(57)【要約】  【課題】  １ミリメートル以下の最小構造上の長さを有するデジタル画像認識システムを提供する。  【解決手段】  画像認識システムはこれによってマイクロレンズアレイと、検出器アレイと、随意的にピンホールアレイとを備える。この画像認識システムの動作モードは、多数の平行光チャネルを用いて、被写体空間の異なる立体角のセグメントの個別結像に基づく。各々の光チャネルの光軸は、よって異なる傾きを有しており、それらは画像認識システムの横方向の中心から画像を向ける光チャネルの距離の関数を示す。結果として視野のサイズ対画像フィールドサイズの比率を明確に決定することができる。従って検出器は、検出器が小さい活性表面積のある大きいピッチを有する高感度で使用される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
規則的に配置された光チャネルを備える画像認識システムにおいて、
前記光チャネルはマイクロレンズと、
焦点面に取り付けられ、且つ前記マイクロレンズの後ろのマイクロ画像から少なくとも一つの画像スポットを取り出す少なくとも一つの検出器とを有しており、
前記各々の光チャネルの光軸は異なる傾きを有し、これらの傾きは前記画像に向いて配向された前記画像認識システムの横方向の中心から前記光チャネルの距離の関数を示し、該関数により、視野のサイズとイメージフィールドサイズとの比率を明確に決定することができ、
前記検出器は、これらが小さい活性表面積のある大きいピッチを有するような高い感度で使用されることを特徴とする画像認識システム。
【請求項２】
検出器アレイにおける伝送された画像スポットの全体が、被写体を再構成させるように、各光チャネルは、対応する画像スポットとして、被写体空間の少なくとも一つの特定の立体角セグメントを検出することを特徴とする請求項１に記載された画像認識システム。
【請求項３】
前記各々のチャネルのため、光軸の異なる傾きを確保するため、前記マイクロレンズの中央間隔、すなわちピッチは、前記検出器のピッチとわずかに異なることを特徴とする請求項１に記載された画像認識システム。
【請求項４】
前記各々のマイクロレンズは、検出器に対する分散化、焦点距離、円錐の及び/又は非球面のパラメーターについて、異なっており、よって光軸の異なる傾きを可能にすることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項５】
光軸の異なる傾きを可能にするマイクロプリズムは、前記各々のマイクロレンズに一体化されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項６】
前記各々のマイクロレンズは、凸部あるいは凹部構造を有するベースに設置され、よって光軸の異なる傾きを可能にすることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項７】
前記検出器は、凸部あるいは凹部構造を有するベースに設置されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項８】
光軸の異なる傾きのため、前記光チャネルは軸外収差がないことを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項９】
ひずみ補正のため、前記各々の光チャネルは、マイクロレンズと検出器及び/又はピンホールとの間に異なるピッチ差を有することを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１０】
前記画像認識システムは１ｍｍ以下の構造上の長さを有することを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１１】
前記光チャネルの数は、１０ ｘ １０から１０００ ｘ １０００の範囲であることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１２】
前記光チャネルのサイズは、１０μｍ ｘ １０μｍから１ｍｍ ｘ １ｍｍの範囲であることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１３】
前記光チャネルの標準配置は、四角あるいは六角形に緊密にパックされ、あるいは回転対称であることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１４】
前記マイクロレンズ及び前記検出器の位置は、リソグラフ的に正確に定められていることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１５】
前記光チャネルは、互いに光学的に隔離されていることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１６】
前記光学隔離は、リソグラフ的に形成された分割壁により行われることを特徴とする請求項１５に記載された画像認識システム。
【請求項１７】
前記検出器は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ光検出器アレイ及び/又はポリマーを有する光検出器アレイとして提示されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１８】
前記マイクロレンズの少なくとも一部はアナモルフィックであることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項１９】
前記光チャネルは、それぞれ複数の異なる機能の検出器を有することを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２０】
前記ピンホールダイアフラムは、前記マイクロレンズの後ろにまた前記検出器の直接の前方に設置され、且つ少なくとも一つのピンホールダイアフラムが各マイクロレンズに配置されるように位置決めされることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２１】
前記ピンホールダイアフラムを介してライト強度と解像度パワーを固定するため、前記検出器の活性表面対前記マイクロレンズの活性表面積の比率を調整可能であることを特徴とする請求項２０に記載された画像認識システム。
【請求項２２】
前記ピンホールダイアフラムは、１から１０μｍの範囲の直径を有することを特徴とする請求項２１に記載された画像認識システム。
【請求項２３】
前記ピンホールダイアフラムは、金属あるいはポリマー塗膜あるいはそれらの組合せから製造されることを特徴とする前記二つの請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２４】
視野を調整するため、前記画像認識システムは、画像とマイクロレンズとの間に予め接続された液体レンズを更に有することを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２５】
光源は前記光チャネル上あるいは前記光チャネルの間に設置されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２６】
ピクセルは各光チャネルに配置されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２７】
複数のピクセルは各光チャネルに配置されることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項２８】
異なる特性を有する複数のピクセル、あるいは同じ特性のピクセルのグループが提示されることを特徴とする請求項２７に記載された画像認識システム。
【請求項２９】
カラーフィルターが、複数の同様なピクセルの前方に設置されることを特徴とする前記二つの請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３０】
解像度の損失なくライト強度を増加するため、より大きい間隔の複数の同様なピクセルが、光チャネルに設置されることを特徴とする請求項２７乃至２９の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３１】
立体の３Ｄ写真及び/又は距離測定を可能にするため、前記光チャネルごとに複数のピクセルは、少なくとも二つの光チャネルの光軸が一つの被写体スポットに交差するように設置されることを特徴とする請求項２７乃至３０の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３２】
カラーフォトのための発散要素は、前記マイクロレンズの前方あるいはその上に設置されることを特徴とする請求項２７乃至３１の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３３】
偏光感度を調整するため、異なって配向された格子あるいは構成された偏光フィルタは、光チャネルの同様なピクセルの前方に設置されることを特徴とする請求項２７乃至３２の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３４】
前記画像認識システムは少なくとも一つの液晶要素と組み合わされることを特徴とする前述請求項の一つに記載された画像認識システム。
【請求項３５】
クロック、ノートブック、ＰＤＡあるいはシステム手帳、携帯電話、メガネあるいは衣料品などである平らに構成された小さい器具における一体のコンポーネントとして、請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項３６】
