(57)【要約】【課題】光の波長に基づいて異なる直径を有する開口を通じて光を伝達する開口絞りを備えた光学システムを提供する。【解決手段】撮像システムは、異なる範囲の波長を有する光を異なる直径の開口を通して伝達する波長依存開口絞りを含む。すなわち、異なる色の光は、異なる色の光に対する電力伝送及び画質要件に基づいて選択することができる異なるＦストップを有することになる。例えば、より小さなＦストップをより弱い光源と共に使用して、特定の波長範囲に対してより高い収量を生成することができる。従って、光学システムの設計及び最適化は、波長及びＦストップに依存する。【選択図】図１
2007052441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に沿った複数の波長を有する光を生成する光源と、
撮像される物体に当たる前記光源によって生成された前記光の経路内の前記光軸に沿って位置決めされ、第１の範囲の波長が伝達される際に通る第１の直径の第１の開口と、第２の範囲の波長が伝達される際に通る、該第１の直径よりも大きい第２の直径の第２の開口とを有する波長依存開口絞りと、
前記物体の画像を生成する前記光源によって生成された前記光の前記経路内の前記光軸に沿って位置決めされた少なくとも１つの結像レンズと、
を含み、
前記波長依存開口絞りは、前記撮像される物体と前記少なくとも１つの結像レンズによって生成された前記画像との間に位置決めされている、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の開口は、透過フィルタによって形成され、前記第２の開口は、不透明要素によって形成され、
前記透過フィルタ及び第１の開口は、前記第２の開口の内側にあり、該透過フィルタは、前記第２の範囲の波長の光を伝達し、該第２の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の範囲の波長は、第１の範囲の波長の部分集合であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記透過フィルタは、前記光軸に平行な方向から見た時に、前記第１の開口と前記不透明要素の前記第２の開口とによって形成されたリング形状を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記波長依存開口絞りは、透明要素を更に含み、
前記透過フィルタ及び前記不透明要素は、前記透明要素上に装着されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記透過フィルタは、前記不透明要素上に該透過フィルタの少なくとも一部分と該不透明要素が重なるように装着されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記波長依存開口絞りは、異なる範囲の波長が伝達される際に通る異なる直径を各々有する複数の開口を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記波長依存開口絞りは、前記波長に依存する徐々に減少する開口直径をもたらす少なくとも１つの変動透過フィルタを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記波長依存開口絞りは、第３の範囲の波長が伝達される際に通る第３の直径の第３の開口を有し、
前記第３の直径は、前記第２の直径よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の開口は、第１の透過フィルタによって形成され、前記第２の開口は、第２の透過フィルタによって形成され、前記第３の開口は、不透明要素によって形成されており、
前記第１の透過フィルタ及び前記第２の透過フィルタは、前記第３の開口の内側にあり、該第１の透過フィルタは、前記第２の開口の内側にあり、前記第１の開口は、前記第２の範囲の波長の光を伝達して該第２の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断し、該第２の透過フィルタは、前記第３の範囲の波長の光を伝達して該第３の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断する、
ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第３の範囲の波長は、前記第２の範囲の波長の部分集合であり、該第２の範囲の波長は、前記第１の範囲の波長の部分集合であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の透過フィルタは、前記第１の開口と前記第２の透過フィルタ内の前記第２の開口とによって形成されたリング形状を有し、該第２の透過フィルタは、該第２の開口と前記不透明要素内の前記第３の開口とによって形成されたリング形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源は、１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記波長依存開口絞りと撮像される物体との間に位置決めされた少なくとも１つのレンズ要素を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
光軸に沿って多色光を生成する段階と、
開口絞り内の第１の開口を通して前記多色光からの第１の範囲の波長を伝達し、かつ該開口絞り内にあって該第１の開口と同心である第２の開口を通して該多色光からの第２の範囲の波長を伝達する段階と、
を含み、
前記第１の開口は、第１の直径を有し、前記第２の開口は、該第１の直径よりも大きい第２の直径を有し、
前記開口絞り内の前記第１の開口と前記第２の開口とを通過する前記光を像平面上に投射する段階、
を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記第２の範囲の波長は、前記第１の範囲の波長の部分集合であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記開口絞り内にあって前記第１の開口と同心であり、かつ前記第２の直径よりも大きい第３の直径を有する第３の開口を通して、前記多色光からの第３の範囲の波長を伝達する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第３の範囲の波長は、前記第２の範囲の波長の部分集合であり、該第２の範囲の波長は、前記第１の範囲の波長の部分集合であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
多色光を生成する段階は、１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードから光を放出する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記多色光が前記開口絞りを通過する前に該多色光を光学的に処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
光軸に沿って多色光を生成する光源と、
撮像される物体に当たる前記光源によって生成された前記多色光の経路内の前記光軸に沿って位置決めされ、異なる範囲の波長が伝達される際に通る異なる直径の開口を有する開口絞りと、
前記物体の画像を投射するために前記光軸に沿って位置決めされた少なくとも１つの光学レンズと、
