(57)【要約】  自動車用途に使用するカメラは、赤色から緑色のスペクトル範囲の光を青色から紫色のスペクトル範囲の光よりも高い分解能で処理するように調整された変調伝達関数（ＭＴＦ）を有するレンズ系を含む。カメラもマトリクスおよび複数の色フィルタ素子を含む色フィルタ行列に配置される画素センサを有するイメージャを含む。そして、各々がイメージャの画素センサに対応する。カラーフィルタマトリクスは、赤色フィルタ要素と黄色フィルタ要素を含み、黄色フィルタ要素の数は赤色フィルタ要素の数よりも多い。
2021525990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
青色から紫色のスペクトル範囲よりも緑色から赤色のスペクトル範囲でより良好であるように調整された変調伝達関数（ＭＴＦ）を有するカメラモジュールであって：
青色から紫色のスペクトル範囲に対して緑色から赤色のスペクトル範囲を優先して構成されたレンズ系と；
マトリクス内に配置された複数の画素センサを含むイメージャと；
前記レンズ系と前記イメージャとの間に配置されたカラーフィルタマトリクスであって、前記カラーフィルタマトリクスは、前記イメージャの前記複数の画素センサに位置的に対応する複数のフィルタ要素を有し、前記フィルタ要素は、赤色フィルタ要素よりも多くの黄色フィルタ要素を含む、カラーフィルタマトリクスと；
を備え、
前記イメージャは、前記レンズ系に対して、前記カメラモジュールのＭＴＦが前記緑色から赤色のスペクトル部分に対して強調されるように、構成されている、
カメラモジュール。
【請求項２】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つのシアンフィルタ要素を含む、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項３】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、３つの黄色フィルタ要素及び１つの赤色フィルタ要素を含む
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項４】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの緑色フィルタ要素を含む、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項５】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの透明フィルタ要素を含む、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項６】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの青色フィルタ要素を含む、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項７】
前記レンズ系は、赤色及び青色のスペクトル範囲の光よりも高い黄色のスペクトル範囲の光に重みを付けるように設計されている、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項８】
前記レンズ系は、光学セメントによって接合された２つの光学サブ要素を備える組立光学要素を含む複数の光学要素を含む、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項９】
前記複数の光学要素のうちの少なくとも１つの光学要素は、非球面レンズを含む、
請求項８記載のカメラモジュール。
【請求項１０】
前記レンズ系は、前記レンズ系と前記カラーフィルタマトリクスとの間に配置されたカットフィルタを含み、
前記カットフィルタは、前記レンズ系によって前記カラーフィルタマトリクス及び前記イメージャ上に投影される紫外スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている、
請求項１記載のカメラモジュール。
【請求項１１】
前記カットフィルタはさらに、青色から紫色のスペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている、
請求項１０記載のカメラモジュール。
【請求項１２】
前記カットフィルタは、赤外（ＩＲ）スペクトル範囲の光を減衰させるようにさらに構成されている
請求項１０記載のカメラモジュール。
【請求項１３】
青色から紫色のスペクトル範囲よりも緑色から赤色のスペクトル範囲でより良好であるように調整された変調伝達関数（ＭＴＦ）を有するカメラモジュールであって：
青色から紫色のスペクトル範囲に対して緑色から赤色のスペクトル範囲を優先して構成されたレンズ系と；
マトリクス内に配置された複数の画素センサを含むイメージャと；
前記レンズ系と前記イメージャとの間に配置されたカラーフィルタマトリクスであって、前記カラーフィルタマトリクスは、前記イメージャの前記複数の画素センサに位置的に対応する複数のフィルタ要素を有し、前記フィルタ要素は、赤色フィルタ要素よりも多くの透明フィルタ要素を含む、カラーフィルタマトリクスと；
前記レンズ系と前記カラーフィルタマトリクスとの間に配置されたカットフィルタであって、前記レンズ系によって前記カラーフィルタマトリクス及び前記イメージャ上に投影される青色から紫外スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている、カットフィルタと；
を備え、
