(57)【要約】      （修正有）【課題】低い高さのイメージングシステムおよび関連方法を提供する。【解決手段】低い高さのイメージングシステム２０は、一つ以上の光学チャネル１２と一つの検出器アレイ１４とを有し、光学チャネルのそれぞれは、アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、一つ以上の光学部品と一つの制限的光線補正器２２とを有し、より急な入射角のフィールド光線を少なくとも一つの検出器上に導くように構成される。低い高さのイメージングシステムは、一つの検出器アレイと、波面符号化を用いた表面を有し、検出器アレイの複数の検出器上により急な入射角のフィールド光線を導くように構成された一つのＧＲＩＮレンズと、を有する。【選択図】図２
2014002388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、２００４年９月１４日に出願されたタイトルが「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  Ｃａｍｅｒａ」の米国仮出願第６０／６０９，５７８号、および２００５年７月８日に出願されたタイトルが「Ｒａｙ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」の米国仮出願第６０／６９７，７１０号に対して優先権を主張するものであり、両出願は本明細書において全体が参照により援用されている。以下の米国特許もまた、全体が参照により援用されている。タイトルが「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」のＣａｔｈｅｙらの米国特許第５，７４８，３７１号、タイトルが「Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｉｎｇ  ｐｈａｓｅ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」のＤｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．らの米国特許第６，５２５，３０２号、タイトルが「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｉｎｇ  ａｎｄ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｉｍａｇｉｎｇ
ｓｙｓｔｅｍｓ」のＤｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．の米国特許第６，７８３，７３３号、タイトルが「Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ」のＤｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．の米国特許第６，８４２，２９７号、タイトルが「Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｉｎｇ  ｚｏｏｍ  ｌｅｎｓ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」のＤｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．らの米国特許第６，９１１，６３８号、およびタイトルが「Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｅｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」のＤｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．の米国特許第６，９４０，６４９号。
【背景技術】
【０００２】
イメージング装置における最新の傾向のうちの１つは、小型化である。小型カメラなどの小型のイメージングシステムは、カメラが統合された携帯電話およびその他の携帯ハンドヘルド装置の急増により、ユビキタスなものになった。現在利用可能な小型のイメージング装置は、個人的な楽しみのための低解像度の画像キャプチャについては適切である一方で、たいていのものはどちらかというと低い画質を提供し、望ましくないほど長い。
【０００３】
例示的なイメージングシステム１０を図１に示す。システム１０は、たとえば小型カメラであり得、光学部品２のグループ（ここでは２つの分離した屈折素子を含むように示される）および検出器４を含むように示されている。光学部品２は、光学素材であって、４つの非球面を形成し６０度の全視野にわたって２．６ｍｍの焦点距離と２．６のＦ＃とを提供するＰＭＭＡなどの光学素材によって作製され得る。対象（図示せず）からの光線５は、光学部品２を介して概ねＺ方向３に沿って導かれ、検出器４上に映される。次に検出器４は、その上に受け取られた画像を、プロセッサ８に導かれるデータ信号（大きな矢印７によって示される）に変換する。データ信号は、結果として最終画像９になるために、信号プロセッサ１８において処理される。
【０００４】
さらに図１を参照すると、システム１０の光学部品２は、Ｚ長（入力光線が衝突する光学素子のグループの第１の表面から検出器の前面までの距離として定義され、水平の両方向矢印によって示される）が検出器４の長さＬ（垂直の両方向矢印によって示される）と概ね等しくなるように配置される。図１に示される例示的なイメージングシステムにおいて、Ｚ長は４．６ｍｍに設定される一方で、検出器の長さＬは４．４ｍｍである。
【０００５】
図１を参照し続けると、システム１０は（多数の他の短いイメージングシステムと同様に）、システムにおいて場合により顕在する種々の光学的および力学的な収差を制御するのに十分な自由度を有しない。すなわち、システムを形成する部品が非常に少なく（たとえばわずか数枚のレンズおよびホルダー、小さな検出器など）、部品は小型カメラなどの小型のアプリケーションにおいて非常に小さいので、異なる部品の理想的な設計またはアラインメントを達成することおよび／または一旦組み立てられた任意の部品を調節することは難しい。結果として、もたらされる画像は高い画質を有しない。さらに、システム１０の物理的部品（たとえば光学部品２および検出器４）のミスアラインメントによって導入される収差についての可能性は顕著であるので、製造の間にさらに高い精度を要求する。たとえ結果として生ずるシステムの画質が比較的悪いとしても、この要求はシステム１０のコストを増加させる。
【０００６】
さらに、従来技術のイメージングシステム１０において、検出器４の周縁における光線の角度は浅くあり得る。すなわち、検出器の周縁における主光線（光学部品２によって画定される開口部の中心を通過する光線）の角度θは、検出器の法線から約３０度までであり得る。検出器においてキャプチャされる光の強度は検出器に対する角度の関数であるので、主光線角度が増加するにつれて、キャプチャされる光の強度は減少する。さらに、大きな光線角度は、検出器上の間違ったピクセルによって光がキャプチャされることにつながり得るので、ピクセルクロストークをもたらす。したがって、入射光線が検出器の法線から離れているときに実際的なＣＭＯＳ、ＣＣＤおよびＩＲ検出器を用いて形成される画像は劣化するので、大きな主光線角度は望ましくない。システムのＺ長は、システムをさらに小型化する目的でさらに短くされるので、これらの光線角度の問題は悪化し、低減された画質にますますつながる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、一つ以上の光学チャネルと一つの検出器アレイとを有し、光学チャネルのそれぞれは、（ａ）アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、（ｂ）一つ以上の光学部品と一つの制限的光線補正器とを有し、（ｃ）より急な入射角のフィールド光線を少なくとも一つの検出器上に導くように構成されている。
【０００８】
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、一つの検出器アレイと、波面符号化を用いた表面を有し、検出器アレイの複数の検出器上により急な入射角のフィールド光線を導くように構成された一つのＧＲＩＮレンズと、を有する。
【０００９】
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、複数の光学チャネルと一つの検出器アレイとを有し、光学チャネルのそれぞれは、（ａ）アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、（ｂ）一つの非球面ＧＲＩＮレンズを有する。
【００１０】
一実施形態において、レンズを鋳型に位置付けることと、波面符号化を用いてレンズの非球面を形成するためにレンズの表面上で素材を硬化させることとを含む方法は、波面符号化を用いたレンズを形成する。
【００１１】
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、入射開口部を有する光学的に透明な素材のブロックと、射出開口部と、少なくとも一つの内部で反射する表面とを有し、入射開口部を透過する波面は反射面に反射してから波面符号化を用いた射出開口部から出る。
【００１２】
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、複数の光学チャネルと一つの検出器アレイとを有し、光学チャネルのそれぞれは、アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、非球面制限的光線補正器を有し、非球面制限的光線補正器は検出器アレイの特定の検出器に向けて色を優先的に導く。
【００１３】
一実施形態において、光子補償光学システムは、少なくとも一つの光学素子と一つの非球面とを有し、システムの非一定ＭＴＦは対象と光学素子との間の範囲について補償する。
【００１４】
一実施形態において、制限的光線補正器は、検出器アレイに隣接または結合する配置のために構成され、光学的イメージングシステムの範囲内のフィールド光線が、光学素子を用いない検出器アレイに入射するフィールド光線の入射角と比較すると検出器アレイの表面の法線により近い入射角によって検出器アレイに向けて導かれるように、光学素子は少なくとも一つの表面を形成する。
【００１５】
一実施形態において、低い高さのイメージングシステムは、複数の検出器を備える第１のウェーハと、イメージングシステムのＭＴＦが検出器の通過帯域の範囲内にゼロ点を有しないように複数の非球面光学部品を含む第２のウェーハとを有し、複数の光学チャネルを用いて低い高さのイメージングシステムを形成するために第１および第２のウェーハが積み重ねられ、光学チャネルのそれぞれは少なくとも一つの光学部品と少なくとも一つの検出器とを有する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
一つ以上の光学チャネルと一つの検出器アレイとを含み、
該光学チャネルのそれぞれは、
（ａ）該アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、
（ｂ）一つ以上の光学部品と一つの制限的光線補正器とを有し、
（ｃ）より急な入射角のフィールド光線を該少なくとも一つの検出器上に導くように構成されている、システム。
（項目２）
上記光学チャネルが上記検出器アレイに直接搭載される、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目３）
上記光学チャネルが単一の光学チャネルよりなり、上記検出器アレイが単一の検出器アレイよりなる、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目４）
上記光学チャネルが複数の光学部品を含み、上記検出器アレイが複数の検出器アレイを含む、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目５）
上記光学チャネルがリソグラフィーにより形成される、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目６）
上記光学部品が小型レンズアレイを含み、該アレイの小型レンズのそれぞれは一つのチャネルの一部である、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目７）
上記制限的光線補正器がＧＲＩＮレンズを包む、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目８）
上記ＧＲＩＮレンズと上記検出器との間に配置される補正板をさらに含む、項目７に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目９）
スタックとして形成されたＧＲＩＮレンズのアレイが上記チャネルのそれぞれについての制限的光線補正器を形成する、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１０）
上記イメージングシステムの光学ＭＴＦが上記検出器の通過帯域においてゼロ点を有しないように、上記光学チャネルのそれぞれが非球光学構造を含む、項目１に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１１）
上記非球光学構造の影響を補償するための、上記検出器に接続されたポストプロセッサをさらに含む、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１２）
上記検出器アレイのために色をフィルタリングするカラーフィルターアレイをさらに含む、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１３）
上記制限的光線補正器が、一つ以上の屈折レンズと、一つのフレネルレンズと、一つの回折素子とを含む、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１４）
スタックとして形成された制限的光線補正器のアレイが上記光学チャネルについての上記制限的光線補正器を含む、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１５）
主光線補正器のそれぞれが特定の色の光を上記検出器アレイの特定の検出器に向け直すように構成されている、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１６）
上記検出器は非長方形であり、上記制限的光線補正器のそれぞれは、光を関連の非長方形検出器中に向け直すように構成されている、項目１０に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目１７）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
検出器アレイと、
波面符号化を用いた表面を有し、より急な入射角のフィールド光線を該検出器アレイの複数の検出器上に導くように構成されているＧＲＩＮレンズと
を含む、システム。
（項目１８）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