モニタリング、安全技術、アクセス又は用途許可を照合して実行するための請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項３７】
チップカードあるいはクレジットカードのカメラとしての請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項３８】
医療技術、例えば内視鏡検査における請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項３９】
自動車分野のセンサシステムとして、例えば車両の内部と外部のモニタリングタスクのための請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項４０】
一体化され知的なコックピットモニタリングのための航空機産業における請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【請求項４１】
虹彩認識、指紋認識、被写体認識と移動検出、特に３Ｄ移動追跡のための請求項１乃至３４の一つの画像認識システムの用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、1ｍｍ以下の最小構造上の長さを有するデジタル画像認識システムに関する。この画像認識システムはこれによって、マイクロレンズアレイと、検出器アレイと、随意的にピンホールアレイとを備える。この画像認識システムの動作モードは、多数の平行光チャネルを用いて、被写体空間の異なる立体角のセグメント（solid angle segment）の個別結像に基づく。
【背景技術】
【０００２】
典型的な結像光学システムの場合、各々の光チャネル(対物レンズ)は被写体空間からあらゆる情報を画像面に撮像する。この対物レンズは被写体空間の全体的検出可能な角度範囲を撮像する。
【０００３】
文献１には光学センサアレイは公開されている。このような一般システムのための光学相互関係が詳細に説明されている。微小光学と光電的画像変換との関連性が成立する。アレイに組み合わせられた屈折率分布型レンズを利用するため、光チャネルの数は16ｘ16に限定される。2.9ｍｍの構造上の長さはここに求められている構造上の長さより遥かに長い。使用された構造技術に基づくと、それを単体システム、システム一体化構造と称することができない。示されたシステムはチャネルの長さと数に対して拡張できないようである。この配置の視野は、レンズアレイとピンホールアレイとの間の最大可能なピッチ差により制限されている。視野とチャネル数を拡大するために、曲面ベースに複数の言及されたモジュールの配置が提案されている。しかし、これは、求められているシステム一体化とは全く矛盾している。
【０００４】
文献２は、同じピッチのピンホールアレイの前方にセルフォックレンズプレートの配置を検討している。画像処理の可能性とこの配置の比較的に高い撮影距離の不変性が証明されている。ピンホールアレイの後側は光リレーを用いてＣＣＤに撮像される。従って、「１」のような結像光学系と画像変換エレクトロニクスとの直接な接続はない。構造上の長さは１６ｍｍより長く、５０ｘ５０チャネルが実現された。レンズアレイとピンホールアレイとが同じピッチのため、相当大きい撮影距離のための被写体の解像度はこの配置ではもはや不可能である。レンズアレイの前方に更に取り付けられた発散レンズは画角の拡大を実現させ、これは縮小する結像を示唆し、従ってシステムの定数機能で撮影距離の増大を可能にさせる。しかし、これは一体化の目的に相応しない。利用されたピンホールの直径は１４０μｍであり、それは良好なシステム解像力を可能にさせない。
【０００５】
文献３において、各マイクロレンズの後に生成された縮小映像は、ピクセルのサブグループの配置によりセルに含まれる。アレイの光軸から多様なチャネルの異なる距離から、一つのセルの中において多様な縮小映像のわずかなオフセットが生じる。複雑な演算形式により、これらの映像はより高い解像度の全体映像に変換される。２５０μｍのレンズ直径を有する厚さ６５０μｍのセルフォックレンズアレイは、結像マイクロレンズアレイとして機能を果たす。画像認識は主としてマイクロレンズの後に行われる。金属製の分割壁と交差する偏光フィルタは、干渉を最小限にするために、光学隔離に使用される。従って、ここで個別に製造されたコンポーネントも複雑なマナーにより互いに対して調整される。それはエラーとコストの更なるソースの生成をもたらす。このシステムの限定された視野の可能な拡大((マイナス)拡大率の導入)のために、例えば大きい撮影距離のために、多様な偏向角、発散レンズあるいは回折レンズにおけるビーム偏向の一体化を有するプリズムアレイが提案される。結果的に、システムの複雑性は増加されないだろう。システムの具体的な解像度は示されていない。
【０００６】
文献４は、平らに構成された画像認識システムのための多様な配置を説明している。しかし、本発明に最も近い実施形態の変形に対し、大きい撮影距離のための画像認識に関して意味のある可能性(視野の拡大あるいは縮小結像)は示されていない。特にマイクロレンズアレイとピンホールアレイとの間のピッチ差、あるいは特別に形成されたマイクロレンズは言及されていない。
【０００７】
文献５には、セグメントされた視野を有するフラット結像光学系が公開されている。ここに分散的なマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイが使用されており、分散は検討されたマイクロレンズの動径座標に依存する。各レンズの軸ビームはこのように視野全体の異なるセグメントを向け、各マイクロレンズはその画像面における視野の異なる部分を形成する。各マイクロレンズの後の、一つのピクセルのサブグループをそれぞれ有する光検出器アレイは、各マイクロレンズの後の画像をとらえる。各々の視野セグメントに対応する画像は電子的に反射され、横並びに配置される。必要なエレクトロニクスの詳細説明は示されている。レンズ前後のバッフル構造は隣接するチャネルの間の干渉を防止し、あるいは個々のチャネルの視野、それゆえに画像サイズを制限する。発散レンズあるいはそのモールドの製造は示されていない。ここに、異なるコンポーネントは、例えば、モノリシック構造として、エレクトロニクスの生産と直接併せる可能なウエハー規模で生産されるのではなく、さらに互いに個別に生産されなければならない。従って、マイクロレンズアレイと検出器アレイとの間のエアギャップが例えば示されている。従って、極度な調整複雑さは製造の高いコストをもたらす。視野セグメントの個々のイメージの評価は、マイクロレンズにおける一定の拡大、とそれ故にレンズの一定の焦点距離あるいはセクション幅、その結果システムの長さの一定の拡大が必要であるため、構造上の長さの大幅な縮小はこの発明の結果であると考えられない。従って、分散的なマイクロレンズの利用は、大きい結像レンズへの交換として見られるべきであるが、個々のイメージの大幅な縮小それ故に有効な拡大の損失あるいは解像度損失は受けいれていない限り、光学の構造上の長さには影響がない。有効な拡大を実現するためのマイクロレンズアレイと検出器サブグループとの間の可能なピッチ差は示されていない。その結果として、システム全体の有効な(マイナス)拡大は前述の発明により増大されていない。従って、示された可能なシステム長さは常に実質的に1ｍｍより大きい。一つのマイクロレンズに一つの検出器ピクセルのみをそれぞれつける可能性の言及がない。マイクロレンズの拡大に無関係の分散の自由調整機能のため、これはトータル・システムの(マイナス)拡大の顕著な増大、あるいは恒常の拡大の減少、及び画像処理の自由度の顕著な増大も、全体で引き起こすだろう。
【０００８】
文献６は、コントラストを測定するための電子感知器を説明している。これは画像情報を獲得するための非常にすばらしい方法として評価されている。ここに、解像度パワーのみならず、照明強度にもの非依存性、およびオブジェクト・ソースの明るさに関する付加情報の獲得は、高い情報コンテンツで写真を撮る可能性として見られている。それらの構造により、このような感知器はしかしながら低い充填率が提供される。充填率を増加させるため、空間充填アレイ(あるいは「焦点面アレイ」)は利用されている。伝統的な対物レンズは使用されて被写体を撮像し、これは実質的にシステムの長さを増大し、またこれら有望な感知器の利用を日常ベースで制限する(例えば自動車分野に)。焦点面アレイと巨視的な結像光学系と引き換えに本発明を前述の感知器にリンクすることは、顕著なシステムの縮小と一体化に基づく非常に多様な生産を示唆する。
【０００９】
文献７には、それぞれのマイクロレンズとその焦点面に設置された検出器も有する多数の光チャネルを備える光学系は説明されている。この光学系は実際の結像を形成する従来の光学系の後に設置されている。同時に、検出器ピクセルはマイクロレンズとほぼ同じサイズであり、その結果、単独のピクセルに被写体の非常に大きい角度範囲は撮像できる。この結果は低い解像度のみを有する結像システムとなる。
【特許文献１】オガタ、イシダ及びササノ氏の「人工複眼における光学センサアレイ」、光学技術33、3649〜3655頁、1994年11月
【特許文献２】ハマナカ及びコシ氏の「マイクロレンズアレイを利用する人工複眼とスケールが不変の処理へのそれの応用」、光学概説(Optical Review)3（4）、264〜268頁、1996
