイクロレンズの間に不透明材（または不透明層）中の透明なピンダイアフラムを少なくとも１つ設けることは、より有利なデバイスの開発である。ピンダイアフラムを手段として、結像するオブジェクトフィールド部分からの光のみをそのオブジェクトフィールド部分が割り当てられた感光表面に結像するべく、追加の機構を挿入することが可能である。他の方向からマイクロレンズに入射し、従って隣接する画像センサユニットに割り当てられたその先に感光表面に影響を与える光は、ピンダイアフラム層によって抑制（または吸収）される。従って、隣接する画像センサ間のクロストークを防止することができる。１：１結像（縦の光学軸）の場合、ピンダイアフラムは対応するレンズおよび検出器のピクセルに集められる。
【００１６】
数多くのマイクロレンズが設けられる場合、望ましくは２つ、より望ましくは３つのマイクロレンズアレイを重ねて配することは、画像センサユニットに対するマイクロレンズの配置の可能な実施形態である。マイクロレンズの位置が合うように、第１のマイクロレンズアレイのあるマイクロレンズは、第２または第３のマイクロアレイのマイクロレンズに対応して配される。ガボールスーパーレンズを形成するマイクロレンズの配置は特に有利である。光学ナビゲーションデバイスのこの変形例ではさらに、画像センサユニットに対向して配されたオブジェクトフィールド部分がオブジェクトフィールド部分に結像されるが、オブジェクトフィールド部分と画像センサユニットとの接続線に位置するマイクロレンズだけでなく、このマイクロレンズに隣接するマイクロレンズもオブジェクトフィールド部分の結像に寄与する。複数のマイクロレンズアレイの適切な配置によって、マイクロレンズによって形成された複数の光チャンネルは同時に、オブジェクトフィールド部分の感光表面への結像に寄与する。このようなマイクロレンズの配置は、オブジェクトフィールド部分の感光表面への形成に１つの光チャンネルだけでなく多数の光チャンネルが寄与することから、実質上１つのみのマイクロレンズアレイが存在する場合よりもより顕著に光を強調するという事実に利点がある。
【００１７】
第１（または第２）のマイクロレンズアレイと第２（または第３）のマイクロレンズアレイとの間に、開口を有する光学軸方向に透明なスペーシングアレイを導入し、互いに隣接するマイクロレンズが、互いに関係するマイクロレンズの光学軸に対して横方向に、光学的に完全に隔離するようにマイクロレンズアレイを配することが、特に有利である。このようにして、この場合は望ましくないチャンネル間のクロストークが、同様に実質的に防止される。この変形例では、複数の部分結像の正しい重複が考慮され、光の強度の向上を達成する。あるチャンネルの第２のレンズからの光は、その下に配されたマイクロレンズアレイの隣接チャンネルの第３のレンズに到達するべきではなく、これはマイクロレンズアレイ間の光学的密度の高い壁によって達成される。同時に、第１のマイクロレンズアレイおよび第２のマイクロレンズアレイは互いに対して所望の間隔で固定される。
【００１８】
画像センサに対するマイクロレンズの配置のさらなる代替案では、望ましくは単一の感光表面を有する１つの画像センサユニットに対してマイクロレンズを排他的に割り当ててよい。実質的にこの配置は、昆虫の目とは逆に、湾曲した表面にではなく一つの平面に個々のレンズが設けられ、同格の原理（ａｐｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に相当する。割り当てられた画像センサユニットの感光表面に対してマイクロレンズの光学軸が実質的に垂直である場合、この配置は特に有利である。このようなマイクロレンズの利点はその単純な構造にあり、このナビゲーションセンサは、例えばリソグラフィーおよび複製技術によって迅速かつ経済的にウエハ規模で製造可能である。
【００１９】
