(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の耳の内部をイメージングする、瞳面と画像面とを有し、複数の要素を有する対物レンズグループと、
マイクロレンズアレイとセンサアレイとを含むプレノプティックセンサと、
前記対物レンズグループと前記プレノプティックセンサとの間に配置され、前記画像面を前記マイクロレンズアレイにリレーし、前記瞳面を前記センサアレイにリレーするリレー光学系とを含み、
前記瞳面は前記対物レンズグループの第１または第２の要素の前に配置されることを特徴とする、
ライトフィールドオトスコープ。
【請求項２】
前記対物レンズグループの画像空間の主光線はテレセントリック又はニアテレセントリックである、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項３】
前記対物レンズグループは３つのレンズ要素よりなる、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項４】
前記対物レンズグループは実質的に次のレンズ処方による：
【表１】
0006332406.tif 000009
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項５】
前記対物レンズグループは、前記瞳面により分離された、第１のネガティブレンズグループと第２のポジティブレンズグループとよりなる、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項６】
前記第１のネガティブレンズグループはメニスカスレンズよりなる、
請求項５に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項７】
前記対物レンズグループは実質的に次のレンズ処方による：
【表２】
0006332406.tif 000010
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項８】
前記対物レンズグループのオブジェクト空間開口数は少なくとも０．０３である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項９】
前記対物レンズグループのオブジェクト空間開口数は少なくとも０．０５である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１０】
前記対物レンズグループの視野は少なくとも３０°である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１１】
前記対物レンズグループのＲＭＳスポットサイズは３０ミクロン以下である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１２】
前記対物レンズグループの倍率は−０．１と−１．０との間である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１３】
前記対物レンズグループの口径食は焦点面において２０％以下である、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１４】
前記対物レンズグループを含み、検鏡により覆われる形状である内側ハウジングをさらに含む、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１５】
前記リレー光学系は、
前記瞳面を中間瞳面にリレーする第１のリレーレンズグループと、
前記中間瞳面を前記センサアレイにリレーする第２のリレーレンズグループとを含み、前記第１と第２のリレーレンズグループは前記画像面を前記マイクロレンズアレイに共にリレーする、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１６】
前記中間瞳面にフィルタモジュールを挿入可能である、
請求項１５に記載のライトフィールドオトスコープ。
【請求項１７】
耳の状態を診断するシステムであって、
請求項１に記載のライトフィールドオトスコープと、
前記ライトフィールドオトスコープに結合された計算システムとを含み、
前記ライトフィールドオトスコープは患者の耳の内部のプレノプティック画像を取得し、
前記計算システムは前記プレノプティック画像を処理して、耳の状態の診断を支援する、
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概してライトフィールドオトスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
