(57)【要約】種々の光学配列、ならびにこれらの光学配列の光学特性および機能性を修正または強化する方法が提供される。光学配列は、それぞれ複数のピクセルを含む、複数の撮像装置で形成される撮像デバイスを組み込む、カメラアレイとともに動作するように特異的に設計されている。複数の撮像装置は、第１の撮像特性を有する第１の撮像装置と、第２の撮像特性を有する第２の撮像装置とを含む。複数の撮像装置によって生成される画像は、撮像装置によって捕捉された画像と比較して強化された画像を得るように処理される。
2014521117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の凸状近位面および第１の凹状遠位面を有する、第１のレンズ要素であって、前記第１の凸面の直径は、前記第１の凹面の直径よりも大きい、第１のレンズ要素と、
実質的に平坦な第２の近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素であって、前記平坦な第２の近位面の直径は、前記第２の凸面の直径よりも小さく、前記第２の凸面の直径は、前記第１の凸面および前記第１の凹面の直径の中間である、第２のレンズ要素と、
を備え、前記第１および第２のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される、
アレイカメラ用の３面光学配列。
【請求項２】
前記第１の要素の表面は、第１の基材によって分離され、前記第２の要素の表面は、第２の基材によって分離される、請求項１に記載の３面光学配列。
【請求項３】
前記平坦な第２の近位面は、前記第２の基材によって形成される、請求項２に記載の３面光学配列。
【請求項４】
前記平坦な第２の近位面上に配置される開口絞りをさらに備える、請求項１に記載の３面光学配列。
【請求項５】
前記第１または第２の基材のうちの少なくとも１つの上に配置される少なくとも１つの開口をさらに備える、請求項２に記載の３面光学配列。
【請求項６】
前記第１および第２のレンズ要素の間に配置される開口構造をさらに備え、前記開口構造は、その上に配置された少なくとも１つの開口を有する、少なくとも１つの開口基材を備える、請求項１に記載の３面光学配列。
【請求項７】
前記第１および第２のレンズ要素、ならびに前記第２のレンズ要素および前記撮像装置は、スペーサによって分離される、請求項１に記載の３面光学配列。
【請求項８】
前記第１または第２の基材のうちの少なくとも１つの上に配置されるフィルタをさらに備える、請求項２に記載の３面光学配列。
【請求項９】
前記レンズ要素の前記表面のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される、請求項１に記載の３面光学配列。
【請求項１０】
前記凸面は、王冠状材料から形成され、前記凹面は、フリント状材料から形成される、請求項８に記載の３面光学配列。
【請求項１１】
請求項１に記載の複数の３面光学配列を備える、アレイであって、前記アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、前記アレイ内の前記複数の配列が、前記選択された波長帯域の全体を撮像するように、前記選択された波長帯域の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される、アレイ。
【請求項１２】
第１の凸状近位面および第１の凹状遠位面を有する、第１のレンズ要素であって、前記第１の凸面の直径は、前記第１の凹面の直径よりも大きい、第１のレンズ要素と、
第２の凹状近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素であって、前記第２の凹状近位面の直径は、前記第２の凸面の直径よりも小さい、第２のレンズ要素と、
第３の凹状近位面および第３の平面的遠位面を有する、第３のレンズ要素であって、前記第３の凹状近位面の直径は、前記第１および第２のレンズ要素の表面のうちのいずれかの直径よりも大きい、第３のレンズ要素と、
を備え、前記第１、第２、および第３のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される、
アレイカメラ用の５面光学配列。
【請求項１３】
前記第１の要素の表面は、第１の基材によって分離され、前記第２の要素の表面は、第２の基材によって分離される、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項１４】
前記第３の平面的遠位面は、画像センサ、または前記画像センサを覆って配置されるカバーガラスのうちのいずれか一方と接触している、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項１５】
前記第１の凹状遠位面の上に配置される開口絞りをさらに備える、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項１６】
前記第１の凹状遠位面に隣接する前記第１の基材の上に配置される開口絞りをさらに備える、請求項１３に記載の５面光学配列。
【請求項１７】
前記第１のレンズ要素内に配置される少なくとも１つの開口をさらに備える、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項１８】
前記レンズ要素のうちの少なくとも２つの間に配置される開口構造をさらに備え、前記開口構造は、その上に配置された少なくとも１つの開口を有する、少なくとも１つの開口基材を備える、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項１９】
前記第１および第２のレンズ要素、ならびに前記第２のレンズ要素および前記第３のレンズ要素は、スペーサによって分離される、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項２０】
前記第１および第２のレンズ要素のうちの少なくとも１つの中に配置されるフィルタをさらに備える、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項２１】
前記レンズ要素の前記表面のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項２２】
前記凸面は、王冠状材料から形成され、前記凹面は、フリント状材料から形成される、請求項２１に記載の５面光学配列。
【請求項２３】
前記第３のレンズ要素と前記画像センサとの間に空隙をさらに備える、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項２４】
少なくとも１つの基材をさらに備え、前記少なくとも１つの基材は、前記レンズ要素のうちの少なくとも１つの前記表面の間に配置される、請求項１２に記載の５面光学配列。
【請求項２５】
前記第３のレンズ要素と前記撮像装置との間に配置される基材をさらに備える、請求項２４に記載の５面光学配列。
【請求項２６】
前記レンズ要素内の少なくとも１つの基材上に配置される少なくとも１つの開口をさらに備える、請求項２４に記載の５面光学配列。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの開口は、前記第１のレンズ要素内に埋め込まれる、請求項２６に記載の５面光学配列。
【請求項２８】
請求項１２に記載の複数の５面光学配列を備える、アレイであって、前記アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、前記アレイ内の前記複数の配列が、前記選択された波長帯域の全体を撮像するように、前記選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される、アレイ。
【請求項２９】
近位および遠位側を有する基材と、
前記基材の前記近位側に配置される第１の近位および遠位面を有する、第１のモノリシックレンズ要素と、
前記基材の前記遠位側に配置される第２の近位および遠位面を有する、第２のモノリシックレンズ要素と、
前記第１および第２のレンズ要素との光学的整合で前記基材上に配置される、少なくとも１つの開口と、
を備え、前記第１および第２のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される、
アレイカメラ用の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３０】
請求項２９に記載の複数の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列を備える、ウエハスタックであって、
前記配列の要素から形成される複数のウエハ表面と、
各ウエハ表面に関して形成される、少なくとも２つの整合マークであって、前記整合マークのそれぞれは、前記整合マークが、協調的に整合させられたときに、対応する開口とのレンズ表面の横方向および回転整合を補助するように、隣接ウエハ表面上の整合マークと協働する、整合マークと、
をさらに備える、ウエハスタック。
【請求項３１】
少なくとも２つの軸方向に整合した開口が、前記基材の上に配置される、請求項２９に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３２】
前記少なくとも２つの軸方向に整合した開口は、同一または異なるサイズのいずれか一方である、請求項３１に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの開口との光学的整合で前記基材の上に配置される少なくとも１つの被覆をさらに備える、請求項２９に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの被覆は、偏光フィルタ、色フィルタ、ＩＲＣＦフィルタ、およびＮＩＲ通過フィルタから成る群より選択される、請求項３３に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３５】
前記基材は、偏光フィルタ、色フィルタ、ＩＲＣＦフィルタ、およびＮＩＲ通過フィルタから成る群より選択される、フィルタの役割を果たす材料から形成される、請求項２９に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３６】
前記基材はさらに、適応光学要素を備える、請求項２９に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３７】
前記レンズ要素のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される、請求項２９に記載の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列。
【請求項３８】
請求項２９に記載の複数の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列を備える、アレイであって、前記アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つのレンズ表面の外形は、組み合わせて、前記アレイ内の前記複数の配列が、前記選択された波長帯域の全体を撮像するように、前記選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される、アレイ。
【請求項３９】
第１の近位および遠位面を有する、第１のモノリシックレンズであって、前記第１のモノリシックレンズの前記第１の近位面は、凹状または凸状外形のうちのいずれか一方を有し、前記第１のモノリシックレンズの前記第１の遠位面は、平面外形を有する、第１のモノリシックレンズと、
前記第１のモノリシックレンズの前記第１の遠位面の上に配置され、それと光学的に整合している、少なくとも１つの開口と、
第２の近位および遠位面を有する、第２のモノリシックレンズであって、前記第２のモノリシックレンズの前記第２の近位面は、平面外径を有し、前記第２のモノリシックレンズの前記第２の遠位面は、凹状または凸状外形のうちのいずれか一方を有し、前記第２のモノリシックレンズは、前記開口との光学的整合で配列される、第２のモノリシックレンズと、
を備える、少なくとも１つのレンズ要素を備え、
前記第１のモノリシックレンズ要素は、前記開口および前記第２のモノリシックレンズと直接接触している、
アレイカメラ用のモノリシックレンズ光学配列。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの開口との光学的整合で前記平面上に配置される少なくとも１つのフィルタをさらに備える、請求項３９に記載のモノリシック光学配列。
【請求項４１】
前記モノリシックレンズは、異なるアッベ数を有する材料から形成される、請求項３９に記載のモノリシック光学配列。
【請求項４２】
少なくとも２つのレンズ要素をさらに備える、請求項３９に記載のモノリシック光学配列。
【請求項４３】
請求項３９に記載の複数のモノリシック光学配列を備える、アレイであって、前記アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、前記アレイ内の前記複数の配列が、前記選択された波長帯域の全体を撮像するように、前記選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される、アレイ。
【請求項４４】
請求項３９に記載の複数のモノリシックレンズ光学配列を備える、ウエハスタックであって、
前記配列の要素から形成される複数のウエハ表面と、
各ウエハ表面に関して形成される、少なくとも２つの整合マークであって、前記整合マークのそれぞれは、前記整合マークが、協調的に整合させられたときに、対応する開口との前記レンズ表面の横方向および回転整合を補助するように、隣接ウエハ表面上の整合マークと協働する、整合マークと、
をさらに備える、ウエハスタック。
【請求項４５】
第１の凸状近位面および第１の平遠位面を有する、第１のレンズ要素と、
第２の凹状近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素と、
第３の凹状近位面および第３の凸状遠位面を有する、第３のメニスカスレンズ要素と、
第１の平遠位面上に配置される少なくとも１つの開口と、
を備え、前記第１、第２、および第３のレンズ要素は、開口絞りおよび撮像装置との光学的整合で連続的に配列される、
アレイカメラ用の３要素モノリシックレンズ光学配列。
【請求項４６】
前記第１および第２のレンズ要素は、低分散材料から形成され、前記第３のレンズ要素は、高分散材料から形成される、請求項４５に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項４７】
前記第１のレンズ要素との光学的整合で前記第１の平遠位面上に配置される少なくとも１つのフィルタをさらに備える、請求項４５に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項４８】
前記第１のレンズ要素はさらに、その遠位面上に配置される基材を備える、請求項４５に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項４９】