ビームソースが画像センサに結像するオブジェクトフィールドを照射するように、画像センサに割り当てられたコヒーレントまたはインコヒーレント光学ビームソースを光ナビゲーションデバイスが有すると特に有利である。これは入射光モード、つまり、結像システムが配されたトラッキング表面（オブジェクトフィールド）に対する同じハーフスペースからの場合に有利に発生する。ここでは特に、３５０から７５９ｎｍの可視領域、２００ｎｍまでの近紫外領域、あるいは１，３００ｎｍまでの近赤外領域で移動するビームソースのスペクトラムが有効である。これは特に、結像されるオブジェクトフィールドを自然光によって均一に照らすことができない場合に必要である。インコヒーレントな照明の場合、フォトダイオードが有利に使用される。フォトダイオードは、オブジェクトフィールドの構造を後にマイクロレンズによって画像センサに結像可能な影とするべく、結像されるオブジェクトフィールドに対して可能な限り小さな角度で横に配される。このようにして、事実上テクスチャが他にないオブジェクト平面に画像情報または変調をもたらすことができる。コヒーレントな照明の場合、レーザダイオードが有利に使用される。画像センサが検知してよいスペックルパターンがコヒーレントな拡散でオブジェクト平面の上に作成されることに起因し、照明の傾入射が許容される。ここでは配置のオブジェクト平面はもはやトラッキング表面ではなく、それによって逆に拡散または作成されたスペックルフィールドであることに留意されたい。スペックルフィールドは、一般的にトラッキング表面から約１ｍｍの間隔での隣接する拡散バンドルの干渉によって形成される。
【００２０】
ビームソースを手段として可能な限り効率的な照明を実現するべく、ビームソースは偏向レンズシステムまたはコレクタレンズシステムによってオブジェクトフィールドに照射されてよい。また、画像センサに光ガイドを導入することも賢明である。光ガイドは、例えば結像されるオブジェクトフィールドの方向に光を分離する別個の感光表面の間にあってよい。
【００２１】
共通モジュールとしてキャリアを取り付けまたは取り外しできるよう、放射ソースおよび画像センサマイクロレンズの配置は、望ましくは共通のキャリアに設けられる。キャリアは例えばプリント回路基板などの電子コンポーネントであってよい。このようにして、オブジェクトフィールドの照明は、画像センサの照明の配置によって既に確立可能である。
【００２２】
画像センサは０．２５μｍ２から１０ｍｍ２または１００から１０，０００の画像センサユニットの表面積（ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を有すると有利であり、中でも１００〜１，０００の画像センサユニットが望ましい。このように、既に画像センサの高度な小型化が極めて進んでいるものの、異なるオブジェクトフィールドの大きさへの適合により良好な結果を得うる。
【００２３】
さらなる要素が下位の従属項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
いくつかの実施形態と図とを参照し、本発明の光ナビゲーションデバイスを以下に説明する。
【図１】画像センサマイクロレンズアレイおよびビームソースを有する本発明の光ナビゲーションデバイスである。
【図２】アポジション画像センサとして構成されたマイクロレンズアレイを有する画像センサである。
【図３】ガボールスーパーレンズを有する画像センサである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明における例えばコンピュータマウスまたはリモコンなどの入力デバイスを示す。デバイスはマイクロレンズアレイ３が配された画像センサ２を有する。さらに、ＬＥＤの形をとったビームソース４が存在し、ビームソース４および画像センサ２の両方がキャリア５に設けられる。入力デバイス１でスキャンされたオブジェクトフィールド６はマイクロレンズアレイ３の直下に位置する。
【００２６】