オトスコープは中耳の病気を観て診断するのに用いる光学的イメージングデバイスである。臨床医は、診断のため、鼓膜（ＴＭ）の色、透光性、及び３次元形状などの画像フィーチャを用いる。従来のオトスコープは、視界（ＦＯＶ）とＴＭの拡大が非常に限定される。これにより、ユーザの視野が単眼で狭窄になり、形と色の微妙な違いを評価する能力が低下してしまう。新しいデジタルオトスコープにより高解像度の大きなＦＯＶ画像が提供されるようになったが、それらの現在の画像センサでは３次元の形と色の定量的な測定ができない。
【０００３】
従来の画像センサと比較して、ライトフィールド画像センサはマイクロレンズアレイを用いて、完全な４次元（４Ｄ）光線空間を記録する。ライトフィールドデータを用いて、１つのシーンの複数のビューであって、各ビューが異なる視点を有するものを再構成できる。これらのビューをさらに後処理して、３Ｄ形状を再構成できる。しかし、３Ｄ再構成の精度は、開口（ＮＡ）、倍率、画素ピッチ、マイクロレンズピッチなどの光学系の多数のパラメータに依存している。現在のオトスコープで使われる光学系と、オトスコープとのパラメータにより、ライトフィールド３Ｄ再構成の精度が低くなる。
【０００４】
ライトフィールド画像センサにより、「マルチスペクトル画像」と呼ばれるモダリティが可能となる。スペクトル画像は、光フィルタを開口面に配置することにより、再構成ビューにエンコードされ得る。オトスコープ内の現在の光学系と、オトスコープとは、非常に小さく及び／又はアクセス不能な開口を含み、これによりスペクトルフィルタの挿入が非現実的になってしまう。
【０００５】
それゆえ、オトスコープにおける３Ｄのスペクトル測定のために設計された新しいタイプの光学系が必要である。
【０００６】
本願は、２０１５年１０月２８日に出願した米国仮特許出願第６２／２４７，３４３号（発明の名称「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｏｔｏｓｃｏｐｅ」）に基づく米国特許法第１１９条（ｅ）項による優先権を主張するものである。上記文献の全ての主題はここにその全体を参照援用する。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、ライトフィールドオトスコープの様々な光学設計を提供することにより、先行技術の限界を克服する。ライトフィールドオトスコープの一例は、対物レンズグループ、リレー光学系、及びプレノプティックセンサ（例えば、マイクロレンズアレイ及びセンサアレイ）を含む。対物レンズグループは、人の耳の内部をイメージングし、瞳面と画像面とにより特徴付けられる。リレー光学系は対物レンズグループとプレノプティックセンサとの間に配置される。画像面をマイクロレンズアレイにリレーし、瞳面をセンサアレイにリレーする。
【０００８】
他の態様は対物レンズグループの様々な設計が含まれる。１つの設計では、オトスコープの対物レンズグループは３つのレンズ要素よりなり、瞳面は対物レンズグループのオブジェクト側に位置し、画像面は対物レンズグループの画像側に位置する。他の設計では、対物レンズグループは、ネガティブレンズグループと、それに続く第２のポジティブレンズグループとよりなり、瞳面は２つのレンズグループの間に位置する。
【０００９】
他の態様では、リレー光学系は２つのリレーレンズグループを含む。第１のリレーレンズグループが瞳面を中間瞳面にリレーし、中間瞳面は第２のリレーレンズグループによりセンサアレイにリレーされる。また、２つのリレーレンズグループは、画像面をマイクロレンズアレイに共にリレーする。任意的に、中間瞳面にフィルタモジュールを挿入して、例えばスペクトルイメージングを実装してもよい。
【００１０】
様々な設計は、好ましくは、より大きなオブジェクト空間開口数、より大きくアクセス可能な開口面、及び場合によってはより大きな倍率を有する。
【００１１】
他の態様は、コンポーネント、デバイス、システム、改良品、方法、プロセス、アプリケーション、コンピュータ読み取り可能媒体、及びこれらの何れかに関連するその他の技術を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の実施形態には他の利点と特徴があり、これらは添付した図面を参照して以下の本発明の詳細な説明と添付した請求項から容易に明らかになるであろう。
【００１３】
【図１Ａ】プレノプティック画像システムの一例（先行技術）を示す図である。
【図１Ｂ】プレノプティック画像システムの一例（先行技術）を示す図である。
【図２】一実施形態によるプレノプティックデジタルオトスコープシステムを示す図である。
【図３】一実施形態による患者の鼓膜をイメージングするライトフィールドオトスコープの利用を示す図である。
【図４Ａ】一実施形態によるライトフィールドオトスコープの光学設計を示す光線トレースを示す図である。