前記基材の前記遠位面上に配置される少なくとも１つの開口をさらに備える、請求項４８に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項５０】
前記基材の前記遠位面上に配置される少なくとも１つのフィルタをさらに備える、請求項４８に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項５１】
前記第２のレンズ要素はさらに、その近位および遠位面の間に配置される基材を備える、請求項４５に記載の３要素モノリシック光学配列。
【請求項５２】
請求項４５に記載の複数の３要素モノリシック光学配列を備える、アレイであって、前記アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、前記アレイ内の前記複数の配列が、前記選択された波長帯域の全体を撮像するように、前記選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される、アレイ。
【請求項５３】
複数のレンズ要素アレイから形成されるレンズ要素アレイスタックであって、前記レンズ要素アレイのそれぞれは、相互および対応する撮像装置と光学的に整合している、レンズ要素アレイスタックを備え、
前記レンズ要素スタックのそれぞれの個々のレンズ要素のそれぞれは、高または低アッベ数材料のうちのいずれか一方から形成され、高または低アッベ数材料のうちのいずれか一方が、任意の個別レンズ要素スタックで使用される順序は、それに関係する前記撮像装置によって検出されるスペクトル帯域に依存する、
アレイカメラ用の複数の光学配列。
【請求項５４】
複数のレンズ要素アレイから形成されるレンズ要素アレイスタックであって、前記レンズ要素アレイのそれぞれは、複数のレンズ要素で形成される、レンズ要素アレイスタックと、
前記レンズ要素アレイのそれぞれに組み込まれる、複数の構造特徴と、
を備え、前記構造特徴は、少なくとも１つの寸法において、前記レンズ要素アレイスタック内で相互に関して前記レンズ要素アレイの整合を確保する、
アレイカメラ用の複数の光学配列。
【請求項５５】
前記構造特徴は、横方向および回転整合特徴、スペーサ、およびスタンドオフから成る群より選択される、請求項５４に記載の複数の光学配列。
【請求項５６】
複数の光学チャネルを有するアレイにおいて系統的加工誤差を補償する方法であって、
前記アレイの前記光学チャネルのチャネル方向の色収差補正のみに使用される、波長板または多重レベル回折相要素のうちのいずれか一方の公称形状を組み込む、設計を準備するステップと、
前記設計に基づいてアレイレンズモジュールを加工するステップと、
レンズの計量、中心化、距離、および光学性能から成る群より選択される少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記設計からの前記レンズモジュールの系統的偏差を実験的に判定するステップと、
実験の結果に基づいて、前記レンズモジュールのチャネル方向の色収差補正面のみを再設計するステップと、
前記再設計に基づいて、前記レンズモジュールを再加工するステップと、
前記レンズモジュールの背面焦点距離を使用して、残っている前記系統的偏差のうちのいずれかを補償するステップと、
を含む、方法。
【請求項５７】
複数の光学チャネルを備える、光学配列であって、各光学チャネルは、少なくとも２つの光学面を備える、少なくとも１つの光学要素を含み、前記複数の光学チャネルのそれぞれの前記光学面のうちの１つは、前記光学チャネルを選択された光の波長に適合させるだけに十分な波面変形を有する、チャネル特有の表面である、光学配列。
【請求項５８】
前記チャネル特有の表面は、波長板、キノフォーム、および放射対称多重レベル回折相要素から成る群より選択される、請求項５７に記載の光学配列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイカメラで使用するための新規の光学配列、設計、および要素に関し、より具体的には、画像センサのアレイとともに使用されることが可能な様々な構成の光学配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像センサが、画像を捕捉するために、カメラおよび他の撮像デバイスで使用される。典型的な撮像デバイスでは、光が、撮像デバイスの一方の端から進入し、レンズ等の光学要素によって画像センサに方向付けられる。ほとんどの撮像デバイスでは、光学要素の１つ以上の層が、光を画像センサ上に集束させるように開口絞りの前後に配置される。近年、多くの撮像装置およびレンズを有するアレイカメラが開発されている。大抵の場合、光学要素の複数のコピーが、アレイカメラで使用するために横方向に形成されなければならない。
【０００３】
従来、光学アレイは、マスタレンズアレイから成形またはエンボス加工することによって形成するか、あるいは標準リソグラフィまたは他の手段によって加工することができる。しかしながら、標準ポリマーオンガラスＷＬＯおよびモノリシックレンズＷＬＯ製造技法は、これまでのところ、アレイカメラの特定の高性能要件のために適合されていない。具体的には、例えば、最小基材厚要件、開口絞りを配置する場所の融通性がないこと、精度等の従来のＷＬＯプロセスのいくつかの技術的制限が、低減させられる必要がある。そのような選択またはプロセスの融通性は、アレイカメラによる高い需要を満たすために増加させられる必要があり、そうでなければ、アレイカメラを製造するために、そのようなＷＬＯ技法を使用することができない。したがって、これらのアレイを正確に形成することが可能な加工プロセス、およびこれらの新しいタイプのアレイ型カメラの画像処理ソフトウェアがシステムレベルで優れた画質を実現するために利用できるように、製造の増加した融通性をもたらす光学配列の必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、アレイカメラとともに使用するための光学配列を対象とする。
【０００５】
一実施形態では、本発明は、アレイカメラ用の３面光学配列を対象とする。そのような実施形態では、光学配列は、
・第１の凸状近位面および第１の凹状遠位面を有する、第１のレンズ要素であって、第１の凸面の直径は、第１の凹面の直径よりも大きい、第１のレンズ要素と、
・実質的に平坦な第２の近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素であって、平坦な第２の近位面の直径は、第２の凸面の直径よりも小さく、第２の凸面の直径は、第１の凸面および第１の凹面の直径の中間である、第２のレンズ要素と、
を含み、第１および第２のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される。
【０００６】
３面光学配列の一実施形態では、第１の要素の表面は、第１の基材によって分離され、第２の要素の表面は、第２の基材によって分離される。別のそのような実施形態では、平坦な第２の近位面は、第２の基材によって形成される。なおも別のそのような実施形態では、開口絞りが、平坦な第２の近位面の上に配置される。さらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの開口が、第１または第２の基材のうちの少なくとも１つの上に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、その上に配置された少なくとも１つの開口を有する、少なくとも１つの開口基材を備える、開口構造が、該第１および第２のレンズ要素の間に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、第１および第２のレンズ要素、ならびに第２のレンズ要素および撮像装置は、スペーサによって分離される。なおもさらに別のそのような実施形態では、フィルタが、第１または第２の基材のうちの少なくとも１つの上に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、レンズ要素の表面のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される。なおもさらに別のそのような実施形態では、凸面は、王冠状材料から形成され、凹面は、フリント状材料から形成される。
【０００７】
３面光学配列の別の実施形態では、そのような配列のアレイが説明され、アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、アレイ内の複数の配列が、選択された波長帯域の全体を撮像するように、選択された波長帯域の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される。
【０００８】
別の実施形態では、本発明は、アレイカメラ用の５面光学配列を対象とする。そのような実施形態では、光学配列は、
・第１の凸状近位面および第１の凹状遠位面を有する、第１のレンズ要素であって、第１の凸面の直径は、第１の凹面の直径よりも大きい、第１のレンズ要素と、
・第２の凹状近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素であって、第２の凹状近位面の直径は、第２の凸面の直径よりも小さい、第２のレンズ要素と、  
・第３の凹状近位面および第３の平面的遠位面を有する、第３のレンズ要素であって、第３の凹状近位面の直径は、第１および第２のレンズ要素の表面のうちのいずれかの直径よりも大きい、第３のレンズ要素と、
を含み、第１、第２、および第３のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される。
【０００９】
５面光学配列の１つのそのような実施形態では、第１の要素の表面は、第１の基材によって分離され、第２の要素の表面は、第２の基材によって分離される。別のそのような実施形態では、第３の平面的遠位面は、画像センサ、または画像センサを覆って配置されるカバーガラスのうちのいずれか一方と接触している。なおも別のそのような実施形態では、開口絞りが、第１の凹状遠位面の上に配置される。さらに別のそのような実施形態では、開口絞りが、第１の凹状遠位面に隣接する第１の基材の上に配置される。さらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの開口が、第１のレンズ要素内に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、開口構造が、該レンズ要素のうちの少なくとも２つの間に配置され、開口構造は、その上に配置された少なくとも１つの開口を有する、少なくとも１つの開口基材を備える。なおもさらに別のそのような実施形態では、第１および第２のレンズ要素、ならびに第２および第３のレンズ要素は、スペーサによって分離される。なおもさらに別のそのような実施形態では、フィルタが、第１および第２の基材のうちの少なくとも１つの中に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、レンズ要素の表面のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される。なおもさらに別のそのような実施形態では、凸面は、王冠状材料から形成され、凹面は、フリント状材料から形成される。なおもさらに別のそのような実施形態では、空隙が、第３のレンズ要素と画像センサとの間に位置付けられる。なおもさらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの基材が、レンズ要素のうちの少なくとも１つの表面の間に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、基材が、第３のレンズ要素と撮像装置との間に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの開口が、レンズ要素内の少なくとも１つの基材上に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの開口が、第１のレンズ要素内に埋め込まれる。
【００１０】
５面光学配列の別の実施形態では、複数の５面光学配列が、アレイで提供される。そのような実施形態では、アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、アレイ内の複数の配列が、選択された波長帯域の全体を撮像するように、選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される。
【００１１】
別の実施形態では、本発明は、アレイカメラ用の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列を対象とする。そのような実施形態では、光学配列は、
・近位および遠位側を有する基材と、
・基材の近位側に配置される第１の近位および遠位面を有する、第１のモノリシックレンズ要素と、
・基材の遠位側に配置される第２の近位および遠位面を有する、第２のモノリシックレンズ要素と、
・第１および第２のレンズ要素との光学的整合で基材上に配置される、少なくとも１つの開口と、
を含み、第１および第２のレンズ要素は、その遠位端に位置付けられた撮像装置との光学的整合で連続的に配列される。
【００１２】
基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列の別の実施形態では、少なくとも２つの軸方向に整合した開口が、該基材の上に配置される。別のそのような実施形態では、少なくとも２つの軸方向に整合した開口は、同一または異なるサイズのいずれか一方である。なおも別のそのような実施形態では、少なくとも１つの被覆が、該少なくとも１つの開口との光学的整合で該基材の上に配置される。さらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの被覆は、偏光フィルタ、色フィルタ、ＩＲＣＦフィルタ、およびＮＩＲ通過フィルタから成る群より選択される。なおもさらに別のそのような実施形態では、基材は、偏光フィルタ、色フィルタ、ＩＲＣＦフィルタ、およびＮＩＲ通過フィルタから成る群より選択される、フィルタの役割を果たす材料から形成される。なおもさらに別のそのような実施形態では、基材はさらに、適応光学要素を備える。なおもさらに別のそのような実施形態では、レンズ要素のうちの少なくとも２つは、異なるアッベ数を有する材料から形成される。
【００１３】
基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列のなおも別の実施形態では、そのような配列は、複数の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列を備える、ウエハスタックの一部であって、
・配列の要素から形成される複数のウエハ表面と、
・各ウエハ表面に関して形成される、少なくとも２つの整合マークであって、該整合マークのそれぞれは、該整合マークが、協調的に整合させられたときに、対応する開口とのレンズ表面の横方向および回転整合を補助するように、隣接ウエハ表面上の整合マークと協働する、整合マークとを含む。
【００１４】