複数の光学チャネルと、
検出器アレイと
を含み、
該光学チャネルのそれぞれは、
（ａ）該アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、
（ｂ）非球面ＧＲＩＮレンズを有する、システム。
（項目１９）
上記非球面ＧＲＩＮレンズの非球面が波面符号化によって変更されている、項目１８に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２０）
上記光学チャネルのそれぞれの変調伝達関数が上記検出器アレイの通過帯域の範囲内にゼロ点を有しない、項目１８に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２１）
上記チャネルのそれぞれの上記非球面ＧＲＩＮレンズによって引き起こされる位相効果に基づいて最終画像を提供するために信号処理をさらに含む、項目１８に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２２）
波面符号化を用いてレンズを形成する方法であって、該方法は、
レンズを鋳型に位置付けることと、
波面符号化を用いて該レンズの非球面を形成するために該レンズの表面上に素材を硬化させることと
を包含する、方法。
（項目２３）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
入射開口部と、射出開口部と、少なくとも一つの内部で反射する表面とを有する光学的に透明な素材のブロックを含み、
該入射開口部を透過する波面は該反射面に反射して、波面符号化を用いた該射出開口部から出る、システム。
（項目２４）
上記ブロックの表面は波面符号化を用いて形成され、上記入射開口部と上記射出開口部とのうちの一つを含む、項目２３に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２５）
上記反射する表面は波面符号化を与えるために非球面である、項目２３に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２６）
上記射出開口部は焦点面アレイ上に搭載するための、上記ブロックの平坦部分を含む、
項目２３に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目２７）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
複数の光学チャネルと一つの検出器アレイとを含み、
該光学チャネルのそれぞれは、該アレイの少なくとも一つの検出器と関連し、非球面の制限的光線補正器を有し、
該非球面の制限的光線補正器は色を該検出器アレイの特定の検出器に向けて優先的に導く、システム。
（項目２８）
光子補償光学システムであって、該システムは、
少なくとも一つの光学素子と一つの非球面とを含み、
該システムの一定でないＭＴＦは対象と光学素子との間の範囲について補償する、システム。
（項目２９）
上記非球面は光学素子の表面を含む、項目２８に記載の光子補償光学システム。
（項目３０）
上記非球面はその開口部にわたって非線形の焦点距離変化を有する、項目２８に記載の光子補償光学システム。
（項目３１）
上記非球面はその射出ひとみにわたって非線形の焦点距離変化を有する、項目２８に記載の光子補償光学システム。
（項目３２）
上記補償は、焦点面にわたるエネルギー分布を上記範囲にわたって規格化することを包含する、項目２８に記載の光子補償光学システム。
（項目３３）
制限的光線補正器であって、該補正器は、
検出器アレイに隣接または結合する配置に構成された光学素子を含み、
該光学素子は、該光学素子を用いずに該検出器アレイに入射するフィールド光線の入射角と比較して、該検出器アレイの表面の法線により近い入射角で該検出器に向けて光学イメージングシステムの範囲内のフィールド光線を導くように、少なくとも一つの表面を形成する、補正器。
（項目３４）
上記光学素子はＧＲＩＮレンズと、屈折レンズと、フレネルレンズと回折レンズとのうちの一つとして選択される、項目３３に記載の制限的光線補正器。
（項目３５）
低い高さのイメージングシステムであって、該システムは、
複数の検出器を含む第１のウェーハと、
該イメージングシステムのＭＴＦが検出器の通過帯域の範囲内にゼロ点を有しないように、複数の非球面光学部品を含む第２のウェーハと
を含み、
該第１および第２のウェーハは、複数の光学チャネルを有する低い高さのイメージングシステムを形成するために積み重ねられ、
該光学チャネルのそれぞれは少なくとも一つの光学部品と少なくとも一つの検出器とを有する、システム。
（項目３６）
上記低い高さのイメージングシステムに光学的スペーシングを提供するために、上記第１および第２のウェーハとともに積み重ねられる第３のウェーハをさらに含む、項目３５に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目３７）
上記光学部品は小型レンズアレイを含む、項目３５に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目３８）
上記第１および第２のウェーハとともに積み重ねられる第３のウェーハをさらに含み、
制限的光線補正器のアレイを含み、
該制限的光線補正器のそれぞれは、より急な入射角のフィールド光線を少なくとも一つの関連する検出器上に導くように構成されている、項目３５に記載の低い高さのイメージングシステム。
（項目３９）
上記非球面光学部品は小型レンズアレイを含む、項目３８に記載の低い高さのイメージングシステム。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来技術のイメージングシステムの概略図である。
【図２】図２は、低い高さのイメージングシステムの概略図であり、ここでは主光線補正のための一つの構成を図示するために示される。
【図３】図３は、低い高さのイメージングシステムの概略図であり、ここでは主光線補正のための第２の構成を図示するために示される。
【図４】図４は、本開示に従った短いイメージングシステムの概略図であり、波面符号化を用いたＧＲＩＮレンズを含む。
【図５】図５は、波面符号化を用いないＧＲＩＮレンズに入射する６０度視野の半分にわたる光線パターンの概略図である。
【図６】図６〜８は、さまざまな入射角についての視野にわたる一つの波長におけるＧＲＩＮレンズについての計算された光線インターセプトのグラフ図である。
【図７】図６〜８は、さまざまな入射角についての視野にわたる一つの波長におけるＧＲＩＮレンズについての計算された光線インターセプトのグラフ図である。
【図８】図６〜８は、さまざまな入射角についての視野にわたる一つの波長におけるＧＲＩＮレンズについての計算された光線インターセプトのグラフ図である。
【図９】図９は、画角の関数としてのＧＲＩＮレンズについての計算された単色の変調伝達関数（ＭＴＦ）の一連のグラフ図である。
【図１０】図１０は、ＧＲＩＮレンズについての画角および対象位置の関数としての一連のスポットダイヤグラムである。
【図１１】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１２】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１３】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１４】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１５】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１６】図１１〜１６は、図５〜１０に対応する図であるが、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズのためのものである。
【図１７】図１７および図１８は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての軸上の射出ひとみのグラフ図である。
【図１８】図１７および図１８は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての軸上の射出ひとみのグラフ図である。
【図１９】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２０】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２１】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２２】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２３】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２４】図１９〜２１および図２２〜２４は、それぞれ図５〜１０および図１１〜１６に図示されたシステムについての画角の関数としての点対象のサンプリングされた画像である。
【図２５】図２５は、波面符号化を用いて使用するために変更されたＧＲＩＮレンズを含むイメージングシステムのＭＴＦのグラフ図であり、ここでは信号処理の前後のＭＴＦにおける相違を図示するために示される。
【図２６】図２６および２７は、それぞれ画像形式およびメッシュ形式において、図２２〜２５における画像を形成するために使用されるデジタルフィルターのグラフ図である。
【図２７】図２６および２７は、それぞれ画像形式およびメッシュ形式において、図２２〜２５における画像を形成するために使用されるデジタルフィルターのグラフ図である。
【図２８】図２８は、変更ＧＲＩＮレンズの製造のための製作システムの概略図である。
【図２９】図２９は、変更ＧＲＩＮレンズの評価のための測定システムの概略図である。
【図３０】図３０は、変更ＧＲＩＮレンズを用いて使用するのに適切な例示的な薄膜スペクトルフィルター応答のグラフ図である。
【図３１】図３１は、本開示に従ったイメージングシステムの概略図であり、ここではイメージングシステムの視野を増加させるためのグループ化されたＧＲＩＮレンズのセットの使用を図示するために示される。
【図３２】図３２は、イメージングシステムの視野を増加させるための本開示に従ったもう一つのイメージングシステムの概略図であり、ここでは別の補正およびステアリング光学素子の使用を図示するために示される。
【図３３】図３３は、本開示に従った代替イメージングシステムの概略図であり、ここではイメージングシステムの全体の長さをさらに低減させるための反射型の小型光学素子の使用を図示するために示される。
【図３４】図３４は、小型レンズアレイの一部を形成する個々の小型レンズに入射する光線の光線図である。
【図３５】図３５は、図３４に示されるような複数の個々の小型レンズから形成される小型レンズアレイの立面における概略図であり、この小型レンズアレイは図３１および３２に示されるグループ化されたＧＲＩＮレンズに代わりに使用されるのに適切である。
【図３６】図３６は、図３１および３２に示されるイメージングシステムにおいて使用されるのに適切な折りたたみ光学素子を透過する光線の光線図である。
【図３７】図３７は、図３１および３２に示されるようないくつかのイメージングシステムを含む小型光学システムの一般的なアレイの表現の立面における概略図である。
【図３８】図３８は、本開示に従った検出器アレイサブシステムの部分断面における概略図である。
【図３９】図３９は、従来技術の検出器アレイサブシステムの一部の部分断面における概略図であり、ここでは、光線が、光学補正なしで、小型レンズアレイを介して検出器アレイを含んだ基板上に伝播することを図示するために示されている。
【図４０】図４０および４１は、本開示に従った検出器アレイサブシステムの一部の部分断面における概略図であり、ここでは、小型レンズアレイについて異なる位置において、本開示に従った補正素子を用い、小型レンズアレイを通過して検出器アレイに達する光線を図示するために示される。
【図４１】図４０および４１は、本開示に従った検出器アレイサブシステムの一部の部分断面における概略図であり、ここでは、小型レンズアレイについて異なる位置において、本開示に従った補正素子を用い、小型レンズアレイを通過して検出器アレイに達する光線を図示するために示される。
【図４２】図４２は、本開示に従った光線補正システムの部分断面における概略図であり、小型レンズアレイの上に積み重ねられた複数の補正素子を含む。
【図４３】図４３は、本開示に従った光線補正システムのもう一つの実施形態の部分断面における概略図であり、複数の補正素子ならびにカラーフィルターアレイを含む。
【図４４】図４４〜４６は、本開示の光線補正システムにおける補正素子として使用されるのに適切な補正素子の例の断面における概略図である。
【図４５】図４４〜４６は、本開示の光線補正システムにおける補正素子として使用されるのに適切な補正素子の例の断面における概略図である。
【図４６】図４４〜４６は、本開示の光線補正システムにおける補正素子として使用されるのに適切な補正素子の例の断面における概略図である。
【図４７】図４７は、検出器素子（見ることはできない）のアレイにわたって配置された補正素子のアレイを用いたウェーハの一部の概略平面図であり、ここでは補正素子の可能な形状の例を図示するために示される。
【図４８】図４８は、例示的な補正素子を通過する光線の部分断面における概略図であり、ここでは本開示の光線補正システムにおける補正素子によって提供される光線補正の可能な種類を図示するために示される。
【図４９】図４９は、本開示の強化補正素子を通過する光線の部分断面における概略図であり、ここでは光線補正を強化するために補正素子自身になされ得る可能な変更の一部を図示するために示される。
【図５０】図５０〜５４は、本開示の光線補正システムの追加の実施形態を通過する光線の一部断面における概略図であり、ここでは光線補正素子の光線補正特性をカスタマイズするための可能なバリエーションを図示するために示される。
【図５１】図５０〜５４は、本開示の光線補正システムの追加の実施形態を通過する光線の一部断面における概略図であり、ここでは光線補正素子の光線補正特性をカスタマイズするための可能なバリエーションを図示するために示される。
【図５２】図５０〜５４は、本開示の光線補正システムの追加の実施形態を通過する光線の一部断面における概略図であり、ここでは光線補正素子の光線補正特性をカスタマイズするための可能なバリエーションを図示するために示される。
【図５３】図５０〜５４は、本開示の光線補正システムの追加の実施形態を通過する光線の一部断面における概略図であり、ここでは光線補正素子の光線補正特性をカスタマイズするための可能なバリエーションを図示するために示される。
【図５４】図５０〜５４は、本開示の光線補正システムの追加の実施形態を通過する光線の一部断面における概略図であり、ここでは光線補正素子の光線補正特性をカスタマイズするための可能なバリエーションを図示するために示される。
【図５５】図５５および５６は、本開示に従った、カスケード接続された補正素子の組によって提供され得る色分解機能の正面図および側面図の概略図である。