【図４Ｂ】一実施形態によるライトフィールドオトスコープの光学設計を示す光線トレースを示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａ及び図４Ｂの設計の光学機械設計を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ａ及び図４Ｂの設計の光学機械設計を示す断面図である。
【図５Ａ】一実施形態によるプレノプティックオトスコープの対物レンズの光学設計の一例を示す光線トレースを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａに基づくオトスコープ設計のスポットダイヤグラムを示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａ及び図５Ｂのライトフィールドオトスコープの口径食を示すグラフである。
【００１４】
図は単なる例示を目的とした様々な実施形態を示すものである。当業者には以下の説明から言うまでもないことであるが、ここに例示した構成と方法の別の実施形態を、ここに説明する原理から逸脱することなく、利用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面と下記の説明は、単なる例としての好ましい実施形態に関する。留意点として、下記の説明から、ここに開示の構成及び方法の代替的な実施形態は、特許請求の範囲に記載したものの原理から逸脱することなく利用できる実行可能な代案であると容易に認識される。
【００１６】
図１Ａ及び図１Ｂは、ライトフィールド又はプレノプティック画像システムの一例（先行技術）を示す図である。プレノプティック画像システム１１０は、（図１Ａにおいて１つのレンズで表す）主画像サブシステム１１２と、（画像形成要素のアレイ１１５で表す）副画像アレイ１１４と、センサアレイ１８０とを含む。副画像アレイ１１４はマイクロ画像アレイとも呼ばれる。これらは、２つの重なり合う画像サブシステムを形成する。図１Ａにおいて画像サブシステム１と画像サブシステム２として示した。
【００１７】
便宜上、光学画像グループ１１２は、図１Ａにおいて１つの対物レンズとして示されているが、言うまでもなく、複数の要素を含んでいてもよい。オブジェクト１５０は対物面Ｏに配置されている。対物レンズ１１２は、画像面Ｉにおけるオブジェクト１５０の光学画像１５５を形成する。マイクロ画像アレイ１１４は画像面Ｉにある。このシステムは全体として、空間的に多重されインターリーブされた画像１７０をセンサアレイ１８０のところに形成する。センサアレイ１８０は瞳面Ｐの共役Ｐ’のところにある。便宜上、画像１７０はプレノプティック画像と呼ぶ。マイクロイメージングアレイ１１４の例には、マイクロレンズアレイ、ピンホールのアレイ、マイクロミラーアレイ、チェッカーボードグリッド及び導波／チャンネルアレイを含む。マイクロイメージングアレイ１１４は、方形アレイ、六角形アレイ、その他のタイプのアレイであってもよい。センサアレイ１８０も図１Ａに示した。便宜上、画像、開口、及びそれらの光学的共役の位置を面（例えば、画像面、瞳面など）と呼ぶが、言うまでもなくその面は完全に面状でなくてもよい。
【００１８】
任意的に、フィルタモジュール１２５は瞳面Ｐ（又はその共役の１つ）に位置している。実際の物理的な位置は光学画像グループ１１２の前、後、またはその中であり得る。フィルタモジュールは、複数の空間的に多重化されたフィルタセル１２７Ａ−Ｄを含む。この例では、フィルタモジュール１２５は、図１Ａの下部に示したように、四角形のフィルタセルアレイ１２７を含む。
【００１９】
図１Ａの下部により詳細を示す。この図では、オブジェクト１５０は３×３領域アレイに分割されており、これは１−９とラベル付けされている。フィルタモジュール１２５は、個々のフィルタセル１２７Ａ−Ｄの２×２の四角形のアレイである。例えば、各フィルタ１２７Ａ−Ｄは異なるスペクトル応答を有する。センサアレイ１８０は６×６方形アレイとして示した。
【００２０】
図１Ｂは、空間的に多重化された光学画像１７０Ａ−Ｄが、センサアレイ１８０において、どのように生成され、インターリーブされるかを概念的に示す図である。オブジェクト１５０は、フィルタセル１２７Ａによりキャプチャされフィルタされると、光学画像１５５Ａを生じる。光学画像１５５Ａをオブジェクトの未フィルタ画像と区別するため、３×３領域は添え字Ａ：１Ａ−９Ａでラベル付けされる。同様に、フィルタセル１２７Ｂ、Ｃ、Ｄによりフィルタされたオブジェクト１５０は、１Ｂ−９Ｂ、１Ｃ−９Ｃ、及び１Ｄ−９Ｄとラベル付けされた３ラ３領域に対応する光学画像１５５Ｂ、Ｃ、Ｄを生じる。これらの４つの光学画像１５５Ａ−Ｄは、それぞれフィルタモジュール１２５内の異なるフィルタセル１２７Ａ−Ｄによりフィルタされるが、プレノプティック画像システム１１０によりすべて同時に生成される。