【特許文献３】タニダ、クマガイ、ヤマダ及びミヤタケ氏の「結合した光学（tombo）コンセプト及び実験的検証による薄い観測モジュール」、応用光学40、1806〜1813頁、2001年4月
【特許文献４】S. Wallstab及びR. Volkelの“Flachbauendes Bilderfassungssystem” 、未審査のドイツ出願、ＤＥ199 17890 A1、2000年11月
【特許文献５】N.Meyersの「セグメントされた視野を有するコンパクトデジタルカメラ」、アメリカ特許No.6,137,535、2000年10月24日
【特許文献６】P.-F.Ruedi、P.Heim、F.Kaess、E.Grenet、F.Heitger、P.-Y.Burgi、S.Gyger及びP.Nussbaumの「画像コントラストと方向抽出のための１２８ｘ１２８ピクセル１２０ｄＢのダイナミック・レンジ視角センサチップ」、ＩＥＥＥ国際ソリッドステート回路会議、技術論文摘要、論文12.8、ＩＥＥＥ、2003年2月
【特許文献７】日本特許文献  JP2001-210812 A
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現時点の技術水準から分かっている結像システムの製造における根本的な問題は、可能な技術の配置の平面性である。曲面上の配置により回避できる軸外収差は、平面技術における生産、いわゆるリソグラフィーにより画質を制限し、あるいは視野を限定する。これらの制限は本発明の部分により解消されることを目的としている。
【００１１】
現時点の技術水準におけるこれらの不都合から始め、本発明の目的は、機械的と光学パラメーラに関して、例えば、システム全長、視野、解像度パワー、画像サイズとライトの強度に関して、向上された特性を有する画像認識システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１の特徴を有する画像認識システムにより達成される。更なる独立請求項は有利な発展を示す。このタイプの画像認識システムの使用は請求項３３乃至３９に記載されている。
【００１３】
本発明によれば、規則的に配置された光チャネルを備える画像認識システムが提供される。該光チャネルはマイクロレンズと焦点面に取り付けられ且つ該マイクロレンズの後ろのマイクロ画像から少なくとも一つの画像スポットを取り出す少なくとも一つの検出器とを有する。これによって、各々の光チャネルの光軸は異なる傾きを有し、そのため、それらは画像に向いて配向された画像認識システムの横方向の中心から光チャネルの距離の関数を示し、従って、光学視野のサイズとイメージフィールドサイズとの比率を明確に決定することができる。それによって、検出器はこのような高い感度、すなわちこれらが小さい活性表面積のある大きいピッチを有する感度で利用される。
【００１４】
記載されているフラットカメラは、マイクロレンズアレイと、その焦点面に位置する検出器アレイと、あるいはピクセルの活性表面積と比べより大きい活性表面積の検出器アレイをカバーする随意的なピンホールアレイとを備える。好ましいスペクトルの感度を有する領域は本願の範囲内におけるピクセルによって理解されるべきである。各マイクロレンズの画像面において、検出器あるいはピンホールアレイにより静的にスキャンされる被写体の縮小映像が生成される。各マイクロレンズに、例えば異なる機能、例えばスペクトル感度などを有する一つあるいは少数の感光性ピクセルが配置される。縮小映像内においてセルからセルまで異なる方法により生成された感光性ピクセルのオフセットの結果として、全部の画像はアレイ全体に渡ってスキャンされ且つ撮影される。光チャネルの光軸の傾きはアレイにおけるそれの動径座標の関数である。該光チャネルは、マイクロレンズと、このレンズの後ろの縮小映像からイメージスポットを取り出す検出器と、あるいは該検出器をカバーするピンホールを備える。
【００１５】
この発明に係る結像原理は、スペクトル域と関係なく利用でき、そのために、スペクトル域への光学および受像器に使用される材料の対応する適合により、一般にＵＶからＶＩＳを通って、深いＩＲまで利用可能である。また、ここにマイクロレンズアレイは、例えばシリコンあるいはゲルマニウム(あるいはポリマーにも対応する制限された方法)で製造できるので、ＩＲセンサへの使用は特に魅力的であるように見える。これは、大きくなく、それによって、極めて高価なゲルマニウムあるいはシリコンレンズが必要であるが、非常に薄いマイクロレンズアレイのみであるため、材料と質量において顕著な節約、従ってコストの節約にも至る利点がある。ＩＲセンサはたいてい、小さい活性ピクセル表面積のある大きいピッチを有し、よって充填率高まるレンズアレイを必要とする。従来の結像光学系と充填率高まるレンズアレイとの組合せは、本発明により一つの結像レンズアレイのみで置き換えられることができる。従って、例えば温度フィールド（temperature fields）も測定するボロメータアレイに超フラット結像システムは提供できる。
【００１６】
好ましくは、隣接するセルは光学的に隔離される(図２を参照する)。これは結像系の信号対雑音比の低減をもたらす干渉を防止する。様々な方法で確保される傾いた光軸の結果として、それらは、隣接する結像ユニットと重なる最小角度から個別に、あるいは最小角度のみを用いて被写体空間を観測する。従って、各光チャネルは少なくとも一つの画像ピクセル(場合によって異なるカラーで)を提供する。該イメージピクセルは光学系全体の視野内における被写体空間の中の立体角範囲に対応する。各々の光チャネルにより提供されたあらゆる信号をまとめることにより、被写体分配の再構成を可能にする。言及された配置は、特に光電センサと有利に結合されることができる。該光電センサは優れた感度あるいはコントラスト感度を有するが、小さいピクセル(小さい充填率)の場合に相対的に大きいピッチを有する。説明された配置は、システムとウエハー規模で現代のマイクロ光学技術により製造される。よって個別に製造されたコンポーネントの複雑な組立および調整ステップはなくされる。結果は、最も優れた可能なシステム一体化、精度および価格の魅力である。光チャネルの数は、用途に応じて適合されることができ、また合理的に１０ ｘ １０から１０００ ｘ １０００チャネルまで(高い解像度の像のため)の範囲内に変化することもできる。
【００１７】
マイクロレンズのサイズとイメージ幅(カメラの厚さ)によると、カメラチップの横方向延長は１ｘ１ｍｍ２より低いのができるが、１０ｘ１０ｍｍ２より大きいのもできる。検出器の形状あるいは視野の形状に適合されるため、非四角形配置も考えられる。軸外収差を補正するための非円形レンズ(アナモルフィック)も考えられる。
【００１８】
撮影チャネルとそれらの間にあるいはその後すぐに位置する光源(例えばＯＬＥＤ)との組合せは、構造上の長さあるいは結像配置の必須なボリュームにおける更なる低減のために、非常に有利である。そうでなければ、照明は、側面あるいは投射あるいは透過光線から複雑なマナーで提供されなければならない。従って、最も小さくて最も狭いワークスペースも、例えば、マイクロシステム技術あるいは医学の内視鏡検査において、利用可能となる。
【００１９】
本発明に係る変形は、異なるアナモルフィック・レンズ、特に楕円形メルトレンズ（melt lens）を利用することによって、軸外画像エラーの補正を各個別のチャネルに対して可能にするのを提供する。各チャネルのレンズの形状が透過される入射角に個別に適合されるため、非点収差と視野曲率の補正は、画像が視野あるいは画像フィールドの全体に渡って均一なシャープのままであることを可能にする。このレンズは二つの異なるメイン曲率半径を有する。楕円の配向は常に、メイン曲率半径の軸が増大する入射角の方向に位置し、他のメイン曲率半径の軸がその軸と垂直であるようである。分析的に導き出せる自然法則により、メイン曲率半径両方は増大する入射角と共に増大し、半径は強度の異なる度合いと共に増大する。各々のチャネルのレンズのメイン曲率半径比の調整は、楕円ベースの軸比を調整することにより達成できる。チャネルからチャネルまでの曲率半径の変化の調整は、軸のサイズの調整により達成される。
【００２０】
また、この発明に係る変形において、ひずみ補正、すなわちメインビームエラー角補正は、マイクロレンズの画像におけるピンホールあるいは検出器の適合された位置により実現できる。ひずみ補正は、レンズアレイとピンホールあるいは検出器アレイとの間の非恒常のピッチ差により簡単なマナーで可能である。カメラ全体におけるその位置に基づいてマイクロレンズの画像におけるピンホールあるいは検出器の位置の適合、その結果処理される視方向の適合により、得られる画像全体は完全にゆがみなしで生成できる。恒常のピッチでセンサアレイに応用されるため、それぞれのマイクロレンズの位置は、よって、検出器に対して多数のピッチ差によりオフセットされなければならないだけでなく、処理される実のメインビーム角にも適合されなければならない。
【００２１】
チャネルごとのピクセル数に対して、本発明によれば、(一つの)ピクセルが各チャネルに配置されあるいは複数のピクセルが各チャネルに配置される可能性が両方存在する。図８に示すように、画像生成のために、簡単な配置は、従って、チャネルごとに一つの単独の電子ピクセルのみを必要とする。人工の複眼に基づく結像コンセプトに適合するため、オプトエレクトロニクスのピクセルサイズは、およそ２乃至３μｍの屈折限定スポットサイズに応じて選択されるべきであり、ピクセルピッチがほぼ５０〜１００μｍマグニチュードの程度にあると必要とされる。センサにおける自由空間の利用は、インテリジェントピクセル近似(pixel-approximate)信号の前処理の実現により行うことができる。多くの画像処理タスクは、例えば、隣接するピクセルあるいはわずかだけ離れたチャネルの間の操作により、画像センサにおいてすでに同じように処理できる。例えば、下記の点で含まれる。