【図５６】図５５および５６は、本開示に従った、カスケード接続された補正素子の組によって提供され得る色分解機能の正面図および側面図の概略図である。
【図５７】図５７〜５９は、図５５および５６に図示された色分解機能の断面平面図の概略図であり、ここでは縦列にされた補正素子を通過する結果としての異なる空間的領域への色の分解を図示するために示される。
【図５８】図５７〜５９は、図５５および５６に図示された色分解機能の断面平面図の概略図であり、ここではカスケード接続された補正素子を通過する結果としての異なる空間的領域への色の分解を図示するために示される。
【図５９】図５７〜５９は、図５５および５６に図示された色分解機能の断面平面図の概略図であり、ここではカスケード接続された補正素子を通過する結果としての異なる空間的領域への色の分解を図示するために示される。
【図６０】図６０は、バイヤーカラーフィルターアレイパターンの概略図である。
【図６１】図６１は、図５５〜５９に示される色分解を生成するために使用されるカスケード接続された補正素子を使用して達成される空間的色分解の概略図であり、ここでは、結果として生ずる色分解が図６０に示されるようなバイヤーフィルターアレイパターンの色分布に対応するように、空間的色分解機能がカスタマイズされ得ることを図示するために示される。
【図６２】図６２は、波長によって照明を空間的に分光することにおいて使用されるプリズムの断面図における概略図であり、これは本開示に従った空間的色分解機能において使用されるのに適切である。
【図６３】図６３は、波長によって照明を空間的に分光することにおいて使用される２段階のバイナリー回折構造の部分断面における概略図であり、これも本開示に従った空間的色分解機能において使用されるのに適切である。
【図６４】図６４は、ブレーズド回折構造の部分断面における概略図であり、これも本開示の空間的色分解に適切である。
【図６５】図６５は、２つの異なる波面符号化システムについての、２つの例示的な焦点距離対ひとみ位置曲線のグラフ図であり、ここでは三次位相システムおよび一定のＳＮ比（ＳＮＲ）システムの特性を比較するために示される。
【図６６】図６６は、１次元的な直線的に変化する焦点距離システムについてのあいまい関数（ＡＦ）のグラフ図である。
【図６７】図６７は、０．１７５の規格化された空間周波数ラインにおける図６６のＡＦの断面における応答対規格化された焦点誤りのグラフ図である。
【図６８】図６８は、１次元的な指数関数的に変化する焦点距離システムについてのあいまい関数（ＡＦ）のグラフ図である。
【図６９】図６９は、０．１７５の規格化された空間周波数ラインにおける図６８のＡＦの断面における応答対規格化された焦点誤りのグラフ図である。
【図７０】図７０は、波面符号化を用いない従来のイメージングシステムについてのあいまい関数（ＡＦ）のグラフ図である。
【図７１】図７１は、０．１７５の規格化された空間周波数ラインにおける図７０のＡＦの断面における応答対規格化された焦点誤りのグラフ図である。
【図７２】図７２は、波面符号化を光学システムに適用する方法を図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
説明を明瞭にする目的のために、図における一部の要素は縮尺どおりに示されていなくあり得ることに留意されたい。
【００１８】
検出器のサイズについて短いｚ距離または同等に低い高さを有するにもかかわらず画質を向上させる光学システムおよび光学装置を説明する。「短い」または「低い高さ」は、光学システムの有効焦点距離の２倍よりも小さいＺ距離（光学素子の第一の表面から検出器の前面まで）として一般的に定義される。
【００１９】
これらのシステムおよび装置は、他の利点を提供し得る。たとえばそれらは、高品質イメージングのための変更された既製の短い容積（ｓｈｏｒｔ  ｖｏｌｕｍｅ）の光学素子を使用するためと、高品質イメージングのための反射を用いたカスタマイズされた短い容積の光学素子を使用するためと、高品質画像を形成するために短い容積の光学素子のグループを使用するためと、検出確率または画像ＳＮＲが測定距離の範囲にわたって定数であるように特殊イメージングシステムのための特殊射出ひとみの設計を使用するために、高い画質をさらに達成しながら、光学素子、構造およびデジタル検出器の（コストを低減するための）緩やかな許容範囲を提供し得る。これらのシステムは、システム光感度の増加も提供し得る。
【００２０】
本開示の光学システムおよび光学装置は、その中に屈折素子および／または回折素子を含み得る一方で、これらの追加素子の主な目的は、たとえば検出器上の特定のスポットに入射光の焦点を合わせるためのものではなく、検出器において所望の入射角度を達成しながら、必ずしも焦点合わせをすることなく所望の位置に向けて入射光を導くためのものである。すなわち、ここに提供される教示は、検出器と、カスタマイズ可能な色分解と、低減されたシステムサイズとにおける増加した光強度などの利点を提供するために、特定の方法によって光を「チャネリングする」、あるいは換言すると、一つ以上の「光チャネル」に沿って光を導くことに向けられている。
【００２１】
短いイメージングシステムにおける検出器における大きな光線角度の問題を解決する一つの既知の試みを図２に示す。図２は、図１のイメージングシステム１０のＺ方向３に沿って配置された光学部品２および検出器４と同様な、概ねＺ方向１３に沿って配置された光学部品１２および検出器１４を含む例示的な低い高さのイメージングシステム２０を示す。低い高さのイメージングシステム２０は、検出器１４にまたはその近くに位置する屈折制限的光線補正レンズ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  ｒａｙ  ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ  ｌｅｎｓ）２２も含む。屈折制限的光線補正レンズ２２は、一定の光線角度を、屈折制限的光線補正レンズ２２を使用しない場合になり得る光線角度よりも、検出器１４において急にさせる。図２のシステム２０についての最大主光線角度は、システム１０の最大主光線角度と比較すると、検出器の前に置かれた屈折制限的光線補正レンズ２２を使用して、５度へと６の因子だけ減少され得る。結果として生じる５度の主光線角度は、小さく、なおかつほとんどの実用的な検出器の良好な品質の作動範囲内にあると考えられる。
【００２２】
図２に言及し続けると、システム２０の一つの潜在的な欠点は、屈折制限的光線補正レンズ２２が屈折性であるので、かなりの厚さを有するということである。屈折制限的光線補正レンズ２２の厚さは一般的に約１ｍｍであり、それは光線角度を減少させるのに十分なほど大きな厚さであるのみならず、検出器１４の前の光線１５の波面に他の収差を潜在的に加える。
【００２３】
図３は、図１のイメージングシステム１０の光学部品２および検出器４と同様な光学部品１２および検出器１４を含む代替の低い高さのイメージングシステム３０を示す。低い高さのイメージングシステム３０は、システム２０の屈折制限的光線補正レンズ３２と同様の態様で機能する回折制限的光線補正器（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  ｒａｙ  ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）３２（たとえばフレネルレンズ）も含む。回折制限的光線補正器３２は、屈折制限的光線補正レンズ３２と比較すると、同じ機能を提供しながら、おおいに低減した厚さを有している。検出器における最大光線角度はやはり約５度である一方で、回折制限的光線補正器３２の小さな厚さは、追加の収差が、検出器１４に入射する前に、光線１５の波面に実質的に導入されないことを意味する。実際に、回折制限的光線補正器３２は、使用される材料と、使用される波長の範囲と、回折帯域とに依存して、１／１０ｍｍ未満であり得る。
【００２４】
検出器にまたはその近くにおける光線角度を補正する必要性を取り除く一つの方法は、イメージングシステムを画像においてテレセントリックにすることである。イメージ側のテレセントリックイメージングシステムは、光軸に対して基本的に平行である主光線角度を有する。その結果、テレセントリックレンズのための検出器における光線角度は、周縁光線角度（すなわちレンズの縁から画像面への光線）に関連するのみであり得る。周縁光線角度は、レンズの明るさまたはＦ／＃に関連する。光軸からの画像ポイントの距離による追加の光線角度は導入されない。実際に、イメージングシステムはテレセントリック特性を有するだけでよく、厳密にテレセントリックである必要はない。
【００２５】
短いテレセントリック屈折光学素子は、レンズの検出器側から見た開口部の画像が無限大かまたはそれに近い場合に構築されることができる。開口部の画像が無限大に近く見えるためには、開口部は光学素子の最後のグループの前面にあるべきであり、開口部とグループとの距離は最後のグループの有効焦点距離である。図１に示すような２つの素子のあるイメージングシステムについて、システムがテレセントリックに近くなるためには、開口部から第２の素子への距離は、ほぼ第２の素子の焦点距離でなければならない。しかし、２つの素子間の距離を増加させる必要性は、非常に短いイメージングシステムを作るという目標に不利に働く。ますます短い屈折イメージングシステムを設計する際には、ある時点で、システムをテレセントリックにすることが不可能であり、長さの制約を満たすことも不可能である。
【００２６】
たとえば、以下は改良された小型カメラを述べる。携帯電話カメラ、デジタルカメラ、内視鏡、自動車用イメージングシステム、玩具、赤外線（ＩＲ）イメージングシステム、バイオメトリックイメージングシステム、セキュリティーシステム、および同類の範囲内で、同様の技術が採用され得る。
【００２７】
本明細書の一部の実施形態において、テレセントリックイメージングは屈折率分布型（ＧＲＩＮ）光学素子を通して提供される。ＧＲＩＮ光学素子は、一般的に光学素子の範囲内の位置の関数である屈折変化率を有する。ＧＲＩＮ光学素子は、次の式によって与えられる、空間的に変化する屈折率を有し得る。
ｎ（ｒ，ｚ）＝Σａｉｒｉ＋ｂｉｚｉ
ここで、ｎ（ｒ，ｚ）は、半径（ｒ）方向および軸（ｚ）方向における屈折率である。屈折率の形式における他の変化が可能である。一部の変化は、球状またはレンズ状の輪郭に沿った厚さｚの、および動的に変化する屈折率分布の関数として変化する屈折率を含む。ＧＲＩＮ光学素子の適切な構成により、イメージングシステムは短くありながらほぼテレセントリックであることができる。
【００２８】
図４は、変更ＧＲＩＮレンズ１０４を含む短いイメージングシステム１００を示す。変更ＧＲＩＮレンズ１０４（たとえば、もともとはＮＳＧ（Ｎｉｐｐｏｎ  Ｓｈｅｅｔ  Ｇｌａｓｓ）のＧＲＩＮレンズＩＬＨ−０．２５）は、波面符号化（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｃｏｄｉｎｇ）をインプリメントするために変更され、短い長さの、高い明るさの、非常に広い視野を達成するために、検出器１０２の前面に配置されている。変更ＧＲＩＮレンズ１０４は、波面符号化を採用して特別に設計された部品を含むカスタマイズされた前面１０６を有する。検出器１０２からの結果として生じる画像の信号処理は、波面符号化の空間的効果を反転させ、最終画像を生成するために利用され得る。変更ＧＲＩＮレンズ１０４の裏面１０７は、検出器１０２にほぼ隣接してあるいは接触して位置する。変更ＧＲＩＮレンズ１０４の一方の側は、視野絞りとして作用するのみならず光を吸収して反射を低減させるための、黒くした外面１０８を含む。ＮＳＧ  ＩＬＨ−０．２５ＧＲＩＮレンズは、変更ＧＲＩＮレンズ１０４がそのレンズに基づいており、ｆ＝０．２５ｍｍの焦点距離、Ｆ／１、直径＝２５０μｍ、長さ＝４００μｍ、および６０度の全視野（ＦＯＶ）を有している。検出器１０２は、たとえば３．３μｍ四方のピクセルを用いた５６×５６ピクセルＣＭＯＳ検出器であり得る。カスタマイズされた前面１０６に加えて、変更ＧＲＩＮレンズ１０４の前面または裏面は、さらに薄膜スペクトルフィルターを用いて被覆され得る。短いイメージングシステム１００において、特殊表面および屈折率分布型光学素子を使用することは、短い全長（Ｚ長）のほぼテレセントリックな光学システムをもたらす。テレセントリック光学素子は、検出器表面における主光線角度が、容易に利用可能な検出器について、入力角度の実際的な範囲内に留まるのに十分なほど急であることを確実にするのに役立つ。
【００２９】
波面符号化を用いないＧＲＩＮレンズの性能を図５〜１０に示す。図５は、ＧＲＩＮレンズ１２４に入る６０度視野の半分にわたる複数の入力光線（点線の楕円１２２で示す）について、光線パターン１２０を示す。入力光線は、ＧＲＩＮレンズ１２４の前面１２５に入り、検出器１２７に隣接して配置されたＧＲＩＮレンズ１２４の裏面１２６に焦点が合わせられる。ＧＲＩＮレンズ１２４の屈折率分布型構成のために、検出器における複数の光線角度（点線の楕円１２８で示す）はすべて小さく、およそ２０度以下である。検出器における最大光線角度は、Ｆ／１であるこのＧＲＩＮレンズの明るさによって主に決定される。
【００３０】
図６〜８は、視野にわたる一つの波長におけるＧＲＩＮレンズ１２４についての光線インターセプト図を図示する。図６〜８におけるプロットの各組は、異なる入力光線角度について、入力面（図５の前面１２５として示す）におけるＧＲＩＮレンズの開口部にわたる画像ポイント対ひとみポイントに対応する。図６〜８におけるプロットのそれぞれの目盛は、−５ミクロンから＋５ミクロンである。図６〜８に示す光線インターセプト図は、ＧＲＩＮレンズ１２４が多量の視野湾曲と、球状の収差と、コマ収差と、非点収差とを被ることを示している。他の波長における性能は同様である。これらの収差は、軸上の位置以外におけるすべての位置におけるイメージング性能を非常に限定する。
【００３１】
図９は、画角の関数として、図５のＧＲＩＮレンズについての単色変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。画角が増加するとＭＴＦが急激に減少することがわかる。最大の画角において、ＭＴＦは１１０ｌｐ／ｍｍ付近にゼロ点を有する。３．３ミクロンピクセル検出器によってキャプチャされた最大空間周波数は、約１５１ｌｐ／ｍｍである。その結果、検出器によってキャプチャされた画質は、視野湾曲の収差と、球面収差と、コマ収差と、非点収差とによる画像位置におおいに依存することになる。
【００３２】
図１０は、画角および対象位置の関数としての、ＧＲＩＮレンズ１２４についてのスポットダイヤグラムを示す。図１０において見られるように、スポットダイヤグラムの形およびサイズが視野および画像面にわたって非常に変化している。この変化はまた、このＧＲＩＮレンズが、そのままで、大きな視野構成において不完全に画像を映し得ることを示す。
【００３３】
レンズを形成する特殊な光学素子表面を通して波面符号化を使用することと、結果として生ずる画像の信号処理とによって、光学と、力学と、環境と、製作と、組立とによる収差の影響は、すべて制御されることができる。信号処理は、物理的に短いイメージングシステムの比較的小さい数の自由度を補うために使用されることのできるシステム全体の自由度を増加させる。
【００３４】