【００２１】
４つの光学画像１５５Ａ−Ｄは、図１Ｂに示すように、センサ面においてインターリーブされて構成される。画像１５５Ａを例として用いると、光学画像１５５Ａの３×３領域１Ａ−９Ａは、プレノプティック画像１７０内の３×３ブロック内で連続していない。むしろ、異なる４つの光学画像の領域１Ａ、１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄは、光学画像１７０の左上に２×２で構成されている（画像１７０の逆像は説明を分かりやすくするため無視する）。領域２−９は同様に構成される。このように、光学画像１７０Ａを構成する領域１Ａ−９Ａは、他の光学画像１７０Ｂ−Ｄの部分により隔てられて、プレノプティック画像１７０にわたって広がる。言い換えると、センサが個々のセンサ要素の正方形アレイであるとき、アレイ全体はセンサアレイの正方形サブアレイ１７１（１）−（９）に分割できる（図１Ｂにはサブアレイ１７１（１）のみを示す）。各領域１−９について、各フィルタ画像の対応領域はすべてサブアレイ上にイメージングされる。例えば、領域１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄはすべてサブアレイ１７１（１）上にイメージングされる。フィルタモジュール１２５とセンサアセンブリ１８０は共役面に位置し、アレイ１１４の各イメージング要素１１５はセンサ面Ｐ’においてフィルタモジュール１２５の画像を構成する。複数のイメージング要素１１５があるので、フィルタモジュール１２５の複数画像１７１が構成される。
【００２２】
プレノプティック画像１７０は、処理モジュール１９０により処理され、オブジェクトの所望の画像を再構成する。処理は逆インターリーブ（ｄｅｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ）と逆多重化（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）であり得る。処理にはより高度な画像処理が含まれていてもよい。
【００２３】
留意点として、図１は基礎的なコンセプトを示すため簡略化してある。例えば、オブジェクト１５０は、画像関数全体の説明を容易にするため、人工的にアレイに分割されていた。本発明はアレイ化されたオブジェクトに限定されない。他の一例として、実際のほとんどのシステムは、特にセンサアセンブリにおいて、及び場合によってはフィルタモジュールにおいても、十分に大きなアレイを用いる。また、センサ面上の６×６領域と、センサアレイ中のセンサ要素との間には、１対１関係はなくてもよい。各領域は、例えば、複数のセンサ要素に対応する。最後の例として、オブジェクトで１とラベルされた領域と、フィルタ画像１５５Ａ中で１Ａとラベルされた領域と、プレノプティック画像１７０中で１Ａとラベルされた領域とは、互いの正確な画像でなくてもよい。幾つかのデザインでは、プレノプティック画像１７０内の領域１Ａは、おおよそオブジェクト１５０内の領域１からフィルタされたエネルギーをキャプチャするが、実際には領域１の画像ではなくてもよい。このように、プレノプティック画像１７０の領域１Ａのセンサ要素により集められたエネルギーは、オブジェクト１５０中の領域１中の画像（またはその画像の幾つかの変換）を集積及びサンプリングしてもよいが、その領域におけるオブジェクトのジオメトリ的再生を表すものではない。また、視差、口径食、回折、及び光伝搬が画像形成に影響する。
【００２４】
プレノプティック画像系の特徴をオトスコープにおいて有利に用いて、耳の内部をイメージングすることができる。図２は、プレノプティックデジタルオトスコープシステムを示すブロック図である。このシステムは、オトスコープ対物系２１０、画像光学系（リレー光学系）２２０、プレノプティックセンサ２３０、及び画像処理部２８０を含む。オトスコープ対物系（ｏｔｏｓｃｏｐｅ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）２１０は、従来のオトスコープで用いられている、イメージング対物系（ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）であり得る。イメージング光学系２２０は、オトスコープ対物系２１０と協働して、オトスコープ装置内の中間画像面に、従来の画像を形成する。従来のセンサアレイがこの画像をキャプチャするのではなく、プレノプティックセンサ２３０がこの画像をキャプチャする。プレノプティックセンサ２３０はセンサアレイであり、その前にマイクロイメージングアレイ（例えば、マイクロレンズアレイやピンホールアレイなど）が取り付けられている。マイクロイメージングアレイは中間画像面に位置し、センサアレイは瞳面の共役に位置している。また、フィルタモジュール（図２には図示せず）が光学トレイン（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）（又はその共役の１つ）の瞳面に挿入され、光のスペクトルその他のフィルタリングをすることもできる。プレノプティックセンサ２３０により取り出されたデジタル情報は、プレノプティックデータの画像処理を実行する計算モジュール２８０に送られる。このように、３次元（３Ｄ）形状、透過性及び／又は色情報をキャプチャし、取り出せる。