オブジェクトフィールド６に位置するパターンは、ビームソース４によって照射が行われ、マイクロレンズアレイ３によってポイントワイズ画像が画像センサ２に作成される。ＬＥＤに代わって、レーザダイオードなどのコヒーレントな光ソースを使用してよい。レーザダイオードはオブジェクトフィールド６に影を作成しないが、コヒーレントな光の干渉によって作成されたスペックルパターンが作成される。スペックルパターンはトラッキング表面の上に可視であり、画像センサ２によって検知され得る。
【００２７】
一般的に、オブジェクトフィールド６は、画像センサ２またはマイクロレンズアレイ４と同じ大きさで１：１結像を作成する。これには、マイクロレンズアレイ３が、マイクロレンズの光学軸が画像センサ２の個々の画像センサユニットに対して実質上垂直であるように画像センサに設けられてよいという利点がある。これは特に、画像センサ２の画像センサユニットに結像されるオブジェクトフィールド６の一部が画像センサユニットの垂直下に位置することを意味する。さらに、このようにしてオブジェクトフィールド６の一部から画像センサユニットへの距離を等しくすることができる。図のように、オブジェクトフィールドおよび画像センサの間隔ｈは０．５ｍｍから２ｍｍである。
【００２８】
画像センサおよび照明が電子コンポーネントに適用された後、キャリアとしての電子コンポーネントをマウスなどのデバイス上に単純に置くことが可能である。
【００２９】
本発明による入力デバイス１の動作モードについて以下に簡単に説明する。キャリア５は、画像センサが平面の様々な部分を捉えて有するよう、オブジェクトフィールド６が位置する平面上を動かされる。画像センサは結像されたオブジェクトフィールドの画像を立て続けに連続して記録し、これらを以前に記録された画像と比較する。このようにして、入力デバイスの前後左右への動きを確立することができる。当然のことながら、入力デバイス１ではなく、その下に位置する平面が動く、逆の場合も可能である。例として、本発明のナビゲーションセンサは、ある位置に固定され、絶え間なく動く目の動きを記録するアイトラッカーとして使用されることを述べる。目の動きはポインタまたはロボットアームの動きに変換されてよい。同様に、ナビゲーションセンサはリモコンに挿入されて良く、リモコンの動きはモニタまたはテレビのカーソルの動きに変換される。
【００３０】
入力デバイス１の光ナビゲーションセンサは、ウエハ規模で用いられることを前提としている。従って経済的な製造およびアセンブリが可能である。画像センサ２およびマイクロレンズアレイ３、またさらにはその接続をウエハ規模で製造することができる。各コンポーネントのアセンブリも含め、同じことが光ナビゲーションセンサにも言える。さらに、センサはより広い領域をウエハ上に有することから、ウエハソーによる各センサの分離が可能である。従って、分離は事実上、製造工程の最後である。また、自己調整効果を利用して、単純な調整と自動マシンによりアセンブリを部材に実装することは賢明な代替案である。
【００３１】
本発明に特に関連する画像センサマイクロレンズの配置の変形例を以下に２つ参照する。
【００３２】
図２は、アポジションレンズ１００を有する画像センサマイクロレンズの配置を示す。これらは共に光ナビゲーションセンサを構成する。実際の画像センサ２は、フォトダイオードまたは検出器のピクセルを含む画像センサユニット２０'を多数有する。画像センサの配置には、第１ピンダイアフラムアレイ２２、第２ピンダイアフラムアレイ２３が基板内に存在する、ガラス、磁器またはプラスチック製のビーム透過基板２１が適用される。ガラスまたはプラスチック製で基板に接続したマイクロレンズアレイ３は、第１ピンダイアフラムアレイ２２の上に位置する。マイクロレンズアレイ３には、多数のマイクロレンズ３０が存在し、各マイクロレンズ３０に１つの検出器ピクセルが正確に割り当てられる。つまり、画像センサユニット２０の感光表面である。この多数のマイクロレンズ３０の合計幅は２００であり、結像されるオブジェクトフィールド６の幅と全く同じである。マイクロレンズ３０の光学軸３１は、感光表面２０に対して垂直である。これは特に、オブジェクトフィールド６の部分６０が、正反対に位置する検出器ピクセルに結像されることを意味する。