波面符号化を通じて、既製の屈折率分布型（ＧＲＩＮ）の明るい（Ｆ／１）レンズでさえも、広い視野（６０度全視野）にわたって、高い空間解像度（３．３ミクロンピクセル）で画像を映すようにされることができる。波面符号化を使用して変更されたＧＲＩＮレンズを、図１１に示す。図１１は、変更ＧＲＩＮレンズ１３４に入る６０度視野の半分にわたる複数の入力光線（点線の楕円１３２で示す）について、光線パターン１３０を示す。入力光線は、変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５に入り、検出器１３７に隣接して配置されたＧＲＩＮレンズ１３４の裏面１３６に焦点が合わせられる。裏面１３６における光線角度（点線の楕円１３８で示す）は、やはり小さい。検出器１３７は、そこで受信された光信号を電気信号１４０に変換する。電気信号１４０は、信号処理ユニット１４２に導かれる。信号処理ユニット１４２から結果として生じる電気信号１４４は、最終画像１４６を形成するために使用される。
【００３５】
変更ＧＲＩＮレンズ１３４は、変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５の特殊表面の形成だけ、図５のＧＲＩＮレンズ１２４とは異なる。図５の裏面１２６における光束と比較して、図１１の裏面１３６における光束の異なる形状に注目されたい。変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５において形成された特殊表面は、たとえば長方形に分離可能な三次位相変更をインプリメントし得る。数学的に、位相変調は｛α（ｘ＾３＋ｙ＾３）｝として記述される。ここで、αはピークから谷までの約１１波長までの光路差（ＯＰＤ）を与えるために選択される。特殊表面のためのこの形式は、簡単にするために、変更ＧＲＩＮレンズ１３４とともに使用するために選択された。種々の他の表面形式もまた有益かつ可能である。変更ＧＲＩＮレンズ１３４を透過して検出器１３７において検出される光信号は、信号処理ユニット１４２を通して順次処理される。信号処理ユニット１４２は、たとえば、特殊表面によってインプリメントされた位相変更を補正し得る。たとえば、特殊表面が既知の波面符号化要素となるように構成される場合、信号処理ユニット１４２は、波面符号化を通じた光線の透過によって導入される位相変更の空間効果を反転する役割を果し得る。
【００３６】
図１２〜１４は、単一の波長についての視野にわたる、変更ＧＲＩＮレンズ１３４についての光線インターセプト曲線を示す。図１２〜１４におけるプロットのそれぞれの目盛は、−５０ミクロンから＋５０ミクロンである。これらの曲線は光学素子に関するものであり、検出器または信号処理を含まない。性能は他の波長について同様である。図１２〜１４において理解され得るように、光線インターセプト曲線はすべて、画角の関数として基本的に一定である。この結果から、画角の関数としてのシステムからの応答は実質的に一定であると予想され得る。なお、図１２〜１４に示された光線インターセプト曲線の目盛は、図６〜８に示された目盛の１０倍であることに留意されたい。
【００３７】
変更ＧＲＩＮレンズ１３４のＭＴＦを図１５に示す。これらのＭＴＦもまた、検出器または信号処理の影響を含まない。光学素子のみのＭＴＦは、フィールド全体にわたって実質的に一定の振舞いを有することが理解される。このＭＴＦの振舞いは、図９に示すようなＧＲＩＮレンズ１２４の振舞いと非常に異なる。
【００３８】
変更ＧＲＩＮレンズ１３４のスポットダイヤグラムを図１６に示す。これもまた光学素子のみの情報を示し、信号処理を含まない。スポットダイヤグラムは画角および画像面にわたって実質的に一定であることが理解される。スポットダイヤグラムの特定の形は、変更ＧＲＩＮレンズとともに使用される特定の長方形に分離可能な表面プロファイルによって主に決定される。
【００３９】
変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５をＧＲＩＮレンズ１２４の前面１２５から区別する変化は、図１７および図１８の比較によって図示される。図１７は、ＧＲＩＮレンズ１２４の軸上の射出ひとみプロファイル１５０をメッシュ形式で表す。理解され得るように、軸上の射出ひとみプロファイル１５０は、ややカーブしたプロファイルのある実質的に平坦なものである。図１８は、変更ＧＲＩＮレンズ１３４の軸上の特殊な射出ひとみプロファイル１５５を示す。特殊射出ひとみプロファイル１５５は、所望の波面符号化効果に従って透過する光線に対して特定の位相変更を導入するように構成される。図５に示されるように、ＧＲＩＮレンズ１２４の前面１２５および裏面１２６は、実質的に平坦であると考えられる。ピークから谷までのＯＰＤは、図１７に示されるプロファイルについて約２．２波長である。それとは対照的に、変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５は、長方形に分離可能な三次位相変更をインプリメントする表面プロファイルを有する。（ｘ，ｙ）座標において、この表面の形式は｛α（ｘ＾３＋ｙ＾３）｝である。ここで、定数αは所望の表面高さを達成するために調節される。図１８に示す例において、変更ＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５の表面高さは、変更ＧＲＩＮレンズについての軸上のピークから谷までのＯＰＤが約１１波長になるように構成される。図１１の前面１３５上に存在するものの、平坦からのこの小さな偏差は視覚的に見ることは困難である。
【００４０】
変更ＧＲＩＮレンズ１３４を使用して、さまざまな画角について３．３ミクロン検出器を用いてサンプリングした後の画角の関数としての点対象の画像を、図１９〜２１に示す。図１９〜２１に示すように、点対象の画像、または点像分布関数（ＰＳＦ）は、長方形に分離可能なシステムについて特徴的な三角形を示し、さらに、画角の関数としての視覚的変化はほとんど示さない。ピクセル単位におけるＰＳＦの辺の長さは約１０である。
【００４１】
図１１に示すように、検出器１３７において検出される画像は、最終画像形成のために信号処理ユニット１４２を通して導かれる。信号処理ユニット１４２を通して、変更ＧＲＩＮレンズ１３４を通して映された点対象の画像を処理することから生じるＰＳＦを、図２２〜２４に示す。図２２〜２４に示されるＰＳＦを生成するために使用される信号処理は、リニアデジタルフィルタリングである。この信号処理において使用されるリニアデジタルフィルターは、画像フィールドのすべての位置にわたって一定である。図１９〜２１のサンプリングされたＰＳＦのリニアフィルタリングの後、図２２〜２４のフィルタリングされたＰＳＦは、空間的に小型であり、フィールド全体にわたって基本的に一定であることが理解される。図示しないが、対象位置の関数としてのＰＳＦは、対象位置の広い範囲にわたって、変更ＧＲＩＮレンズ１３４について図１９〜２１および図２２〜２４に示されるものと同様であり得る。
【００４２】
信号処理の前後に波面符号化を採用した変更ＧＲＩＮレンズ１３４を使用したイメージングシステムのＭＴＦを、図２５に示す。図２２〜２４におけるように、図２５において図示される信号処理はリニアデジタルフィルタリングである。信号処理の前のＭＴＦは、点線の楕円１６０によって示される下方のグループとして示される。信号処理の後のＭＴＦは、点線の楕円１７０によって示される上方のグループとして示される。ＭＴＦは、視野全体と、３〜１５ｍｍの対象位置の範囲とを代表する。ＭＴＦは、１００％充填率の３．３ミクロン検出器からの理想的なピクセルＭＴＦも含む。図９を簡単に振り返ると、従来のＧＲＩＮレンズを用いたイメージングシステムは一つの測定距離においてさえも質の悪い画像を映し出すことが想起され得る。図２５から理解され得るように、変更ＧＲＩＮレンズを含む変更システムによって生まれるＭＴＦの下方グループ１６０は、すべての画角にわたって、および測定距離の範囲にわたって、信号処理の前に、実質的に一定であることが理解される。すべての視野位置および測定距離にわたって適用される同じリニアデジタルフィルターを使用して信号処理をすることは、上方グループ１７０に示されたＭＴＦを生成する。なお、上方グループ１７０のＭＴＦは、従来のＧＲＩＮレンズからの最もよく焦点が合わされた軸上のＭＴＦと実質的に同じ高さを有することに留意されたい（従来のＧＲＩＮレンズからのＭＴＦが理想的な３．３ミクロンピクセルのピクセルＭＴＦを含むと想定）。
【００４３】
図２２〜２４の画像および図２５のプロットを形成するために使用されたリニアデジタルフィルターを、図２６および２７に表す。図２６は画像フォーマット５００におけるリニアデジタルフィルターの表現を示し、図２７はメッシュフォーマット５５０におけるデジタルフィルターの表現を示す。図２６および２７において理解され得るように、リニアデジタルフィルターは空間的に小型であり、明確な数値がほとんどない。そのようなデジタルフィルターは、ハードウェア処理プラットフォームにおいてインプリメントするのに計算的に効率的である。図２６および２７に示される例において、デジタルフィルターのすべての数値の合計は１に等しい。次に、このフィルターの２乗の値の合計の平方根は、このフィルターの適用後の追加ノイズのＲＭＳゲイン（またはノイズゲイン）に近似を与える。このように計算すると、この例示的なデジタルフィルターについてのノイズゲインは３．２である。
【００４４】
実施例に従って、変更ＧＲＩＮレンズ８０２を作成する製作システム８００の例を図２８に示す。変更ＧＲＩＮレンズ８０２は、従来のＧＲＩＮレンズ８０４を含み、その上に特殊位相面８０６が加えられている。特殊位相面８０６は、以下に限定されるものではないが紫外線硬化型素材、エポキシ樹脂、接着剤、または類似物などの成形可能な素材を使用して、従来のＧＲＩＮレンズ８０４の前面８０８の上に形成される。特殊位相面８０６の形状は、ピン８１２の機械仕上げ面８１０の形状によって決定される。ピン８１２の面８１０は、特殊位相面８０６に所望される表面プロファイルのネガを正確に表すように機械仕上げされる。したがって、成形可能な素材によって取られる形状（およびその結果としての特殊位相面８０６）は、ピン８１２の機械仕上げ面８１０の形状によって決定される。特殊位相面８０６の形状は、たとえば非球面であり得る。すなわち、ピン８１０は、射出成形機において一般的に使用される他のピンと同様である。従来のＧＲＩＮレンズ８０４の製作システム８００への挿入の前に、測定された量の成形可能な素材をピン８１２の機械仕上げ面８１０に加える。カラー８１４は、従来のＧＲＩＮレンズ８０４を把持し、それをピン８１２に対して圧迫する。成形可能な素材として紫外線硬化型素材を使用する場合、たとえば、裏面８１８から従来のＧＲＩＮレンズ８０４を介して紫外線硬化光８１６が導入され得る。従来のＧＲＩＮレンズ８０４の裏面８１８は、さらに薄膜スペクトルフィルター８２０によって被覆され得る。特殊位相面８０６の成形の前に従来のＧＲＩＮレンズ８０４にスペクトルフィルター８２０を加え、なおかつ紫外線硬化型素材を特殊位相面のための成形可能な素材として使用する場合、スペクトルフィルター８２０は、使用される特定の紫外線硬化型素材にふさわしい紫外線硬化波長において光を通過させるように構成されるべきである。さらに、製作後における変更ＧＲＩＮレンズ８０２の容易な取り外しのために、ピン８１２およびカラー８１４は、ＴＥＦＬＯＮなどの非接着素材で被覆され得る。
【００４５】
以下、図２８とともに図２９を参照して、図２８の変更ＧＲＩＮレンズ８０２などの変更ＧＲＩＮレンズの評価のための測定システム８３０を説明する。ピン８１２が取り外された後に、しかしカラー８１４が取り外される前に、点対象、棒グラフ、または他の適切な検査用対象などの検査対象８４２の画像８４０を形成するために、変更ＧＲＩＮレンズ８０２が使用される。顕微鏡対物レンズ８４４は、変更ＧＲＩＮレンズ８０２の裏面８１８上に形成される、結果として生じる画像８４０に焦点を合わせるために使用され得る。顕微鏡対物レンズ８４４は、転送される画像８５０として画像８４０をリモート検出器アレイ８４８上に転送するために、イメージングレンズ８４６と協同する。対物レンズ８４４は任意に、たとえば無限遠補正され（ｉｎｆｉｎｉｔｙ  ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）得る。図２９に示される例において、対物レンズ８４４は無限遠補正されると想定される。カラー８１４を変更ＧＲＩＮレンズ８０２になお接触させながら、検査対象８４２を検出器アレイ８４８上に映すことによって、転送された画像８５０の品質は反復的にチェックされ得る。次に、その特定のレンズの特殊位相面が再加工される必要があり得るかどうかを示すことによって、特定の変更ＧＲＩＮレンズ８０２の品質を向上させるために、測定システム８３０は使用され得る。このようにして、測定システム８３０は、変更ＧＲＩＮレンズの信頼性のある製作を促進するために使用され得る。たとえばＧＲＩＮレンズのグループが作成され、グループとして接触される場合、この種類の製作、検査、および再加工方法が並列して使用され得る。
【００４６】
変更ＧＲＩＮレンズ（たとえば図２の変更ＧＲＩＮレンズ８０２）について、例示的な薄膜スペクトルフィルター応答８７０を図３０に示す。図３０の薄膜スペクトルフィルターについて可能な構成の一例を表１に示す。表１は、この１３層の薄膜帯域通過スペクトルフィルターの層の素材および厚さ（すなわち規定）を列挙する。この１３層フィルターのイメージング通過帯域は、約５０ｎｍである。紫外線通過帯域も、５０ｎｍよりやや小さい幅の帯域幅を有する。フィルター内のさまざまな層の適切な設計によって、スペクトルフィルターのイメージング帯域幅は、可視帯をカバーするのに十分なほど広くされ得る。従来のＧＲＩＮレンズに典型的に結果としてなり得る、結果として生ずる色収差の影響は、波面符号化された前面の設計および最終画像の信号処理によって取り除かれることができる。
【００４７】
【表１】
2014002388.tif 000003
図４を簡単に参照すると、変更ＧＲＩＮレンズ１０４の最大画像サイズは、実際にはＧＲＩＮレンズ容積の範囲内の屈折率変化の範囲によって限定される。０．１の屈折率の変化は、ＧＲＩＮレンズにおいて一般的であると考えられる。０．３の屈折率の変化は珍しいと考えられる。屈折率のそのようにより大きい変化は将来ますます一般的になり得るものの、現在利用可能な屈折率の変化と画像のサイズのバランスをとる必要がある。
【００４８】
大きな対象を映し、ますます大きなサイズの画像を形成する一つのシステムを、図３１に示す。システム９００は、大きな画像を形成するために複数のＧＲＩＮレンズ９０４のグループ９０２を含む。複数のＧＲＩＮレンズ９０４のそれぞれは、たとえば図２８の変更ＧＲＩＮレンズ８０２または従来のＧＲＩＮレンズ８０４であり得る。複数のＧＲＩＮレンズ９０４のそれぞれ一つは、大きな対象９０８の小さな注目視野（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ
ｒｅｇａｒｄ）９０６（すなわち各ＧＲＩＮレンズによって見られる対象の部分）の画像を、検出器９１２上に映す。検出器９１２は、検出された光学画像を画像データ信号９１７に変換する。次に、画像データ信号９１７は、最終画像９１９を生成するために信号プロセッサ９１８において処理される。結果として、最終画像９１９の全画像サイズは、任意の一つのＧＲＩＮレンズを単独で使用して生成され得る画像サイズよりはるかに大きくなり得る。