基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列のさらに別の実施形態では、配列は、複数の基材埋込型ハイブリッドレンズ光学配列を備える、アレイの一部であり、アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、アレイ内の前記複数の配列が、選択された波長帯域の全体を撮像するように、選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される。
【００１５】
なおも別の実施形態では、本発明は、アレイカメラ用のモノリシックレンズ光学配列を対象とする。そのような実施形態では、光学配列は、
・少なくとも１つのレンズ要素を含み、それ自体が、
・第１の近位および遠位面を有する、第１のモノリシックレンズであって、第１のモノリシックレンズの第１の近位面は、凹状または凸状外形のうちのいずれか一方を有し、第１のモノリシックレンズの第１の遠位面は、平面外形を有する、第１のモノリシックレンズと、
・第１のモノリシックレンズの第１の遠位面の上に配置され、それと光学的に整合している、少なくとも１つの開口と、
・第２の近位および遠位面を有する、第２のモノリシックレンズであって、第２のモノリシックレンズの第２の近位面は、平面外径を有し、第２のモノリシックレンズの第２の遠位面は、凹状または凸状外形のうちのいずれか一方を有し、第２のモノリシックレンズは、該開口との光学的整合で配列される、第２のモノリシックレンズと、
を備え、第１のモノリシックレンズ要素は、開口および第２のモノリシックレンズと直接接触している。
【００１６】
別の実施形態では、モノリシック光学配列は、該少なくとも１つの開口との光学的整合で該平面上に配置される少なくとも１つのフィルタを含む。なおも別のそのような実施形態では、モノリシックレンズは、異なるアッベ数を有する材料から形成される。さらに別のそのような実施形態では、少なくとも２つのレンズ要素が形成される。
【００１７】
なおも別の実施形態では、モノリシックレンズ光学配列は、複数のモノリシック光学配列を備える、アレイの一部であり、アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、アレイ内の複数の配列が、選択された波長帯域の全体を撮像するように、選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される。
【００１８】
モノリシックレンズ光学配列のさらに別の実施形態では、そのような配列は、
・配列の要素から形成される複数のウエハ表面と、
・各ウエハ表面に関して形成される、少なくとも２つの整合マークであって、整合マークのそれぞれは、整合マークが、協調的に整合させられたときに、対応する開口とのレンズ表面の横方向および回転整合を補助するように、隣接ウエハ表面上の整合マークと協働する、整合マークと、
を備える、ウエハスタックの一部である。
【００１９】
さらに別の実施形態では、本発明は、アレイカメラ用の３要素モノリシックレンズ光学配列を対象とする。そのような実施形態では、光学配列は、
・第１の凸状近位面および第１の平遠位面を有する、第１のレンズ要素と、
・第２の凹状近位面および第２の凸状遠位面を有する、第２のレンズ要素と、
・第３の凹状近位面および第３の凸状遠位面を有する、第３のメニスカスレンズ要素と、
・第１の平遠位面上に配置される少なくとも１つの開口と、
を含み、第１、第２、および第３のレンズ要素は、開口絞りおよび撮像装置との光学的整合で連続的に配列される。
【００２０】
別の実施形態では、３要素モノリシック光学配列は、低分散材料から形成される第１および第２のレンズ要素と、高分散材料から形成される第３のレンズ要素とを含む。なおも別のそのような実施形態では、少なくとも１つのフィルタが、第１のレンズ要素との光学的整合で第１の平遠位面上に配置される。さらに別のそのような実施形態では、第１のレンズ要素はさらに、その遠位面上に配置される基材を備える。なおもさらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つの開口が、該基材の遠位面上に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、少なくとも１つのフィルタが、該基材の遠位面上に配置される。なおもさらに別のそのような実施形態では、第２のレンズ要素はさらに、その近位および遠位面の間に配置される基材を備える。
【００２１】
なおも別の実施形態では、３要素モノリシックレンズ光学配列は、複数の３要素モノリシック光学配列を備える、アレイの一部であり、アレイは、選択された波長帯域を撮像するように設計され、各光学配列内のレンズ表面のうちの少なくとも１つの外形は、組み合わせて、アレイ内の複数の配列が、選択された波長帯域の全体を撮像するように、選択された波長の狭帯域部分のみを光学的に撮像するように適合される。
【００２２】
なおもさらに別の実施形態では、本発明は、
・複数のレンズ要素アレイから形成されるレンズ要素アレイスタックであって、レンズ要素アレイのそれぞれは、相互および対応する撮像装置と光学的に整合している、レンズ要素アレイスタックを含み、
・レンズ要素スタックのそれぞれの個々のレンズ要素のそれぞれは、高または低アッベ数材料のうちのいずれか一方から形成され、高または低アッベ数材料のうちのいずれか一方が、任意の個別レンズ要素スタックで使用される順序は、それに関係する撮像装置によって検出されるスペクトル帯域に依存する、
アレイカメラ用の複数の光学配列を対象とする。
【００２３】
なおもさらに別の実施形態では、本発明は、
・複数のレンズ要素アレイから形成されるレンズ要素アレイスタックであって、該レンズ要素アレイのそれぞれは、複数のレンズ要素で形成される、レンズ要素アレイスタックと、
・レンズ要素アレイのそれぞれに組み込まれる、複数の構造特徴と、
を含み、構造特徴は、少なくとも１つの寸法において、レンズ要素アレイスタック内で相互に関してレンズ要素アレイの整合を確保する、
アレイカメラ用の複数の光学配列を対象とする。
【００２４】
複数の光学配列の１つのそのような実施形態では、構造特徴は、横方向および回転整合特徴、スペーサ、およびスタンドオフから成る群より選択される。
【００２５】
なおもさらに別の実施形態では、本発明は、複数の光学チャネルを有するアレイにおいて系統的加工誤差を補償する方法であって、
・アレイの光学チャネルのチャネル方向の色収差補正のみに使用される、波長板または多重レベル回折相要素のうちのいずれか一方の公称形状を組み込む、設計を準備するステップと、
・設計に基づいてアレイレンズモジュールを加工するステップと、
・レンズの計量、中心化、距離、および光学性能から成る群より選択される少なくとも１つのパラメータに基づいて、設計からのレンズモジュールの系統的偏差を実験的に判定するステップと、
・実験の結果に基づいて、レンズモジュールのチャネル方向の色収差補正面のみを再設計するステップと、
・再設計に基づいて、レンズモジュールを再加工するステップと、
・レンズモジュールの背面焦点距離を使用して、残っている系統的偏差のうちのいずれかを補償するステップと、
を含む、方法を対象とする。
【００２６】
なおもさらに別の実施形態では、本発明は、複数の光学チャネルを備える、光学配列を対象とし、各光学チャネルは、少なくとも２つの光学面を備える、少なくとも１つの光学要素を含み、複数の光学チャネルのそれぞれの光学面のうちの１つは、光学チャネルを選択された光の波長に適合させるだけに十分な波面変形を有する、チャネル特有の表面である。１つのそのような実施形態では、チャネル特有の表面は、波長板、キノフォーム、および放射対称多重レベル回折相要素から成る群より選択される。
【００２７】
本明細書で説明される特徴および利点は、包括的ではなく、具体的には、図面、明細書、および請求項を考慮すると、多くの付加的な特徴および利点が、当業者に明白となるであろう。また、本明細書で使用される用語は、基本的に読みやすさおよび指導目的のために選択されており、本主題を線引きするか、または限局するように選択されていない場合があることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付のデータおよび図と併せて考慮されたときに、以下の発明を実施するための形態を参照することにより、さらに理解されるであろう。
【図１】図１は、複数の撮像装置を伴う従来のカメラアレイの平面図である。
【図２】図２は、レンズ要素を伴う従来のカメラアレイの斜視図である。
【図３】図３は、従来のカメラアレイの断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態による、３面２レンズ光学配列の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの光学配列の一実施形態による、例示的なレンズの表である。
【図５Ａ１】図５Ａ１は、本発明の一実施形態による、５面３レンズ光学配列の概略図である。
【図５Ａ２】図５Ａ２は、図５Ａ１の光学配列の一実施形態による、例示的なレンズの表である。
【図５Ｂ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｃ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｄ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｅ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｆ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｇ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｈ】図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１の光学配列の特徴的性能指標を提示するデータプロットである。
【図５Ｉ１】図５Ｉ１は、本発明の一実施形態による、５面３レンズ光学配列の概略図である。
【図５Ｉ２】図５Ｉ２は、図５Ｉ１の光学配列の一実施形態による、例示的なレンズの表である。
【図５Ｊ１】図５Ｊ１は、本発明の一実施形態による、５面３レンズ光学配列の概略図である。
【図５Ｊ２】図５Ｊ２は、図５Ｊ１の光学配列の一実施形態による、例示的なレンズの表である。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、従来のモノリシックレンズおよび開口配列の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、従来のモノリシックレンズおよび開口配列の概略図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の一実施形態による、モノリシック光学配列の概略図である。
【図６Ｄ】図６Ｄ１−６Ｄ６は、本発明の種々の実施形態による、モノリシック光学配列の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の一実施形態による、モノリシック光学配列を製造するためのプロセスフローの概略図である。
【図７Ｂ】図７Ｂ−７Ｄは、本発明の種々の実施形態による、モノリシック光学配列の概略図である。
【図７Ｃ】図７Ｂ−７Ｄは、本発明の種々の実施形態による、モノリシック光学配列の概略図である。
【図７Ｄ】図７Ｂ−７Ｄは、本発明の種々の実施形態による、モノリシック光学配列の概略図である。
【図７Ｅ】図７Ｅ−７Ｇは、図７Ｂ−７Ｄに示される本発明の実施形態によるモノリシックレンズ要素を組み込む、光学配列の概略図である。
【図７Ｆ】図７Ｅ−７Ｇは、図７Ｂ−７Ｄに示される本発明の実施形態によるモノリシックレンズ要素を組み込む、光学配列の概略図である。
【図７Ｇ】図７Ｅ−７Ｇは、図７Ｂ−７Ｄに示される本発明の実施形態によるモノリシックレンズ要素を組み込む、光学配列の概略図である。
【図８Ａ】図８Ａ−８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、３要素モノリシック光学配列の概略図である。
【図８Ｂ】図８Ａ−８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、３要素モノリシック光学配列の概略図である。
【図８Ｃ】図８Ａ−８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、３要素モノリシック光学配列の概略図である。
【図８Ｄ】図８Ａ−８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、３要素モノリシック光学配列の概略図である。
【図８Ｅ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図８Ｆ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図８Ｇ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図８Ｈ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図８Ｉ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図８Ｊ】図８Ｅ−８Ｊは、本発明の一実施形態による、３要素モノリシック光学配列の特徴的性能指標のデータグラフである。
【図９Ａ】図９Ａおよび９Ｂは、２つの材料で形成された従来の射出成形光学配列の概略図である。
【図９Ｂ】図９Ａおよび９Ｂは、２つの材料で形成された従来の射出成形光学配列の概略図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の一実施形態による、２つの材料で形成された従来の射出成形光学配列の概略図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、２つの材料で形成された従来のポリマーオンガラスウエハレベル光学配列の概略図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の一実施形態による、２つの材料で形成されたポリマーオンガラスウエハレベル光学配列の概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、統合開口絞りを有する従来のポリマーオンガラスウエハレベル光学配列の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の一実施形態による、統合開口絞りを有するポリマーオンガラスウエハレベル光学配列の概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の一実施形態による、予備形成間隔および整合要素を有する光学配列の概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の一実施形態による、予備形成間隔および整合要素を有する光学配列の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による、光学配列を製造するためのプロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、異なる撮像特性の複数の撮像装置を使用する、分散型アプローチを使用して画像を捕捉する、アレイカメラで使用するための新規の光学配列に関する。そのようなカメラの各撮像装置は、異なるフィルタを伴う別個の光学部品と組み合わせられ、異なる動作パラメータ（例えば、露光時間）とともに動作してもよい。説明されるように、これらの明確に異なる光学要素は、例えば、射出成形、ガラス成形、ポリマーオンガラスウエハレベルオプティクス（ＷＬＯ）、またはモノリシックレンズＷＬＯ技術（ポリマーまたはガラス）を含む、任意の好適な技法を使用して加工されてもよい。