【００３３】
隣接する２つのマイクロレンズ、例えば３０および３０'は、マイクロレンズが後ろに位置する感光表面に結像するオブジェクトフィールド６部分６０または６０'が、実質的に重ならず、かつ隙間がないように構成される。このようにして、オブジェクトフィールド６の全体が、画像センサユニットへ分解された部分（例えば、６０、６０'）に結像されることが確実になる。ここで各画像センサユニットは正確に１ピクセルを有し、画像センサ２に真っ直ぐな画像が生成される。幾何光学の法則に基づいて１つの大きなレンズが逆画像を作成する場合と対照的である。
【００３４】
図２において、マイクロレンズ３０に対応する光学軸３１は隣接するレンズに並行である。対向して位置するオブジェクトフィールド６の部分は、画像センサ２の個別の感光表面に結像されるという事実の結果、角度の小さい領域からの光ビームのみが感光表面２０に作用する。これは、マイクロレンズ３０、オブジェクトフィールド６の結像される部分６０、およびその下に位置する感光表面２０を参照して説明される。
【００３５】
マイクロレンズアレイ３による結像、および第１ピンダイアフラムアレイによるエッジおよびマイクロレンズアレイ直近領域のスクリーニングの結果、特定の光ビームのみが感光表面に作用できる。これは、あるレンズから隣接チャンネルの検出器ピクセルへのクロストークが追加のピンダイアフラム層２３によって防止された場合に、特にオブジェクトフィールド６の部分６０の光ビームに関連する。これは、エッジバンドル３２のマイクロレンズの中心（またはメインの平面、主要点）を通過する経路を表すメインビームに例示的に示されている。これらは、チャンネルによって記録されたオブジェクト領域は、マイクロレンズの結像またはオブジェクト幅でオブジェクト平面へ投射されたフォトダイオードのサイズと正確に一致する。当然のことながら、エッジバンドルもまたピクセルに焦点を結ぶという事実が参照されてよい。しかしながら、中心バンドルの端部のビームおよびエッジバンドルのメインビームのみが図示されている。端部のビームの経路（集束）は、中心バンドの経路から対応して推定可能である。垂直入射の端部のビーム３３は、マイクロレンズの結像効果および、部分６０に隣接するオブジェクトフィールド６の部分領域が隣接する画像センサユニットによって変換されることを確実にするようにピンダイアフラムアレイ２２および２３が特定の領域のみの通過を許容する様子を示す。
【００３６】
図２のマイクロレンズの配置に代えて、グローバルな１：１の結像は存在せず、結像されたオブジェクトフィールド６は画像センサ２の結像関連部２００よりも大きくなるように、光学軸３１はセンサの端、例えば中心から左右のエッジへ若干傾いてよい。しかしながら、この場合には、所望の動作間隔で、個別のマイクロレンズに割り当てられたオブジェクトフィールド領域が正確に隣接するレンズのオブジェクトフィールド領域に隣接すること確実にする必要がある。つまり、マイクロレンズに割り当てられたオブジェクトフィールド領域は、マイクロレンズ同士の間隔よりも大きいことを意味する。図１のとおり、本発明による動作間隔またはオブジェクト間隔は、０．１〜１ｍｍまたは一般的に０．１ｍｍから数メートルの光ナビゲーションセンサのオーダーである。
【００３７】
これに代えて、ピンダイアフラム２２または２３のうちの１つを省いてもよい。これは画像の質を若干劣化させるが、対向する位置にあるオブジェクトフィールドの部分をマイクロレンズが感光表面に結像することによる利点は残る。これは特に、オブジェクトフィールド６の中心の部分領域として、オブジェクトフィールド６のエッジが他のマイクロレンズによって透過されることを意味する。しかしながら、中心の部分領域は、少なくとも１つのマイクロレンズおよび割り当てられた画像センサユニットへ事実上垂直に収まる。
【００３８】