【００２５】
例えば、プレノプティックオトスコープは深度イメージングモードで動作可能であってもよい。深度イメージングモードでは、センサアレイによりキャプチャされたプレノプティック画像が処理され、耳の内部の３次元深度画像を提供する。代替的に又は追加的に、プレノプティックオトスコープはスペクトル画像モードで動作可能である。スペクトル画像モードでは、センサアレイによりキャプチャされたプレノプティック画像が処理され、耳の内部の二以上の異なるスペクトル画像を提供する。視差マップまたは深度マップを決定することもできる。プレノプティックオトスコープは深度イメージングモードとスペクトルイメージングモードとの間で切り替え可能であってもよく、両方で動作してもよい。
【００２６】
他の態様は、プレノプティックオトスコープによりキャプチャされ医療診断を支援するデータの使用に関する。例えば、プレノプティックデータを処理して、耳内部の強調画像（ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｉｍａｇｅｒｙ）を生成することができる。強調画像に基づくデータを用いて、人が医療診断をするのを支援することができる。この診断データは強調画像自体であってもよく、強調画像のさらなる処理を含んでいてもよい。
【００２７】
鼓膜の強調画像はよい例である。プレノプティックオトスコープは、鼓膜に関する深度情報及びスペクトル情報を同時にキャプチャできる。鼓膜の深度マップは、その形状に関する情報、すなわちそれが膨れているか又はへこんでいるか、及び推定曲率を生成できる。スペクトル情報は琥珀色又は黄色の画像を含み得る。これは、鼓膜の状態を診断するのに特に有用である。
【００２８】
例えば表１は、急性中耳炎（ＡＯＭ）、滲出性中耳炎（ＯＭＥ）、及び無滲出中耳炎の状態を区別する幾つかの特徴を列挙している。表１から分かるように、耳の３つの状態は異なり、色、位置（例えば、３Ｄ形状）、及び透過性のうち一以上に基づき互いに区別できる。耳の状態の正しい診断を行うために、耳の内部（例えば、外耳道内の鼓膜）の色、３Ｄ形状、及び透過性に関する正しい情報をキャプチャするオトスコープ画像が望ましい。これらは、すべてプレノプティックオトスコープにより同時にキャプチャできる。
【表１】
0006332406.tif 000002
【００２９】
プレノプティックデータは同じ画像の複数のビューも含む。これにより、ユーザは、画像中の異なる深度にリフォーカスして、同じ画像を異なる視点から見ることができる。例えば、閉塞物の効果はマルチビューを、マルチビューを利用することにより低減してもよい。これはリフォーカシングにより実現できる。あるいは、ライトフィールド（複数のビュー）を複数の深度レイヤに分割することにより実現することもできる。
【００３０】
図３は、患者の鼓膜３５０をイメージングするプレノプティックオトスコープ３００の利用を示す図である。この例では、オトスコープ３００はハンドヘルドであり、本体とハンドルとを含む。本体は光学系３１２とプレノプティックセンサ３３０とを収納する。ハンドルはオトスコープ３００の照明３６０を含む。図２を参照して、光学系３１２はオトスコープ対物系２１０とリレー光学系２２０とを含む。使い捨て反射鏡３０５がオトスコープの先端に取り付け可能である。この例では、プレノプティックセンサ３３０の出力は、別のコンピュータシステム３８０に送信され、これがキャプチャされたプレノプティック画像を処理し、所望の結果を表示する。
【００３１】
ライトフィールドオトスコープの光学設計の一般的目標は、レンズの口径、レンズ数、センササイズ、及び収差を最小化しつつ、視野（ＦＯＶ）、被写界深度（ＤＯＦ）、深度の精度、画像解像度、及びスペクトル解像度を最大化することを含む。これらの目標の多くは競合する。例えば、ＤＯＦを大きくすると深度の精度が低下し、画像解像度を大きくするとセンサが大型化し、又は深度の精度が低下し、レンズ口径及びレンズ数を小さくすると一般的には収差が悪化する。これらのトレードオフを前提として、以下にライトフィールドオトスコープの設計の選択肢を説明する。
【００３２】
人体構造上の制約