【００２２】
・  コントラスト、コントラスト方向(エッジ配向)
・  移動検出
・  スポットソースのための解像度増加（スポットソースのため、視野における位置の解像度は、隣接するチャネルの信号の差が同一のオブジェクトスポットのために評価される光学の屈折限定より更に正確に達成されることが可能である）。
・  重心および強度分布の平均範囲の測定
【００２３】
各々のチャネルに、異なる特性を持つ複数のピクセルあるいは同じ特性のピクセルを有するピクセルグループを利用することにより、多様な付加画像情報は提供できる。下記の点で含まれる。
【００２４】
・  解像度増加は屈折限定を越えて達成でき、いわゆるサブＰＳＦ解像度（ＰＳＦ＝点広がり関数）である。この目的のため、密集している同様のピクセルのグループ、すなわち、１μｍに等しいあるいは１μｍより小さいサイズの各々のピクセルの４乃至２５アイテムが、 各チャネルのために、製造されなければならない。ピクセルグループの中心は、チャネルごとに一つのピクセルのみが利用される本発明に係る変形による各々のピクセルの中心と同一点に位置する。ピクセルグループの中心は、アレイにおいて検討されたチャネルの動径座標に依存している。
【００２５】
・  また、エレクトロニックズーム、エレクトロニック視方向変更あるいはエレクトロニックライトの強度調整を実現する可能性が存在する。小さいピクセルを有する従来の密集しているイメージセンサの利用、例えば、メガピクセルイメージセンサは、アレイの全てのマイクロレンズの後に生成された全ての像を撮るのに利用できる。好ましい画像を生成するため、各々のチャネルから特定のピクセルのみを選択することにより、拡大あるいは視野は調整できる。それはチャネルにおけるピクセルの位置はアレイにおいて検討されたチャネルの動径座標の関数であるからである。同様に、選択されたすべてのピクセルの簡単な移動により視方向は調整できる。また、隣接するピクセルの信号の重ね合わせ、有効ピクセルサイズの増大によりライトの強度は調整できる。それは解像度の損失をもたらす。
【００２６】
・  全ての縮小画像を考慮に入れることにより、解像度の増大が得られる。この目的のため、従来の密集しているイメージセンサ(メガピクセルイメージセンサ)は、アレイの全てのマイクロレンズの後に生成された全ての像を撮るのに利用される。各々のチャネルがアレイの中心に対する異なる位置によって、各々の縮小画像は互いに対して最小横方向オフセットを有する。縮小画像のこの最小シフトを考慮して全体像を形成することは、チャネルごとに一つのイメージピクセルのみを撮る場合と比べ、極めてより高い解像度画像を得る。これは横方向のカメラ範囲に同程度の小さい撮影距離のみに関して明白に理解できる。
【００２７】
・  同様に、チャネルごとに複数の他の同様なピクセルの前方にカラーフィルターの配置により、カラー画像は可能となる。従って、ピクセルグループの中心は、チャネルごとに一つのピクセルのみを有する簡単な変形の場合における単独のピクセルの中心と同一の点に位置する。ピクセルグループの中心は、アレイにおいて検討されたチャネルの動径座標に依存している。電子角補正が必要である場合がある。これを防止するため、カラー画像センサとの組合せも可能である。よって、カラー画像センサのその三つの感色検出器面は隣同士ではなく上下に設置される。
【００２８】
・  また、解像度の損失なしでライトの強度の増加は、複数の同様なピクセルを一つのチャネルにおいてより遠い距離に設置することにより達成できる。よって、複数のチャネルはカメラの異なる位置から同一の方向に見える。次の相互に関連した信号の重ね合わせは、同時に角度解像力の低減なしでライトの強度を増加する。よって、マイクロレンズに対するピクセルグループの位置は、チャネルからチャネルまで最小に変化し、従って、視野のスキャンは、チャネルごとに一つのピクセルのみを有する変形と同じように行われる。この変形の利点は、複数のチャネルが同時に同一のイメージスポットを生成する事実の結果として、ノイズが静的のみ蓄積し、すなわち、それは光子数のルートと相関するが、信号は直線的に蓄積することである。よって、結果は信号対雑音比の向上である。
【００２９】
・  本発明に係る更なる変形は、チャネルごとに複数のピクセルの配置の結果とする少なくとも二つのチャネルの光軸が一つのオブジェクトスポットと交差する配置が選択されることを提供する。この目的のため、横方向カメラ範囲に対して被写体幅が更に大きくなりすぎるべきではなく、すなわち、距離測定の期間に、良い深さ解像度のため、三角測量の最大可能なベース長さは重要である。従って、異なる方向から同一のオブジェクトスポットを見るチャネルは、可能な限り大きい間隔を有するべきである。よって、この目的のために、チャネルごとに複数のピクセルを利用することが合理的であり、しかし、これが絶対的に必要ではない。また、それぞれ一つのピクセルのみを有するチャネルも直接並んで配置できる。しかし前記チャネルは大きく異なる方向を見るので、従ってそれらがカメラの反対側で光軸とチャネルペアとの交差を可能にする。この配置の結果として、立体の３Ｄ画像あるいは距離測定、すなわち、三角測量は可能とする。それはこの目的のために、同一の被写体スポットを観察するのが異なる角度から起こるからである。
【００３０】
・  チャネルごとに複数の検出器ピクセルを利用することにより、チャネルの必要数は低減できる。マイクロレンズに対して分散的異なる複数の検出器ピクセルを利用することにより、一つのチャネルは同時に異なる視方向をカバーすることができる。よって、より少ない必要なチャネルを有することは、カメラの全表面積が小さくなることを意味する。それにもかかわらず、検出器ピクセルがマイクロレンズの中心に対してミラー対称に配置される場合、アナモルフィックあるいは楕円レンズは、軸外イメージエラー補正するのに利用できる。それは、それらがそれぞれ入射角を補正するからである。
【００３１】
・  更なる変形は、マイクロレンズ上あるいはその前方の回折構造によりカラー写真の可能性を提供する。これらの格子は、アレイを渡って状況に応じて一定であるように可能であるが、パラメーター、例えばチャネルによって可変である配向、ブレーズあるいは周期(構成した格子) を有することもできる。一つのチャネルにおいて適切な間隔の複数の同様のピクセルは、格子により空間的に分離されたスペクトルを採択する。一般的に、別々のピクセルへの異なる波長の偏向を可能にする他の分散的な要素により、格子を取り替えることができる。このために最も簡単な考えられる事例として、カラー分配のための色横収差の使用であるだろう。付加の要素が完全に免ずることができる。
【００３２】
・  他の変形は、カメラの偏光感度に関する。それに影響を与えるため、異なって配向された金属格子あるいは構成された偏光フィルタは各チャネルに他の同様なエレクトロニックピクセルの前方に配置できる。ピクセルグループの中心は、チャネルごとに一つのピクセルを有するシステムの場合における各々のピクセルの中心と同じ位置に位置し、且つアレイにおいて検討されたチャネルの動径座標に依存する。また、偏光フィルタはマイクロレンズ平面に一体化できる。例を挙げると、例えば後者に応用され、その結果、一つのチャネルは一つの特定な偏光方向のみを検出することができる。その結果隣接するチャネルには異なって配向された偏光フィルタが設けられる。
【００３３】
・  更なる変形は、結像カラーセンサを提供する。ここで、処理されるカラースペクトルへの適合が実行され、また構成されたフィルタの対応する選択により、通常実施されるＲＧＢカラーコーディングへの適合が実行される。
【００３４】
・  ピクセル配列は、結像タスクの対称に適宜に適合できる。例えば、半径対称(図１１ｂ)、六角形(図１１ｃ)、あるいはその配列において異なるマナーにより適合されたファセットの配置は図１１ａによるデカルト配置の代替案として選択できる。
【００３５】
・  更なる実施形態によれば、液晶素子（ＬＣＤ）との組合せを行うこともできる。他の固定の密集している検出器アレイの上に、例えば電気的切り替え可能あるいは置き換え可能あるいは偏光可能なピンホールダイアフラムを設置するため、偏光効果は利用できる。その結果、結像の高い自由度が達成する。
【００３６】
ここに記載された機能は、各々のチャネルのピクセルを区別する構造/要素がマイクロレンズ平面の中における一体化によりも達成できる。その結果、チャネルごとに一つのエレクトロニックピクセルのみのが、これによってまた必要となり、しかもチャネルは、それらの視方向のみならず、それらの光学機能も異なる。エレクトロニクスのより粗いまたより簡単な構造化が積極的な結果である。不利点は、等しい性質の解像度のため、場合によって必要なより多いチャネル数とそれと関連するより大きい横方向空間の必要である。チャネルごとに複数の異なるピクセルと異なるチャネルの異なる光学特性との組合せも実用的である。説明されたシステムはウエハー規模で生産できるため、各々のカメラよりはむしろグループ全体(カメラのアレイ)を隔離することにより、フォトのライトの強度を増加することが可能である。該フォトにおいて、複数のカメラが単に同じ像を撮り(角度補正が必要である場合がある)且つそれらの画像がその後電子的に重ねる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る画像認識システムの最も重要な利点は下記の配置により実現できる。該配置は視野を増大し、あるいは結像スケールを低減し、また個別に入射角に適合される。