【００４９】
図３１において、複数のＧＲＩＮレンズ９０４のグループ９０２は、全体の対象９０８の連続した範囲が達成され得るように構成される。各ＧＲＩＮレンズの注目視野９０６は、任意の他のＧＲＩＮレンズの注目視野と重複し得る。システム９００は、オプションとして、個々のＧＲＩＮレンズの注目視野を制御するためのステアリング光学素子９２０を含み得る。ステアリング光学素子９２０は図３１の屈折構成において示されるが、他の構成も使用され得る。たとえば、回折構成において、ステアリング光学素子９２０は、光学補正のための追加の表面変化とともに、一つ以上のプリズムを含み得る。そのようなプリズムもまた、ＧＲＩＮレンズのグループの前面に直接搭載され得る。ステアリング光学素子９２０もまた、光学倍率を表すように、かつ、いくらかの収差釣合わせを行うように構成され得る。
【００５０】
以下、図４とともに図３１を参照すると、図４のＧＲＩＮレンズ１０４の前面に加えられた波面符号化表面は、たとえば次の３つの方法のうちの一つにおいて、図３１のシステム９００においてインプリメントされ得る。１）非球面は、ステアリング光学素子９２０の一部などの分離屈折および／または回折ステアリング光学素子に加えられ得る。２）非球面は、グループ９０２の複数のＧＲＩＮレンズ９０４の一つずつの前面に直接加えられ得る。または、３）イメージング波面上のカスタマイズされた前面１０６の影響は、グループ９０２のそれぞれ個々のＧＲＩＮレンズの設計に統合され得る。なお、３番目に列挙された方法は、図２８に示される製作方法に示されたように、各ＧＲＩＮレンズの前面または裏面において搭載されるかまたは形成される特殊な非球面を必要としなくあり得ることに留意されたい。
【００５１】
さらに図３１を参照すると、オプションの補正プレート９２２または単純に自由空間が、ＧＲＩＮレンズ９０４のグループ９０２と検出器９１２との間に配置され得る。たとえば、回折素子または体素が補正プレート９２２として使用される場合、各ＧＲＩＮレンズからの追加の収差は緩和され得る。補正プレート９２２の代わりに自由空間が使用される場合、自由空間を通した伝搬の効果が、個々のＧＲＩＮレンズ間のサブ画像境界を滑らかにするのに役立ち得る。さらに、ＧＲＩＮレンズ間の境界は、視野絞りとして作用するために黒くされ得る。
【００５２】
図３１を参照し続けると、各ＧＲＩＮレンズ９０４は異なる注目視野９０６を画像に映すので、個々のＧＲＩＮレンズおよびそれらに対応する波面符号化光学素子は、広い視野のために特別に設計され得る。さらに、それぞれの個々のＧＲＩＮレンズの光学特性は、そのＧＲＩＮレンズが対象から光を受け取る特定の入射角において良好に画像を映すようにカスタマイズされ得る。このようにして、軸上で見るＧＲＩＮレンズおよび軸外で見るＧＲＩＮレンズに固有の収差は最適に制御され得る。最終画像９１９を生成するための信号処理９１８も、それぞれの個々のＧＲＩＮレンズについてカスタマイズされ得る。適用される信号処理は、たとえば図２６および２７において説明されたリニアフィルタリングと同様であり得る。
【００５３】
図３１とともに図３２を参照して、（波面符号化を採用する）ＧＲＩＮレンズシステムのグループの他の形態を図３２に示す。図３２に示すこのシステムは、ステアリング光学素子を除いて図３１のシステム９００と同様である。図３１のシステム９００と同じように、システム９５０は複数のＧＲＩＮレンズ９５４のグループ９５２を含む。しかし、システム９００とは異なり、システム９５０は、対象９５８の異なる注目視野９５６が検出器９１２の前のある距離において交差するように構成されたステアリング光学素子９５５を含む。システム９５０のこの配置は、検出された画像の信号処理において信号プロセッサ９６４に課される要件の一部を低減するのに役立つ。ＧＲＩＮレンズ９５４のグループ９５２の倍率は、画像が反転されるように負であり得る。図３１において、光軸からより遠い対象９０８の部分（すなわち検出器９１２の中心からの表面法線）には、単一のＧＲＩＮレンズについて光軸により近い検出器９１２上に画像が映されることが理解され得る。次に、信号処理９１８は、各注目視野９０６から生じるサブ画像を分類することと、倍率を補正することとが要求される。図３２のシステム９５０は、光軸からより遠い対象９５８の部分ほど特定のＧＲＩＮレンズにおける光軸からより遠くに画像が映されるので、この倍率の問題を有しない。したがって、結果として生ずるサブ画像は反転される必要がない。
【００５４】
図３１および３２を参照し続けると、図３１の信号処理９１８および図３２の信号処理９６４は、それでもやはり、波面符号化に起因する画像に固有のぼやけを取り除くことのみならず、好ましくない歪みと、画角により起こり得る照度の低下とを取り除くことをしなければならないことになる。照度が低下するように、ＧＲＩＮ光学素子によって画像フィールドが増加するにつれて、歪みが一般的に増加することが認められる。歪みおよび照度の補正は、ぼやけの除去の前または後に行なわれ得る。ぼやけの除去は、たとえば図２６および２７に図示された単純なリニアフィルターを用いて達成され得る。
【００５５】
図３３に示されるような微小光学素子に反射を導入することによって、反射イメージングシステム９８０の、結果として生ずる全体の長さＤが低減され得る。図３３に図示される例において、反射光学素子９８２は第１の表面９８４を含み、第１の表面９８４はたとえば屈折性または回折性であるかまたはフレネルレンズを含み得る。反射光学素子９８２は、反射光学素子９８２を通過する光９９０の波面をさらに変更するために利用され得る追加の反射面９８６および９８８をも含む。開口絞り（図示せず）は、複数の反射面のうちの一つにまたはその近くに追加的に位置され得る。さらに、追加の位相変更は、最終面９９２において導入され得る。反射光学素子９８２を形成する素材は、ＧＲＩＮ素材、一般的な体素、または均一の素材であり得る。反射面９８６および９８８の存在によって追加の自由度が反射光学素子９８２に導入されると、これらの追加の反射面は、ＧＲＩＮ素材または一般的な体素素材を均一な素材で置換する場合、自由度の低減を相殺するためにさらなるカスタマイズ化可能性を提供し得る。反射イメージングシステム９８０は、システムが実質的にテレセントリックであるように構成され得る。すなわち、検出器９９４における結果として生ずる入射角が小さいように、反射光学素子９８２を通る主光線角度は小さくされ得る。それによって、反射イメージングシステム９８０が実質的にテレセントリックシステムとして振舞うことを確実にする。反射イメージングシステム９８０を透過する光線の主光線角度は、検出器の強度損失を低減させるためにさらに制御され得る。屈折面または回折面も、反射光学素子９８２の他の表面上にインプリメントされ得る。最終表面９９２が平坦に保たれる場合、反射光学素子９８２は、図４の変更ＧＲＩＮレンズ１０４と同様の態様で、検出器９９４の表面に直接搭載され得る。検出器上に直接に、または同等に検出器のカバープレート上に搭載することは、システムの製作公差をおおいに低減し得る。しかし、イメージングシステム９８０を検出器９９４上に直接搭載することが非実用的である場合、イメージングシステム９８０は検出器からある距離を離れて搭載されることもあり得る。
【００５６】
図３４〜３６は、図３１および３２において大まかに示された光学部品の他の構成を図示する。前に論じたように、特殊なＧＲＩＮレンズのグループが、図３１および３２の基礎として使用される。一般的に、ＧＲＩＮレンズアレイの代わりに使用され得るイメージング構成に多くの他の種類がある。すなわち、個々の光学素子のグループを使用して、図３１および３２に記述された構成と同様の機能性が達成され得る。たとえば、図３１および３２のグループ化されたＧＲＩＮレンズ９０２および９５２の代わりに、グループ化された光学素子は、図３５の小型レンズアレイ１２１０にグループ化された図３４の単純な小型レンズ１２０１であることができる。小型レンズ１２０１を通して、光束（点線の楕円１２０５によって示される）が透過し得る。アレイの表面形態は、ＧＲＩＮレンズによって達成されて図１１〜２５において示されるイメージング性能の種類が、小型レンズアレイを用いて達成され得るように、波面符号化を含む一般化された非球面光学素子であり得る。アレイが光軸に沿って積み重ねられることによって、結果としてますます高い品質のイメージングになるように、多数の小型レンズアレイも使用され得る。アレイ上に形成された特徴を搭載することを通して、または分離したアレイスペーサーを通して、光軸に沿ったイメージングアレイの分離は維持されることができる。アレイスペーサーは基本的に、アレイ光学素子の屈折率とは異なる屈折率のある光ディスク、または、場合により、アレイ光学素子の光軸に中心のある穴のある非光ディスクである。
【００５７】
図３６は、図３１および３２のグループ化されたレンズ９０２および９５２において使用されることのできるもう一つの光学構成を示す。図３６において使用される折りたたみ光学素子（ｆｏｌｄｅｄ  ｏｐｔｉｃｓ）１２２０は、光軸の経路を折り曲げる作用をし、反射面における追加の光学的自由度と、検出器面の方向づけの変化との両方を可能にする。結果として、折りたたみ光学素子１２２０を通過する光線１２２５の束は、入射方向から約９０度離れた方向に向け直される。そのような折りたたみの光学的構成は、搭載およびアラインメントを単純化するために、単一の物理的構成要素を用いて構築されることができる。
【００５８】
これまでに記述された小型光学素子は、一般的に、光が通過する素材の単一層よりも多くを有する。図３１および３２において、３つの異なる層が示される。第１の層（９２０および９５５）は、補正光学素子およびステアリング光学素子として作用することが示される。グループ光学素子９０２および９５２は、光を集めて検出器に向けて転送する。層９２２は、さらなる補正プレートとして作用する。図３１および３２の９００および９５０と同様のシステムにとって重要な構成要素がアレイにわたっておよび沿って反復されるように、これらの層のそれぞれはアレイ様式において製作され得る。システム９００および９５０に適切な個々の構成要素は、アレイから必要な構成要素を切削またはダイシングすることによって獲得され得る。周知であるように、ＣＭＯＳセンサーなどの電子センサーは、シリコン基板またはウェーハ上にアレイ様式において製作される。個々のセンサーは、切削またはダイシングによってウェーハから獲得される。
【００５９】
図３７は、小型光学システムの一般的なアレイの表現を示し、図３１および３２のシステム９００および９５０はその特有の例である。図３７は、積み重ねられたウェーハのシステム１２３０を示す。製作された光学素子のアレイは、図３７の１２３２および１２３４として「ウェーハ光学素子」とも呼ばれることができる。ウェーハ光学素子１２３２および１２３４において、それぞれの菱形１２３３はセンサーレベルにおける光学素子を表す。補正器として作用する光学素子のアレイは、図３７のウェーハ１２３６におけるように「補正素子のウェーハ」と呼ばれることができる。補正素子のウェーハ１２３６において、詳細はピクセルレベルにあり、反復はセンサーレベルにある。反復規模およびすべてのウェーハ光学素子の空間的位置がＣＭＯＳウェーハ１２３８のアラインメントと整合する場合、ウェーハ光学素子および電子機器の全体のセットが共に接合されて、イメージングシステムのアレイを形成する。ＣＭＯＳウェーハ１２３８において、それぞれの四角１２３９は一つのＮ×Ｍピクセルセンサーを表す。このアレイがダイシングされ得ることによって、組み立てられた光学素子および電子機器の完全なセットとなる。すなわち、ウェーハは共に接合され得て、積み重ねられたものは個々のセンサーおよび光学素子にダイシングされる。一般的に、イメージング光学素子および補正光学素子の機能は、一つ以上の個々のウェーハを用いて実現され得る。これらの素子の特定の設計は、増加された光キャプチャおよび光感度に対して、センサーピクセルの設計を用いて最適化され得る。
【００６０】
図３１および３２を簡単に振り返り、それぞれ図３１および３２のステアリング光学素子９２０および９５８などの補正光学素子およびステアリング光学素子の詳細がさらに詳細に論議される。補正光学素子およびステアリング光学素子は、これまでに記述されたイメージングシステムと組み合わせて使用される場合、さらなる利点を提供する追加の機能性とともに設計され得る。
【００６１】
図３７の補正光学素子のウェーハ１２３６およびＣＭＯＳウェーハ１２３８は、図３８によってより完全に記述されることができる。図３８は、光学素子および電子機器の組み合わせを含むサブシステム２０１０を断面図において図示する。サブシステム２０１０は、上部で検出器アレイを支持するＣＭＯＳウェーハ２０１２を含む。検出器アレイ２０１４は、ＣＭＯＳウェーハ２０１２にわたって分散された複数の検出器ピクセル２０１６を含む。サブシステム２０１０は、検出器アレイの光キャプチャを増加させるための小型レンズアレイ２０１８をさらに含む。さらに、サブシステム２０１０は、参照番号２０２０によって一般的に示される光線補正装置を含む。光線補正装置２０２０は、図３７の補正素子のウェーハ１２３６のもう一つの例である。図３８に示す実施形態において、光線補正装置２０２０は、補正素子２０２４が取り付けられた透明基板２０２２を含む。補正素子２０２４は、一つの光学素子か、または回折格子、屈折素子、ホログラフィック素子、フレネルレンズ、および他の回折素子を含むがそれらに限定されないさまざまな光学素子の組み合わせであり得る。光線補正装置２０２０は、入射光（矢印２０３０によって示される）が入射角θｉｎの広い範囲にわたって受け取られ得て、さらに複数の検出器ピクセル２０１６のうちの一つに到達し得るように、構成される。すなわち、光線補正装置２０２０が存在する場合は、存在しない場合よりも、入射角θｉｎに関わらずより多くの入射光２０３０が検出器ピクセルアレイ２０１４に到達し得る。基本的に、入射光２０３０を示す矢印を入射光２０３０の主光線として考えると、光線補正装置２０２０は、たとえ垂直入射から非常にはずれて入射する場合でも、入射光が複数の検出器のうちの一つに到達し得るように、実質的に主光線の非理想的な入射角を補正する。このようにして、サブシステム２０１０は、かなり広い入射角の円錐にわたって入力光を受け入れ得て、それでもなお効率的に機能し得る。図３８に示される実施形態において、補正素子２０２４は、色分散およびピクセルクロストークを最小限にするために、小型レンズアレイ２０１８に十分近くに位置されるべきである。
【００６２】
比較のために、光線補正装置のない従来技術の検出器アレイサブシステムを図３９に示す。図３９は、検出器アレイシステム２０３５の部分の断面図を示す。図３８におけるのと同様に、主光線２０３２を含む入射光線２０３０が、入射角θｉｎで小型レンズアレイ２０１８の部分に入射する。検出器アレイシステム２０３５においては何らの光線補正も存在しないので、入射光は検出器に当たらずに結果として損失され、それによって感知される照度を低減させるように、小型レンズアレイ２０１８は入射光線２０３０を検出器２０１６間の一点に焦点を合わせる。広い入射光線角から検出される光を増加させる一般的な方法は、小型レンズ２０１８の光学的中心をピクセル２０１６に対して移動させることを含む。小型レンズの光学的中心を移動させることは性能をいくらか改善する一方で、一般的なピクセル構造の三次元性質によって引き起こされる口径食のために、可能な性能における改善は限定される。したがって、図３８に示されるような、光線補正装置２０２０を含むサブシステム２０１０は、光線補正装置を含まない従来技術のシステムに対して、性能における著しい改善を提供する。