前記イメージャは、前記レンズ系に対して、前記カメラモジュールのＭＴＦが前記緑色から赤色のスペクトル部分に対して強調されるように、構成されている、
カメラモジュール。
【請求項１４】
前記カットフィルタはさらに、赤外（ＩＲ）スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている、
請求項１３記載のカメラモジュール。
【請求項１５】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、３つの透明フィルタ要素及び１つの赤色フィルタ要素を含む
請求項１３記載のカメラモジュール。
【請求項１６】
前記フィルタマトリクスは、前記イメージャの前記画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの透明フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの緑色フィルタ要素を含む、
請求項１３記載のカメラモジュール。
【請求項１７】
前記レンズ系は、赤色及び青色のスペクトル範囲の光よりも高い黄色のスペクトル範囲の光に重みを付けるように設計されている、
請求項１３記載のカメラモジュール。
【請求項１８】
前記レンズ系は、光学セメントによって接合された２つの光学サブ要素を備える組立光学要素を含む複数の光学要素を含む、
請求項１３記載のカメラモジュール。
【請求項１９】
前記複数の光学要素のうちの少なくとも１つの光学要素は、非球面レンズを含む、
請求項１８記載のカメラモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１８年６月７日に出願され、「COST  EFFECTIVE  LENS  AND  SENSOR  DESIGN  FOR  HIGH  RESOLUTION  AUTOMOTIVE  APPLICATIONS（高解像度自動車用途のための費用効果的レンズ及びセンサ設計）」と題される米国仮出願第６２／６８２，０８２号の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張し、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本明細書に記載される実施形態は、概して、イメージキャプチャシステムに関し、より詳細には、自動車用途を有するレンズ、カラーフィルタ、及びイメージャセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
自律的又は半自律的な自動車技術は、しばしば自動車の「自動運転」又は「アシスト運転」と称され、商用及び消費者グレードの自動車において急速に開発及び展開されている。これらのシステムは、車両の動きや周囲を連続的に観測するために、一連のセンサを使用している。これらのセンサは、道路表面及び境界、車線マーキング、他の車両、歩行者、物体及び危険物、標識、並びに他の関連するアイテム等の車両の周囲を観察するために使用され得る。
【発明の概要】
【０００４】
１つ以上のカメラを含むイメージキャプチャセンサは、物体の検出及び認識、他の車両のモニタリング、並びに標識及び車線マーキングの読み取りに特に有用である。カメラベースのシステムは、道路の垂直輪郭のような三次元構造を測定し、車線マーカとカーブを識別し、物体や危険物を検出するために適用されてきた。実用的なセンサシステムは、広い視野にわたって、様々な天候及び道路条件において高解像度イメージを信頼性よく提供することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
図面は必ずしも縮尺どおり描かれている必要はなく、類似の符号は類似のコンポーネントを異なる視点で説明し得る。異なる後付き記号を有する類似の符号は、類似のコンポーネントの異なる例を表わし得る。図面は、限定ではなく例として、本明細書で述べられている様々な実施形態を全般的に示している。
【図１】一実施形態による自動車カメラを含む車両を側面図で示す図である。
【図２】一実施形態による自動車カメラのコンポーネントを断面側面図で示す図である。
【図３Ａ】一実施形態によるカラーフィルタマトリクスを上面図で示す図である。
【図３Ｂ】一実施形態によるイメージャの特性を示す、波長に対する量子効率（ＱＥ）のグラフを示す図である。
【図４Ａ】一実施形態によるレンズ系の視野角に対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフを示す図である。
【図４Ｂ】一実施形態によるレンズ系の視野角に対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフを示す図である。
【図４Ｃ】一実施形態によるレンズ系の視野角に対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフを示す図である。