【００３８】
・  個別に作られた軸外 (あるいは分散型)レンズ、屈折の(図５を参照)、回折およびハイブリッド、分散はアレイにおいて検討されたセルの動径座標の関数である。
・  曲面上のマイクロレンズアレイ(図６を参照)、ベースに凹構造を有することもできる。
・  レンズアレイにおけるマイクロプリズムの一体化。
・  回折直線偏向構造とマイクロレンズアレイとの組合せ。
・  入射角にそれぞれ適合のフレネルあるいは回折レンズを有するマイクロレンズアレイ。
【００３９】
これらの全ての点を、アレイに渡って恒常ではないパラメーターを有するマイクロレンズアレイとして組み合わせることができる。
【００４０】
各々の方法に関する注意事項は以下の通りである。
１．（図５を参照）個々のレンズの個々のパラメーター、例えば分散と焦点距離と、円錐のあるいは非球面のパラメーターなども、有する軸外レンズは、例えば可能なその後の造型と共に、レーザライターを用いて作られる。これらの個々のレンズは、偏向方向の正確調整と中心メインビームの軸外収差の補正とものためのレンズパラメーターの適合を可能にする。偏向を生じるためレンズがセルの中心に渡って分散的である。この機能はプリズム効果としても解釈できる。本実施形態において、ピンホールは個々のセルの中心にあるままであっても良いし、アレイにおいて検討されたセルの動径座標の関数としてセルの中心からオフセットされてもよい。レンズの分散化に加え、これが視野の更なる拡大をもたらす。
【００４１】
２． (図６を参照)曲面上のマイクロレンズアレイも同様に、レーザライターと造型を用いて、あるいは従来製造された変形可能なエンボススタンプを有するマイクロレンズアレイの造型により作ることができる。本願によれば、全てのマイクロレンズは、同一のパラメーターを有することができ、あるいはレンズパラメーターは変更される必要があり、実際各マイクロレンズは常に対応するレセプターに焦点を当てる(図６を参照)。ここで干渉を防止する分割壁も有利である。曲面上にマイクロレンズアレイの配置の結果として、配置の光軸は自動的に傾いている。中心メインビームが常にレンズを通じて垂直に伸びるため、軸外収差が防止される。
【００４２】
３．  １と同じように、屈折偏向構造はセパレート基板にあることが可能である。
【００４３】
４．軸外レンズの機能は、同一のレンズのメルトレンズアレイと回折直線型偏向構造との組合せにより達成できる。この構造は、アレイにおけるセルの動径座標の関数として個別にセルに適合され、ハイブリッド構造である。
【００４４】
５．例えばレーザライターを用いて製造できる構造の高度は限定されている。各々のレンズにスムーズ、一体となった構造が必要とされる場合、高い頂点高度及び/又は高分散のレンズを有するマイクロレンズアレイは、これらの最大値を急速に超える。スムーズレンズ構造の個別のセグメントへの再分割と、最小可能高度レベル（２πの大きい整数の倍数）への各自の低減は、入射角へのそれぞれの適合と共に低い頂点高さのフレネル構造となる。非常に小さい周期の極端な場合、該入射角は回折レンズの枠を越える。
【００４５】
また、サンプリング角の受入角への有用な適合は、画像フィールドサイズ全体と各々の光チャネルの受入角のサイズとを同一に保持しながら、視野を広げることにより達成できる。
【００４６】
説明された発明の性質における非常に重大な改良は、図７に示しているように、曲面ベースに検出器の追加配置により達成できる。検出器が設置される球形シェルの曲率半径は、マイクロレンズが設置される球形シェルの曲率半径に比べ非常により小さくなるように正確に選択されるべきである。第一球形シェル上の同一の焦点距離のマイクロレンズが、第二球形シェル上のレセプターに正確に焦点を当てるように設置されている。二つの球形シェルは同心である。この配置の選択の結果として、軸外収差なしに広い視野の結像が起こる。それは、後者により正確に撮像される一つのオブジェクトスポットのための光チャネルが、常に軸対称であるからである。同一のマイクロレンズは使用できる。
【００４７】
自然界に存在する結像システムは、例えば目、我々に知られている範囲では、例外なく曲面網膜(天然レセプターアレイ)を有する。これは単眼房と複眼両方に適用する。網膜の湾曲のため、フィールド依存収差(画像フィールド湾曲、非点収差)における顕著な削減と、それ故に視野に渡ってより均質の解像度パワーおよびより均一の照明は達成される。複眼の場合、曲面バースにマイクロレンズの同時配置の結果として、非常に大きい視野はよって可能となる。従って、簡単なレンズシステムを用いても、環境の高い解像度画像は生成できる。
【００４８】
平面配置と比べ、曲面配置の重要な利点は下記の通りである。
・  大きい視野が自動的に生じる。
・  各チャネルは、処理される視方向に対して「軸上」で動作し、従って、フィールド依存収差と、視野に渡って相対照明強度の低下とがない（「cos^4  法則」）。
【００４９】
過去数十年間構築された半導体技術とそれから現れた微小光学技術は平面技術である。この原因で、例えば今日まで、フラット光電子画像センサのみが利用できており、しかも平面マイクロレンズアレイのみが存在する。質的に高質結像を生成するため、複雑な光学デザインと多量の、多素子オプティックスは、フラット画像面のための必要な補正の結果である。曲面光電子画像センサの発展と、それ故に自然界において最適設計として何百万年以来利用されている概念の借用は、価格、ボリュームおよび将来製品の使用分野に対する影響と共に、必要なオプティックスの顕著な単純化を期待させる。固有の収差補正に加え、完全な新しい応用、例えば広範囲の視界を可能にすることができる。
【００５０】
下記の新しい微小光学技術に基づいて、この自然アプローチとの人工同等物が得られる。
・  凸部あるいは凹部、円筒状あるいは球状構造を有するベースにマイクロレンズアレイの生成（レーザライターＮＴの使用）、あるいは柔らかいシリコンツールを用いて曲面ベースに平面構造で形成されたマイクロレンズアレイの造型、および
・  チャネルの光学隔離のための壁は同じように曲面ベースに設置され、すなわちそれらは、レンズとその画像面の間の立方形の透明なボリュームではなく、その代わりとして円錐台あるいは截頭ピラミッドボリュームを横方向に囲む。
【００５１】
曲面ベース上の受像機アレイに関して、下記の三つの製造技術が特に考えられる。
・  従来製造された画像センサは、数μｍあるいは１０μｍに非常に薄くされ、曲面ベースに適用され、場合により後側を通って照明される。湾曲中に生じる機械的張力のため、円筒形カーブは、明らかに排除されていない球形カーブとして短い間有望に現れる。円筒形カーブ(湾曲半径は最大２〜３ｃｍまで)を用いて、一つの方向のみに大きい視野を必要とする多数の用途に利用されることがすでにできている。
・  適合されたリソグラフ法(例えばレーザライターＮＴ)を用いて直接曲面ベース上のオプトエレクトロニクスの構造。ここに球状カーブの生成は円筒形カーブの生成により実質的により批判的/複雑であると見なされるべきではない。明らかにこれがオプトエレクトロニクスの生産のための完全な新しい技術である。
・  ポリマー受像機アレイがフィルムの形式で曲面状のキャリアに適用される。
【００５２】
フラット対物レンズを変形可能なフィルムの中に潜在的に折り返すことができ、またポリマー受像機アレイを利用し、エレクトロニクスは対応するカーブにも対処する可能性があるため、フラットカメラ全体の柔軟性のあるバージョンは同じく考えられる。従って、数ミリメートルのみの距離で大幅に拡張したオブジェクトフィールドの観察できるカメラを可能にする可能性がある。よって、その上にカメラが設置されたベースの曲率半径の選択により視野も調整可能である。
【００５３】
超フラット対物レンズの工業製造について、薄いプレートあるいはフィルム中の同時の前方と後方のホット・エンボス加工/ＵＶキャスティングは特に有利のようである。上述の薄いプレートあるいはフィルムはセンサアレイに簡単に設置され且つそこに接着されることができる。これによって、レンズアレイが前側と後側にエンボス加工され、その後のブラックを用いる充填あるいは鋳込材料吸収による交差トラフは、チャネルの光学的隔離壁である。ホット・エンボス加工のためのレンズアレイの造型ツールは、例えば最初の形態のガルバニック造型により製造されることができ、一方、ＵＶキャスティングのため、透明なツールが必要である。光学構造のモジュール/ツールは、同じレンズあるいは変化するパラメーターのレンズが使用されたか否かに関係なく(「チャープレンズアレイ」)、例えば、リフロープロセス、グレー・クレー・リソグラフ、レーザ書き込み、超精密機械加工、レーザ切断とこれらの技術の組合せにより製造され、また一体化されたプリズムあるいは格子あるいはチャネルの中心に対してオフセットされたレンズセグメントを有するレンズを備えることもできる。交差壁のためのモジュール/ツールは、例えば非常に高いアスペクト比で構造できる感光性抵抗（ＳＵ８）におけるリソグラフ、あるいは超精密機械加工、あるいはレーザ切断により製造できる。前記超精密機械加工は、例えば、円形ボーリングや正方形または長方形フライスのトラフ構造を形成し、ボッシュシリコンプロセス(非常に高いアスペクト比で深いドライ・エッチング)、ＫＯＨにおけるシリコンのウェットエッチング、ＬＩＧＡプロセスである。これらの壁の形成は同じく考えられる。これらの壁は、高性能レーザ、いわゆるエキシマー・レーザを用い、交差ウェブと得られた照明された領域の黒化とを有するリソグラフマスクを通し、後部に非構造化基板の平面照明により形成される。ブラック壁が照射により形成される。ハイパワーの集束レーザ束を用いて材料への加工により、同じ効果が得られる。その結果、交差壁がレザーフォーカスの走査偏向ラインとして生成される。ここにブラック壁は材料に刻み込まれる。