【００６３】
以下、図３８とともに図４０および４１を参照して、検出器アレイシステムにおける補正素子の存在の効果の詳細を図示する。まず図４０を参照すると、サブシステム２０３７は、入ってくる光が小型レンズアレイに衝突する前に、補正素子２０２４を含む。補正素子２０２４は、入射角θｉｎで入射光線２０３０を受け取る。補正素子２０２４は、入射光線２０３０が補正素子２０２４を通過した後で、入射光線が検出器のうちの一つに焦点が合わさられるように、垂直に近い角度で小型レンズアレイ２０１８に向けられるように、垂直から外れた入射を補正するために構成される。
【００６４】
図４１は補正素子を含む同様の構成を示すが、図４０とは異なり、補正素子が小型レンズアレイの後の入射光線伝搬の経路に置かれる。図３９におけるように、図４１における小型レンズアレイは、検出器ピクセル２０１６間の一点に入射光線２０３０の焦点を合わせ始める。しかし、図４１の補正素子２０２４は、次に光線が検出器２０１６のうちの一つに当たるように、結果として生ずる光線の伝搬の方向を補正する役割を果すことにより、検出される照度を最大にする。
【００６５】
図４２および４３を参照して、本開示に従った光線補正装置に対する装飾を示す。図４２は、複数の補正素子および透明基板を含む光線補正装置２１２０を含む検出器システム２１００を示す。図４２に示す例において、光線補正装置２１２０は、複数の補正素子２１２２、２１２４、２１２６、２１２８および２１３０を含む。これらの補正素子は、複数の透明基板（補正素子２１２４および２１２２を支持する透明基板２０２２、および補正素子２１２８および２１３０を支持する透明基板２１３２など）によって支持され得るか、または独立的に位置され得る（補正素子２１２４および２１２６など）。複数の補正素子を積み重ねることは、たとえば主光線の広い範囲、波長のより広い範囲、またはより高い回折効率について、より多くの補償が達成され得るように、単一の補正素子を用いて可能であり得るよりもなお一層の光線補正効果を生み出す。検出器２０１６は、たとえば単色検出器および多色検出器を含み得る。
【００６６】
図４３は、図４２の検出器システム２１００と同様の構成を示すが、カラーフィルターアレイをも含む。図４３の検出器システム２２００は、色分解のためのカラーフィルター２２５０のみならず、検出器アレイ２０１４と、小型レンズアレイ２０１８と、積み重ね構成における複数の補正素子および透明基板を含む光線補正装置２２２０との組み合わせを含む。光線補正装置２２２０における複数の補正素子は、光線補正装置によってもたらされる光線補正がカラーフィルターにおける色に対応するさまざまな波長について調整されるように構成され得る。たとえば、光線補正装置２２００は、緑色の光を検出するために構成された検出器／カラーフィルター組合せを特に介するように入射光線の緑色成分が向けられるように構成され得る。
【００６７】
図４４〜４６は、本開示の光線補正装置における補正素子として使用するのに適切な素子形態の３つの例を図示する。図４４は、半径方向の次元の関数として、変化する主光線角度を補正するための屈折素子２３０２を示す。そのような屈折素子の例はフィールド補正器である。図４５は、光学倍率があるかまたはないフレネルレンズ２３０４を示す。フレネルレンズ２３０４は、屈折素子２３０２と同様の効果を提供するが、光軸に沿って屈折素子よりも一般的に薄くあり得る。フレネルレンズ２３０４は、主光線補正効果を提供する畝つき表面２３０６を含むことが示される。図４６は、空間的に変化する回折格子周期のある表面２３１２を含む回折素子２３１０を示す。回折素子２３１０は、たとえば主光線角度の任意の変化について補正するために構成され得る。図４２および４３に示されるように、より大きな設計柔軟性のためにさまざまな補正素子が組み合わせられ得る。
【００６８】
図４７を参照して、ＣＭＯＳウェーハ２０１２上に配置される補正素子２４２０のアレイを含む検出器システム２４００の平面図を示す。たとえば図３８に示されるように、ＣＭＯＳウェーハ２０１２は複数の検出器ピクセル２０１６を含む。検出器ピクセルの形状は単純な四角形あるいは長方形ではないことに注目されたい。一般的に、ピクセルの形状はきわめて複雑であり得る。補正素子２４２０のアレイは、入射する光について光線補正を提供するために、複数の検出器にわたって配置されている。補正素子２４２０のそれぞれの形状および表面形態は、入射光線のサイズおよび形状と、検出器ピクセルの形状とについて調製され得る。
【００６９】
図４８および４９は、例示的な補正素子による光線補正のメカニズムを図示する。図４８に示されるような補正素子２５０２は、光２５０４を受け取るための回折素子である。光２５０４は、補正素子２５０２の上面２５０６に入射角θ１で衝突する。光２５０４は、補正素子２５０２の畝つきの底面２５０８から出るときに、入射角θ１よりも小さい出力角度θ２で出てくる。そのような補正素子は、本開示の光線補正システムにおいて使用されるのに適切であり得る。
【００７０】
補正素子２５０２に対する変化において、図４９の補正素子２５１２は、上に反射抑制被覆２５１６が堆積させられた上面２５１４を含む。反射抑制被覆２５１６は、特定の被覆設計に依存して、入射角θｉｎが９０度未満の任意の角度であり得るように、垂直から離れた広い角度の円錐からの光の結合を可能にする。補正素子２５１２は底面２５１８をさらに含む。底面２５１８は次に、複数の交互の屈折面２５２０および移行面（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ）２５２２を含む。屈折面は、光２５０４を適切な出力角度θｏｕｔに方向付ける所望の光線補正をもたらすために、場合により曲面を用いて設計される。移行面は、移行面によって最小限の光が散乱させられるように勾配がつけられる。たとえば、移行面は、補正素子のその特定の点における主光線の入射角に近いように設計され得る。屈折面および移行面の方向付けは、平行光線というよりも光の入射円錐を提供する入力光学素子を含む光源などの、所定の種類の光源のために調製され得る。屈折面の光学的形状は、使用される特定のイメージング光学素子のために調製されることもできる。
【００７１】
図４９の補正素子２５１２などの補正素子の他の側面は、イメージングレンズシステムおよびセンサー上の位置に特定の周囲光線のみならず、主光線の制御である。たとえば、この問題の説明となる図５０を考慮されたい。図５０に示されるシステム２６００において、補正素子２０２４は、主光線が小型レンズ２０１８およびカラーフィルター２２５０を通過した後、主光線２０３２がウェーハ２０１２上のピクセル２０１６によって集められるように、主光線２０３２を導く作用をする。図５０は、説明を簡単にするために、補正素子２０２４に対して垂直な主光線を示す。一般的に、主光線および他の光線は、任意の角度で補正素子２０２４に入射し得る。光線２６３２は、主光線２０３２から離れた角度にあることが理解される。光線２６３２は、略円錐からの周縁光線として、または主光線２０３２の周囲に大まかに集まる光線として考えられ得る。明るいイメージングシステムについては、周縁光線は主光線に対して大きな角度になる。波面符号化されたイメージングシステムについては、周縁光線は、主光線からの大きな不均等な偏差および均等な偏差を有し得る。補正素子２０２４が主光線２０３２を導くためだけに設計される場合、周縁光線２６３２はセンサー２０１６によって検出されない大きな可能性を有する。この状況は、対象とセンサーとの間のイメージングシステムの知識を用いた補正素子２０２４の適切な設計によって回避され得る。
【００７２】
図５１および５２は、レンズシステムの知識を通して周囲光線のみならず主光線も補正する特殊な補正器、すなわち図５０の補正器２５１２の改善版の二つの表現を図示する。図５０とは対照的に、光線の全体範囲がウェーハ２０１２上のピクセル２０１６によって集められるために小型レンズ２０１８およびカラーフィルター２２５０を横切るように、主光線２０３２に加えて、図５１の周縁光線２６３２が補正器２０２４によって補正される。補正器２０２４は、レンズシステムの知識を通して、あるいは同等に、画像を形成するレンズシステムによって生成される波面の知識を通して、主光線２０３２およびすべての他の光線を補正する。
【００７３】
図５２は、図５１の構造の波面表現を示す。波面２６５２は、レンズシステム（図示せず）から伝送され、一般的に照明の波長および画面上の位置に依存する。図５１の補正器２０２４の後、波面２６５４は波面２６５２と比較すると実質的に平坦である。波面２６５４は、照明が小型レンズおよびカラーフィルターを通過した後に検出器ピクセル２０１６の範囲内に到着するのに十分なほど平坦であればよい。より大きな検出器ピクセル２０１６、あるいはより不正確な小型レンズ２０１８は、より平坦な波面２６５４を必要とする。小型レンズ２０１８の後、ピクセル２０１６に向かって全体的に集束する波面２６５６が生成される。
【００７４】
図５３は、波面の説明を通して、レンズシステム２１００を含めて、図５１のより一般的な場合を示す。システム２７００において、対象２７０２からの照明光線２７０４は、レンズシステム２７１０によって集められる。レンズシステム２７１０は、複数の光学素子２７１４を含む。このレンズシステムは、特定の照明色と、画像上の位置および／または対象２７０２の位置とについて、波面２７５２によって表されるすべての他の光線とともに主光線２０３２および他の光線２７３２を形成する。補正器２５５４は、図５１に示される補正器と同様に、局所的な波面の傾きの多くを取り除き、特定の検出器ピクセル２０１６に向かって全体的に集束するより平坦な波面２７５６を生成するように作用する。次に、レンズシステム２７１０からの光線は、ウェーハ２０１２上のピクセル２０１６によって集められる。補正器は、波面２７５２の湾曲を実質的にキャンセルするためと、最大限の光線が検出器ピクセルの領域に当たることを可能にするより平坦な波面２５５６を生成するために、照明色および空間的位置の関数として波面２７５２の知識を使用する。焦点の合わせられた画像はフォーマットされる必要はない。重要なことは、有効な領域内のどこかの検出器ピクセルに光線が当たることである。波面キャンセルは、たとえば、相補的な表面形状、補正器の容積変化、およびホログラムを通して実行され得るが、これらに限定されない。
【００７５】
図５４は、図５１のシステムに対するもう一つの変更を示し、今回は小型レンズが補正器２０２４の中に組み込まれている。システム２８００において、補正器２８１０は、カラーフィルター２２５０の後で、補正素子２８１０の前の広い変化の光線がウェーハ２０１２上のピクセル２０１６において検出可能であるように、レンズシステム（図示せず）からの波面と、さらに主光線２０３０および周縁光線２６３２とを実質的にキャンセルするように作用する。補正器２８１０は、一つ以上のピクセルにわたって反復する湾曲した表面を有するように示される。湾曲した表面は、図５１のように、別な方法では小型レンズによって提供され得る湾曲のみならず、レンズシステムからの波面をキャンセルするために必要とされる湾曲も表すことができる。このようにして、補正器は、レンズシステムとウェーハ２０１２との間の光学素子のみであり得る。あるいは、カラーフィルター２２５０は、カラーイメージングシステムにおける補正器２８１０の上または中にも統合され得る。補正器２８１０は屈折表面を有するように示されているが、容積ホログラフィック素子がそうであるように、フレネル表面および回折表面も等しく適切である。
【００７６】
図５５〜６４は、図４３におけるようなカラーイメージングシステムにとって特に適切な補正素子を形成するさらなる方法を記述する。これらの補正素子は、単独で使用され得るか、または小型カメラシステムにおける図４４〜５４の光線補正素子の種類とともに使用され得る。図５５〜６４の補正素子の特に重要な特徴は、色分解である。色分解は、異なる光の色が適切なカラーフィルターまたはピクセル位置に向けて空間的に導かれるように使用され、色分解を使用しない場合と比較して、光キャプチャが非常に増加されるようにする。
【００７７】
現在一般的なイメージングシステムにおいて使用されるカラーフィルターの使用を考慮されたい。異なるピクセルは、異なるカラーフィルターを典型的に有する。そして、最終カラー画像を形成するために、信号処理を用いて多数の色がそのとき使用される。一般的なカラーフィルターのアレイパターンは、バイヤー（Ｂａｙｅｒ）パターンと呼ばれ、赤色と緑色と青色とのフィルターから成る。バイヤーパターンを図６０に示す。従来技術のイメージングシステムにおいて、対象を表す光のすべての色が、すべての関連するピクセルに入射する。特定のピクセルと画像におけるカラーフィルターの位置とが対象の白色と一致する場合、白色光がこの特定のピクセルおよびカラーフィルターに入射する。この特定のカラーフィルターの色がたとえば赤である場合、カラーフィルターは青と緑の光子を除去するように作用するので、入射する白色光の光子の約１／３のみがこのピクセルによってキャプチャされる。色分解を提供するために構築および配置された補正素子は、主に赤の光子が赤にフィルタリングされたピクセルに入射し、主に緑の光子が緑にフィルタリングされたピクセルに入射し、主に青のフォトンが青のピクセルに入射するように、入射光を空間的に分離し得る。赤、緑および青以外の任意の他の種類の色空間はこのようにして構成されることができるので、赤、緑および青の一定の割合が分離され、一定のピクセルに向けて導かれる。その結果として、入射光子のより大きな一部分がキャプチャされ、より高い信号強度が低い光イメージング性能を非常に増加させることを可能にする。
【００７８】
図５５および５６は、本開示に従った２段階色分解サブシステムの概念図を示す。実際には、２段階システムではなく１段階色分解システムがときどき必要である。図５５および５６のサブシステムは、反復されたウェーハ構成において、図３７の補正素子１２３２のウェーハの例である。第１の補正素子（第１の補正素子２８５５）に入射する照明は、２８５０として示される。この照明は、一般的に、画像を映されるシーンと、レンズシステムと、センサーの空間的位置とに依存する割合において、赤と緑と青との成分を有する。緑の成分は、図５５および５６において、Ｇ１およびＧ２という２つの成分として表される。Ｇ１は、緑、赤／緑の色である。Ｇ２は、緑、青／緑の色である。説明を簡単にするために、照明２８５０は第１の補正素子２８５５に対して垂直であるように示される。正面図に示されるように、第１の補正素子２８５５の後、および第２の補正素子２８６５の前に、Ｒ（赤）およびＧ１の照明成分がＧ２およびＢ（青）の成分から分離されて、照明２８６０になる。図５６の対応する側面図は、第２の補正素子２８６５の前に照明２８６０の分離がないことを示し、第１の補正素子２８５５によって１次元的な分離がもたらされたことを示す。第２の補正素子２８６５の後、図５５の正面図は、照明２８７０の色分解において変化がないことを示す（すなわち、正面図において照明光線の方向は第２の補正素子２８６５によって変化されない）。とはいえ、図５６の側面図は、照明２８７０の（Ｒ／Ｇ１）成分および（Ｇ２／Ｂ）成分の追加的な色分解を確かに示す。第１の補正素子２８５５による色分解は、第２の補正素子２８６５による分離と９０度異なる。第１および第２の補正素子の後、入射照明２８５０は、４つの空間的に分離した色成分２８７０に分離された。第１および第２の補正素子は、図４３の素子２０２４および２１２２におけるように、基板２０２２を間に挟んで、基板の対向する面にあり得る。さらに、１次元的な分離をもたらす２つの補正素子は、２次元的な色分解をもたらす単一の補正素子に組み合わせられ得る。補正素子は、たとえば変更された表面または容積光学素子を有する基板であり得る。