（定義）
【００３０】
センサ要素またはピクセルとは、カメラアレイの中の個別光感知要素を指す。センサ要素またはピクセルは、とりわけ、従来のＣＩＳ（ＣＭＯＳ画像センサ）、ＣＣＤ（電荷結合素子）、高ダイナミックレンジピクセル、マルチスペクトルピクセル、およびそれらの種々の代替物を含む。
【００３１】
撮像装置とは、ピクセルの２次元アレイを指す。各撮像装置のセンサ要素は、類似の物理的性質を有し、同一の光学構成要素を通して光を受光する。さらに、各撮像装置の中のセンサ要素は、同一の色フィルタと関連付けられてもよい。
【００３２】
撮像装置アレイとは、一体構成要素として機能するように設計されている撮像装置の集合を指す。撮像装置アレイは、種々のデバイスの中に載置または設置するための単一のチップ上に加工されてもよい。
【００３３】
レンズスタックとは、いくつかの光学構成要素／レンズ要素の軸方向配列を指す。
【００３４】
光学チャネルとは、レンズスタックおよび撮像装置の組み合わせを指す。
【００３５】
レンズアレイとは、個々のレンズ要素の横方向配列を指す。
【００３６】
光学部品またはレンズスタックアレイとは、レンズスタックの横方向アレイ、または複数のレンズアレイの軸方向配列を指す。
【００３７】
カメラアレイとは、光学部品アレイおよび撮像装置アレイの組み合わせを指し、また、光学チャネルのアレイとして定義することもできる。
【００３８】
撮像装置の画像特性とは、画像の捕捉と関連付けられる撮像装置の任意の特性またはパラメータを指す。撮像特性は、とりわけ、撮像装置のサイズ、撮像装置に含まれるピクセルのタイプ、撮像装置の形状、撮像装置と関連付けられるフィルタ、撮像装置の露光時間、撮像装置と関連付けられる光学部品の開口サイズ、撮像装置と関連付けられる光学要素の構成、撮像装置の利得、撮像装置の分解能、および撮像装置の動作タイミングを含んでもよい。
【００３９】
カメラの光学部品の特性とは、少なくとも、視野（ＦＯＶ）、Ｆ値（Ｆ／＃）、分解能（ＭＴＦ）、有効焦点距離または倍率、色または波帯、ひずみ、および相対照度を指す。（カメラアレイの構造）
【００４０】
図１は、撮像装置１ＡからＮＭを伴う一般的カメラアレイ１００の平面図である。示されるように、示されるタイプの撮像装置アレイは、複数の撮像装置１ＡからＮＭを含むように加工される。ひいては、撮像装置１ＡからＮＭのそれぞれは、複数のピクセル（例えば、０．３２メガピクセル）を含んでもよい。撮像装置１ＡからＮＭは、図１に図示されるようなグリッド形式に配列されるが、それらは、任意の好適な構成で配列されてもよいことを理解されたい。例えば、他の実施形態では、撮像装置は、円形パターン、ジグザグ状パターン、または散在性パターン等の非グリッド形式で配列されてもよい。
【００４１】
この設計の撮像装置アレイは、２つ以上のタイプの異種撮像装置を含んでもよく、各撮像装置は、２つ以上のセンサ要素またはピクセルを含む。撮像装置のうちの各１つは、異なる撮像特性を有してもよい。代替として、同一のタイプの撮像装置が同一の撮像特性を共有する、２つ以上の異なるタイプの撮像装置があってもよい。例えば、各撮像装置１ＡからＮＭは、各自のフィルタおよび／または光学要素（例えば、レンズ）と関連付けられてもよい。具体的には、撮像装置１ＡからＮＭまたは一群の撮像装置のそれぞれは、ある光の波長を受光するようにスペクトル色フィルタと関連付けられてもよい。フィルタ例は、ベイヤーパターン（Ｒ、Ｇ、Ｂ）で使用される従来のフィルタ、赤外線カットフィルタ、近赤外線フィルタ、偏光フィルタ、およびハイパースペクトル撮像の必要性に合うカスタムフィルタを含む。加えて、いくつかの撮像装置は、可視スペクトル全体および近赤外線の両方の受光を可能にするフィルタを持たなくてもよく、撮像装置の信号対雑音比を増加させる。明確に異なるフィルタの数は、カメラアレイの中の撮像装置の数と同じくらい多くあり得る。
【００４２】
そのような撮像装置アレイは、他の関連回路を含んでもよいことが理解されるであろう。他の回路は、とりわけ、撮像パラメータを制御する回路、および物理的パラメータを感知するセンサを含んでもよい。制御回路は、露光時間、利得、および黒レベルオフセット等の撮像パラメータを制御してもよい。センサは、動作温度での暗電流を推定する暗ピクセルを含んでもよい。暗電流は、基材が被り得る、任意の熱クリープのオンザフライ補償のために測定されてもよい。
【００４３】
これらのカメラアレイは、携帯電話および他のモバイルデバイスで使用される既存のカメラ画像センサの暫定的な代替品として設計されてもよい。この目的で、カメラアレイは、ほぼ同一の分解能の従来のカメラモジュールと物理的に互換性があるように設計されてもよいが、カメラアレイの達成された分解能は、多くの写真の状況で従来の画像センサを超えてもよい。増大した性能を利用して、本実施形態のカメラアレイは、従来の画像センサと比較して同等またはより良い質の画像を得るように、より少ないピクセルを伴う撮像装置を含んでもよい。代替として、撮像装置の中のピクセルのサイズは、同程度の結果を達成する一方で、従来の画像センサの中のピクセルと比較して縮小されてもよい。
【００４４】
一実施形態では、撮像装置を含むカメラアレイは、Ｍメガクセルの従来の画像センサに取って代わる。カメラアレイは、□の撮像装置を含み、各センサは、□のピクセルを含む。カメラアレイの中の各撮像装置はまた、置換されている従来の画像センサと同一のアスペクト比も有する。
（光学部品統合）
【００４５】
これらの撮像装置用のレンズおよび他の光学要素を提供するために、これらのタイプのカメラアレイは、任意の好適な工学技術を採用してもよい。以下の論議は、カメラアレイで使用するための従来の光学要素の総括を提供するであろう。
【００４６】
図２は、撮像装置アレイ２３０とともにそのような光学部品アレイ２１０を組み込む、１つのそのような従来のアレイカメラアセンブリ２００の斜視図である。示されるように、光学部アレイ２１０は、概して、複数のレンズスタック２２０（さらに、いくつかの軸方向に整合したレンズ要素から成り得る）を含み、各レンズスタック２２０は、（示される実施例では）撮像装置アレイ２３０の中の２５個の撮像装置２４０のうちの１つを覆う。
【００４７】
図３は、カメラアレイアセンブリ２５０の断面図である。示されるように、そのような設計では、カメラアセンブリ２５０は、上部レンズウエハ２６２および底部レンズウエハ２６８を含む、光学部アレイと、その上に形成された複数のセンサおよび関連光感知要素を伴う基材２７８を含む、撮像装置アレイとを備えるであろう。スペーサ２５８、２６４、および２７０もまた、適正な位置付けを種々の要素に提供するように含まれる。この実施形態では、カメラアレイアセンブリ２５０はまた、カプセル化２５４内に包装される。最終的に、随意的な上部スペーサ２５８は、カプセル化２５４と撮像装置アレイの上部レンズウエハ２６２との間に配置されてもよいが、それは、カメラアセンブリ２５０の構造に不可欠ではない。撮像装置アレイ内で、個々のレンズ要素２８８が、上部レンズウエハ２６２の上に形成される。これらのレンズ要素２８８は、図３で同一であるものとして示されているが、同一のカメラアレイ内で、異なるタイプ、サイズ、および形状の要素が使用されてもよいことを理解されたい。別の一式のレンズ要素２８６が、底部レンズウエハ２６８の上に形成される。上部レンズウエハおよび底部レンズウエハの上のレンズ要素の組み合わせは、図２に示されるレンズスタック２２０を形成する。
【００４８】
これらのタイプのカメラアレイでは、シリコン貫通電極２７４もまた、撮像装置から信号を伝送するための経路に提供されてもよい。上部レンズウエハ２６２は、光を遮断するように、斜光材料２８４（例えば、クロム、酸化（「黒色」）クロム、不透明フォトレジスト）で部分的に被覆されてもよい。さらなる実施形態では、斜光材料２８４で被覆されていない光学部品アレイの上部レンズウエハ２６２の部分は、光が底部レンズウエハ２６８および撮像装置アレイまで通過する、開口としての機能を果たす。１つだけの開口が図３で提供される実施例に示されているが、これらのタイプのカメラアレイでは、迷光性能および光学的クロストークの低減を向上させるように、カメラアセンブリの中のありとあらゆる基材面上に配置された不透明層から、付加的な開口が形成されてもよいことを理解されたい。図３に示される実施例では、フィルタ２８２が、光学部品アレイの底部レンズウエハ２６８の上に形成される。斜光材料２８０もまた、光アイソレータとして機能するように、光学部品アレイの底部レンズウエハ２６８の上に被覆されてもよい。斜光材料２８０はまた、入射放射線からセンサ電子機器を保護するように、撮像装置アレイの基材２７８の上に被覆されてもよい。スペーサ２８３もまた、光学部品アレイの底部レンズウエハ２６８と撮像装置アレイの基材２７８との間、ならびに光学部品アレイのレンズウエハ２６２および２６８の間に配置することができる。そのようなアレイカメラでは、スペーサの各層が、単一のプレートを使用して実装されてもよい。
【００４９】
図３では図示されていないが、多くのそのようなカメラアレイはまた、レンズスタックアレイの縁に示されるスペーサ２５８に類似するか、またはそれとともに単一の層で実装される、光学部品アレイの上部レンズウエハ２６２の上に位置する各光学チャネルの間にスペーサも含む。以下でさらに論議されるように、スペーサは、ウエハレベルオプティクスによって形成された光学チャネルを隔離するように、斜光材料から構築する、および／または斜光材料で被覆することができる。好適な斜光材料は、例えば、ＴｉおよびＣｒのような金属材料、または黒色クロム（クロムおよび酸化クロム）のようなこれらの材料の酸化物、またはダークシリコン、または黒色マトリクスポリマー（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅが提供しているＰＳＫ２０００）のような黒色粒子充填フォトレジスト等の任意の不透明材料を含んでもよい。
【００５０】
これらのアレイカメラとともにより小さいレンズ要素を使用することによって実現することができる、いくつかの利点がある。第１に、より小さいレンズ要素は、カメラアレイ２３０全体を覆う単一の大型レンズと比較して、はるかに小さい空間を占める。加えて、これらのより小さいレンズ要素を使用することの当然の結果のうちのいくつかは、低減した収差による向上した光学的性質、具体的には、色収差、削減された費用、低減した量の必要な材料、および製造ステップの削減を含む。これらの利点の完全な論議は、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許公開第ＵＳ−２０１１−００８０４８７−Ａ１号で見出され得る。
【００５１】
上記の説明は、アレイカメラとともに使用するための光学配列の基本設計の概観を提供するが、本発明は、強化された性質が可能な新規の配列を対象とする。手短に言えば、アレイアプローチ自体、および結果として生じる緩和された全トラック長要件により（アレイカメラが本質的に同程度の古典的対象よりもはるかに短いため）、通常の光学設計のアレイを使用するだけよりもむしろ、アレイカメラのレンズチャネルのための新規の光学設計アプローチを採用することが可能である。これらの新規の配列が、以下でさらに詳細に説明されるが、本明細書に記載される改良を組み込む他の光学配列が、本明細書で説明されるカメラアレイとともに使用されてもよいことを理解されたい。
（実施形態１：３表面ＷＬＯ設計）
【００５２】
従来のウエハレベルオプティクス（ＷＬＯ）は、ポリマーレンズが、潜在的には両側で、ガラスウエハ上に成形され、スペーサウエハによって、さらにそのようなレンズウエハとともに積み重ねられ、レンズモジュールにダイスカットされ（これは「ポリマーオンガラスＷＬＯ」と呼ばれる）、それに続いて、光学部品を撮像装置とともに直接モノリシック統合モジュールに梱包する、技術である。以下でさらに詳細に説明されるように、ＷＬＯ手順は、いくつかある手順の中で特に、ガラス基材の上にポリマーレンズ要素を作成するためにウエハレベル金型を使用することを伴ってもよい。通常、これは、レンズ成形前に、基材上の別様に不透明な層内に以降のレンズチャネルを伴って、中心に置かれた開口部を提供することによって、開口、具体的には、開口絞りを組み込むことを伴う。
【００５３】
第１の実施形態では、ウエハレベルオプティクス技術による加工のため、具体的には、アレイカメラの（複数のチャネルのうちの１つとしての）光学部品に使用されるために好適な３面光学配列が、図４Ａを参照して説明される。より具体的には、図２および３に示されるような標準的な２要素レンズでは、典型的には、４つのレンズ表面がある（上部および底部レンズの表および裏）。対照的に、この全トラック長が緩和されているがＭＴＦ性能が最適化された設計では、第３の表面（第２の要素の第１の側面）は、非常に低い屈折力を有する。結果として、それを設計から完全に省略することが可能である。結果は、より少ない必要プロセスステップによる、より安価なレンズ、および収率増倍へのより少ない寄与因子による、向上した収率につながる、３表面設計である。加えて、球形または放物線外形に近く見える形状（単調な外形、翼部なし）を有するレンズのみが、特定の軸方向配列で適用され、開口絞りを中心とするため、弱い光線屈曲のみが、空気・レンズまたはレンズ・空気界面上の全ての屈折において起こる。この配列の結果は、中心化、厚さ、距離、またはレンズ形状形態許容誤差に関する緩和された感度である。図４Ａに示されるように、異なる視野高に対する光線は、多かれ少なかれ垂直に透過し、したがって、レンズ表面を通して強く屈折させられない。しかしながら、そのような配列では、ガラス基材上の入射角（ＡＯＩ）によるバンド端の偏移が、レンズスタック内の基材上に適用される（例えば、赤外線遮断用の）任意の誘電体フィルタシステムについて最小限化されるように、ＡＯＩが最小限である最適な位置を見出すことが非常に重要である。
【００５４】
図４Ａに示されるように、３面光学配列は、単一の光路４０３に沿って連続的に配列される、第１のレンズ要素４００および第２のレンズ要素４０２によって識別される。構築目的で、各レンズ要素は、随意に、その上でポリマーレンズ表面が形成される、ガラスの実施例で作製された、対応する支持基材４０４および４０６と関連付けられてもよいことを理解されたい。加えて、レンズ要素を相互に、および／または画像センサに機械的に接続する働きをすることができる、スペーサ要素（図示せず）もまた、構造に含まれてもよい。任意の好適な材料が使用されてもよいが、一実施形態では、レンズ表面は、（紫外線または熱硬化性）ポリマーで作製される。
【００５５】