軸方向の配置における、対応して選ばれた数のダイアフラムアレイと対応して選択された層２１のような透明な中間層の厚さとによって、隣接するチャンネルのクロストークは顕著に抑制される。これ以外の場合は、迷光およびＳ／Ｎ比の低減につながる。しかしながら同時に、オープニングのサイズおよび位置は、特に個別の光チャンネルのエッジバンドルで所望の有用な光のビネット効果が最小になるようにすべきである。
【００３９】
図２の変形例およびそれに関した変形例では、良好な解像度を達成するよう、感光表面２０はチャンネル間隔よりも極めて小さくあるべきである。しかしながら、これは画像センサの検出器ピクセルのフィリング要素の減縮および比較的弱まった光強度につながる。より賢明には、この目的のために高密度にパックされた大きなフォトダイオードは小さなダイアフラムでカバーされるべきではなく、フォトダイオードは対応する小ささを有するべきであって、フォトダイオード間の間隔は、画像の読み取り、信号増幅、感度の向上、例えば「相関ダブルサンプリング」によるＳ／Ｎ比の改善、または特に画像の予備処理におけるコントラストの算出、コントラスト方向の計測、画像移動の判断など、意義のある電子回路に使用されるべきである。図２の画像センサの代わりに、ある一つのマイクロレンズに複数のピクセルが割り当てられた場合、個別の画像センサ内の結果は逆であり真っ直ぐではないことから、対応する記録された部分画像は１８０°回転させられる必要がある。
【００４０】
図２のナビゲーションセンサは、ウエハ規模で有利に製造される。これは、画像センサのマイクロレンズアレイへの接続も含む。さらに、マイクロレンズをガラス基板にポリマーでＵＶ複製した後に基板が画像センサに接続されるか、レンズ構造の全体または一部がホットエンボスされた後に画像センサに接続されるか、あるいはリソグラフィー技術および複製手段によってレンズ構造が直接画像センサに層で構築／アセンブリされる。複数の画像センサは個別のウエハ上に領域を有することから、これらはウエハソーによって分離されてよいが、層構造の製造が完了してから分離可能である点で有利である。モジュール（単純にレンズシステム、あるいは画像センサとともに）の分離後、基板２１の基板端面を通った迷光が側面結合しないように、例えば吸光エポキシで横側を黒くする必要がある。ウエハ規模の画像センサへの接続の場合、スルーシリコンバイアスによる後側接続が有利である。これは、これ以外の場合には、接触のためのボンディングパッドを空けておくべく、光学領域を画像センサ２の領域よりも小さく設計する必要があるからである。画像センサのアクティブ領域の基板２１によって形成される台状構造のスペーサ層によって、レンズシステムの切断中に画像センサウエハの前側が損なわれるのを防ぐ。
【００４１】
図３では、光ナビゲーションの範囲内で使用できる代わりの配置を示す。ここに示されたガボールスーパーレンズ１０１を用いた画像センサマイクロレンズの配置は、図２の変形例に比べより顕著な光強度を有する。同時に、マイクロレンズアレイ３、３'、３"の位置合わせされたマイクロレンズから形成された、隣接して位置する光チャンネルは画像スポットの形成に寄与する。図では、画像センサ２のオブジェクトフィールド６からの間隔は約６００μｍである。構造は既知のガボールスーパーレンズに類似しているが、通常存在するマイクロレンズの中心間隔の差がない方が望ましく、これはここでの結像の課題に差し支えない。
【００４２】
３つのマイクロレンズグリッド３、３'、３"を有するガボールスーパーレンズの場合、マイクロレンズグリッド３が、マイクロレンズアレイ３"によって感光表面の平面に位置する画像平面に透過される中間画像を作成する。マイクロレンズアレイ３'は、対物レンズアレイとして機能する。望ましくは、マイクロレンズアレイ配置３、３'、３"内に１：１の結像が作成される。通常、画像平面には複数の感光表面があり、１つのチャンネルの画像平面には通常１つの感光表面が設けられる。
【００４３】