【００５４】
超精密機械加工機械によるモジュール/ツールの生産期間に、大きい表面粗さが生じることが可能である。これは、例えば適切な屈折率の薄いポリマーフィルム(プリズム、非球面レンズセグメント、（ブレーズド）格子、交差１Ｄアレイ構造)を用いて、スプレーコーティング(「スプレーペインティング」)により補償されあるいは最小化にされることができる。
【００５５】
超フラットオプティックのセンサへの平面接着は、二つの空気との界面が除去されたため、フレネル反射損失における大幅な低減をもたらす。
【００５６】
ブラック壁の形状は、チャネルの透明ボリュームが立方体であるようにする必要がないものの、レンズアレイと画像面の間に透明円錐のあるいはピラミッドと同じような空間構造をもたらすこともできる。
【００５７】
フィルムロールから説明された構造の複製は、経済的な連続製造を可能にする。薄いボードの製造が同じように考えられる。多くの薄い対物レンズが同時に生産される。
【００５８】
ＵＶ硬化性ポリマーにおける成形（ＵＶ反応成形）、エンボス加工あるいはプラスチック材料フィルムの加圧成形(両面)は複製技術として、プラスチック材料圧縮成形あるいは射出成形パーツ、薄いプラスチック材料プレートのホット・エンボスとＵＶ反応成形とする形態で、オプトエレクトロニクスウエハーに直接利用できる。
【００５９】
言及された発明に対する可能な用途は、平らに組み立てられた小さいアプリケーション、例えばクロック、ノート、ＰＤＡあるいはシステム手帳、携帯電話、メガネ、衣料品などにおいて、モニタリングと安全技術、またアクセス又は用途許可を照合して実行するため、不可欠のコンポーネントとして使用されることが考えられる。更なる見栄えの良い応用は、クレジットカードあるいは通常のチップカードのカメラとしての使用である。この発明に係る配置により、カメラは、貼り付き式のアイテムとして、また自動車分野にも医療技術においてもマシン・ビジョンのための超-フラット画像認識システムとして、可能となる。
【００６０】
カメラの撮影画素は、必ず堅く密集されるのが必要ではないが、例えば、わずかに幅を広げた光源、例えばＬＥＤ(カラーも)と交替することもできる。従って、同時撮影と写真再生のために、撮影と写真再生画素は、大きいアレイにおいて均一に分配されることが可能である。
【００６１】
二つのこのようなシステムは、不透明被写体の前側と後側に適用でき、各システムはそれぞれ他のシステムにより撮られた画像を再生する。被写体のサイズがカメラの範囲と大体同様である場合、例えばレンズとピンホールアレイのピッチ差から生じる傾斜している光軸は無視でき、またピンホールあるいは検出器は、マイクロレンズの軸に直接設置でき、結果は1：1イメージである。下記の使用領域が、例えば考えられる。
・  対応する撮影と組み合わせる「装着型ディスプレー」  →  カムフラージュ（「透明人間」）、外板に適用することによる車両、飛行機、船の偽装  →  「透明」
・  粘着フィルムあるいは壁紙  →  透明ドア、透明壁、透明・・・
【００６２】
本発明に係る画像認識システムは、内視鏡検査分野に同じく使用できる。従って、曲面画像センサは、例えば円筒形スリーブに適用できる。これは、内視鏡検査のアクセス可能な器官において広範囲の視界を可能にする。
【００６３】
更なる利用は、太陽の高度検出あるいはフラットカメラに堅固に取り付けられた基準面に対する点状あるいはわずかに拡張している光源のみの相対位置の確定に関連する。この目的のため、相対的に高いまた場合によって非対称の視野が必要であり、およそ６０°ｘ３０°の完全な角度である。
【００６４】
更なる利用は、撮影と、いわゆる高性能ラベルの処理に関する。結果として、再構成可能なパターン認識は、例えば、図９ｂあるいは９ｄによる複数のピクセルを有するチャネルにより達成できる。これは、各チャネルの視方向が電子的に切り替えられることを意味し、その結果、再分配が画像と被写体情報の配置において生成される。例えば、カメラを変える必要なく、時々他の物のパターンを定めるために、これは使用できる。同じくこの使用はロゴの認識と識別に関連する。
【００６５】
更なる応用分野は、マイクロシステム技術、例えば仕事場を観察するためのカメラに関連する。従って、例えばチャックあるいはアーム上のグリッパは、対応する画像認識システムを有することができる。また、ここに「マシン・ビジョン」分野における応用も関連しており、例えば、大きい拡大と同時に高い深度シャープネスを有するピック・アンド・プレイスロボットのための小型カメラ、また例えば、ボーリングの点検のため、広範囲の視界のための小型カメラである。ここに、高解像度が絶対的に必要ではなく、代わりに高い深度シャープネスのみが必要とされるため、フラットカメラは莫大な利点を持っている。
【００６６】
更なる使用は、3Dバーチャル・リアリティへの変換あるいはモニタリング技術のために、例えば人間の手あるいは人間全体の3D移動追跡に関連する。この目的のため、本発明に係る画像認識システムにより実現される経済的な広い地域受信機アレイが必要である。
【００６７】
更なる使用は、虹彩認識、指紋認識、被写体認識と移動検出に関連する。
【００６８】
同様に、自動車分野における知覚の応用分野が好ましい。ここに係るのが、例えば距離、外部、内部の衝突リスクあるいはシートの配置に関して、例えば車両内部あるいは外部のモニタリングタスクである。
【００６９】
最新の光学カメラは、高過ぎる空間的必要条件(自動車の屋根、後部ミラー、フロントガラス、バンパーなど)を持っており、直接一体化されることができなく、普遍的な使用には高価過ぎる。完全なフラット構造の結果として、このタイプのカメラシステムは、その結果、目に過度に衝突することなしで、また可能な事故の場合で負傷のリスク増加を示すことなしで、自動車の内部(例えば内部の自動車の屋根)を装備し且つモニタリングために、理想的である。それらは比較的に容易に既存の概念と統合できる。特に興味深いのは、人の着席位置に従ってエアバッグの知的な且つ個別のコントロールのため、内部に取り付けられたイメージ提供システムである。エアバッグに関する既知の問題(位置外問題、不当なトリガ)に対し、知的なイメージ提供センサは解決法を提供する可能性がある。
【００７０】
超フラットカメラシステムは、バンパーに容易に一体化され、その結果、距離センサとして機能するだけではなく、障害物、被写体および歩行者の検出、交通コントロール、およびプレ・クラッシュセンサシステムとしての機能も果たす。およそ５０から１５０mの平均モニタリング範囲において、位置解像力を提供しないあるいはわずかな位置解像力を提供する純粋な距離センサ(レーダー・ライダー技術)に加え、イメージセンサの使用は、重要性を増しつつある。また、赤外線のスペクトル域におけるフラットカメラの使用も考えられる。フラットしかも目立たない構造は、従来のカメラシステムに比べ、これらの革新的なカメラ概念の明確な利点を示す。
【００７１】
自動車技術における更なる将来の可能な使用は、物理的とロジカルなアクセスコントロールおよび使用のための承認を実行するための画像認識システムとして超フラットカメラシステムの使用に属する。従って、超フラットカメラシステムは、キーに一体化されあるいは内部に取り付けられることができ、またバイオメトリック特徴に基づいてユーザの認証を可能にする(例えば顔認識)。
【００７２】
更なる応用分野は、アクティブなセキュリティと走行快適さのための革新的なドライバー支援システムの場合、一体化可能なイメージ提供センサとして生産される。すなわち、
・  車線検出
・  歩行人と障害物モニタリング
・  盲点モニタリング、車内モニタリング、フライバーの注意深さ、快適さ
・  暗視カメラ
【００７３】
航空機産業において、例えば、目立たない完全なフラットカメラシステムによる一体化されまた知的なコックピットモニタリングなどである。
【００７４】
ＣＭＯＳとＣＣＤセンサ両方とも光電画像変換のために利用できる。ここに特に魅力的であるのが、薄くされ且つ後部によって点灯される探知器であり、それは、それらが特に簡単な方法でオプティックと直接接続に適しており、また感度に対してさらなる利点を持つためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７５】
後の図面を参照し、本発明に係るサブジェクトをさらに詳細に説明し、本発明を特定の実施形態変形に制限することではないことを意図する。
【００７６】
図１は、この発明に係るサブジェクトの変形を示す。図１において、以下の意味をする。すなわち、
１   光チャネルのアクセプタンス（Δφ）
２   ＦＯＶのサンプリング（サンプリング角ΔФ）
３   レンズアレイ、直径Ｄと焦点距離ｆを有するレンズはピッチｐでセルに集中される
４   基板
５   ピンホールアレイ(金属層における)、セルにおけるピンホールのオフセットは視方向を確定し、ピンホールの直径ｄはアクセプタンス角Δφを確定する。
【００７７】
異なる方法（ここにマイクロレンズアレイとピンホールアレイとのピッチ差）で形成でき、また(マイナス)拡大した結像を達成するために外へ傾きを増大する光軸は、それが対応する光チャンネルの光軸上あるいは近くに位置する場合、被写体分配におけるソースが対応する感光性の画素において一つの信号のみを送ることを意味する。ソースポイントが検討された光軸から離れて移動される場合、それによって、対応する検出器の信号が、それと隣接する異なる光チャンネルに関連して一つ下がり、ソースポイントが現在アプローチする光チャネルの光軸は上昇することが可能である。このような方法で、被写体分配は対応する言及された検出器ピクセルの信号強度により示される。