ライトフィールドオトスコープは鼓膜（ＴＭ）をイメージングする。鼓膜の直径は７−１０ｍｍである。実際、臨床医はＴＭの周りのエリアを見て、画像取得をガイドし、一般的には直径が１０−２０ｍｍのより大きいＦＯＶを得るべきである。耳鏡の前からＴＭまでの一般的な機械的作動距離は１５−２５ｍｍである。耳鏡の先端は一般的に、子供のイメージングには大きくても直径３ｍｍ、大人のイメージングには大きくても５ｍｍであり、両方の場合において、耳鏡は円錐形で、近づくにつれ約８°以下の角度で直径が大きくなる。これらの人体構造的制約のため、ＦＯＶ、機械的作動距離、第１レンズ直径、及びその後のレンズの間隔／直径が影響を受ける。
【００３３】
オブジェクト空間ＮＡ
深度の精度は、オブジェクト空間開口数（ＮＡ）、倍率、マイクロレンズサイズ、画素サイズ、及び後処理アルゴリズムの性能に応じている。ライトフィールドカメラでは、主レンズのオブジェクト空間ＮＡにより、再構成されるマルチビュー画像間の視差の程度が決まる。視差が大きければ、マルチビュー画像における画素格差（ｐｉｘｅｌ  ｄｉｓｐａｒｉｔｙ）が大きくなり、それにより深度マップがより正確になる。薄いレンズのオブジェクト空間ＮＡは次式で与えられる：
【数１】
0006332406.tif 000003
ここで、空気中では屈折率ｎ＝１、Ｄはレンズの口径、ｆはレンズの焦点距離である。中耳をイメージングするため、第１レンズ面の最大直径は好ましくは耳鏡直径（例えば、３ｍｍ）より小さく、照射光学系用の空間がなければならない。オブジェクト空間ＮＡは第１レンズ面に絞りを配置することにより最大化し得る。絞り直径は第１レンズ直径と同等であり得る。これによりオブジェクト空間ＮＡは最大になるが、軸はずれ口径食が生じる。オブジェクト空間ＮＡを大きくすると、ＤＯＦが小さくなり、ＴＭの焦点画像の取得が困難になり得る。実際、オブジェクト空間は好ましくは深度の精度とユーザフレンドリーＤＯＦとのバランスを取るように選択されるべきである。
【００３４】
倍率、マイクロレンズピッチ、画素ピッチ
主レンズの倍率により、センササイズ及び画像空間ＮＡが決まる。倍率が大きいと、より大きなセンサ、より大きな近接レンズ、及び一般的にはより長い光学トレインが必要となり、より大型のデバイスとなってしまう。しかし、倍率が大きいと、画像空間ＮＡもより小さくなる。ライトフィールドカメラでは、主レンズの画像空間ＮＡは好ましくはマイクロレンズＮＡにマッチしなければならない。また、マイクロレンズＮＡは、回折限界のスポットサイズを決定する。これは好ましくはセンサの２画素直径にほぼ等しくなければならない。最後に、マイクロレンズの総数により各マルチビュー画像における空間サンプル数が決まり、各マイクロレンズの背後の画素数によりマルチビュー画像数が決まる。それゆえ、倍率、マイクロレンズピッチ、及び画素ピッチは、空間解像度、深度の精度、及び全体的なシステムサイズに対して最適化されなければならない。
【００３５】
収差：フィールド曲率及び歪み
レンズ系の収差は、一般的には付加的レンズ要素、非球面、及び／又は特殊光学材料を用いて修正される。対照的に、ライトフィールドカメラは計算イメージングを用いて画像を再構成するので、横歪曲や像面湾曲などの収差をデジタル的に補正できる。光学収差の許容範囲を狭くすることにより、最終的なレンズアセンブリを単純化でき、よりコンパクトな全体的設計が可能となる。
【００３６】
合成開口
ライトフィールドカメラでは、画像は主レンズ開口の異なる位置又は直径から再構成し得る。例えば、全開口から画像を再構成でき、それによりＤＯＦが最小となる。又は非拡大画素に対応する開口部分から画像を再構成でき、それによりＤＯＦが最大となる。ライトフィールドオトスコープでは、各マルチビュー画像は１つの縮小された画素からの画像に対応する。主レンズを設計するとき、完全開口ではなく各（小開口）マルチビュー画像の収差を分析することができる。特に、各マルチビュー画像のけられ（ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ）は完全開口とは異なる性能を有する。最適な設計は、好ましくは、複数の開口サイズと位置とを考慮するものである。
【００３７】
光学設計例１
【００３８】