画像センサ２の上に、例えば透明ポリマー製の基板２１が適用され、その上にマイクロレンズアレイ３"が設けられる。マイクロレンズアレイ３の上には、チャンネルの光学軸方向に透明であるが、互いに隣接する光チャンネルを半透明に分離するスペーサ３４が位置する。さらに、スペーサ３４の上にマイクロレンズアレイ３'が設けられ、基板２１'、第３のマイクロレンズアレイ３に順に接続される。マイクロレンズアレイ３、３'、３"、基板２１、２１'およびスペーサ３４の厚みは、図２の変形例において、対向して位置された画像センサユニット２０にオブジェクトフィールド６の部分６０が結像されるように選択される。しかしながら、オブジェクトフィールド６の部分６０および画像センサユニット２０の間の直接の接続線上に位置したマイクロレンズだけではなく、隣接チャンネルのマイクロレンズも寄与する。レンズ設計により、画像は真っ直ぐで一致して重なる。
【００４４】
この代わりに、マイクロレンズアレイが２つのみの構造も考えられる。オブジェクトフィールドに最も近いマイクロレンズアレイの画像平面は、中間画像平面と呼ばれており、第２のマイクロレンズアレイのオブジェクト平面である。図３のとおり追加された第３のマイクロレンズアレイ（ここではマイクロレンズアレイ３'）は、第２のマイクロレンズアレイ３"の開口部に第１のマイクロレンズアレイ３の開口部からの全ての光を結像するのに適している。
【００４５】
ここに示されたナビゲーションセンサは、オブジェクトフィールド６の異なる部分領域が個別のフォトダイオード２０へ透過されること（例えば正しい位置と向き（つまり重なり）の１：１結像）を確実にすべく、真っ直ぐな画像を示す。マイクロレンズアレイ３、３'、３"のマイクロレンズにより整列した光チャンネル（つまり、複数の光チャンネルが隣接して位置する）が形成され、オブジェクトフィールド６の部分領域が同時に複数のチャンネルによって透過される。しかしながら、異なる感光表面へ透過されるオブジェクトフィールド６の部分領域は、互いに分離している。
【００４６】
光学的に分離するスペーサ３４は、隣接するチャンネルの第２および第３レンズ間の望ましくないクロストークを抑止する。画像センサおよび続く電子ユニット（図示なし）は後に記録される画像を例えばディスプレイのポインタの動きに変換する。中間画像の幅つまり基板２１'の厚み、画像の幅つまり第２の基板２１の厚み、および第２と第３レンズとの間隔は、マイクロレンズの焦点距離の割合および焦点距離によって求められ、オブジェクトフィールドあるいはマイクロレンズアレイ３のコヒーレント照明の場合には、スペックルフィールドの間隔および軸間隔、ならびにあるチャンネルの第１のレンズから隣接するチャンネルの第の２レンズへの第２の基板２１'を介したクロストークを低減するチャンネル間隔の大きさによって求められる。
【００４７】
図の変形例では、１：１結像が作成できるようレンズのピッチは同一である。しかしながら、これは異なっていてもよく、その結果、より広いピッチのレンズアレイが結像あるいはオブジェクト側のレンズシステムに設けられたか、およびオブジェクトと結像幅の割合によって、拡大または縮小された結像となってよい。結果、レンズチャンネルによってオブジェクト部分と一部の部分を対応して接続する傾いた光学軸が生じる。
【００４８】
光学的に分離するスペーサ３４は、師板の形状を有する。それは、１０μｍから５００μｍの厚さで、孔の直径は孔の間隔よりも小さく、垂直に生じるウェブは、選択された板の材料、または後の塗布により不透明であり、隣のチャンネルとの光学的な接続が発生しない、板上に穿孔されたマトリクスを備える。
【００４９】
またさらに、スペーサは、２つの基板あるいは互いに対してサポートされたマイクロレンズアレイの自立的なセンタリングを促進し、結果として、レンズシステムの要素のそれぞれに対する非常に単純かつ正確な調整が可能となる。従って、孔のピッチおよび配置はサポートされるマイクロレンズアレイのものと同一である。このため、孔の直径は、サポートされるレンズのもの以下であり、基板上のレンズが両端で孔内へ係合し、横方向および軸方向の望ましい調整を形成する。板の厚さは、フィールドレンズとして機能するマイクロレンズアレイ３'が接着に必要な厚さを考慮した上で第２のマイクロレンズアレイ３"に対して必要とする間隔から導かれる。その後、配置は、単純なピックアンドプレースロボットでマウントされてよい。