【００７８】
この配置は、匹敵可能な拡大を持つ伝統的な対物レンズと比べかなりより短い構造長さで、個々のマイクロレンズの後ろで観測できる画像と比べかなりより大きい拡大画像で被写体のイメージを提供する。
【００７９】
アレイにおける検討されたセルの動径座標の関数として、光軸の傾きは、外側(図１)すなわちアレイの光軸から離れる方向に、と内側すなわちアレイの光軸に向く方向両方に増加できる。結果は直立のあるいは逆にしている全体画像である。
【００８０】
言及された発明の解像度パワーは、光軸の傾きの増大、サンプリング角ΔФ、及びイメージスポットとして光チャネルにより再生された立体角、いわゆるアクセプタンス角Δφにより確定される。アクセプタンス角Δφは、ピンホールの開口と共に、所定の入射角に対するマイクロレンズの点広がり関数のフォールディング、あるいは検出器ピクセルの活性表面とマイクロレンズの焦点長さから形成される。そのアクセプタンス角（FWHM）がサンプリング角ほど大きくない場合(ナイキスト基準)、視野に渡る分解できる線の組の最大数は、現在、正確に光チャンネルの半数である。しかしながら、サンプリング角と比べアクセプタンス角が非常に大きい場合、その結果、光チャネルの数はもはや役割を果たさなく、代わりに、分解できる線の組の周期はアクセプタンス角（FWHM）と同様である。従って、ΔφとΔФの重要な調整は不可欠である。
【００８１】
感光性ピクセルのサイズによれば、ピンホールアレイを用いる検出器アレイのカバーが必要である場合がある。これは解像力パワーを増加するが、より小さい検出器表面積のため、配置の感度/伝送を低減する。
【００８２】
光チャネルごとに一つの活性ピクセルのみの代わりに、一つの光チャネルに異なる機能の複数のピクセルを利用することもできる。従って、例えば異なるカラーピクセル（ＲＧ）を一つのセルに設置することができ、あるいは異なる視方向(光軸の傾斜)を生ずる(一つのピクセル内の縮小映像の他の点をスキャンする)ピクセルを一つのセル内において大きいスペーサを持って設置することができ、また、全体配置の感度を増加させるため、更なる離れたセルにおける他のこのようなピクセルの視方向と重なる結果として、解像力の損失なく作動する。
【００８３】
本発明の範囲内において、該当する合理的な、それ故に好ましいピンホールの直径は１μｍから１０μｍである。
【００８４】
図２は図１と類似な、ただし各々のセルの間にリソグラフ的に生成された分割壁を有する配置を示す。図２において、以下の意味をする。すなわち、
１’  光チャネルのアクセプタンス角（ＰＳＦピンホール/焦点距離）
２’  ＦＯＶのサンプリング（ピンホールのオフセット/焦点距離）
３’  レンズアレイ、セルに集中されたレンズ
４’  基板(キャリアのみとする)
５’  ピンホールアレイ(金属ダイアフラム)、ＦＯＶを生成するピンホールのオフセット
６’  ライト保護壁を有するセル
【００８５】
これらのライト保護壁は、チャンネルの実際の視野外に位置するソースポイントが隣接するチャンネルの検出器上の前述のチャンネルにより撮像される効果を有する。斜め入射束の結像期間中に、強い軸外収差の結果として、このようにして伝送されたイメージスポットはしかしながら、焦点が強くぼけられる。結像の信号/騒音比の顕著な低減は結果となるだろう。
【００８６】
図３は、ライト保護壁を有するシステムの可能なリソグラフ生成変形を示す。フラットカメラは、終端効果で薄いポリマー層として、エレクトロニックユニットに適用できる。よって、それは同時に基板の機能を果たす
【００８７】
レンズの生産のため、最も多様な技術が考えられる。従って、微小光学に確立された技術は、例えば、リフロープロセル(円形あるいは楕円形レンズのため)、ＵＶ硬化性ポリマーの成形（ＵＶ反応成形）あるいはガラスにおけるエッチング（ＲＩＥ）、使用できる。球と非球面はレンズとして可能である。生産の更なる変形は、プラスチック材料フィルムにおけるエンボス加工あるいは印刷であることができる。プラスチック材料、圧縮成形あるいは射出成形パーツ、あるいはその中に分割壁（「バッフル」）がすでに埋め込まれたことができるホット・エンボスされる薄いプラスチック材料プレートとする形態が考えられる。レンズが屈折、回折あるいは屈折・回折(ハイブリッド)形態を有することができる。システムは、ポリマーを遠心分離することにより直接エレクトロニックユニットにエンボス加工されることができ、または別の方法で造型できる。
【００８８】
図４はすでに形成された実施形態変形を示す。厚さ３００μｍのガラス基板１１の前側にある厚さ２０μｍのポリマー層１０は必要なマイクロレンズを含む。金属層におけるマイクロレンズアレイと比べよりわずかに小さいピッチのピンホールアレイ１２は、基板の後側に設置されている。この配置は、匹敵可能な拡大を持つ伝統的な対物レンズと比べかなりより短い構造上の長さで、個々のマイクロレンズの後ろで観測できる画像と比べかなりより大きい拡大画像で被写体のイメージを生成する。ピンホールアレイをマイクロレンズアレイの画像平面に位置させるように、基板の厚さは、マイクロレンズの焦点距離と等しいように設定されている。
【００８９】
レンズの直径は８５μｍであり、スキャンされた画像フィールドのサイズは６０μｍ  ｘ  ６０μｍであり、光チャネルのピッチは９０μｍである。回転対称レンズの視野は、０．１９のレンズの合理的なＮＡによって、対角線に沿って１５°に制限されている。光チャネルの数は１０１  ｘ  １０１であり、生成された画像スポットの数はそれと対応する。
【００９０】
検出器アレイをカバーするために必要なピンホールアレイは低い最小伝送の材料を含む。特に金属被膜がこの目的に適している。しかしながら、これらには実に、高い反射率の不都合があり、それはシステムの中で散光を引き起こす。ピンホールを用いて構造されたブラックポリマーによる金属層の交換は、散光を削減するのに好都合である。ブラックポリマー層と金属層の組合せは、低い伝送と同時に低い反射を可能にする。
【００９１】
ここに表された発明の不可欠の利点は、トータル・システムの拡大、すなわち、オプティックの視野のサイズ対画像フィールドサイズの比率を調整する可能性である。均質のレンズアレイを用いるフラットカメラの製造から、すなわち全てのレンズが同じであることから、リソグラフ平面技術において、結果は配置全体の視野における限定である。視野の完全なサイズはそれによって、ＦＯＶ＝逆正接関数（ａ/ｆ）により提供される。ここに、ａはスキャン可能なマイクロ映像のサイズであり(最大レンズピッチｐと同じとすることができる)、ｆはマイクロレンズの焦点距離である(図１を参照)。スキャンニングピンホールが対応するマイクロレンズの画像範囲外に移動しない限り、縮小映像は有意義にスキャンされるのみができる。マイクロレンズアレイに最大の可能な充填率を利用するとき、画像範囲の拡大は、レンズ直径（四角配置においてレンズピッチｐと等しい）も拡大されなければならないことを示すのみができる。従ってＮＡ＝ｐ/２ｆを考慮に入れ、理想な場合ａ＝ｐにおいて、ＮＡがマイクロレンズの開口数とすると共に、視野の計算のための上記の式は、ＦＯＶ＝逆正接関数（２ＮＡ）に書き換えられることができる。説明された配置の視野のサイズは、よって、マイクロレンズの開口数のサイズにより確定される。収差のサイズにおける増加のため、非球面レンズを使用する時においても、処理される大きい角度スペクトルのため、レンズのＮＡの任意拡大は不可能である。
【００９２】
マイクロレンズアレイとピンホールアレイとの間のピッチ差を調整するための合理的な可能性は、Δｐ＝ａ（１−Ｎ/（Ｎ−１））であり、Ｎがフラットカメラの一次元のセルの数とする。
【００９３】
マイクロレンズアレイ及びピンホールアレイの間のピッチ差と、検出要素（図５）あるいはレンズの配置あるいは全部の光チャネルの配置との組合せ、すなわち曲面ベース上の検出器を含んでいるのは、同じ画像フィールドサイズで視野を拡大し、その結果、配置全体の拡大を抑えるために、可能な解決策として現れる。ここで説明され、また互いに結合できる異なる方法による視野の拡張あるいは拡大における低減は、本発明の不可欠な点である。
【００９４】
図６は、各々のマイクロレンズ１４と各々の検出器１５を有する検出器アレイとを備えるレンズアレイ、を備えるこの発明に係る画像認識システムを示す。それによってレンズアレイは曲面に設置されている。光軸１３は層にされ、その結果、視野の拡張が得られる。
【００９５】
図７は、各々のマイクロレンズ１４を有するレンズアレイと曲面ベース上の各々の検出器１５を有する検出器アレイとを備えるこの発明に係る画像認識システムを示す。ここにレンズの焦点距離は全て同じであることができる。大きい視野にもかかわらず、中心メインビームが常にレンズベースと直交しているため、これらのための軸外収差がない。同様に、回折レンズがベースとして考えられ、その結果、得られた画像全体は逆にしている。隣接するチャンネルの間の干渉で引き起こされるゴーストを抑えるために、適切な分割壁による各々のチャネルの光学的な隔離も不可欠である。
【００９６】