【図５Ａ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図５Ｂ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図５Ｃ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図６Ａ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図６Ｂ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図６Ｃ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図７Ａ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図７Ｂ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【図７Ｃ】例示的一実施形態によるレンズ系のＭＴＦ対フォーカスシフト距離のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。同一又は類似の要素を識別するために、異なる図面において同一の参照符号を使用することができる。以下の記載において、様々な実施形態の様々な態様の完全な理解を提供するために、特定の構造、アーキテクチャ、インターフェース、技術などの特定の詳細が限定ではなく説明の目的で示されている。しかしながら、本開示の利点を有する当業者には、種々の実施形態の種々の態様が、これらの特定の詳細から逸脱する他の実施例において実施され得ることが明らかであろう。特定の例において、周知のデバイス、回路、及び方法の説明は、不必要な詳細で様々な実施形態の説明を不明瞭にしないように省略される。
【０００７】
以下に記載される実施形態は、青色スペクトル範囲の光を考慮することなく、赤色から緑色のスペクトル範囲の光に調整されたカメラレンズ及びカラーフィルタマトリクスを実装する。赤色から緑色のスペクトル範囲は、自動車用途において多くのセンシング機能を実行するために使用され、これには、赤色、黄色、及び緑色の交通信号をセンシングするため、他の車両のブレーキライトの作動をセンシングするため、道路標識及び車線マーキングを読み取って識別するため、並びに障害物を識別するためが含まれるが、これらに限定されない。これらのタスクのいずれも、青色スペクトル範囲の光に依存しない。さらに、青色スペクトル範囲を無視するレンズ系は、赤色、黄色、及び緑色スペクトル範囲において、より焦点が合ったイメージを生成し、カメラによってキャプチャされるイメージの解像度を改善する。
【０００８】
相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージャなどの能動画素センサ（ＡＰＳ）イメージャは、４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトルを含む広範囲の波長に対して感度が高い。ＡＰＳイメージャでキャプチャしたイメージは、可視スペクトルの全波長、赤外（ＩＲ）及び紫外（ＵＶ）スペクトルの波長を表す。カラーイメージをキャプチャするために、ＡＰＳイメージャは、ＩＲスペクトル及びＵＶスペクトルにおける波長を減衰させるための１つ以上のカットフィルタと、特定のパターンでイメージャの個々の画素センサの前に配置されたカラーフィルタマトリクスと、を使用することができる。パターンは、ＡＰＳイメージャの異なる画素センサに可視スペクトルの異なる部分の光を通過させるための複数のカラー画素フィルタ要素を含む。本明細書に記載される実施形態は、ＡＰＳイメージャを使用するが、他の実施形態は、他のタイプのイメージャ、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージャを使用することができる
【０００９】
カラーフィルタ要素は、ＡＰＳイメージャの全ての画素センサ位置にわたって垂直方向及び水平方向に繰り返されるパターンで配列された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の画素フィルタ要素を含み得る。画素センサによってキャプチャされる信号は、低光環境においても良好な解像度と適切なカラー表現を有するイメージを生成するために結合される。バイエルフィルタは、例えば、パターンの１つの行が交互のＲ及びＧフィルタを含み、パターンの次の行が交互のＧ及びＢフィルタを含むように、ＲＧＧＢ２×２マトリクスパターンに配置された赤色及び青色のフィルタの２倍の数の緑色の画素フィルタを使用する。代替的なフィルタパターンは、シアン（Ｃｙ）、イエロー（Ｙ）、及びマゼンタ（Ｍ）などの相補的なカラーフィルタ要素を使用する。Ｒ、Ｇ、Ｂ画素フィルタはそれぞれ、それぞれの画素センサに到達する光の量を約２／３だけ減らし、Ｃｙ、Ｙ、Ｍ画素フィルタは、画素センサに到達する光の量を約１／３だけ減らす。
【００１０】
モノクロセンサは、カラーフィルタを持たず、したがって、全ての入射光が画素センサに到達することを可能にし、カラーフィルタマトリクスを有するイメージャよりもかなり良好な低光性能を有する。良好な低光性能を達成し、しかも幾つかの色情報を保持するフィルタマトリクスは、赤色及び透明のカラーフィルタ要素のみを使用する。例えば、ＲＣＣＣ（赤色、透明、透明、透明）フィルタマトリクスが自動車用途に開発されている。このフィルタは、Ｇ又はＢフィルタ要素を持たず、２行ごとに１つおきの画素センサのみ（only  every  second  pixel  sensor  in  every  second  row）をカバーするＲフィルタ要素を持つ。Ｒフィルタ要素は、このフィルタを使用するカメラシステムが、赤信号を検出し、他の車両の光を遮断することを可能にする。しかしながら、Ｇフィルタの欠如は、ＲＣＣＣフィルタマトリクスを含む光学系が、黄色の交通信号及び／又は黄色及び緑色の交通信号などの他の色をセンシングすることを困難にする。
【００１１】