【００７９】
図５７〜５９は、図５５および５６の色分解の性質を追加的に図示する。最初に、第１の補正素子の前において、入射照明２８５０は実質的に空間的に均一である。図５７に示すように、照明２８５０の光束は、円形の輪郭の範囲内に収まるように描写される。図５８に示されるように、第１の補正素子２８５５の後、しかし第２の補正素子２８６５の前に、照明２８６０は、今度は２つの領域２８６２および２８６４に分裂される。（Ｒ／Ｇ１）照明成分（領域２８６２）は、照明成分（Ｇ２／Ｂ）（領域２８６４）から分離される。これらの照明成分の光束は、滑らかで重複するように示される。たとえ照明成分の一部について照明成分の密度のみが増加させられたとしても、既存の技術に対する利点は達成され得る。図５９において、第１および第２の補正素子（２８５５および２８６５）の後、照明２８７０はさらに空間的に分離される。Ｂ、Ｇ２、Ｇ１およびＢの成分は、４つの空間的に分離した空間領域（２８７２、２８７４、２８７６および２８７８）において、より高い強度を有する。明確にするためだけに、これらの領域は重複しないように示されるが、実際の装置においては、これらの領域のわずかな重複は可能である。すなわち、隣接するピクセルにおける色の任意の高い割合は、改善された色分解に対応する。色分解された領域が図４２の２０１６などの個々の検出器ピクセルに対応する場合、２×２ピクセル領域における各ピクセルは、特定の照明スペクトルの光子をサンプリングすることになる。分離された色が個々の検出器ピクセルのカラーフィルターと整合する場合、増加された量の照明が検出器によってキャプチャされることになる。
【００８０】
たとえば、図６０の２×２領域２８８０の北西のピクセルが赤のカラーフィルターを有すると仮定されたい。すると、図６１における照明２８８０の分離した色がこの位置において赤である場合、この特定のピクセルは、照明が色分解されない場合よりも、入射光子のより多くの部分をキャプチャすることになる。これは、光キャプチャおよび低い光イメージング性能を直接改善する。分離された色の空間的パターンが十分に明確にされることができる場合、図４３のカラーフィルターアレイ２２５０はもはや必要とされない。補正光学素子のみを用いた色分解は、任意の所望の方法で空間的な照明スペクトルを整形するために使用されることができる。色Ｒ、Ｇ１、Ｇ２およびＢの代わりに、分離された色は任意の所望の混合であり得る。たとえば、マゼンタ、黄色およびシアンの３色は、色分解されることができるし、Ｒ、ＧおよびＢのカラーフィルターなしに使用された場合、画像の新しいカラーサンプリングを生成し得る。
【００８１】
補正素子を用いて色分解を達成するために使用され得る多くの方法がある。図６２は、波長によって照明を空間的に分散させる一つの方法である分散プリズム（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｐｒｉｓｍ）を示す。プリズムは、色を空間的に分散させるために、光学材料の分散（すなわち照明波長の関数としての屈折率における変化）を使用する。小型カメラの小さな性質を考慮すると、分散プリズムのみでは一部のシステムについて実際的な解決を提供しない場合もある。
【００８２】
色分解について分散プリズムと同様の特性を有する補正素子のサイズを縮小し、そのコストを低減させるためには、図６３および６４に示すような回折型の構造が使用され得る。図６３および６４は、波長によって照明を空間的に分散させる小型の方法を図示する。周知であるように、回折構造は、分光器などの器具において照明成分を空間的に分離するために一般的に使用される。図６３に示されるような単純な２段階のバイナリー回折構造でさえ、その色に関連して照明成分を回折することになる。色成分がそらされる角度は、波長に直接依存する。より複雑な回折構造は、望ましくない方向または次数において回折する光の量を制御することによって、より効率的に色成分を分離することができる。これらはしばしばブレーズド構造と呼ばれる。ブレーズド回折構造を図６４に示す。これらの回折構造は、２つより多い段階を有し得るし、空間位置の関数として変化する構造の高さを有し得る。ますます精巧な構造は、図５５および５９に図示される空間的な色分解により厳密に近似し得る。
【００８３】
図６５〜７０は、画像ＳＮＲを等しくするために波面符号化を用いたイメージングシステムの射出ひとみの構成、すなわち、測定距離の関数として、あるシステムについての検出の確率を説明する。多くのタスクに基づいたシステムは、離れた対象から特殊な情報を取得するために使用される。これらのタスクに基づいたイメージングシステムは、一般的に人間の眼にとって理想的な画像を形成しない。一つの例示的なタスクに基づいたシステムは、バイオメトリックイメージングシステムであり、具体的には虹彩認識システムである。もう一つの例は、画像追跡システムである。両方の場合において、離れた対象は一定量の放射を放射または反射している。これらの例示的なシステムにおけるイメージングシステムは、ノイズ、不正確な光学素子および機械的構造の存在において、それぞれ虹彩コードまたは対象（ｘ、ｙ）位置などの特殊な情報を獲得するために構成される。理想的には、高い精度で、かつ大きな対象容積にわたって等しく良好に、情報が獲得されることができる。場合によっては、対象容積の範囲内において情報が獲得される精度または正確さを指定することが望ましくあり得る。たとえば、容積のどこに対象が位置しているかに依存して、情報はより重要であると判断され得る。情報の最も高い精度の推定は、対象容積の範囲内の重要な位置に対応するように設計され得る。これは、たとえば無限大から１．５メートルまでの画質が、たとえば１．５メートルから１０センチメートルまでの画質よりも重要である場合に、一般的なイメージャにおいても有用である。
【００８４】
見る人間のために大きな対象容積にわたり一般的なシーンの画像を映す場合、光学素子の特性が対象容積にわたって一定であるように、イメージングシステム、または容積が十分に大きい場合には波面符号化されたシステムを構成することが好ましいとしばしば考えられる。広範な対象容積にわたって基本的に同じ数値を形成するために、たとえば変調伝達関数または点像分布関数が構成される。
【００８５】
一次元的な三次位相イメージングシステムに理想的なレンズを加えたものは、この概念を説明することができる。このシステムについて、理想的なレンズに加えられた位相プロファイル、すなわち射出ひとみは、ある定数αについてｐ（ｙ）＝αｙ＾３である。パラメーターｙは、理想的な一次元レンズに沿った空間的位置を示す。レンズの開口部にわたり変化する位相プロファイルは、理想的なレンズにわたる連続的に可変の焦点距離の変化として考えることができる。レンズの焦点距離はレンズ位相の二次導関数によって近似されることができるので、三次位相システムにわたる焦点距離における変化は、次のように記述されることができる。
焦点距離（ｙ）〜ｄ＾２ｐ（ｙ）／ｄ＾２＝６×α×ｘ＝β×ｘ
あるいは、レンズにわたる焦点距離における変化は線形的である。単純な三次位相システムを、開口部にわたる焦点距離を線形的に変化させる小さなレンズの焦点距離を有する理想的なレンズに加えられた小さなレンズの無限の収集として考えることができる。焦点距離におけるこの線形的な変化は、ある広い測定距離にわたって近似の定数ＭＴＦを結果的にもたらす。あいまい関数（Ａｍｂｉｇｕｉｔｙ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の使用は、ＭＴＦが測定距離の広い範囲または焦点誤り（ｍｉｓｆｏｃｕｓ）の同等の範囲にわたって基本的に一定であることを、これらのシステムの単純な分析が示すことを可能にする。
【００８６】
特殊な検出システムにおける特定の空間周波数における一定のＭＴＦの影響を考慮されたい。Ｓｈａｎｎｏｎが教示したような画像情報は、ＳＮ比（ＳＮＲ）に究極的に関連する。ＳＮＲを増加させることは、抽出されることのできる情報の最大量を増加させる。そこで、たとえば画像検出システムについての所定の空間周波数における応答は、対象スペクトル（イメージングシステムによって拡大されたもの）と、この空間周波数におけるイメージングシステムのＭＴＦとの積である。ノイズは、他の種類のノイズのみならず、検出器読み取りノイズ、固定パターンノイズ、および信号依存ノイズ（ショットノイズを含む）の量に関連する。開口部からの測定距離が増加するにつれて、より少ない光子がイメージングシステムの入射ひとみによってキャプチャされる。開口部からの測定距離が減少するにつれて、より多くの光子が入射ひとみによってキャプチャされる。理想的なシステムにおいて、キャプチャされた光子の総数は、距離を用いた逆二乗の法則に従うことができる。さしあたり距離または離れた対象による一定の倍率が、点と考慮されるのに十分なほど小さいと想定して、対象応答が距離とともにそのとき基本的に変化する場合、所定の空間周波数について、サンプリングされた信号時間×光学的応答、したがってＳＮＲは、一定の光学的応答を用いてさえも変化することになる。一定のＭＴＦを用いてさえも、全体の対象ＳＮＲと、したがって画像情報とは、測定距離の関数になることになる。たいていのシステムにおいてそうであるように、イメージング倍率が距離とともに変化する場合、倍率変化は、焦点誤りにわたって一つの空間周波数においてＳＮＲをさらに変化させる。
【００８７】
多数のシステムについて、画像情報は、測定距離の関数として、一定であるべきか、または明確に制御されるべきである。対象位置の関数、または焦点誤りとして、ＭＴＦの基本的応答を変化させることによって、そのような特性を獲得することができる。光学素子のあいまいの保存（Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）の特性によって、すべての焦点誤りにわたって二乗されたＭＴＦ値の総量は一定であるので、ＭＴＦ応答は距離の関数として定数または特定されたＳＮＲシステムを形成するために分割されることができる。図６５に示されるプロットを考慮されたい。このプロットは、２つの異なる波面符号化システムについて、２つの例示的な焦点距離対ひとみ位置曲線を示す。線形的に変化する焦点距離曲線は、三次位相システムを表す。指数関数的に変化する焦点距離曲線は、測定距離にわたって一定のＳＮＲを達成するように設計された新しいシステムを表す。開口部にわたる指数関数的な焦点距離の変化の形式は、焦点距離（ｙ）＝｛α［ｂ×（ｙ）＾２＋ｃ×ｙ＋ｄ］｝である。この特定の例において、ｂ＝ｃ＝１２であり、ｄ＝−４である。
【００８８】
線形的に変化する焦点距離、または三次位相システムについてのあいまい関数（ＡＦ）の説明を図６６および６７に示す。図６６は、１次元的な線形的に変化する焦点距離システムについてのＡＦを示す。ＡＦの原点を通じた放射状のスライスは、焦点誤りの関数としてのＭＴＦを表す。焦点誤り収差係数は、放射状ラインの角度に線形的に関連する。ＡＦの原点を通じた水平のスライスは、焦点が合った（ゼロの焦点誤り）ＭＴＦを表す。ＡＦを通じた垂直のスライスは、焦点誤りの関数としての一つの空間周波数におけるＭＴＦの値を表す。
【００８９】
０．１７５の規格化された空間周波数（またはｕ軸の値）においてＡＦを通じた垂直のスライスを考慮されたい。これは、焦点誤りの関数としての０．１７５の規格化された空間周波数におけるＭＴＦを表す。ＡＦを通じたこの垂直スライスを図６７に示す。ほぼ＋／−０．２の規格化された焦点誤りの領域の範囲内で、この空間周波数におけるＭＴＦはほぼ一定である。あるいは、線形的に変化する焦点距離システムは、延長された焦点誤りの範囲にわたって基本的に一定であるＭＴＦを結果として得る。図６７において、焦点誤りの関数としての一つの空間周波数についての応答が、設計された範囲にわたって実質的に一定であることは、注目に値する。図６８および６９は、指数関数的に変化する焦点距離（光子を補償する）システムについてのＡＦを示す。指数関数的に変化する焦点距離システムは図６５に示された。図６８の画像として示されるＡＦは、図６６に示されるＡＦといくらか異なると理解される。位相関数は、形式ｐ（ｙ）＝α＊（ｙ＾４＋２ｙ＾３−２ｙ＾２）を有する。０．１７５の規格化された空間周波数におけるＡＦを通じたスライスを図６９に示す。焦点誤りの関数としてのこのＭＴＦ応答は、ログスケールでプロットされるときにほぼ直線的である。線形的なスケールにおいては、焦点誤りの関数としてのＭＴＦ応答は、ほぼ指数関数的である。図６９において、焦点誤りの関数としての一つの空間周波数についての応答は、設計された範囲にわたってログスケールにおいて実質的に直線的（または線形的なスケールにおいて指数関数的）であることが理解され得る。
【００９０】
図７０および７１は、波面符号化を用いない、理想的な従来のすなわち回折限定されたイメージングシステムについてのＡＦを示す。図７０に示されたＡＦは、図６６および６８の波面符号化されたシステムからのＡＦと比較すると、水平軸に非常に近く並べられていることが理解される。図７０におけるＡＦのこの特性は、波面符号化を用いないシステムのＭＴＦが焦点誤りとともに大きく変化することを示す。０．１７５の規格化された空間周波数におけるＡＦを通じたスライスを図７１に示す。このＭＴＦは非常に狭いことが理解される。ゼロの焦点誤りにおいては高いＭＴＦ値があるが、ゼロからわずかに変化した規格化された焦点誤り値については非常に小さいＭＴＦがある。この種類のＭＴＦを用いたイメージングシステムのＳＮＲは、ゼロの焦点誤りにおいて最大化され、他のいずれにおいても最小化される。焦点誤りの関数としての一つの空間周波数についての応答は、焦点誤りのない場合に大きいが、他のいずれにおいても非常に小さいことに注目されたい。
【００９１】
あいまいの保存に起因して、任意の特定の垂直線に沿ったＡＦ値の二乗の合計は、理想的なイメージングシステムの射出ひとみに適用される任意の位相について、定数である。あるいは、焦点誤りのすべての値について一つの空間周波数における二乗されたＭＴＦ値の合計は、定数である。したがってＭＴＦ値は保存される。線形的に変化する焦点距離システムについて、ＭＴＦ値対焦点誤りは、＋／−０．２の焦点誤り範囲にわたって約０．０５である一方で、指数関数的に変化するシステムについてのＭＴＦ値は、０．０３から０．１を超えて変化する。焦点誤りのいくつかの値についてＭＴＦ値を増加させることは、あいまいの保存の特性に起因する焦点誤りのいくつかの他の値についてＭＴＦ値の減少を必然的に意味する。
【００９２】