レンズ要素自体の構築を参照すると、第１のレンズ要素４００には、第１の要素の第１の側面上に第１の直径の凸面４０８、および第１の要素の第２の側面上に第２の直径の凹面４１０がある。好ましくは、第１の側面の直径は、第１のレンズ要素の第２の側面の直径よりも大きい。第２の要素４０２には、第２の要素の第１の側面上に浅いまたは平坦な表面４１２、および第２の要素の第２の側面上に凸面４１４がある。好ましくは、第２の要素の第１の側面の直径は、第２の要素の第２の側面の直径よりも小さく、第２の要素の第２の側面の直径は、第１の要素の第１および第２の側面の直径の中間である。加えて、システム開口または絞り（図示せず）が、好ましくは、第２の要素の第１の側面の上に配置される。
【００５６】
図に示されていないが、それぞれのレンズ表面に組み込むことができる（「スタンドオフ」）か、または付加的な要素であり得るかのいずれかである、（薄い）第１の間隔構造（図示せず）が、２つのレンズ要素の間に配置される。同様に、第２のレンズ要素の第２の側面を画像センサ４１７のカバーガラスまたはパッケージ４１６と接続する、（厚い）第２の間隔構造もまた、提供されてもよい。両方の間隔構造は、好ましくは、不透明であり、または少なくとも内側の側壁において不透明な表面を有し、隣接する光学チャネル間に部分的な光隔離を提供する。図４Ｂは、本発明による、３面光学配列の例示的な実施形態のレンズ表を提供する。
【００５７】
３側面光学配列の基本構築が上記で説明されるが、以下を含む、付加的な、または強化された機能性を提供するように、他の特徴および構造がレンズ要素に組み込まれてもよいことを理解されたい。
・レンズスタック内の（具体的には、ポリマーレンズの下のガラス基材の上の）付加的な開口の包含
・例えば、有機色フィルタアレイ「ＣＦＡ」等のチャネル特有のフィルタ、および／または、例えば、赤外線遮断、近赤外線通過、干渉色フィルタ等の構造化誘電体フィルタ。これらのフィルタは、好ましくは、システム開口に近い表面内で、第１および第２のレンズ要素のスタック内に配列されてもよい。
・例えば、光学配列の外側の２つの凸面に対する「王冠状」材料、および２つのレンズ要素の内側の潜在的に２つの（凹状）表面に対する「フリント状」材料等の、異なるレンズ表面に対する異なるアッベ数の材料を組み合わせることによって、個々の狭スペクトル帯チャネルの部分無色化が達成されてもよい（以下の実施形態６でさらに説明されるように）。
・色収差を補正するように、光学配列内の（少なくとも）１つのレンズ表面外形をその色に適合させることによって、それらの特定の狭スペクトル帯への異なる色チャネルの最適化が達成されてもよい。（完全な論議については、例えば、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１３／０５０，４２９号を参照されたい）。
【００５８】
それをアレイカメラで使用するために特に好適にする、この新規の３面光学配列のいくつかの特徴がある。第１に、画像センサのナイキスト空間周波数における非常に高いコントラストが達成され、同時に、（空間周波数が増加するとともにコントラストの漸進的減退のために）センサのナイキスト周波数の１．５倍または２倍で十分なコントラストを提供して、超解像度画像情報回復が効率的に稼働することを可能にするような方法で、光学配列が設計される。第２に、金型の設置面積を経済的に活用するために、光学配列が、隣接する光学チャネルの間にわずかな横方向距離を許容するために最適化され、その結果として、レンズ直径が小さくなるべきであり、（不透明）スペーサ構造の壁厚も同様となるべきである。第３に、異なる「色」（捕捉される全体的な波長スペクトルの部分）の撮像に専念する１つのアレイ内の光学チャネルは、少なくとも１つのレンズ表面の特定の表面外形に関して異なり得る。１つのアレイの中のこれらのレンズの表面外形の差異は、軽微であり得るが、背面焦点距離（「ＢＦＬ」）を色に依存しないままで保つのに非常に効果的であり、その結果として、高価な広スペクトル帯無色化を必要とすることなく、異なる色に対して（ほぼ）等しく鮮明な画像を可能にする。また、計算色融合後に、高解像度多色画像を提供することができる。具体的には、好ましくは、レンズスタックの中の最後の表面（ここでは第２の要素の第２の表面）が、それぞれの色チャネルの狭スペクトル帯について特異的に最適化される。第４に、上記の設計アプローチは、ひずみ、コマ、および横方向色を含む、あるタイプの収差を低減するのに役立つ、開口絞りの周囲でのレンズシステムの対称性（物体と画像空間との間の所与の非対称性の場合があり得るまで、部分的）をもたらす。
【００５９】
このアレイカメラの単一チャネルのアレイ専用設計の利益は、以下を含む。
・わずか２つの要素を用いて、および２つの要素内の３つだけの屈折力表面を用いて、高い分解能を提供する能力
・レンズ形状の単純性の増加
・低減した光線屈曲による加工公差感度の低減
・緩和されたトラック長要件による低いＣＲＡ
・このタスクを行うピクセルレベルでベイヤーパターンを有するよりもむしろ、異なる光学チャネルを区別する色フィルタによる、低い色クロストーク
・より小さいピクセルスタックの高さによる、低いピクセルクロストーク
・画像面からさらに遠くにある色フィルタによる、色の不均一性の低減
・薄い透明基材と比較して厚い不透明な第２のスペーサを可能にする、長い背面焦点距離による、低いチャネル間クロストーク
・これらの収差の多くがレンズサイズ＾２−＾４とともに拡大するため、より小さいレンズの結果としてのより少ない単色収差
・それぞれのスペクトル帯について最適化される必要しかない、別個の色チャネルであって、個々のチャネル内の無色化要件を最小限化しながら、より高い全体的多色分解能をもたらし、再度、より単純な全体的収差平衡または補正プロセス、およびより単純なレンズ、および／またはより良好なＭＴＦ、および／またはより低いＦ／＃をもたらす
・より小さいレンズが、より少ない収縮、およびあまり複雑ではない複製技術を使用する能力につながる、レンズのより小さいサグ（すなわち、頂点高）を意味するため、製造中のより高い収率。
（実施形態２：５面ＷＬＯ設計）
【００６０】
第２の実施形態では、ウエハレベルオプティクス技術による加工のため、具体的には、アレイカメラの（複数のチャネルのうちの１つとしての）光学部品に使用されるために好適な５面光学配列が、図５Ａ−５Ｊを参照して説明される。より具体的には、この実施形態は、画像面の近くにフィールド平坦化要素を有する、５面高分解能ウエハレベルレンズ／対物レンズを対象とする。再度、図２および３に示されるように、標準的な２要素レンズでは、典型的には、４つのレンズ表面がある（上部および底部レンズの表および裏）。しかしながら、これらの光学配列は、高分解能アレイカメラで使用するために理想的ではない。理想的には、例えば、ＢＳＩまたは量子薄膜センサ（マイクロレンズが屈折力を提供するために、画像センサの正面に空隙を別様に必要とする、マイクロレンズを必要としない、増加した曲線因子という付加的な利点を有する量子薄膜）を使用することによって、画像センサによる光学部品の小さい最大ＣＲＡへの要件の低減が生じるであろう（同部品へのはるかに大きい入射角を可能にする）。最終的に、通常のレンズ設計は、より強力でわずかな全トラック長要件を有し、それにより、アレイカメラが概念によって同程度の古典的対物レンズよりもはるかに短いため、全体的なカメラ長をアレイカメラに必要であるよりも短くするであろう。対照的に、この設計では、５つの表面が使用される。５面設計における多数の自由度が、全可視スペクトル帯（または目的とする他の帯域）の無色化を可能にするため、チャネル特有のレンズ外形が必ずしも必要とされるわけではない。しかしながら、たとえ背面焦点距離が、目的とするスペクトル帯にわたって一定に保たれ得ても、有効焦点距離、およびそれとともに倍率は、変化し得る。
【００６１】
図５Ａに示されるように、一実施形態では、５面光学配列は、単一の光路５０５に沿って連続的に配列される、第１の５００、第２の５０２、および第３の５０４レンズ要素によって識別される。構築目的で、各レンズ要素は、随意に、その上でポリマーレンズ表面が形成される、ガラスの実施例で作製された、対応する支持基材５０６、５０８、および５１０と関連付けられてもよいことを理解されたい。加えて、レンズ要素を相互に、および／または画像センサに機械的に接続する働きをすることができる、スペーサ要素（図示せず）もまた、構造に含まれてもよい。任意の好適な材料が使用されてもよいが、一実施形態では、レンズ表面、すなわち、レンズの表面と下層にある基材との間の体積は、（紫外線または熱硬化性）ポリマーで作製される。
【００６２】
レンズ要素自体の構築を参照すると、第１のレンズ要素５００は、第１の直径を有する凸面５１２、および第２の直径を有する凹面５１４を有する。好ましくは、凸面の直径は、このレンズ要素上の凹面の直径よりも大きい。第２のレンズ要素５０２は、第２のレンズ要素の第１の側面上に凹面５１６、および第２の要素の第２の側面上に凸面５１８を有する。この第２のレンズ要素では、好ましくは、その凸面は、その凹面と比較すると、より大きい直径である。第３のレンズ要素５０４は、第３のレンズ要素の第１の側面上に凹面５２０、および画像センサカバー５１０としての機能を果たす基材に接合される第２の平面的な側面５２２を有する。典型的には、第３のレンズ要素の凹面の直径は、第１および第２のレンズ要素の表面のうちのいずれかの直径よりも大きい。
【００６３】
配列に関して、第１の間隔構造（図示せず）が、第１の５００および第２の５０２レンズ要素の間に配置される。同様に、第２の間隔構造（図示せず）が、第２の５０２および第３の５０４レンズ要素の間に配置される。これらのスペーサのうちのいずれか一方は、それぞれのレンズ表面に組み込まれ（また、分割され）てもよい（次いで、レンズをともに直接接着することができる、「スタンドオフ」）か、または付加的な要素であり得るかのいずれかである。加えて、これらの間隔構造の両方は、好ましくは、不透明であり（または少なくとも（内側の）側壁において不透明な表面を有し）、隣接する光学チャネル間に（部分的な）光隔離を提供する。第３のレンズ要素５０４は、画像面５２４に比較的近く配置され、第３のレンズ要素の第２の側面は、好ましくは、透明な面積接着剤または局所接着剤（例えば、紫外線および／または熱硬化性接着剤）、あるいはさらに、上記で説明されるような透明開口部を伴う（不透明）間隔構造によって、画像センサまたは画像センサカバーガラスと接続される。
【００６４】
要約すると、上記で論議される図５Ａ１は、通常の厚さの画像センサカバーガラス上の大型サグフィールドフラットナ上に配置された５面光学配列を実証する。具体的には、フィールドフラットナ５０４（あるいはそれぞれ、その基材、またはセンサカバーガラス）と画像センサ５２４との間に空隙がない。フィールドフラットナの前には、理想的には、２つの凸面によって多かれ少なかれ対称的に包囲される、システム開口の近くに２つの凹面を含有する、第１の５００および第２の５０２レンズ要素から成る、実際に集束する対物レンズがある。この設計と関連付けられる例示的なレンズ表が、図５Ａ２で提供される。
【００６５】
図５Ｂ−５Ｈは、図５Ａ１に示される５面光学配列のいくつかの特徴的性能指標を提示する。具体的には、図５Ｂは、レンズが視野高（＠Ｆ／２．４および５６°の対角全ＦＯＶ）にわたって回折限界的であることを示す、ストレール比のデータグラフを提供する。図５Ｃは、ＭＴＦ対視野の比較で、視野高が増加するにつれて、性能の損失が事実上ないことを示す、データグラフを提供する。図５Ｄは、多色回折円内エネルギーのデータグラフを提供し、集中光エネルギーのほとんどがエアリー円盤内にあることを実証する。図５Ｅは、視野高とともにスポットサイズおよび形状の変化がほとんどない場合に、レンズがほぼアイソプラナティックであると考えられることを実証する、スポット図を提供する。図５Ｆは、ＭＴＦ対空間周波数のデータグラフを提供し、小さいおよび中間の視野高について、５００ＬＰ／ｍｍでさえも依然として１５〜２０％コントラストがあることを示す。図５Ｇは、レンズ設計が容認可能かつ単調なひずみを実証することを示す、データグラフを提供する。最後に、図５Ｈは、光学配列が通常の口径食挙動を示すことを実証する、相対照度プロットを提供する。
【００６６】
これらのデータ結果は、この特定の設計群について、強度の無色化により、赤色および青色スペクトルに緑色チャネルを使用すると、性能損失がほとんどないことを示す。言い換えれば、本システムは、全可視スペクトルについて、すでに十分に無色化されている。したがって、緑色チャネルを使用するだけよりもむしろ、緑色および赤色チャネルを特異的に最適化するときに、大した利益はない。明示的な全可視最適化も、非常に有望であり、すなわち、チャネル間の差異が必要とされない。さらに、これらの結果から、全可視スペクトルについてレンズを最適化するが、赤色、緑色、および青色帯域のみを別々に使用することにより、可視・多色ＭＴＦ、ストレール比、および円内エネルギープロットから分かるものさえ超えて性能を向上させるであろうと認識することが可能である。これは、より少ない波長が各色チャネルの多色不鮮明状態に寄与するためである。さらに、より横方向の色が軸方向の色よりも多色不鮮明状態を支配し、次いで、色の間の差異が、異なる不鮮明状態のサイズよりもむしろ、上記で説明されるような倍率または焦点距離の差異で大部分は反映されるため、この効果がさらに有意になる。手短に言えば、これらの特徴の最大の利益は、アレイマスタリングを大幅に単純化して、全てのチャネルが同一であり得ることである。
【００６７】
上記の論議は、フィールドフラットナと撮像装置との間に空隙がない５面光学配列の実施形態に焦点を合わせているが、本実施形態によれば、空隙を組み込む代替実施形態が作製されてもよいことを理解されたい。これらの実施形態は、曲線因子強化マイクロレンズおよび約３０°の限定された最大ＣＲＡを有することができる、通常の画像センサと組み合わせられてもよいため、有利である。例えば、図５Ｉ１およびＪ１は、以下で説明されるであろう、２つのそのような実施形態の図を提供する。
【００６８】
図５Ｉ１に示される実施形態は、センサカバーガラス５１０（その上にフィールドフラットナ５２８が位置付けられる）と画像センサ５２４との間の空隙５２６を可能にする、５面光学配列である。これは、通常、曲線因子マイクロレンズが画像センサ５２４の上に適用されるときに必要とされる。空隙の存在の結果として、主要な光線角が、図５Ａ１に示される実施形態にわたって低減させられる必要がある。いかなる制約もレンズ頂点高および最小ガラス厚に課されていないが、低減した最大ＣＲＡの要件により、レンズＴＴＬが増加し、画像性能が低減する。しかしながら、光線計算は、この実施形態でさえも、本発明の光学配列のＣＲＡが通常のセンサ仕様（空中で約２７〜２８°の大きさ）を満たすことを示す。この設計と関連付けられる例示的なレンズ表が、図５Ｉ２で提供される。
【００６９】
図５Ｊ１は、可能な限り最良の製造可能性のために最適化された５面光学配列の実施形態の概略図を提供する。具体的には、この実施形態では、レンズサグが減少させられ、好適な厚さを有するレンズ材料の平面的基層５３２、５３４、５３６、５３８、および５４２が提供される。構築目的で、各レンズ要素は、随意に、その上でポリマーレンズ表面および基層が形成され得る、ガラスの実施例で作製された、対応する支持基材５３３および５３３’、５３７および５４３と関連付けられてもよいことを理解されたい。加えて、レンズ要素を相互に、および／または画像センサに機械的に接続する働きをすることができる、スペーサ要素（図示せず）もまた、構造に含まれてもよい。