イメージャに加えて、自動車カメラは、シーンからの光をイメージャに集光するレンズ系を含む。このようなレンズ系は、広い視野にわたって高解像度のイメージを提供することが望ましい。レンズ系によって投影されるイメージの解像度は、レンズ系の空間周波数応答の関数である。光学系の空間周波数応答は、系の変調伝達関数（ＭＴＦ）に関して特定され得る。ＭＴＦは光伝達関数（ＯＴＦ）の係数であり、光学系が検出器アレイ上に投影されるシーンからの光の振幅及び位相にどのように影響するかを特定する。ＯＴＦは点拡散関数（ＰＳＦ）のフーリエ変換である。ＰＳＦは、光学系のインパルス応答である（例えば、理想的な点光源から生成されるイメージ）。ＯＴＦはフーリエ変換であるため、実数平面と虚数平面の両方に値を持つ複素関数である。ＭＴＦは複素ＯＴＦの係数（the  modulus）（例えば絶対値）である。ＭＴＦは伝達関数の位相部分を無視し、関連するスペクトルにわたって投影される光の振幅がどのように変化するかの尺度を提供する。ＯＴＦとＭＴＦの両方は、光学系を通過する周期的な正弦波パターンに対する光学系の応答を特定する。この応答は、正弦波パターンの空間周波数又は周期と方向の両方の関数である。
【００１２】
本明細書に記載されるＯＴＦ及びＭＴＦ測定は、特定の解像度を特定し得る。分解能は、ミリメートルあたりのサイクル数（ＣＹＣ／ｍｍ）又はミリメートルあたりのラインペア数（ｌｐ／ｍｍ）として特定し得る。１０μｍのフィーチャを解像できるレンズ系は、１００ｌｐ／ｍｍの解像度を有する。したがって、１００ｌｐ／ｍｍで８０％のＭＴＦを有するレンズ系は、オリジナルのイメージと比較してわずかにぼやけた、１ミリメートル当たり２００ラインを有するイメージを投影し得る。
【００１３】
図１は、処理回路１０８を含むカメラ１０２を有する例示的な車両１０４のブロック図である。カメラ１０２は、車両１０４に取り付けられ、車両１０４の環境を監視する。一実施形態では、処理回路１０８は、カメラ１０２に一体化される。図１は、一例として、フロントガラスの背後に取り付けられた前方視カメラとしてのカメラを示す。しかしながら、本明細書に記載されるカメラコンポーネントは、車両１０４の内側又は外側に取り付けられた後方向き又は側方向きカメラに使用され得る。
【００１４】
例示的なシステムでは、処理回路１０８は、カメラ１０２から得られたイメージを介して車両環境モデリングを実行する。図１に示す例では、車両環境モデリングは、路面１０６、障害物（obstacles）、遮蔽物（obstructions）、及び移動体（例えば、他の車両、歩行者、動物など）をモデリングすることを含み得る。しかしながら、カメラ１０２又は他のカメラ（図示せず）を、交通信号、道路標識、及び環境条件をモデル化するために使用することもできると考えられる。これらのモデルは、センシングされる環境条件に基づいて車両１０４の動作パラメータを調整するために、処理回路１０８によって直接的に、又は別の管理システム（図示せず）を介して使用され得る。例えば、処理回路は、カメラ１０２を使用して、路面１０６上の車線マーカを監視し、車両１０４が車線マーカを横断していることを検出したときにドライバに警告することができる。例えば、路面１０６のモデリングを実行するために、処理システム１０８は、路面１０６を表すイメージの時間順序シークエンスを得るように構成される。
【００１５】
図２は、図１に示すカメラ１０２として使用することができる例示的なカメラのコンポーネントの模式図である。例示的なカメラ１０２は、イメージャシステム２２０に結合されたレンズ系２００を含む。レンズ系２００は、前面カバーガラス２０４と後面カバーガラス２１８とを有するレンズ鏡筒２０２内に収容されている。例示的レンズ系２００は、第１両凸レンズ２０６、第２両凸レンズ２０８、正メニスカスレンズ２１０及び両凸レンズ２１２を含む組合せレンズ（composed  lens）、並びに第２正メニスカスレンズ２１４を含む。レンズ系２００はまた、レンズ系２００からイメージャシステム２２０上に投影されるＩＲ及びＵＶスペクトル範囲の光を減衰させるカットフィルタ２１６を含む。レンズ系２００は、赤色から緑色のスペクトル範囲の光のために比較的大きなＭＴＦを提供するように構成されているので、カットフィルタ２１６は、ＩＲ及びＵＶスペクトル範囲の光を減衰させることに加えて、青色スペクトル範囲の光の少なくとも一部を減衰させるように構成され得る。レンズ要素２０６、２０８、２１０、２１２、及び／又は２１４のいずれかは、球形又は非球形要素であり得る。構成レンズを形成するレンズ２１０及び２１２は、光学セメントによって接合され得るか、又は空気によって分離され得る。このレンズ構成は、１つの可能な構成である。表１、２、及び３を参照して以下に記載される設計規則を満たす他の構成が、レンズ系２００に代えて使用され得る。
【００１６】
イメージャシステム２２０は、ハウジング２２２、カラーフィルタマトリクス２２４、及び、ＣＭＯＳセンサであり得るＡＰＳイメージセンサ２２６を含む。カラーフィルタマトリクス２２４及びイメージャ２２６の相対サイズは、イメージャシステム２２０の説明を助けるために誇張されている。
イメージャ２２６は、シーンからのイメージがカラーフィルタマトリクス２２４を介してイメージャ２２６の上面上に焦点合わせされるように、ハウジング２２２内のレンズ系２００に対する位置に配置される。イメージャ２２６によってキャプチャされる画素データは処理回路１０８に供給され、処理回路１０８は、イメージャ２２６の動作を制御することもできる。
【００１７】