図８は、チャネルごとに適切なサイズの一つのピクセルを有する平面の実施形態におけるこの発明に係る画像認識システムの側面図を示す。画像センサ２１に直接設置されたモノリシックプレート２０における干渉を抑えるために、それはマイクロレンズアレイ１８と、画像面のための距離規定構造と、チャネルの光学的隔離１９とを備える。レンズアレイのピッチと比べ多少より小さい画像センサのピクセルのピッチのため、マイクロレンズに対するセンサピクセルの相対位置は、各チャネルにおいて異なる。その結果として、チャネルの間で視方向の必要な変化が得られる。このセクションは、カメラの縁のチャネルのためにチャネル内に可能なピクセルの位置を示す。
【００９７】
図９は、チャネルごとに複数のピクセルの使用の可能性を示し、これらのセクションは図８に対応するチャネルの画像面にそれぞれ図示される。
ａ）サブＰＳＦ解像力、すなわち前の各々のピクセルの代わりに、非常に小さいピクセルのグループ
ｂ）マイクロレンズの画像面における密集しているセンサアレイ、いわゆるメガピクセルセンサ
ｃ）チャネルの多様なピクセルの前方のカラーフィルターは、カラー写真を可能にする。異なるカラーが様々な視方向でとられ、すなわちマイクロレンズに対するカラーピクセルの異なるオフセットであることを考慮に入れるべきである。チャネルのカラーピクセルをカラーイメージピクセルにではなく、相応して同じ視方向を見る隣接するチャネルの異なるカラーピクセルに切り替えることによる対応する補正により、これを可能にすることができる。例えば、チャネル１の赤ピクセルはチャネル２のブルーピクセルと同じ方向を見る。同様に、マイクロレンズの平面における異なるカラーフィルターの一体化が考えられ、よって異なるチャネルは異なるカラーを検出し、しかしながら、同じ視方向を有する。
ｄ）一つのチャネルのより大きいスペーサにおける複数の同様の画素の配置、すなわち複数のチャンネルが同じ視方向を見ており、ピクセルがチャンネルにおいてそれぞれ相対的に異なって位置している。レンズに対するピクセルグループの位置は、チャネルからチャネルまで容易に置き換えられる。
ｅ）一つのチャネルの小さいスペーサにおける複数の同様のピクセルの配置、例えばスペクトルを撮るため。
ｆ）偏光フィルタはオプトエレクトロニックピクセルに直接一体化されている。また、偏光フィルタは、マイクロレンズにあるいはその前方に設置でき、異なる偏光方向は個々のチャネルにより検出できる。
【００９８】
図１０は、マイクロレンズアレイの平面におけるチャネルからチャネルまで異なる付加光学機能の一体化を示す。従って、図１０ａは、一体化された、同じ目的を果たす偏光フィルタあるいは格子を示しており、一体化されたカラーフィルターは図１０ｂに示されている。
【００９９】
図１１は、アレイにおける光チャネルの幾何学的配置の異なる変形を示す。図１１ａにおいて、光チャネルのデカルト配置が示され、図１１ｂにおいて、光チャネルの径方向対称配置が示され、光チャネルの六角形配置が図１１ｃに示されている。
【０１００】
図１２は、例えば、ホット・エンボス加工あるいはＵＶ反応成形とその後の吸収材料を用いるキャスティングにより、必要であれば、超フラット対物レンズの前側と後側の同時造型による工業的に関連のある生産技術を図式的に示す。
ａ）レンズアレイ２２(同次の変化するパラメーター、付加の一体化された機能(格子))は前側に形成されている。後側に、トラフ構造２３が、できるだけ深くプレート２４あるいはフィルムにエンボス加工されている。結果は、透明な、弱々しく接続されたタワーであり、それらはマイクロレンズのスペーサとして機能を果たし、その上にそれの画像面に至るまで位置する。
ｂ）タワーの間の中間スペースは、各々のチャネルの光学的隔離２５を得るために非透明(吸収)材料により充填されている。
ｃ）得られた対物レンズプレートあるいはフィルムは、画像センサ２６に直接設置できる(ウエハー規模でも)。使用されたセンサアレイに従って、非常に正確な横方向の調整がそれによって必要である。
【０１０１】
図１３は、エンボス加工から得られた透明タワーの様々な形態、いわゆる間隔構造を示す。
ａ）例えばデカルト配置における一直線の壁は、チャンネルの密閉した透明なボリュームとして立方体を生じさせる。
ｂ）斜めの、円錐の、あるいは、ピラミッドのような壁は、チャンネルの密閉した透明なボリュームとして円錐台あるいは角錐台を生じさせる。これは曲面状の造型にもよく適しているだろう。
ｃ）それぞれのチャネルの光軸の傾きに適合させられるため、透明なボリューム(間隔構造)の傾斜あるいは形状は、必ずチャネルによって異なるができる。
ｄ）その次に、間隔構造を形成するため、吸収材料を用いる後側のキャスティングは、チャネルの光学的隔離を形成するために、ここにも達成される。
【０１０２】
図１４は、視野を変更する(ズーム)ための、この発明に係る画像認識システムと予め接続された偏向構造の組合せを示す。
ａ）カメラの動作期間中に、自由自在な、純粋な電気光学的なズームのために、これは、電気的に調整可能な可変の焦点距離を有する例えば液体レンズであることができる。
カメラチップそれ自身のパラメーターに無関係の視野の定着性の(単一な)調整は、適切な焦点距離を有するセット焦点距離レンズの事前接続である。凹面あるいは凸面レンズが選択されているか否かが、画像の配向あるいは画像スケールのサインを確定する。構造上の長さを低減するため、予め接続されたレンズはフレネルレンズとしても構成できる。プリズムの事前接続は、更にカメラ全体の視方向の対応する調整をもたらす。プリズムはフレネルレンズとしても構成できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】マイクロレンズアレイと、基板とピンホールアレイとを必ず備える超フラットカメラシステムの実施形態変形の側面図を示す。レンズアレイと比べより多少小さいピンホールアレイのピッチのため、一つが外側のチャネルに向いて移動する場合、光軸の方向は外側へ移動する。この配置は、適当な画素ピッチでスペーサなしで直接電子ユニットに設置できる。
【図２】図１に類似し、ただしライト保護壁を有する実施形態変形を示す。スクリーニング層は、キャリアとして感光性の電子ユニットに取り替えることもできる基板に設置される。透明なタワーはマイクロレンズとピンホールとの間のスペーサを形成する。各々のチャネルの光学隔離を達成するため、タワーの間の中間スペーサは、非透明(吸収)素材により充填される。
【図３】図２の変形のための可能な生産プロセスを示す。変形７によれば、基板はピンホールアレイにより表面が覆われる。変形８によれば、ＳＵ８台(タワー)は適用され、タワーの間の中間スペーサは、吸収材料（ＰＳＫ）により充填される。変形９によれば、マイクロレンズアレイはピンホールアレイに適合するように適用される。
【図４】後側のピンホールアレイと、前側の２０μｍ厚度のポリマーを有するＵＶ成形のマイクロレンズアレイと、を備える３００μｍ厚さの基板実施形態変形の代表を示す。マイクロレンズとピンホールアレイの間のピッチ差から、結果は、傾いている光学軸と、それによって有効な減少である。この配置は、ピクセルに適合されたピッチで、直接イメージ提供電子ユニットに接着される。
【図５】軸外レンズセグメントを有するレンズアレイを備える超フラットカメラを示す。分散はチャネルの視方向にあるいはアレイにおける径方向位置に依存する(プリズム効果)。
【図６】曲面ベース上のレンズアレイを有する超フラットカメラを示す。レンズの焦点距離はチャネル依存である。大きい視野にもかかわらず、これらが常にレンズベースに垂直であるので、中心メインビームのための軸外収差はない。同様に、発散レンズがベースとして考えられ、得られた画像全体はその結果逆にされている。
【図７】曲面ベース上のレンズアレイと検出器とを有する超フラットカメラを示す。ここでレンズの焦点距離は全て同じであることができる。大きい視野にもかかわらず、これらが常にレンズベースに垂直であるので、中心メインビームのための軸外収差はない。発散レンズもベースとして考えられ、得られた画像全体はその結果逆にされている。
【図８】チャネルごとに一つのピクセルを有する本発明に係る画像認識システムの側面図を示す。
【図９】チャネルごとに複数ピクセルの使用のための異なる変形を示す。
【図１０】本発明に係る画像認識システムにおける付加光学機能の一体化に関する例を示す。
【図１１】光チャネルの幾何学的な配置に関する例を示す。
【図１２】本発明に係る画像認識システムの製造法を図式的に示す。
【図１３】光チャネルの幾何学的な配置に関する異なる変形を示す。
【図１４】液体レンズ(電子ズーム) と組合せする本発明に係る画像認識システムを示す。
【符号の説明】
【０１０４】
３、２２    レンズアレイ
４          基板
５、１２    ピンホールアレイ
１１        ガラス基板
１３        光軸
１４        マイクロレンズ
１５        検出器
１８        マイクロレンズアレイ
１９、２５  光学的隔離
２０        モノリシックプレート
２１、２６  画像センサ
２４        プレート
【図１】
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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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【国際調査報告】
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2007520743.tif 000021
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