【００７０】
加えて、システム開口５４０は、隣接レンズ表面の必要なポリマー厚を減少させるために、２つのガラス基材５３３および５３３’の間に挟持される（または「埋め込まれる」）。最終的に、ガラス基材５４３が、フィールドフラットナレンズ表面５４４と、（空隙５４８を伴って）画像センサガラスカバー５４５および画像センサ５４６を含む撮像装置パッケージとの間に提供される。５０／５０の均等な分割が図５Ｊ１に示されているが、ガラス基材５４３と画像センサカバーガラス５４５との間の厚さは、任意の合理的な比率（両方の十分な厚さを可能にする）によって共有されてもよい。撮像装置に必要とされるようなカバーガラスもまた、提供されてもよい。次いで、これらの要素の全ては、製造中に好適な接着剤によって、浸漬され、ともに接着されてもよい。再度、この実施形態では、ＣＲＡは、通常のセンサ仕様（空中で約２７〜２８°の大きさ）を満たす。この設計と関連付けられる例示的なレンズ表が、図５Ｊ２で提供される。
【００７１】
５面光学配列の基本構築が上記で説明されるが、以下を含む、付加的な、または強化された機能性（図５Ａ１を参照）を提供するように、他の特徴および構造がレンズ要素に組み込まれてもよいことを理解されたい。
・システム開口（絞り）が、第１の要素５００の第２の側面上、またはそれぞれのガラス基材の対応する側面上のいずれかに配置されるか、または第１のレンズ要素５００内に埋め込まれてもよい（例えば、内側に開口アレイを伴って構造化されている、２つのより薄いガラス基材の間に挟持され、次いで、ともに接着される）。そのような実施形態では、要素のレンズが、この開口サンドイッチで複製されるであろう。
・上記で論議されるように、この一般的設計の他の実装は、第３のレンズ要素５０４と画像センサ５２４の感光性表面（またはそこへの界面）との間に、空隙がなくてもよいか、または薄い空隙を有してもよいかのいずれかである。そのような設計は、この光学配列が、通常の画像センサ、具体的には、曲線因子強化マイクロレンズを伴うもの、および従来のＣＲＡを伴う画像センサとともに、動作することを可能にする。しかしながら、これは、論議された空隙がないバージョンと比較して、より長いＴＴＬおよび適度にすぎない画質をもたらす。具体的には、そうでなければ、より高い屈折率の第３のレンズ要素５０４と空隙との間の界面に（部分的に）全内部反射、または強い収差が起こる、すなわち、光線が集束されるよりもむしろ扇形に広げられ得るような強い外向きの屈折があり得るため、ＣＲＡは、この場所に空隙があるときに適度となる必要がある。
・いくつかの付加的な開口もまた、適用可能である場合、スタック内に、具体的には、ポリマーレンズの下のガラス基材上に配置されてもよい。
・チャネル特有のフィルタもまた、第１の５００および第２の５０２レンズ要素のスタック内で、好ましくは、システム開口に近い表面内に配列されてもよい。そのようなフィルタは、例えば、有機色フィルタアレイ「ＣＦＡ」、および／または赤外線遮断あるいは近赤外線通過干渉色フィルタ等の構造化誘電体フィルタを含んでもよい。
・異なるレンズ表面に対する異なるアッベ数の材料を組み合わせることによって、個々の狭スペクトル帯チャネルの部分無色化が達成されてもよい。好ましくは、「王冠状」材料が、２つの第１のレンズ要素の外側の２つの凸面に使用され、「フリント状」材料が、２つの第１のレンズ要素の内側の２つの凹面に使用されるであろう（実施形態６を参照）。
・色収差を補正するように、光学配列内の少なくとも１つのレンズ表面外形をその色に適合させることによって、それらの特定の狭スペクトル帯への異なる色チャネルの最適化が達成されてもよい。（完全な論議については、例えば、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１３／０５０，４２９号を参照されたい）。
【００７２】
それをアレイカメラで使用するために特に好適にする、この新規の５面光学配列のいくつかの特徴がある。第１に、画像センサのナイキスト空間周波数で使用される非常に高いコントラストが達成され、同時に、（空間周波数が増加するとともにコントラストの漸進的減退のために）センサのナイキスト周波数の１．５倍または２倍で十分なコントラストを提供して、超解像度画像情報回復が効率的に稼働することを可能にするような方法で、光学配列が設計される。第２に、金型の設置面積を経済的に活用するために、光学配列が、隣接する光学チャネルの間にわずかな横方向距離を許容するために最適化され、その結果として、レンズ直径および（不透明）スペーサ構造の壁厚が縮小されてもよい。しかしながら、フィールド平坦化構造自体については、これは時折、達成することが困難である。この理由は、画像センサに対するこのレンズ表面の近接性が、（２つの間の距離によって拡大される）ほぼイメージサークルの大きさの直径を有する、レンズを必要とすることである。この要件を緩和するために、非回転対称的にフィールドフラットナを設計および実装することができる。これは、このレンズ表面の円形よりもむしろ長方形の設置面積をもたらす。したがって、レンズは、角に沿って（＝画像センサ対角）大きい横方向延長部を有し、それにより、１つのアレイ内の複数のレンズ表面が、ｘ−ｙにおいてともにさらに接近して位置付けられることを可能にし、したがって、チャネル間のより小さい全体的ピッチを可能にするであろう。第３に、異なる「色」（捕捉される全体的な波長スペクトルの部分）の撮像に専念する１つのアレイ内の光学チャネルは、少なくとも１つのレンズ表面の特定の表面外形が異なり得る。１つのアレイの中のこれらのレンズの表面外形の差異は、軽微であり得るが、背面焦点距離（「ＢＦＬ」）を色に依存しないままで保つのに非常に効果的であり、その結果として、高価な広スペクトル帯無色化を必要とすることなく、異なる色に対して（ほぼ）等しく鮮明な画像を可能にする。また、計算色融合後に、高解像度多色画像を依然として提供することができる。ここで、好ましくは、第１のレンズ要素の第１の表面が、それぞれの色チャネルの狭スペクトル帯について特異的に最適化されるであろう。
【００７３】
このアレイカメラの単一チャネルのアレイ専用設計の利益は、以下を含む。
・分解能およびコントラストの両方に関して、極めて高い画質、および視野にわたる画質の均一性（回折限界的性能に近く、かつアイソプラナティックに近い）
・低減したＴＴＬ
・低減した光線屈曲による加工公差感度の低減
・ピクセルレベルでベイヤーパターンを有するよりもむしろ、異なる光学チャネルを区別している色フィルタによる、低い色クロストーク
・より小さいピクセルスタックの高さによる、低いピクセルクロストーク
・画像面からさらに遠くにある色フィルタによる、色の不均一性の低減
【００７４】
最後に、この設計で特に注目すべきことは、別個の色チャネルが、それぞれのスペクトル帯について最適化される必要しかないという事実である。これは、個々のチャネル内の無色化補正の必要性を最小限化しながら、より高い全体的多色分解能をもたらす。これは、ひいては、より単純な全体的収差平衡または補正プロセスを実装し、したがって、より単純なレンズおよびレンズ製造プロセス、および／またはより良好なＭＴＦ、および／またはより低いＦ／＃を有する能力につながる。
（実施形態３：埋込基材を伴うモノリシックレンズ設計）
【００７５】
以前に論議された実施形態は、ポリマーオンガラスＷＬＯプロセスに従って作製されるレンズを扱った。以下の実施形態では、モノリシックレンズＷＬＯプロセスを使用する光学配列および設計が提供される。具体的には、第１の実施形態で、開口およびフィルタを形成する際に使用するための平面的な基材とともに積み重ねられる、モノリシックレンズが説明される。
【００７６】
図６Ａは、最先端のモノリシックレンズシステムを示す。多かれ少なかれ、射出成形レンズの作成およびそれらの包装と同一の概念的アプローチがとられる。最先端のモノリシックレンズＷＬＯでは、多くのレンズが、ウエハ規模で加工される。これらの複製されたレンズ６００が、異なる位相幾何学の他の以前に複製されたレンズウエハとともに積み重ねられ、サンドイッチが、ダイスカットされ、レンズ立方体が、図６Ａで示されるように正面に開口絞り６０６を含有する画像センサ６０４とともに不透明な筐体６０２に梱包される。これは、対物レンズの光学設計に利用可能な自由度を非常に制限する。加えて、これは、特に、開口絞りの配置を正確に判定することが困難であるため、レンズを正確に複製し、相互に対して整合させることを困難にする。また、光学設計の観点から、図６Ａに示されるように第１のレンズ要素の正面ではなく、２つのレンズ要素の間に開口絞りを有することが非常に望ましい。現在、図６Ｂに示されるように、モノリシックレンズ上にこのタイプの開口を形成するための唯一の方法は、不透明な樹脂の中の開口６０８が、レンズ界面の平坦な部分の上に印刷される、極めて不正確なスクリーン印刷方法を使用することである。これらの開口の横方向精度は、レンズと正確に整合させられなければならないシステム絞りとして使用するために不適切である。
【００７７】
手短に言えば、モノリシックレンズＷＬＯは、潜在的に、アレイカメラ用の安価な小型光学部品を製造するための魅力的な手段であるが、本モノリシックシステムは、射出成形によってレンズを形成するために使用される方法から直接適合される。結果として、適正な整合を確保するために従来のポリマーオンガラスＷＬＯで使用される技法の多くが適用されず、整合精度の問題、ならびに限定されたレンズ設計空間につながる。本実施形態は、モノリシックＷＬＯレンズを、正確な整合で開口および付加的な構造を保持する基材と組み合わせ、それにより、従来のモノリシックレンズＷＬＯの制限を低減させる、モノリシックレンズを形成する新規の方法を対象とする。
【００７８】
本発明に従って形成されるモノリシックレンズの方法の例示的な実施形態が、図６Ｃに示される。示されるように、この実施形態では、独立複製プロセスによって加工されるモノリシックレンズ６１２および６１４が、開口６１８および６２０を保持する基材またはシート６１６とともに積み重ねられる。（以前に論議されたように、モノリシックレンズは、ガラスまたはポリマーで形成されてもよいことが理解されるであろう。）開口は、リソグラフィの精度で基材の上に形成することができるため、開口絞りとして機能するように十分な横方向精度で要素を整合させることが可能である。加えて、図６Ｃに示されていないが、そのようなシステムにおける整合の精度は、レンズおよび開口の精密整合のための指針を提供するように、開口のための透明な開口部が構造化される、不透明な層の中に配置される、協調的整合マークによって増加させられる。具体的には、それら自体がいくつかの光学配列の要素から形成される、一連のウエハ表面から形成されるウエハスタックの中で、整合マークが、各ウエハ表面に関して形成されるであろう。整合マークのそれぞれは、協調的に整合させられたときに、整合マークが、対応する開口とのレンズ表面の横方向および回転整合を補助するように、隣接ウエハ表面上の整合マークと協働するであろう。これらの整合マークを使用することにより、約１０〜２０μｍの精度をもたらす、外部筐体の中に開口絞りを有することと比較して、非常に高い横方向整合精度（約数μｍ）をもたらす。
【００７９】
開口に加えて、モノリシックレンズに埋め込まれた基材を提供する本方法は、所望の光学機能性を達成するために、任意の数の異なる構造、被覆、種類の基材またはシートを適用することができる、基礎を提供する。いくつかのこれらの可能性が図６Ｄに示され、これらは、同一のサイズ（６Ｄ１）または異なるサイズ（６Ｄ２）である基材の表および裏に２つの開口がある場合、誘電体干渉被覆によって作製された均質な赤外線遮断フィルタ等の付加的なＩＲＣＦ被覆が、基材の一方または両方の側面上に適用される場合（６Ｄ３）、付加的な色フィルタアレイ材料被覆が基材に適用される場合（６Ｄ４）、シートまたは基材が、印加電圧を変化させることによって要素の屈折力の調整を可能にする、適応屈折性光学要素を含有し、それにより、加工公差（ＢＦＬ変動等）に対処する、レンズスタック全体の集束を可能にすることができる場合（６Ｄ５）、あるいはシートまたは基材が、不透明な材料から作製されている場合（６Ｄ６）を含む。
【００８０】
本発明の基材およびモノリシックレンズに組み込まれ得るが、図に示されていない、他の代替的な設計は、以下を含んでもよい。
・それ自体が吸収ＩＲＣＦである材料で作製されている（または誘電体被覆と組み合わせられる）基材、
・拡張色カメラモジュール用の構造化誘電体近赤外線通過フィルタによって補完される、構造化誘電体ＩＲＣＦ、
・基材の表面上に配置される、またはシートの中へ予備形成される偏光フィルタ、
・基材表面の正面および／または裏面で、付加的な薄いポリマー層の複製によって、あるいはまた、回折構造をガラスにエッチングすることによって、薄い基材の表面上に適用される薄い回折レンズ（実施形態９を参照）、および／または
・レンズ表面と薄い基材上のシステム開口との間に正しい位置付けを提供するために、実際のレンズ表面に加えて、モノリシックレンズに組み込まれるスタンドオフまたは間隔構造（実施形態８を参照）。
【００８１】
上記は、本発明の基材埋込型モノリシックレンズが組み込むことができる、特定の基材構造および付加的な光学要素に焦点を合わせているが、本発明の埋込基材に特有の他の特徴があることを理解されたい。例えば、基材またはシートが、その上でのレンズの複製を可能にするように十分厚くなければならない、従来のポリマーオンガラスＷＬＯと違って、本発明の埋込基材またはシートは、それらの上にレンズを複製する必要がないため、ウエハレベルオプティクス規格と比較して薄くあり得る。結果として、基材に適用される機械的安定性および応力は、問題ではない。対照的に、独立して複製されたモノリシックレンズは、それ自体が、ガラス基材を安定させる働きをすることができる。また、これは、一重レンズ構築（すなわち、１つのモノリシックレンズおよび１つの薄い基材）にさえも当てはまる。
【００８２】
最後に、基本的な埋込基材モノリシックレンズ光学アレイへの個々の修正が、上記で説明されるが、これらの特徴の全てまたはいくつかは、光学配列の所望の機能性を得るように、基材の種々の組み合わせで適用されてもよいことを理解されたい。
（実施形態４：埋込開口絞りを伴うモノリシックレンズ設計）
【００８３】
本発明のこの実施形態は、ポリマーまたはガラスＷＬＯモノリシックレンズのレンズスタック内の開口およびフィルタ配置のためのさらに別の代替案を提供する。実施形態３に関して上記で説明されるように、モノリシックレンズ光学アレイを生産するための最先端技術は、独立して複製されたモノリシックレンズウエハを積み重ね、サンドイッチをダイスカットし、アレイの正面に一体部品として開口絞りを含有する不透明な筐体にレンズ立方体を梱包することである。この方法は、対物レンズの光学設計の自由度を制限するとともに、開口絞りに対してレンズを正確に整合させることを極めて困難にする。
【００８４】