イメージャシステム２２０のカラーフィルタマトリクス２２４は、例示的実施形態によるＲＹＹＣｙフィルタマトリクスである。カラーフィルタマトリクス２２４の例示的なレイアウトが図３Ａに示されている。ＲＧＧＢフィルタマトリクス又はＣｙＹＭフィルタマトリクスなどの従来のカラーフィルタは、赤色から青色のスペクトルにわたるイメージを生成する。しかしながら、これらのフィルタは、上述のように、画素センサに到達する光の量を１／３又は２／３だけ減少させる。この光量の減少は、イメージャの量子効率（ＱＥ）の低下をもたらす。イメージャのＱＥは、イメージャに衝突する光子からイメージャによって生成される電子の比率であり、したがって、ＱＥは、光子を電子に変換する際のイメージャの効率の尺度である。ＲＹＹＣｙフィルタマトリクスは、１つの例示的なマトリクスである。使用され得る他のフィルタマトリクスには、ＲＹＹＢ、ＲＹＹＹ、ＲＹＧ、及びＲＹＹＣが含まれる。カットフィルタ２１６が青色スペクトル範囲の光、並びにＩＲ及びＵＶスペクトル範囲の光を減衰させるように調整されている場合には、他の例示的なフィルタマトリクスを使用してもよい。この場合、ＲＣＣＣ又はＲＣＣＢフィルタマトリクスは、レンズ系２００のＭＴＦがスペクトルの赤色から緑色の範囲に対して構成されている、上述したレンズ系２００のようなレンズ系と共に使用される場合に、許容可能なイメージを生成することができる。
【００１８】
本明細書に記載されているように、自動車用途の場合、青色のスペクトル範囲からのイメージデータは、赤色から緑色のスペクトル範囲からのイメージデータよりも重要ではない。レンズの開口を増加させることなくイメージャの量子効率を増加させる１つの方法は、青色スペクトル範囲よりも赤色から緑色のスペクトル範囲において、よりシャープなイメージを生成し、レンズにマッチしたカラーフィルタを提供するように構成されたレンズを設計することである。
【００１９】
光を混合するとき、黄色光は赤色光と緑色光の組合せである。例示的な実施形態では、イメージャカラーフィルタマトリクス２２４は、レンズ系２００にマッチするように設計され、レンズ系２００及びカラーフィルタマトリクス２２４の両方は、青色から紫色のスペクトル範囲の光以上に（ｏｖｅｒ）赤色から緑色のスペクトル範囲の光を強調するように構成される。上述のように、ＲＣＣＣフィルタマトリクスは、現在、多くの自動車用途で使用されている。例示的な実施形態によるカラーフィルタマトリクス２２４は、黄色フィルタ要素の下のイメージャ画素位置が、イメージャからの情報の大部分を提供するように、透明フィルタ要素に代えて黄色フィルタ要素を使用する。処理回路１０８は、テールライトを検出するために、ＲＣＣＣフィルタマトリクスのような赤色フィルタ素子を使用する。黄色フィルタ要素と赤色フィルタ要素との間の差は、透明フィルタ要素と赤色フィルタ要素との間の差ほど大きくないため、例示的カラーフィルタマトリクス２２４は、シアンフィルタ要素も使用する。シアンフィルタ要素はまた、処理システム１０８が赤色とオレンジ色を区別するのを助ける。例示的なカラーフィルタマトリクス２２４はＲＹＹＣｙフィルタマトリクスであり、その例が図３Ａに示されている。図示のように、フィルタは、水平方向及び垂直方向に繰り返されるＲ、Ｙ、及びＣｙフィルタ要素のパターンを含む。パターンは、２×２のサブマトリクスに配置された４つのフィルタ要素、Ｒフィルタ３０２、第１Ｙフィルタ３０４、第２Ｙフィルタ３０６、及びＣｙフィルタ３０８を含む。２×２のサブマトリクスは、イメージャ２２６の表面にわたって水平方向及び垂直方向の両方で繰り返される。
【００２０】
図３Ｂは、ＲＹＹＣｙフィルタマトリクス２２４を使用するセンサの例示的なＱＥを示す。ＱＥは、カラーフィルタマトリクス２２４を有しないＡＰＳイメージャのフィルタ及び特性を実施するために使用される色素に依存する。したがって、特定のセンサのＱＥは、図３Ｂに示されたものから著しく変化し得る。曲線３２２は、シアンスペクトル範囲の光子に対するセンサのＱＥを表す。曲線３２４及び３２６は、黄色から緑色のスペクトル範囲の光子に対するセンサのＱＥを表し、曲線３２８は、赤色のスペクトル範囲の光子に対するセンサのＱＥを表す。図３Ｂに示される曲線の各々は、図３Ａに示される２×２のサブマトリクスにおける画素位置に対応する。サブマトリクスの４つの画素位置は、処理回路１０８によって結合されて、例えば、赤、緑及び青か、又はマゼンタ、黄及びシアンか、の３つのカラー信号を生成する別個の信号を生成する。図３Ｂは、約５２５ｎｍ  （黄色光に相当）における約７０％のピークから８００ｎｍ（近赤外光に相当）における約５０％までのＱＥの低下を示す。黄色のピークは赤色及びシアンのピークよりも高いことに注意されたい。さらに、図３Ｂは、黄色の画素のＱＥが４７５ｎｍで半分に低下し、４００ｎｍ〜５００ｎｍの青色から紫色のスペクトル範囲が赤色から緑色のスペクトル範囲の光センシングに有意に影響しないことを示す。ＲＹＹＣｙフィルタマトリクスは、ＣｙＹＭフィルタマトリクスのマゼンタフィルタに代えて赤色フィルタを使用するので、図３Ｂに示される赤色、黄色、及びシアン曲線の形状は、ＣｙＹＭフィルタについての対応する曲線とは異り得る。しかしながら、異なるスペクトル範囲のカットオフ波長は類似している。
【００２１】