【００５０】
この配置では、一般的に１つの光チャンネルがその下の検出器ピクセルに一概に固定的に割り当てられることはない。通常の閉じた画像が作成される場合、つまり検出器ピクセルが四角形に配置された場合でも、チャンネルの可能な限り高いパッキング密度つまり光強度を達成するべく、光レンズチャンネルの配置は例えば六角形であってよい。従って、画像センサのピクセルのサイズおよび数は、チャンネルのサイズおよび数に対応する必要はない。このため、密集した検出器ピクセルを有する従来の画像センサ２をこの図３の変形例において用いることも可能である。
【００５１】
中間画像のサイズは、本質的に基板２１'の厚さで定義される。オブジェクトポイントが、可能な限り多くの光チャンネルによって同時に透過されるように、中間画像のサイズはチャンネル間隔に対して可能な限り小さいほうが有利である。これは、特に第１マイクロレンズアレイ３の焦点距離が可能な限り短くあるべきであることを意味する。一般的に、３つのレンズアレイのレンズの曲率半径は異なってよい。間隔と焦点距離との割合の適切な選択により、１つのチャンネル内に別の１：１結像が達成される。しかしながら、グローバルな１：１結像について３つのレンズアレイのピッチは同じである必要がある。従って、外側オブジェクト領域で湾曲されたビーム経路を許容することなく、理想的かつ実質的にマイクロレンズアレイ全体を覆うことのできる大きな「スーパー瞳孔」、つまりオブジェクトポイントの透過に寄与する直径で、従来の小型レンズに相当するレンズを図３の変形例に用いてよい。
【００５２】
オブジェクトのエッジでは、比較的中央以外のチャンネルおよびエッジチャンネルがオブジェクトセンターとして寄与するが、アレイ状の連続性に起因して、実質的にオブジェクトポイントを垂直入射で透過し、隣接チャンネルがやや増加した角度でスーパー瞳孔に位置し、常に存在する。
【００５３】
システム全体が、ウエハ規模のスタッキング、あるいはレンズのみは要素毎の機械的な自律調整の後の画像センサと接着に対する大まかな横位置合わせによって達成されることが望ましい。図２で説明したように、モジュールの分離は、例えば吸光エポキシによる横側の黒化を含む。スペーサは、スタンピング、エッチングプロセス、ボード、または例えばキャリア基板上のＳＵ８フォトレジストなどのリソグラフィー構造化プロセスによって製造される。そこから製造される穿孔ホイルはその後黒くされる。基板を通して孔が構造化できない場合、孔が完全に貫通し、端表面が必要とされる表面品質を有するよう、後側をグラインディングあるいはホイルまたは穿孔板を研磨してよい。
【符号の説明】
【００５４】
入力デバイス  １
画像センサアレイ  ２
マイクロレンズアレイ  ３，３'，３"
ビームソース  ４
キャリア  ５
オブジェクトフィールド  ６
画像センサユニット  ２０
ビーム透過基板  ２１，２１'
第１ピンダイアフラムアレイ  ２２
第２ピンダイアフラムアレイ  ２３
マイクロレンズ  ３０
光学軸  ３１
メインビーム  ３２
端部ビーム  ３３
スペーサ  ３４
オブジェクトフィールド部  ６０，６０'
アポジションレンズを有する画像センサ  １００
ガボールスーパーレンズを有する画像センサ  １０１
第１ビームパス  １１０
第２ビームパス  １２０
第３ビームパス  １３０
視野  ２００
【図１】
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【図２】
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【図３】
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