本発明の実施形態３は、開口およびフィルタの配置のための基材とともに積み重ねられたポリマーまたはガラスモノリシックレンズを説明した。本発明のその実施形態では、その上に開口および／またはフィルタを有する、ガラス等の基材が、別個に加工されたモノリシックレンズの間に配置される。この新規の光学配列は、光学設計の付加的な自由度を提供し、レンズ・開口整合の横方向精度を増加させる。この実施形態で説明される本発明は、モノリシックレンズ内に直接、開口およびフィルタを埋め込み（図７Ａ−７Ｇ参照）、横方向開口配置の高いリソグラフィ精度を維持しながら、光学設計のさらに多くの異なる自由度を提供する。
【００８５】
実施形態１−３に関して論議されるように、開口および／またはフィルタを生産するためのリソグラフィ手順が、ポリマーオンガラスＷＬＯについて周知であり、例えば、フォトレジスト上でスピンする、対応して構造化されたフォトマスクを通して所望の領域を露出する、ポジ型またはネガ型フォトレジストが使用されるかどうかに応じて、非露出または露出域を作成する、フォトレジスト自体が、開口が構造化される不透明な層、または（ＣＦＡ）フィルタのいずれかである、あるいは、フォトレジストが、ウエハがエッチング液の中に入れられたときに所望の領域でその材料のエッチングを防止する、以前に適用された金属または誘電体被覆用の保護層である。しかしながら、モノリシックレンズについて、典型的には、モノリシックレンズは、両面レンズとして複製される。異常な局所構造の結果として、平面がリソグラフィのために必要とされるため、これらのＷＬＯ技法を適用することができない。
【００８６】
本発明は、埋込開口およびフィルタを伴ってポリマーまたはガラスのいずれかで形成される、そのようなモノリシックレンズを生産するための光学配列およびプロセスを対象とする。本発明の一実施形態が、図７Ａで概略的に示される。示されるように、この実施形態では、最初に、レンズ７０２の厚い正面が、平凸または平凹要素として複製される。好ましくは、同様にレンズ外形を保持する、正面スタンプが、加えて、全体的な光学配列への種々の要素の精密整合を補助するために、他の製造ステップでさらに使用される（実施形態３において上記で説明されるような）整合マークを含有する。この最初のステップにおける裏面７０４ススタンプは、極めて平坦な、および／または高度に研磨された板であり得るため、２つのスタンプの精密横方向整合が必要とされず、ウェッジ誤差補償ならびに正しい厚さのみが確保される必要がある。これらの適度の要件は、この初期プロセスを大幅に単純化する。
【００８７】
いったん配列の第１のレンズ要素が完成すると、開口７０６およびフィルタ７０７が、このレンズ要素の平らな裏面７０４上に適用される。これらの開口は、正確に整合させられなければならないため、開口および／またはフィルタのフォトマスクの中の整合マークを、第１のレンズ層内の相補的整合マークと整合させることによって、レンズに対する開口の位置付けを支援するために製造中に使用することができる、整合特徴（図示せず）が、レンズ要素の正面に提供される場合が好ましい。任意の好適な設計であり得る整合マークは、約１０〜２０μｍの典型的な横方向整合精度を有する、外部筐体の中に開口絞りを有することと比較して、はるかに高い横方向整合精度（約数μｍ）を可能にするという利益を提供する。
【００８８】
いったん開口／フィルタ７０６／７０７が、第１のレンズ表面の裏面７０４上に位置付けられると、第２のレンズ表面７０８が、第１のレンズ表面７００の平らな裏面７０４上で複製される。この第２のレンズ表面は、第１のレンズ正面７０２の中の整合特徴に基づいて、または開口層内の整合特徴に基づいてのいずれかで、整合させることができる。しかしながら、この最初の表面を指すときに、低減した誤差伝搬により、精度がより良くなることが期待されるため、第２のレンズ表面を第１のレンズ表面の正面に整合させることが好ましいと理解されたい。
【００８９】
図７Ａは、本発明による、埋込開口を伴う所望のレンズ要素の実施形態を提供するが、いくつかの修正または付加的な要素が、本発明に組み込まれてもよい。例えば、異なる物理的性質さえも有する、複数のフィルタ７１２を、図７Ｂに示されるように、相互の上に積み重ねることができる。例えば、ＣＦＡフィルタまたは構造化ＩＲＣＦフィルタを含む、任意の所望のフィルタが、このようにして適用されてもよいことを理解されたい。
【００９０】
加えて、第１の７１４および第２のレンズ７１６表面を形成する際に使用される材料は、特定されていないが、異なる複製が任意の好適な材料から形成されてもよく、材料は、（図７Ｃに示されるように）両方の複製に対して同一、または（図７Ｄに示されるように）２つの異なる材料であり得ることを理解されたい。同一のレンズ材料が第１および第２の複製に使用される場合、内側のレンズ表面は、光学的に消える（言い換えれば、光に可視的ではなく、したがって、屈折を提供せず、その結果として、いかなるフレネル反射損失も含まない）。しかしながら、２つの異なる材料から２つの複製を作製することにより、特に、２つの材料のアッベ数が異なる場合に無色化補正のために、光学配列を製造することにおいて、さらに別の自由度を提供する（実施形態６を参照）。
【００９１】
潜在的なアレイカメラまたはウエハ配列の単一のレンズチャネルの単一のレンズ要素のみが示されているが、本発明に従って形成されるモノリシックレンズ（ポリマーまたはガラス）は、アレイカメラに必要とされる複数のレンズスタックを形成するために必要に応じて複製されてもよく、モノリシックレンズは、所望の特性を有する光学配列を実現するように他のレンズ要素と組み合わせられてもよいことを理解されたい。例えば、図７Ｅ、Ｆ、およびＧは、アレイカメラアーキテクチャに好適なモノリシックレンズ配列の概略図を提供する。図７Ｅおよび７Ｆが、２つの異なるモノリシック二重設計を示す一方で、図７Ｇは、三重設計を示す。図中の矢印は、埋込システム開口または「絞り」が、モノリシックレンズの平面のうちの１つの上のモノリシックレンズの間に配置されている場合を示す。
【００９２】
要約すると、モノリシックレンズＷＬＯが、安価な小型カメラ用の光学部品を製造するための非常に魅力的な手段であることは確実であるが、本方法は、射出成形レンズに使用される技法から直接適合される。結果として、ポリマーオンガラスＷＬＯのいくつかの利益が使用されず、整合精度の問題、ならびに限定されたレンズ設計の自由度につながる。本実施形態で説明されるモノリシックレンズおよびリソグラフィ技術の組み合わせは、モノリシックレンズ用の正確な開口および付加的な構造の製造、およびそれらのモノリシックレンズへの整合を可能にする。これは、ひいては、開口絞りおよびフィルタのｚ位置の選択における優れた融通性、レンズ筐体に組み込まれる従来の絞りと比較して、レンズ・開口整合の増加した横方向精度を可能にし、モノリシックレンズの平らな中間面は、ポリマーオンガラスＷＬＯと比べてモノリシックレンズの利益を維持しながら、開口を構造化するためのリソグラフィ技術の適用を可能にする。
（実施形態５：３要素モノリシックレンズ設計）
【００９３】
本発明のこの実施形態は、ポリマーまたはガラスＷＬＯモノリシックレンズのレンズスタック内の開口およびフィルタ配置のためのさらに別の代替案を提供する。実施形態３および４に関して上記で説明されるように、モノリシックレンズ光学アレイを生産するための最先端技術は、独立して複製されたモノリシックレンズウエハを積み重ね、サンドイッチをダイスカットし、アレイの正面に一体部品として開口絞りを含有する不透明な筐体にレンズ立方体を梱包することである。この方法は、対物レンズの光学設計の自由度を制限するとともに、開口絞りに対してレンズを正確に整合させることを極めて困難にする。
【００９４】
実施形態３および４の両方で説明されるように、モノリシックレンズプロセスの主要な問題は、ＷＬＯモノリシックレンズのレンズスタック内に正確なシステム開口（アレイ）ならびに（色または赤外線遮断）フィルタを提供する好適な方法がないことである。本実施形態は、リソグラフィで加工された開口（絞り）ならびにフィルタをポリマーまたはガラスＷＬＯモノリシックレンズスタックにもたらすための別の代替案を提供する。具体的には、この実施形態は、開口およびフィルタをリソグラフィで構造化することができる平面を、レンズ設計の１つの要素に強制的に持たせる、実施形態４で導入される設計を基礎とする。上記で説明されるように、そのような実施形態では、平凸または平凹要素のいずれか一方の平面を、後続のリソグラフィステップのための基材として使用することができる。本実施形態は、この平要素モノリシック設計を使用した３要素光学配列を提供する。
【００９５】
図８Ａで概略的に示されるように、本実施形態の基本的な３要素設計は、以下の性質によって特徴付けられる。
・システム開口絞りならびに必要フィルタ構造を担持する、凸状の第１の表面８０２ならびに平らな第２の側面８０４を有する、第１の平凸レンズ要素８００。好ましくは、この第１の要素は、第１の（低分散、低屈折率）レンズ材料から作製されている。
・対物側に向かって屈曲した凹状の第１の表面８０８、および凸状の第２の表面８１０を有する、第２の凹凸レンズ要素８０６であって、凹状の第１の表面８０８は、非常に浅く、この凹面は、第１の要素８００の平らな（第２の）表面８０４に非常に近い。再度、好ましくは、このレンズ要素は、第１の（低分散、低屈折率）レンズ材料から作製されている。加えて、好ましい実施形態では、システム開口絞り８０４に近い、この浅い凹面８０８の表面外形は、アレイカメラの異なる色チャネルの特定の狭スペクトル帯に最適化／適合されたものである。
・両方とも対物側に向かって屈曲した、凹状の第１の表面８１３および凸状の第２の表面８１４を有する、第３のメニスカスレンズ要素８１２。このレンズは、好ましくは、第２の（高分散、高屈折率）レンズ材料から作製されている、強く屈曲した凹凸レンズである。この第３のレンズ要素は、それ自体が画像センサ８１７より上側に配置される、画像センサカバーガラス８１６に隣接して配置される。
【００９６】
この設計は、２つの有意な利点を有し、第１に、平らな基材界面状表面（例えば、図８Ａの表面８０４）が、レンズスタックに導入される。この平らな基材界面状表面は、フォトリソグラフィによって極めて正確な（サブミクロンまたは数ミクロンの中心化公差）開口絞りを適用するために使用することができる。これは、最先端技術（スクリーン印刷）が、高画質アレイカメラにとっては不十分である、約２０μｍの中心化公差を有するため、精度の大幅な向上である。加えて、平面的な基材を必要とする、色フィルタ（ＣＦＡ）および／または誘電体フィルタ（ＩＲＣＦ）あるいは他の構造を、この平面に適用することができる。
【００９７】
第２に、本設計は、以下の図８Ｅ−８Ｊのデータプロットを参照して、以下でさらに詳細に説明されるように、表面外形を、アレイカメラの異なる色チャネルの特定の狭スペクトル帯に最適に適合させることができる、開口絞り（第２の要素の第１の表面）に非常に近い表面を提供する。
【００９８】
３要素モノリシックレンズ設計の１つの具体的実施形態が、図８Ａに示されているが、以下の図８Ｂ−８Ｄで示され、説明されるように、上記の一般設計原理の多くの異なる実装があることを理解されたい。具体的には、図８Ｂは、第２のレンズ要素８０６の第２の表面８２０の縁８１８および第３のレンズ要素８１２の両面の縁８２０における曲率が、これらの縁に向かって傾斜を迅速に変化させる、基本光学配列の修正を示す。そのような設計は、第３の要素の第１の表面の縁において急勾配の減少を可能にするという利益を有する。図８Ｃは、第１の要素８００がより薄く、その結果、第３の要素８１２がより厚くさせられる、基本光学配列の修正を示す。しかしながら、そのような設計は、第３の要素８１２の第１の表面８２２の急勾配の増加を必要とする。図８Ｄは、第１の要素８００がより薄く、第３の要素８１２がより厚く、第２の要素８０６の第２の表面８２０の縁８１８における表面の曲率が、その形成された縁に向かって傾斜を迅速に変化させる、基本光学配列の修正を示す。再度、この設計は、第３の要素８１２の第１の表面の急勾配を減少させるという利益を有する。
【００９９】
上記で説明される配列のうちのいずれかに適用することができる、別の代替実施形態では、（ポリマーまたはガラス）モノリシックレンズの代わりに、ポリマーオンガラスウエハレベルレンズとして、第１のレンズ要素を作製することができる。これは、開口絞りおよびフィルタが、その第２の側面にリソグラフィで適用され、第１のレンズ表面が、第１の側面上で複製されるであろう、（比較的厚い）ガラス基材が存在するであろうことを意味するであろう。次いで、この「ハイブリッドレンズ」は、両方ともモノリシックレンズプロセスによって加工されるであろう、第２および第３のレンズ要素とともに積み重ねられるであろう。代替として、第２のレンズ要素は、ポリマーレンズ表面が、より薄いガラス基材の両側で複製されるであろう、ハイブリッドレンズであり得る。しかしながら、第３のレンズ要素は、このレンズのメニスカス性質により、常にモノリシックとなるであろう。この技術の組み合わせのいくつかの利点があり、つまり、
・第１のレンズは、ガラス基材を挿入することによって、ほとんどが機能的に失われないように、平らな裏面および浅い前レンズ表面を伴う比較的厚い要素である。
・基材の使用は、ガラス基材の存在により、開口およびフィルタの適用中に付加的な頑健性／安定性／平面性を提供する。加えて、それが複製される安定したガラス基材により、第１のレンズ表面の質を向上させることができる。
・ポリマーのＣＴＥの約１／１０を伴う厚いガラス基材が、機械的完全性の大部分を提供する全体的なレンズスタックの永久担体としての機能を果たすため、純粋にモノリシックなレンズよりも少ない（特に横方向の）熱膨張がある。
【０１００】
図８Ｅ−８Ｊは、これらの新規の３要素モノリシック光学配列の光学的性質を示す、データプロットを提供する。具体的には、図８Ｅ−８Ｈは、緑色チャネルの図８Ａに示されるレンズ設計のＭＴＦ対視野（８Ｅ）、ストレール比対視野（８Ｆ）、ひずみおよび視野湾曲（８Ｇ）、ならびにＭＴＦ対空間周波数（８Ｈ）のプロットを提供する。一方で、図８Ｉおよび８Ｊは、図８Ａに示される設計の対応する青色チャネルのＭＴＦ対視野（８Ｉ）およびストレール比対視野（８Ｊ）のプロットを提供する。第２の要素８０６の第１の表面８０８の表面外形のみが、異なる色チャネルについて光学配列を最適化するために変更させられる必要があることに留意されたい。このデータから分かるように、３要素モノリシック光学配列は、（例えば、上記の実施形態２で適用されるような）フィールド平坦化要素を使用する設計と同程度の高い画質（例えば、図８Ｅ−８Ｈ参照）を提供する。また、３つだけのレンズ要素が、本設計で積み重ねられる必要があるため、それは、複雑な従来の多重要素光学配列と比較して、モノリシック方法を使用した製造にさらに好適である。
【０１０１】
ポジ型、ポジ型、ネガ型要素に対するレンズ材料の順序（すなわち、上記の実施形態では、高アッベ数、高アッベ数、低アッベ数）は、それぞれの考慮されたチャネルのスペクトル帯のための効率的な無色化の方法を提供する（実施形態６を参照）。例えば、通常の分散材料についても、例示的な実施形態で見られる青色チャネル性能は、通常の設計について得ることができるよりもはるかに良い（例えば、図８Ｉおよび８Ｊ参照）。また、アレイカメラについて、たとえ各チャネルが、比較的狭いスペクトル帯について良く機能する必要しかなくても、中心波長および考慮されたチャネルの使用されたスペクトル帯の両側での波長の両方が、鮮明に撮像されるため、この無色化が依然として性能を増加させる。