ＲＹＹＣｙカラーフィルタマトリクス２２４は、ＲＧＧＢ、ＣｙＹＭ、及びＲＣＣＣなどの既存のパターンとは異なる。フィルタマトリクス２２４は、青色から紫色のスペクトル範囲を考慮せずに設計されたレンズ系２００と組み合わされ、図１に示すカメラ１０２を実装する。例示的な実施形態によれば、レンズシステム２００は、赤色から緑色のスペクトル範囲の光に対して良好なＭＴＦ値を実装するが、青色から紫色のスペクトル範囲の光に対しては比較的低減されたＭＴＦを実装するように焦点を合わせることができる。イメージャシステム２２０は、標準的なＣｙＹＭフィルタマトリクスとしてのマゼンタフィルタ要素に代えて赤色フィルタ要素を有するカラーフィルタマトリクス２２４を使用するので、イメージャレイ２２６によって提供される赤色フィルタリングされた画素は、黄色フィルタリングされた画素と同様に、良好な焦点を有する。焦点がずれているように見える画素は、シアンフィルタリングされた画素のみである。なぜなら、これらの画素をカバーするカラーフィルタ要素は、顕著な青色成分を含んでおり、レンズ系のＭＴＦは、青色から紫色のスペクトル範囲の光よりも赤色から緑色のスペクトル範囲の光の方が高いＭＴＦを生成するように設計されているからである。モノクロ解像度ターゲットのイメージが、後述するように設計されたレンズ系と、図３Ａに示すＲＹＹＣｙカラーマトリクスとでキャプチャされる場合、赤色画素データのみを含むサブサンプリングされるイメージは、イメージャが赤色フィルタ要素及びシアンフィルタ要素を有する同数の画素を含むとしても、シアン画素データのみを含むサブサンプリングるイメージよりもかなり鮮明に見える。
【００２２】
図２に示されるレンズ系２００などの例示的レンズ系は、以下の表１、２及び３に示される設計ルールに従って設計され得る。表１は、レンズ設計に対する波長重みづけを示す。表２は、表１に示される波長重みづけを有するレンズ設計のための多色ＭＴＦを示し、表３は、４１０ｎｍ〜３９５ｎｍの範囲にあり得るカットオフ波長未満の波長を有するＵＶ光を減衰させ、６９０ｎｍ〜７０５ｎｍの範囲にあり得るカットオフ波長を超える波長を有するＩＲ光を減衰させるように構成されたカットフィルタ２１６のパラメータを示す。上述のように、いくつかの実施形態では、カットフィルタ２１６は、約５００ｎｍ未満の波長を有する光を減衰させ、青色から紫色のスペクトル範囲の光及びＵＶスペクトル範囲の光を減衰させるように構成されてもよい。
【表１】
2021525990.tif 000003
【表２】
2021525990.tif 000004
【表３】
2021525990.tif 000005
【００２３】
これらの設計規則は、赤色から緑色のスペクトル範囲の光の焦点が６０度の視野にわたって強調されるレンズ系を特定する。表１に示される重み付け設計ルールは、赤色波長又は青色波長よりも黄色波長に重みを付ける。したがって、表１〜３に示される視野設計ルールは、少なくとも、レンズ系の視野にわたる赤色から緑色のスペクトル範囲の光に対して、比較的高いＭＴＦを規定する。かかるレンズ系は、カメラ１０２の視野にわたって関心対象のアイテムを識別するために、カメラ１０２の処理システム１０８によって使用され得る。
【００２４】
図４Ａは、図３Ａに示される、黄色フィルタ要素３０４及び３０６に関連する５１０ｎｍ〜６６０ｎｍの波長範囲のレンズの６０度の視野にわたる設計ＭＴＦ（例えば、設計ＯＴＦの係数）を示す。曲線４１２は、接線平面内のＭＴＦを表し、曲線４１４は、サジタル平面内のＭＴＦを表す。接線応答は伝搬方向の光に関係し、サジタル応答は伝搬方向に垂直な方向の光に関係する。曲線４１２及び４１４は、１２０ｌｐ／ｍｍの解像度での例示的レンズ系の空間周波数応答を表す。図４Ａに示すように、設計ＭＴＦは、ＦＯＶの中心において１２０ｌｐ／ｍｍに対して０．８（８０％）を超え、６０°ＦＯＶにわたって０．５を超える。
【００２５】
図４Ｂは、青色範囲（約４５０ｎｍ）の波長に対するＭＴＦを示す。曲線４２２は、接線応答を示し、曲線４２４は、サジタル応答を示す。図４Ｂに示されるように、ＭＴＦは、１２０ｌｐ／ｍｍの分解能で、ＦＯＶ全体を通じて０．５未満、又は０．４未満である。
【００２６】
図４Ｃは、４３６ｎｍ〜６５６ｎｍの可視スペクトルの標準重みづけを使用したレンズの設計ＭＴＦを示す。図４Ｃに示すように、接線ＭＴＦは、ＦＯＶの中心で０．８未満であり、ＦＯＶ内の他の多くの角度で０．５未満である。
【００２７】
図５Ａ、５Ｂ、及び５Ｃは、表１、２、及び３に示される設計規則にしたがって設計される例示的レンズ系２００に対する焦点シフトの関数として、５１０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲の光（例えば、赤色から緑色のスペクトル範囲の光）のＭＴＦを示す。図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃに示されるＭＴＦ値は、１２０ｌｐ／ｍｍの解像度である。図５Ａは、ＦＯＶ０度における焦点応答を示し、図５Ｂは、ＦＯＶ３０度における焦点応答を示し、図５Ｃは、ＦＯＶ６０度における焦点応答を示す。図５Ａは、０度における応答を示すので、接線方向曲線とサジタル方向曲線は一致し、曲線５０２によって表される。図５Ｂ及び５Ｃにおいて、曲線５１２及び５２２はそれぞれの接線焦点応答（tangential  focus  responses）を示す、そして、曲線５１４及び５２４はそれぞれのサジタル焦点応答（sagittal  focus  responses）を示す。図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、５１０ｎｍ〜６６０ｎｍのスペクトル域の光について約０ｍｍの焦点シフトを示す。
【００２８】