図４Ａ乃至図４Ｄは、ライトフィールドオトスコープの設計例を示す。図４Ａは光学トレインの全体を示す。この設計は、対物レンズグループ４１０と２つのリレーレンズグループ４２０Ａ、４２０Ｂの３つのレンズグループを含む。図４Ｂは対物レンズグループ４１０の光線トレースである。対物レンズグループ４１０は、対物レンズグループに向かう瞳面Ｐ１を含み、口径食を低減しつつ、オブジェクト空間ＮＡとＦＯＶが最大化されるようになっている。この例では、瞳面Ｐ１は対物レンズグループ４１０のフロントレンズの前面に近い。画像は、対物レンズの後方、画像面Ｉ１に形成される。画像空間の主光線はテレセントリックに近く、離れた射出瞳を形成し、後続のリレーレンズグループ４２０Ａにより再イメージングされる。１５−２５ｍｍの作動距離は、外耳道の人体構造的制約により決まる。名目作動距離における１０−２０ｍｍのＦＯＶは、ＴＭとその周囲の外耳道とをイメージングするように選択される。レンズグループの全体的サイズは、外耳道の直径により制約される。一実施形態では、対物レンズグループは、焦点距離が９ｍｍ、９ｍｍ、及び１０ｍｍの３つの複レンズ要素４１２、４１５、及び４１６を有する。３つの複レンズは直径が２ｍｍ、３ｍｍ、及び４ｍｍと大きくなる。オブジェクト空間ＮＡは０．０６であり、近軸倍率は−０．３である。遠位端はレンズ要素の保護のため、サファイヤウィンドウ４１１も含む。対物レンズグループ全体は、耳鏡の遠位端内に含まれる。
【００３９】
第１のリレーレンズグループ４２０Ａを用いて、瞳を再イメージング及び拡大する。（取り外し可能開口を有する）開口絞り４２５が、再イメージングされる瞳面Ｐ２に配置される。第２のリレーレンズグループ４２０Ｂは、画像面Ｉ１の共役であるＩ２において、マイクロレンズアレイにオブジェクトの画像を形成する。リレーレンズグループ４２０Ｂは、開口絞りロケーションＰ２から１焦点距離のところに、及び画像面Ｉ２から１焦点距離のところに配置され、光線が画像空間テレセントリックである。
【００４０】
リレーレンズの焦点距離は、システムにおける所望の倍率により決定される。ライトフィールドカメラでは、オブジェクト画像の所望のサイズは画像センサにマッチし、瞳画像の所望のサイズはマイクロレンズにマッチする。一アプローチでは、主レンズのｆナンバ（または画像空間ＮＡ）は、マイクロレンズのｆナンバーにマッチすべきである。
【００４１】
瞳面共役Ｐ２にある開口絞り４２５のサイズＤＰ２は次式で与えられる：
【数２】
0006332406.tif 000004
ここで、ＤＰ１は対物レンズグループにおける瞳直径であり、ＦＲｅｌａｙ＿Ｌｅｎｓ１は第１のリレーレンズグループ４２０Ａの焦点距離である。外耳道の人体構造的制約があり、ＤＰ１は直径２ｍｍ以下であるべきである。（瞳面共役Ｐ３にある）画像センサ４８０上のマイクロレンズ４１４により形成される瞳画像のサイズＤＰ３は、次式により与えられる：
【数３】
0006332406.tif 000005
ここで、ＦＭｉｃｒｏｌｅｎｓはマイクロレンズ４１４の焦点距離であり、ＦＲｅｌａｙ＿Ｌｅｎｓ２は第２のリレーレンズグループ４２０Ｂの焦点距離である。
【００４２】
画像面共役Ｉ２にあるマイクロレンズアレイ４１４にリレーされる画像のサイズＤＩ２は、次式により与えられる：
【数４】
0006332406.tif 000006
ここで、ＦＯＶは対物レンズグループ４１０のＦＯＶであり、Ｍは対物レンズグループの倍率である。
【００４３】
ライトフィールドオトスコープの一実施形態では、５０ミクロンピッチのマイクロレンズアレイを有する、３．６９ミクロン画素を含む１インチフォーマットの画像センサが用いられる。それゆえ、第１のリレーレンズ４２０Ａではｆ＝１２ｍｍを選択し、第２のリレーレンズ４２０Ｂではｆ＝３５ｍｍを選択し、マイクロレンズアレイ４１４では（ｆナンバー＝７．２５に対応する）ｆ＝０．３７ｍｍを選択した。以下、表２にレンズの処方箋を示す。２つのリレーレンズグループ４２０Ａ、４２０Ｂは近軸レンズとしてモデル化した。
【表２】
0006332406.tif 000007
【００４４】
この設計の１次レンズパラメータは次の通りである：
・  視野（直径）            １０ｍｍ
・  オブジェクト側のＮＡ    ０．０６０２
・  画像側のＮＡ            ０．０６８４（マイクロレンズのＮＡにマッチする）
・  作動距離                １６ｍｍ
・  近軸倍率                ０．８８
【００４５】
図４Ｃ乃至図４Ｄは、このライトフィールドオトスコープの光学機械設計を示す断面図である。図４Ｃは、オブジェクティブ４１０からプレノプティックセンサ４３０までの本体全体を示す。図４Ｄは対物レンズグループ４１０を主に示す拡大図である。対物レンズグループ４１０は、各レンズ要素をマウントする空洞を有するコーン形状の内側ハウジング４７２の先端内に含まれている。照明ファイバ４７４は、内側ハウジング４７２の表面の周りにエポキシ樹脂で接着されている。第２のコーン空間外側ハウジング４７６は、保護のため、照明ファイバ４７４に上に配置されている。取り外し可能検鏡４０５は外側ハウジング４７６の上に配置し得る。
【００４６】