（実施形態６：異なるスペクトル帯と連動するチャネルに対する異なるレンズ材料の順序）
【０１０２】
上記の実施形態は、特定の光学配列に焦点を合わせているが、本発明はまた、これらの新規の光学配列の種々のレンズ要素の光学的性質を修正するための新規の方法および材料も対象とすることが理解されるであろう。例えば、第１のそのような実施形態では、本発明は、異なる色チャネルに対する異なるレンズ材料（またはそれらの組み合わせ）の使用を対象とする。
【０１０３】
図９Ａ、９Ｂ、および９Ｄに示されるように、従来のアレイ光学部品を使用すると、これまでのアレイカメラにおけるチャネル特有の色集束は、軸方向色に対する背面焦点距離（ＢＦＬ）のチャネル特有の補正のために、少なくとも１つの表面（すなわち、レンズ９００またはレンズ９０２の正面および／または裏面の表面外形）を調整することに限定される。しかしながら、レンズチャネルの異なる要素に対する材料の順序は、考慮されたチャネルが機能するはずである色とは無関係に、常に同一である。図９Ａおよび９Ｂのレンズアレイ間の唯一の差異は、図９Ｂでは、アレイの支持構造が不透明であり、チャネルの全長を通過していることに留意されたい。（参考として、特定の色チャネルの赤色「Ｒ」、緑色「Ｇ」、または青色「Ｂ」が、提供される概略図で文字によって示される）。しかしながら、浅いレンズ外形を用いて強い屈折力を達成するのに有益である、高い屈折率を伴ういくつかの材料がある一方で、これらの材料はまた、通常、高いスペクトル分散も示す。具体的には、典型的に、高屈折率および低アッベ数（高分散）の材料（「フリント状」）と、低屈折率および高アッベ数（低分散）材料の（「王冠状」）との間で選択肢がある。実際、（レンズ）ポリマーについて、上記の関連が常に有効であり、分散は、常に、屈折率が増加するとともに増加する。２つの材料性質のこの物理的関連が当てはまらない場合、光学設計の観点から、通常、（異なる波長に対する屈折力の差異が小さくなるように）低い分散を伴う（依然として強い屈折力を維持しながら、レンズの表面が浅くあり得るように）高屈折率の材料を使用するように選択が行われるであろう。しかしながら、上述のように、そのようなポリマー材料が利用可能ではないため、優先順位が２つの性質のうちのいずれか一方にあるかどうかを選択しなければならない。
【０１０４】
フリント状材料を使用することは、緑色および赤色チャネルに対して容認可能であり得るが、分散が、波長とともに屈折率の変化に関係し、通常、この変化が、緑色および赤色スペクトル帯よりも青色スペクトル帯で強いため、青色スペクトル帯に不均衡に影響を及ぼし得る。手短に言えば、緑色および赤色チャネルが、そのような高屈折率の材料の使用から利益を得るであろう一方で、青色チャネルは、関連する大きな分散により、強すぎる軸方向色収差を示すであろう。本実施形態は、屈折率に関してあまり最適ではない場合があるが、はるかに少ないスペクトル分散を示す、（図９Ｃに示されるような）青色チャネルでの異なる材料の順序の使用を可能にするために、カメラのアレイ性質を利用する。そのような方法を使用することにより、チャネルをその各スペクトル帯に最適化するように、かつ、例えば、ここでは青色チャネルに対する材料の順序を変更して、使用される材料の順序を最適化するように、１つ以上のレンズ外形を適合させることを可能にする。
【０１０５】
特定の色チャネルのために材料の順序を最適化するようにそれを修正する能力は、（図９Ｃに示されるように）射出成形レンズで、または（図９Ｄおよび９Ｅに示されるように）特定のタイプのポリマーオンガラス「ＷＬＯ」レンズ（レンズ材料が、ウエハスケールパドル分注以外を用いて（例えば、インクジェットに類似する何らかのデバイスによって）複製前に分離された孤立部分に分注される）とともに使用されてもよいことを理解されたい。例えば、射出成形プロセスでは、「王冠状」ポリマー材料は、例えば、ＰＭＭＡ、Ｚｅｏｎｅｘ（ＣＯＰ）、およびＴｏｐａｓ（ＣＯＣ）となり、「フリント状」材料は、ポリカーボネート（ＰＣ）およびポリスチレン（ＰＳ）となるであろう。最後に、本発明をより広く参照して説明されるように、材料の順序はまた、ガラス成形レンズにおいて修正されてもよい。
（実施形態７：ポリマーオンガラスＷＬＯの新規の開口絞り）
【０１０６】
再度、上記の実施形態は、特定の光学配列に焦点を合わせているが、本発明はまた、これらの新規の光学配列の種々のレンズ要素の光学的性質を修正するための新規の方法および材料も対象としていることが理解されるであろう。第２のそのような実施形態では、本発明は、開口絞りがレンズ間の空隙の中で別個の基材の上に配置される、任意のポリマーオンガラスＷＬＯで使用することができる、新規の配列を対象とする。
【０１０７】
図１０Ａで概略的に示されるように、従来のポリマーオンガラスＷＬＯでは、開口１０００、具体的には、開口絞りが、支持ガラス基材１００２の上で構造化され、次いで、レンズ１００４および１００６が、開口より上側で複製される。本実施形態では、付加的な層１０１０が、レンズ基材１０１２および１０１４の間に導入され、その上に開口絞り１０１６が配置される。そのような実施形態では、開口は、例えば、（金属）エッチングマスク等である、薄い（ガラス）基材上の不透明な層（例えば、金属、金属酸化物、または不透明なフォトレジスト）の中の透明な開口部等の任意の好適な技法を使用して作製されてもよい。ポリマーレンズの下の基材の上に開口を強制的に存在させることよりもむしろ、付加的な隔膜として、または非常に薄い（ガラス）シート上の開口として、レンズ間の空間の中に開口を位置付けることにより、ＭＴＦ性能に関して、いくつかのレンズ設計利益をもたらす。対照的に、多種多様のレンズ設計について、開口を基材表面に制約することにより、性能を全フィールドと比べて５〜１０％低減させる。
（実施形態８：ポリマー注入または精密ガラス成形レンズアレイ）
【０１０８】
再度、上記の実施形態は、特定の光学配列に焦点を合わせているが、本発明はまた、これらの新規の光学配列の種々のレンズ要素を製造するための新規の方法および材料も対象としていることが理解されるであろう。第３のそのような実施形態では、本発明は、アセンブリ用のスタンドオフおよび機械的自己整合特徴が、レンズの製造に含まれる、カメラアレイで使用するための光学配列を製造する新規の方法を対象とする。
【０１０９】
従来のポリマー注入または精密ガラス成形技法では、１つのレンズアレイ（正面および裏面）を生産するための空洞が提供される。金型の空洞は、例えば、ポリマー射出成形用のＰＭＭＡまたはポリカーボネート、または好ましくは、例えば、精密ガラス成形用のＰ−ＢＫ７またはＰ−ＳＦ８等の「低Ｔｇガラス」等の、好適な材料で充填される。次いで、従来のカメラアセンブリ整合のために、成形レンズが積み重ねられ、ともに接着される、バレルが使用される。アレイカメラでは、この方法は、十分な整合精度を提供しない。本発明は、機械的整合特徴がレンズ金型の中に提供される、方法を提案する。言い換えれば、ポリマー注入または精密ガラス成形プロセス中に、レンズ特徴または光学整合マークさえも、アレイの中へ複製されるだけでなく、例えば、相補的なリングおよび球形セグメント、ピンおよび穴、対向要素上に相補的な（かつ対応して成形された）空洞を伴う円錐および角錐等の、隣接アレイとの機械的自己整合を可能にする小型機械的特徴も、要素の正面または裏面の中に形成される。
【０１１０】
２つのそのような実施形態が、図１１Ａおよび１１Ｂに示される。例えば、図１１Ａは、間隔構造／スタンドオフ１１００がレンズアレイ１１０２の射出成形プロセスに含まれる、実施例を示す。ポリマー射出成形について、そのような実施形態では、材料の組み合わせの選択およびスペーサの厚さが、断熱化を提供することが望ましい。手短に言えば、レンズ材料のｄｎ／ｄＴは、スペーサのＣＴＥによって補償されることが望ましい。代替として、同一の技法が、独立して加工されたスペーサまたは穴のマトリクス構造で使用されてもよい。そのような実施形態では、図１１Ｂに示されるように、（不透明）空洞アレイ１１０４が、支持構造として使用され、その中にレンズ１１０６が複製される。
（実施形態９：波長板または多重レベル回折相要素）
【０１１１】
さらに別の実施形態では、本発明は、アレイカメラにおける色収差のチャネル方向の補正のための波長板または多重レベル回折相要素（「キノフォーム」）、および反復加工プロセス公差補償を対象とする。
【０１１２】
現在、対物レンズにおける３つまたは４つのレンズ表面のうちの１つは、特定のチャネルの色収差を補正するために、チャネル方向に最適化される（例えば、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許公開第ＵＳ−２０１１−００６９１８９−Ａ１号を参照）。このために、わずかに異なるレンズが１つのアレイ内で加工される必要があるため、アレイツール用の特殊マスタリング体制が必要とされる。全体的なレンズ性質は、平均的な必要形状および個別色補正の合計と見なすことができる。しかしながら、全外形は、機械加工によって実装される必要があり、これはダイヤモンド旋盤マスタリング技法にとって困難を増す（例えば、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１３／０５０，４２９号を参照）。
【０１１３】
レンズ設計実験は、チャネル特有の屈折力から、チャネル平均屈折力を分離することが有益であり得、次いで、それが色補正と関係することを示す。本実施形態は、個々の波長帯に完璧に適合されるように、チャネルを相互と区別するために必要とされる正確なサイズの軽微な波面変形のみを導入する、チャネル特有の表面を使用して、このチャネル方向の補正を達成する、光学配列を対象とする。このために必要とされる波面変形は、典型的には、ほぼいくつかの波長のみである。結果として、この表面は、非常に浅い屈折面（「波長板」）、「低周波数」回折レンズ（「キノフォーム」）、または放射対称多重レベル回折相要素のいずれか一方であり得る。結果として、（例えば、ダイヤモンド旋盤によって）わずかに異なるレンズを機械加工する必要がもはやなくなるが、１つのアレイ内の全てのレンズ表面が同等であり得る。加えて、レーザビーム書き込み、グレースケールリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、二元リソグラフィ等の「古典的」リソグラフィ微小光学加工技術を含む、異なる技術を、そのようなチャネル特有の表面のアレイの発生に使用することができる。また、これらの技法は、アレイに構成される表面のわずかな差異を製造するためにより好適であり、機械的発生手段よりもはるかに高い横方向精度を有し、はるかに高い厚さの精度（すなわち、表面の位相精度）を提供する。
【０１１４】
加えて、画質への系統的加工誤差の影響を補償するために上記の利点を使用することが可能である。この製造方法のフローチャートが、図１２で提供される。示されるように、第１のステップでは、アレイカメラの光学チャネルが設計される。これは、この時に、チャネル方向の色収差補正のみに使用される、波長板または多重レベル回折相要素の公称形状を含む。第２のステップでは、アレイレンズモジュールが、（上記で説明されるような）好適な手段によって加工される。次いで、ステップ３では、設計期待からのレンズ処方の系統的偏差が、レンズ表面の計量によって判定され、中心化および距離測定が行われ、ならびに、設計期待からの光学性能の系統的偏差が、実験的に判定される。次いで、スタックの中の他の場所で全ての判定された系統的誤差（外形、ｘｙ位置、厚さ等）を補償するために、上記の収差補正面を適合させることによって、モジュールが再設計される（ステップ４）。ステップ６では、アレイレンズモジュールが再加工される。そして最後に、背面焦点距離が、全ての残りの系統的偏差の最後の補償因子として使用される（ステップ７）。この方法の利点は、従来のシステムの場合のように、背面焦点距離のみを変化させることができるよりもむしろ、より多くの自由度が存在することである。これは、潜在的に光学倍率に影響を及ぼすことなく、より良い全体的性能につながる。
（一般的考慮事項）
【０１１５】
最後に、上記の実施形態のうちのいずれかで、そのような光学配列の複数の同一の、またはわずかに異なるバージョンが、アレイの中で相互に隣接して配列されてもよいことが理解されるであろう。光学アレイ内の光学配列の変動は、「色」（狭スペクトル帯を識別し、考慮された光学チャネルは、システム全体が撮像するべきである全体的スペクトル帯を撮像するはずである）、例えば、ＲＧＢ（および近赤外線）、視野（ＦＯＶ）、Ｆ／＃、分解能、物体距離等といった、考慮されたチャネルの光学性能パラメータのうちの１つに関係する。最も典型的なものは、異なる色への分化であるが、異なるＦＯＶが、例えば、異なる倍率を可能にするであろう一方で、異なるＦ／＃は、異なる感度等を可能にするであろう。
（均等論）
【０１１６】
本発明の特定の実施形態および用途が、本明細書で例証および説明されているが、本発明は、本明細書で開示される正確な構造および構成要素に限定されず、添付の請求項で定義されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の方法および装置の配列、動作、および詳細に、種々の修正、変更、および変動が行われてもよいことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ１】
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【図５Ａ２】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ１】
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【図５Ｉ２】
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【図５Ｊ１】
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【図５Ｊ２】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ１】
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【図６Ｄ２】
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【図６Ｄ３】
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【図６Ｄ４】
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【図６Ｄ５】
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【図６Ｄ６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図８Ｉ】
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【図８Ｊ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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