図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、表１、２、及び３に示される設計規則にしたがって設計されたレンズ系２００に対する約４５０ｎｍの光（例えば青色光）に対する焦点応答（例えば、ＭＴＦ対焦点シフト）を示す。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示されるＭＴＦもまた、１２０ｌｐ／ｍｍの解像度である。図６の曲線６０２は、ＦＯＶの０度での青色光の接線焦点応答及びサジタル焦点応答を示している。図６Ｂの曲線６１２及び６１４はそれぞれ、ＦＯＶの３０度での青色光に対するレンズ系２００の接線焦点応答及びサジタル焦点応答を示し、図６Ｃの曲線６２２及び６２４は、ＦＯＶにおける６０度での青色光に対するレンズ系２００の接線焦点応答及びサジタル焦点応答を示す。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃをそれぞれ図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃと比較すると、赤色から緑色のスペクトル範囲の光の焦点に対して、ＦＯＶの０度での青色光に対する約０．０１ｍｍの焦点におけるシフトを示す。焦点のシフトは、ＦＯＶのさらに外側の角度（例えば、３０度及び６０度）に対してさらに大きいことに留意されたい。
【００２９】
図５Ａ〜６Ｃは、表１、２、及び３に示される設計規則にしたがって設計されたレンズ系が、青色から紫色のスペクトル範囲の光に対して良く動作しないことを示す。しかしながら、赤色から緑色のスペクトル範囲の光では、ＦＯＶの種々の角度に対するＭＴＦのピークは、同じ焦点シフト領域の周りに集中する。したがって、赤色から緑色のスペクトル範囲の光は、同時にＦＯＶ全体にわたって焦点を合わせることができる。
【００３０】
図７Ａ〜７Ｃは、プロダクションレンズ系（production  lens  system）２００に対する赤色から緑色スペクトル範囲（例えば、約４３０ｎｍ〜約６６０ｎｍ）の光に対する焦点応答を示す。図５Ａ〜６Ｃのように、図７Ａ〜７Ｃに示されるＭＴＦは、０度、３０度及び６０度のＦＯＶ角度それぞれにおける、１２０ｌｑ／ｍｍの解像度である。図７Ａにおいて、曲線７０２は、接線平面及びサジタル平面の両方におけるレンズ系２００の焦点応答を表す。図７Ｂ及び７Ｃにおいて、曲線７１２及び７２２は、接線平面におけるレンズシステム２００のそれぞれの焦点応答を表し、曲線７１４及び７２４は、サジタル平面におけるレンズシステム２００のそれぞれの焦点応答を表す。図７Ａ〜７Ｃに示される例示的ＭＴＦは、図５Ａから５Ｃを参照して上述された設計値よりも低い。プロダクション応答は、製造許容誤差の包含（inclusion）を反映しているからである。しかしながら、０ｍｍの焦点シフトにおいて、レンズ系２００のＭＴＦは、依然として、ＦＯＶの中心で０．６０より大きく、ＦＯＶの３０度及び６０度の両方で０．５５より大きいことに留意されたい。図示されていないが、１２０ｌｐ／ｍｍの青色から紫色のスペクトル範囲の光に対するプロダクションレンズ系２００のＭＴＦは、ＦＯＶの一部の部分の赤色から緑色のスペクトル範囲の光に対するＭＴＦの５０％〜６０％であり得る。例えば、ＦＯＶの中心における青色から紫色のスペクトル範囲の光のＭＴＦは０．３５未満であり得、３０度ではＭＴＦは０．３３未満であり得、６０度では青色から紫色のスペクトル範囲の光のＭＴＦは０．３０未満であり得る。これらの値は、赤色から緑色のスペクトル範囲の光に対して比較的高いＭＴＦを達成することに基づいて、レンズ系２００が集束されると仮定している。
【００３１】
実施例
実施例１は、青色から紫色のスペクトル範囲よりも緑色から赤色のスペクトル範囲でより良好であるように調整された変調伝達関数（ＭＴＦ）を有するカメラモジュールであって：
青色から紫色のスペクトル範囲に対して緑色から赤色のスペクトル範囲を優先して構成されたレンズ系と；
マトリクス内に配置された複数の画素センサを含むイメージャと；
レンズ系とイメージャとの間に配置されたカラーフィルタマトリクスであって、
カラーフィルタマトリクスは、イメージャの複数の画素センサに位置的に対応する複数のフィルタ要素を有し、
フィルタ要素は、赤色フィルタ要素よりも多くの黄色フィルタ要素を含む、カラーフィルタマトリクスと；
を備え、
イメージャは、レンズ系に対して、カメラモジュールのＭＴＦが前記緑色から赤色のスペクトル部分に対して強調されるように、構成されている。
【００３２】
実施例２において、実施例１の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つのシアンフィルタ要素を含む。
【００３３】
実施例３において、実施例１〜２の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、３つの黄色フィルタ要素及び１つの赤色フィルタ要素を含む。
【００３４】
実施例４において、実施例１〜３の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの緑色フィルタ要素を含む。
【００３５】
実施例５において、実施例１〜４の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの透明フィルタ要素を含む。
【００３６】
実施例６において、実施例１〜５の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの黄色フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素、及び１つの青色フィルタ要素を含む。
【００３７】
実施例７において、実施例１〜６の主題は以下を含み、
レンズ系は、赤色及び青色スペクトル範囲の光よりも強く（higher）黄色スペクトル範囲の光を重みづけするように設計されている。
【００３８】
実施例８において、実施例１〜７の主題は以下を含み、
レンズ系は、光学セメントによって接合された２つの光学サブ要素を備える組立光学要素（a  composed  optical  element）を含む複数の光学要素を含む。
【００３９】
実施例９において、実施例８の主題は以下を含み、