しかし、距離に対する対象応答と図６９の光学システム応答との積は、一定のＳＮＲと、したがって測定距離の関数としての画像情報とを確実にするために、指数関数的に変化する焦点距離システムと整合させられることができる。線形的に変化する焦点距離システムについてのＳＮＲおよび画像情報は、測定距離の関数として変化し得る。波面符号化を用いないシステムについてのＳＮＲは、最良の焦点において最大化され得て、他のいずれにおいても最小化される。ＭＴＦ値の特定の割合が測定距離の関数として必要とされる場合、焦点距離の変化する関数および結果として生ずるひとみ関数に対する近似を構築するために、図６６〜６９にプロットされたものと同様の構造が使用され得る。結果として生ずるひとみ関数を微調整するために、最適化を通じたさらなる改良が必要とされ得る。焦点誤りの関数としてのＭＴＦ、あるいは同等な対象範囲についても、特定のアプリケーションのニーズに合わせるためにカスタマイズされることができる。
【００９３】
図７２は、波面符号化を光学システムに適用するための方法３５００を図示するフローチャートである。焦点調節のような効果を制御するために波面符号化を用いた特定のＧＲＩＮレンズ（たとえば変更ＧＲＩＮレンズ１３４、８０２、９０４および９５４のいずれか）の設計に至るステップを、方法３５００において図示する。このプロセスの一般的な記述は以下のとおりである。
【００９４】
ステップ３５１０は、開始光学的構成の選択である。光学的構成は、対象から光子センサー素子または検出器アレイまでの光を操作するように作用する各素子の種類および形状を含む。光学的構成は、屈折レンズ、光線補正器、鏡、回折素子、容積ホログラムおよびその他などの構成要素の種類のみならず、システム（たとえば３レンズシステム）における複数の光学部品を含む。さらに、ガラス、プラスチック、特定のガラスまたはプラスチック、ＧＲＩＮ素材およびその他など、使用される特定の素材が決定される。
【００９５】
ステップ３５２０は、変化し得るかまたはあらかじめ固定されないシステムパラメーターの選択である。これらのパラメーターは、最適化プロセス（たとえば以下の最適化ループ３５４０）の一部になることになる。システムパラメーターは、構成要素および関連する距離の物理的サイズおよび形状といった、使用されることができる光学的または機械的な素材のセットを含むことができる。重量、コストおよび性能などの全体的な特徴も、最適化の間に操作されるパラメーターとして特定されることができる。最終画像を形成するために使用される信号処理も、最終画像を生成するためのＡＳＩＣインプリメンテーションにおいて必要とされるシリコン領域、線形的なカーネル値、フィルターカーネルの動的範囲、非線形的なノイズ低減パラメーターおよびその他などのパラメーターを有する。波面符号化に関連する重要なパラメーターは、イメージングシステムに適用される非球面光学操作の形式および種類を含む。これらのパラメーターは、かなり単純であり得るか（長方形に分離可能な表面の表面高さなど）、またはたとえば容積イメージング素子の３次元屈折率を定義するかなり複雑なパラメーターであり得る。ＧＲＩＮレンズは、容積イメージング素子の一例である。容積ホログラムは、容積イメージング素子のもう一つの例である。
【００９６】
最初の光学設計ステップ３５３０は、多数の教科書において実践される従来の光学設計を含み、ここで設計プロセスは焦点に関連しない収差の収差釣合わせに特に関連する。光学設計ステップ３５３０は、ある場合に除外され得る（たとえば、既製光学部品が光学設計に初期の仮定条件を提供する場合）。焦点に関連する収差は、球面収差、視野湾曲、非点収差、色収差、温度に関連する収差、および製作とアラインメントとに関連する収差などの収差を含む。焦点に関連しない収差は、画角、色、温度およびアラインメントなどの変数の関数としての画像面の移動またはワープ（ｗａｒｐｉｎｇ）によって陰に補正されることのできない（何らかの方法でそのようなワープが可能である場合）、コマ収差、横色収差および歪みなどの収差を含む。光学設計ステップ３５３０は、特殊な光学素子の設計と最終結像の信号処理とによって容易に除去されることのできない収差の影響を除去することに集中する。焦点に関連する収差は、特殊な光学素子と信号処理とによって除去されることができる。光学設計ステップ３５３０は、光学システムのパラメーターセットに関する最初の推測を提供することを含む。
【００９７】
最初の光学設計を用いて、光学部品およびデジタル部品の同時最適化を開始することができる。最適化ループ３５４０は、ある最終的な設計基準が満たされるまで、ステップ３５２０において指定された光学設計パラメーターを変更する。最適化ループは、以下に論ずるように、ステップ３５５０、３５６０、３５７０、３５８０および３５９０を含む。
【００９８】
変更するステップ３５５０において、ステップ３５３０からパラメーターの最初の推測が最初の光学設計に適用されて、変更光学システムを形成する。ステップ３５６０は、最終画像を生成するために、形成された画像に作用することになる信号処理パラメーターを決定する。信号処理パラメーターは、たとえば２次元線形フィルタリングカーネルのサイズおよび形状を含むことができる。信号処理パラメーターは、ステップ３５５０の特定の変更光学システムに基づいて選択され得る。
【００９９】
ステップ３５６０において信号処理パラメーターが決定された後、ステップ３５７０において、対応する信号処理が、変更光学システムからシミュレートされた結像に適用される。シミュレートされた結像は、点、線、格子、バーおよびその他などの特殊な対象の画像を含み得るか、および／または一般的なシーンのカラー画像であり得る。シミュレートされた画像は、ショットノイズ、固定パターンノイズ、読み込みノイズおよびその他などの、現実のまたは理想的な検出器のモデルからのノイズを含み得る。
【０１００】
ステップ３５８０は、全体的なシステム仕様が満たされているかどうかを決定するために、ステップ３５７０からのシミュレートされた光学画像および信号処理を評価する。仕様は、視野位置、色、対象シーン、光レベルなどの関数としての画質の特定の定義などのイメージング性能を含み得るし、さらに、たとえばシステム寸法、光学素子のサイズ、光学素子、電子機器およびシステムのコスト、製作に対する耐性、組み立ておよび温度も含み得る。計量は、シミュレートされた結像から計算され得る。さらに計量は、それらが目標値より高いか低いかを理解するために、数値的に評価され得る。計量および目標値は、人間によって見られる画質をコンピューターにとって認識可能な数値に変換するように作用し得る。タスクに基づいたアプリケーション（たとえば虹彩認識のようなもの）は、画質のパラメーターを数値に変換する必要を取り除き得るアプリケーション特有の数値的計量を有し得る。ステップ３５８０が、変更イメージングシステムが仕様を満たしていると判断した場合、設計プロセスは完了される。ステップ３５８０が、変更イメージングシステムが仕様を満たしていないと判断した場合、ステップ３５９０においてパラメーターのさらなる最適化が行なわれる。最適化の間、システムをシステム仕様を満たすシステムに向けて導くために、光学システムのパラメーターが変更される。最適化の間にシステムパラメーターを変更する方法は、多くの種類の解決法に関連する一般的な問題である。パラメーターの変更または最適化をする典型的な方法は、最適化の速度と、全体的な最大値および最小値を見いだす能力とのトレードオフに関与し得る。Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｄｅｓｃｅｎｔなどの線形検索方法は有用であり、Ｎｅｌｄｅｒ−ＭｅａｄまたはＧｅｎｅｔｉｃ
Ｓｅａｒｃｈなどの非線形的な方法も有用である。最適化方法の選択は、設計される特定のイメージングシステムの複雑さのに依存し得る。
【０１０１】
ステップ３５９０においてシステムパラメーターが変更された後、最適化ループ３５４０が次のように反復する。ステップ３５５０において、光学システムを変更するために新しいパラメーターが使用される。ステップ３５６０において、信号処理のパラメーターが決定される。ステップ３５７０において、信号処理の前後の結像が形成される。以下同様である。最終的に、最適化ループ３５４０は、仕様が満たされたということを見いだすステップ３５８０によって終了するか、または適切な解決法が見いだされずに収束せずに終了する。
【０１０２】
方法３５００の一例は、図１１のＧＲＩＮレンズ１３４の設計である。その方法は、既製のＧＲＩＮレンズの選択によって始まる。ステップ３５１０において、ＮＳＧ  ＩＬＨ−０．２５レンズと、３．３ミクロン四方のピクセルを有するグレースケール検出器とが選択された。ステップ３５２０において、理想的なピクセルと、光線補正器なしと、単純な線形的な信号処理とが選択された。ステップ３５２０においてさらに、ＧＲＩＮレンズの前面に配置された非球面変更、すなわち図１１のＧＲＩＮレンズ１３４の前面１３５への変更が、長方形に分離可能な立方体の形状になるように選択された。長方形に分離可能な立方体の表面形状は、高さ（ｘ，ｙ）＝α（ｘ＾３＋ｙ＾３）として定義された。この例においては、最大表面偏差に対応する一つだけのパラメーターαが決定された。
【０１０３】
既製のＧＲＩＮレンズの変更のみが設計されていたので、この例においてはステップ３５３０は省略された。対比を目的として、前面に変更のないカスタム設計されたＧＲＩＮレンズが目標であった場合、ステップ３５３０は必要とされたであろう。
【０１０４】
立方体表面偏差パラメーターαについて、特定の最初の値は任意にα＝０として選択された。ステップ３５５０において、パラメーターαを用いた、長方形に分離可能な三次位相変更が、カスタムシミュレーションツールを介して、レンズに対してなされた。
【０１０５】
形成された結像が高いＭＴＦ値および小型のＰＳＦを有するように、この特定の変更ＧＲＩＮレンズについて、信号処理パラメーターがステップ３５６０において計算され、ステップ３５７０において適用された。リニアフィルタリングが使用されたので、リニアフィルターを決定するために使用された計算は、最小二乗の意味において（ｉｎ  ａ  ｌｅａｓｔ  ｓｑｕａｒｅｓ  ｓｅｎｓｅ）、次のとおりである。
Ｆｉｎａｌ＿ＰＳＦ＝Ｓａｍｐｌｅｄ＿ＰＳＦ＊Ｌｉｎｅａｒ＿Ｆｉｌｔｅｒ
ここで、記号＊は２次元リニアコンボリューションを示す。Ｓａｍｐｌｅｄ＿ＰＳＦ値は、ステップ３５６０において、変更ＧＲＩＮレンズシミュレーションおよびデジタル検出器から決定される。Ｆｉｎａｌ＿ＰＳＦは、パワーの大部分が一つのピクセルにおいて集中していた従来の光学システムから生成されたＰＳＦとして、ステップ３５６０において選択された。この特定の最終ＰＳＦに対応するＭＴＦは、約０．４の数値を（検出器の最高の空間周波数において）有した。信号処理の当業者は、サンプリングされたＰＳＦセットおよび最終のまたは所望のＰＳＦに基づいてリニアフィルターを決定するために、これらの最小二乗線形方程式を解くために多数の方法が使用されることができることを理解できる。もちろん計算は、周波数領域においておよび／または反復的になされることができる。
【０１０６】
デジタルフィルターが計算されると、ステップ３５７０において、信号処理後のＰＳＦおよびＭＴＦが生成された。次に、信号処理後のこれらのＰＳＦおよびＭＴＦは、ステップ３５８０において、すべての画像フィールド上の一つのピクセルにあるＰＳＦパワーの大部分に変換された視覚的画質計量と、信号処理後に０．３を超える最小値を有する対応するＭＴＦと比較された。最適化ループ３５４０の最初の反復において、α＝０を用いた信号処理後のＰＳＦおよびＭＴＦは、いずれもシステム仕様を満たさなかった。次にステップ３５９０において、光学システムを改善するために光学パラメーターαおよびリネアフィルターの選択を決定するために、Ｎｅｌｄｅｒ−Ｍｅａｄ最適化が開始された。最適化された光学パラメーターの最終的な解は、図１８に示される。ピークから谷までの光路差は、約１１波長である（あるいは光路差空間において約１１λのα）。信号処理の対応するリニアフィルターは、図１９、２０および２１のサンプリングされたＰＳＦを図２２、２３および２４のＰＳＦに変換するために計算された。図２２、２３および２４のＰＳＦは、図１９、２０および２１のＰＳＦと比較すると、パワーの大部分が一つのピクセルにあることが視覚的に理解される。図２５の信号処理１７０の後の対応するＭＴＦは、すべて０．３を超えることが理解される。検出器の最大空間周波数は、１５１ｌｐ／ｍｍである。リニアフィルターの実際の形状は、図２６および図２７において見られる。この特定のリニアフィルターは、図１９、２０および２１の基本的に一定のサンプリングされたＰＳＦの逆フィルターと同様であると考えられることができる。
【０１０７】
本明細書の範囲から逸脱することなく、上記の方法およびシステムにおいて変更がなされ得る。したがって、上記明細書に含まれるかまたは添付図面に示される内容は、説明的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味におけるものではないことに留意されるべきである。添付の特許請求の範囲は、本明細書に記載された一般的特徴および特定の特徴のすべて、ならびに文言としてそれらの間に該当すると言われ得る本方法および本システムの範囲のすべての記述を包含するように意図される。
【０１０８】
上述の実施形態のそれぞれは、特定のそれぞれの方向付けを有する種々の構成要素を用いて説明されたが、本開示に記述されるようなシステムは、種々の位置および互いの方向付けにおいて配置される種々の構成要素を用いた種々の特定の構成を取り得るし、依然として本開示の精神および範囲の範囲内に留まり得ることが理解されるべきである。さらに、当業者によく知られていると考えられる、したがって本開示の範囲内に含まれると考えられる、代替または追加の構成要素の種々の構成要素、機能および代用または追加の構成要素の使用として、適切な同等物が使用され得る。たとえば、上記の実施形態のそれぞれは、主に主光線補正の場合について論じられたが、光線角度に変化に起因する光線幅の相違について照明補正を提供するために、一つ以上の補正素子が組み合わせられ得る。たとえば角度のつけられた屈折表面は、そのような適用に適切であり得るし、主光線角度について同時に補正するために、たとえば回折パターンとさらに組み合わせられ得る。
【０１０９】
したがって、本例は説明的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本開示は本明細書中に与えられた詳細に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲内において変更され得る。
【図１】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図６１】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３３】
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【図３６】
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【図３７】
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【図４７】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【外国語明細書】
2014002388000001.pdf