第１のリレーレンズグループ４２０Ａは、内側ハウジング４７２内にも配置されている。内側ハウジングはレンズチューブをマウントする。これは取り外し可能開口４２５と、第２のリレーレンズグループ４２０Ｂとを含む。フィルタモジュールを取り外し可能開口４２５に配置できる。レンズチューブが、集積マイクロレンズアレイを有するカメラ本体にマウントされる。レンズチューブは保護ハウジング内部に含まれ、ハンドルにも接続されている。ハンドルは、照明ファイバ、バッテリー、及び電子回路に結合された照明源４６０を含む。
【００４７】
光学設計例２
【００４８】
図５Ａ乃至図５Ｂは、ライトフィールドオトスコープの対物レンズグループの他の設計を示す。設計の残りは、図４Ａ乃至図４Ｄに示したのと同じ原理に基づく。図５Ａは対物レンズグループ５１０を通る光線トレースである。この設計は２つのレンズグループよりなる。これらは物理的開口により分離されている。第１のネガティブレンズグループ５１２はメニスカスレンズであり、これは入射光線を瞳Ｐ１にコリメートする。対物レンズグループ５１０は、対物レンズグループに向かう瞳面Ｐ１を含み、口径食を低減しつつ、オブジェクト空間ＮＡとＦＯＶが最大化されるようになっている。この例では、瞳面Ｐ１は対物レンズグループ５１０のフロントレンズの背面に近い。第２のポジティブレンズグループ５１６は２つのアクロマートの複レンズよりなる。これは光線を曲げて、中間面Ｉ１に画像を形成する。図４の設計のように、得られる中間画像は２つのリレーレンズグループによりプレノプティックセンサにリレーされる。これは図５には示していない。光学トレイン全体の光学的処方（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）を表３に示す。２つのリレーレンズグループは近軸光学系としてモデル化されている。この設計はサファイヤウィンドウ５１１も含む。
【表３】
0006332406.tif 000008
【００４９】
この設計の１次レンズパラメータは次の通りである：
・  視野（直径）            １０ｍｍ
・  オブジェクト側のＮＡ    ０．０５６６
・  画像側のＮＡ            ０．０６８４（マイクロレンズのＮＡにマッチする）
・  作動距離                １４ｍｍ
・  近軸倍率                ０．８３
【００５０】
図５Ｂは、（マイクロレンズアレイを除く）この設計のスポットダイヤグラムを示す。
【００５１】
図５Ｃは、この設計の、異なるオブジェクト距離の場合の口径食を示すグラフである。各曲線は、瞳のエッジ（ｙ＝２．４ｍｍ）におけるピンホール開口（半径０．１ｍｍ）を通る、口径食のない（ｕｎｖｉｇｎｅｔｔｅｄ）光線の一部をプロットしている。各曲線は異なるオブジェクトロケーションに対応する。最も左の曲線５９３（最も口径食が大きい）は、通常のフォーカス位置よりもプレノプティックオトスコープに６ｍｍ近いオブジェクトに対応する。左から右へ、曲線５９４は通常のフォーカス位置より３ｍｍ近いオブジェクトに対応し、曲線５９５は通常のフォーカス位置にあるオブジェクトに対応し、曲線５９６は通常のフォーカス位置より３ｍｍ遠いオブジェクトに対応している。通常のフォーカス位置より６ｍｍ遠いオブジェクトの場合、フィールドにわたって口径食は示されていない。この設計は口径食特性がよい。
【００５２】
詳細な説明には具体的事項が多数含まれているが、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の異なる実施例と態様を例示することのみを目的としたものと解釈しなければならない。言うまでもなく、本発明の範囲はここで詳細に説明していない他の実施形態も含む。その他の様々な修正、変更、変形が、当該技術分野の当業者には明らかである。添付した請求項に記載した本発明の精神と範囲から逸脱することなく、ここに開示した本発明の方法と装置の構成、動作、詳細に対して、こうした様々な修正、変更、変形をすることが可能である。例えば、表１に示した具体的なレンズ処方は単なる例である。その例であっても、レンズ表面パラメータ及び厚みをさらに最適化して、歪みや口径食などの収差を減らすことができる。それゆえ、本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等物により決定されるべきである。
【図１Ａ】
0006332406.tif 000011
【図１Ｂ】
0006332406.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0006332406.tif 000016
【図４Ｃ】
0006332406.tif 000017
【図４Ｄ】
0006332406.tif 000018
【図５Ａ】
0006332406.tif 000019
【図５Ｂ】
0006332406.tif 000020
【図５Ｃ】
0006332406.tif 000021