複数の光学要素のうちの少なくとも１つの光学要素は、非球面レンズを含む。
【００４０】
実施例１０において、実施例１〜９の主題は以下を含み、
レンズ系は、レンズ系とカラーフィルタマトリクスとの間に配置されたカットフィルタを含み、
カットフィルタは、レンズ系によってカラーフィルタマトリクス及びイメージャ上に投影される紫外スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている。
【００４１】
実施例１１において、実施例１０の主題は以下を含み、
カットフィルタはさらに、青色から紫色のスペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている。
【００４２】
施例１２において、実施例１０〜１１の主題は以下を含み、
カットフィルタはさらに、赤外（ＩＲ）スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている。
【００４３】
実施例１３は、
青色から紫色のスペクトル範囲よりも緑色から赤色のスペクトル範囲でより良好であるように調整された変調伝達関数（ＭＴＦ）を有するカメラモジュールであって：
青色から紫色のスペクトル範囲に対して緑色から赤色のスペクトル範囲を優先して構成されたレンズ系と；
マトリクス内に配置された複数の画素センサを含むイメージャと；
レンズ系とイメージャとの間に配置されたカラーフィルタマトリクスであって、カラーフィルタマトリクスは、イメージャの複数の画素センサに位置的に対応する複数のフィルタ要素を有し、フィルタ要素は、赤色フィルタ要素よりも多くの透明フィルタ要素を含む、カラーフィルタマトリクスと；
レンズ系とカラーフィルタマトリクスとの間に配置されたカットフィルタであって、レンズ系によってカラーフィルタマトリクス及びイメージャ上に投影される青色から紫外スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている、カットフィルタと；
を備え、
イメージャは、レンズ系に対して、カメラモジュールのＭＴＦが前記緑色から赤色のスペクトル部分に対して強調されるように、構成されている、
【００４４】
実施例１４において、実施例１３の主題は以下を含み、
カットフィルタはさらに、赤外（ＩＲ）スペクトル範囲の光を減衰させるように構成されている。
【００４５】
実施例１５において、実施例１３〜１４の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、３つの透明フィルタ要素及び１つの赤色フィルタ要素を含む。
【００４６】
実施例１６において、実施例１３〜１５の主題は以下を含み、
フィルタマトリクスは、イメージャの画素センサにわたって水平方向及び垂直方向に反復する複数の２×２のサブマトリクスを含み、
各サブマトリクスは、２つの透明フィルタ要素、１つの赤色フィルタ要素及び１つの緑色フィルタ要素を含む。
【００４７】
実施例１７において、実施例１３〜１６の主題は以下を含み、
レンズ系は、赤色及び青色スペクトル範囲の光よりも強く黄色スペクトル範囲の光を重みづけするように設計されている。
【００４８】
実施例１８において、実施例１３〜１７の主題は以下を含み、
レンズ系は、光学セメントによって接合された２つの光学サブ要素を備える組立光学要素を含む複数の光学要素を含む。
【００４９】
実施例１９において、実施例１８の主題は以下を含み、複数の光学素子のうちの少なくとも１つの光学要素は、非球面レンズを含む。
【００５０】
一つ以上の実装の前述の説明は、例示および説明を提供するが、網羅的であること、または実施形態の範囲を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。変更及び変形は、上記の教示に照らして可能であるか、又は実施形態の様々な実施の実装から取得することができる。
【００５１】
要約は、３７  Ｃ．Ｆ．Ｒ．  に準拠するために提供される。第１．７２（ｂ）条は、読者が技術的開示の性質及び要約を確認することを可能にする要約を要求している。この要約は、クレームの範囲又は意味を限定又は解釈するために使用されないという理解の下に提出される。以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、それ自体が別個の実施形態として存在する。
【図１】
2021525990.tif 000006
【図２】
2021525990.tif 000007
【図３Ａ】
2021525990.tif 000008
【図３Ｂ】
2021525990.tif 000009
【図４Ａ】
2021525990.tif 000010
【図４Ｂ】
2021525990.tif 000011
【図４Ｃ】
2021525990.tif 000012
【図５Ａ】
2021525990.tif 000013
【図５Ｂ】
2021525990.tif 000014
【図５Ｃ】
2021525990.tif 000015
【図６Ａ】
2021525990.tif 000016
【図６Ｂ】
2021525990.tif 000017
【図６Ｃ】
2021525990.tif 000018
【図７Ａ】
2021525990.tif 000019
【図７Ｂ】
2021525990.tif 000020
【図７Ｃ】
2021525990.tif 000021
【国際調査報告】
2021525990.tif 000022
2021525990.tif 000023
2021525990.tif 000024
2021525990.tif 000025
2021525990.tif 000026