を含み、
前記少なくとも１つの光学レンズは、撮像装置に対する焦点距離を定め、
前記開口絞り内の前記異なる直径の開口と前記焦点距離は、第１の範囲の波長に対する第１のＦストップと、該第１のＦストップよりも小さい第２の範囲の波長に対する第２のＦストップとを定める、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２２】
前記開口絞りは、第１の開口を有する透過フィルタと第２の開口を有する不透明要素とを含み、該透過フィルタは、該第２の開口の内側にあり、該第１の開口及び第２の開口は、同心であり、
前記透過フィルタは、前記第２の範囲の波長を有する光を伝達し、該第２の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
【請求項２３】
前記第２の範囲の波長は、前記第１の範囲の波長の部分集合であることを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
【請求項２４】
前記開口絞り内の前記異なる直径の開口と前記焦点距離は、前記第２のＦストップよりも小さい第３の範囲の波長に対する第３のＦストップを更に定めることを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
【請求項２５】
前記開口絞りは、第１の開口を有する第１の透過フィルタと、第２の開口を有する第２の透過フィルタと、第３の開口を有する不透明要素とを含み、該第１の透過フィルタ及び第２の透過フィルタは、該第３の開口の内側にあり、該第１の透過フィルタは、該第２の開口の内側にあり、該第１の開口、第２の開口、及び第３の開口は、同心であり、
前記第１の透過フィルタは、前記第２の範囲の波長を有する光を伝達して該第２の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断し、前記第２の透過フィルタは、前記第３の範囲の波長を有する光を伝達して該第３の範囲の波長の外側の波長を有する光を遮断する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の撮像装置。
【請求項２６】
第３の範囲の波長は、第２の範囲の波長の部分集合であり、
前記第２の範囲の波長は、前記第１の範囲の波長の部分集合である、
ことを特徴とする請求項２５に記載の撮像装置。
【請求項２７】
前記光源は、１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードであることを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
【請求項２８】
前記開口絞りは、前記波長に依存する徐々に減少する開口直径をもたらす少なくとも１つの変動透過フィルタを含み、
前記徐々に減少する開口直径と前記焦点距離は、波長に依存する複数のＦストップを定める、
ことを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像光学器械、特に、光の波長に基づいて異なる直径を有する開口を通じて光を伝達する開口絞りを備えた光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
投射システムなどに対する撮像システムの設計においては、収差を補正して画質を改善し、同時にシステムの光収量を最大化して輝度を増大させることが必要である。従来、色同軸光学システムにおいては、すなわち、全ての波長の光が共通の光学システムに沿って伝達される場合には、撮像光学器械は、全ての波長に対して共通の光学要素に基づいて設計かつ最適化される。換言すると、従来の光学システムは、同じレンズ及び開口絞りを通る光の全ての波長を用いて設計される。
【０００３】
光の波長が異なれば、それらの波長に基づいて光学システムを通る光路長が異なるために、光学システムの設計及び最適化において問題が生じる。従って、光学システムの伝達関数は、どの特定の波長に対しても異なり、システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）も同じく波長依存にする可能性があると考えられる。光学システムにおいて一色に対してＭＴＦを最適化すると、一般的に、結果的に他の色に対してＭＴＦが劣化し、これは、１つのフィールドポイントを最適化すると、一般的に、結果的に他のフィールドポイントに対してＭＴＦが劣化するのと同じである。従って、撮像システムの設計及び最適化においては、異なる波長、並びに異なるフィールドポイント間で妥協が一般的に必要である。
【０００４】
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような独立した色光源が使用される場合には、光学システムの設計が更に複雑化される。光学システムの収量は、いかなる口径食もない、すなわち、光学システムの光線が光学トレーンに沿って遮断されない開口絞りの範囲によって定められる。一部の色光源は、他よりも明るい場合があるので、かつシステムの収量は、従来的に全ての波長に対して等しいように設計されるので、弱い方の光源は、光学システムの出力で比較的弱いままである。従って、複数の光源を用いる撮像システムにおける光学設計は、一般的に、全ての波長に対して適度な収量を提供することになる光学要素及び伝達開口の選択に限定されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、改善された開口絞りを備えた光学システムに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
撮像システムは、本発明の実施形態によれば、異なる直径の開口を通じて異なる波長を有する光を伝達する波長依存開口絞りを含む。従って、異なる色の光は、例えば異なる波長に対する電力伝送要件に基づいて選択することができる異なるＦストップを有することになる。例えば、より小さなＦストップをより弱い光源と共に使用して特定の波長範囲に対してより高い収量を生成することができ、一方、より大きなＦストップは、それとは異なる波長範囲と共に使用される。
【０００７】
一実施形態によれば、装置は、撮像される物体に当たり軸に沿う複数の波長を有する光を生成する光源と、光に経路内の光軸に沿って位置決めされた波長依存開口絞りとを含む。波長依存開口絞りは、第１の範囲の波長が伝達される際に通る第１の直径の第１の開口と、第２の範囲の波長が伝達される際に通る第２の直径の第２の開口とを有する。第２の直径は、第１の直径よりも大きい。装置は、画像を生成するために光源によって生成された光の経路内の光軸に沿って位置決めされた少なくとも１つの結像レンズを更に含み、波長依存開口絞りは、物体と結像レンズによって生成された画像との間に位置決めされる。第２の範囲の波長は、第１の範囲の波長の部分集合とすることができる。一部の実施形態では、波長依存開口絞りは、第３の範囲の波長が伝達される際に通る第３の直径の第３の開口のような付加的な開口を有することができ、第３の直径は、第２の直径よりも大きい。
【０００８】
別の実施形態では、方法は、光軸に沿って多色光を生成する段階と、多色光から第１の範囲の波長を開口絞りの第１の開口を通じて伝達する段階と、多色光から第２の範囲の波長を開口絞り内にある第２の開口を通じて伝達する段階とを含む。第１及び第２の開口は同心である。開口は、第１の直径を有し、第２の開口は、第１の直径よりも大きい第２の直径を有する。本方法は、開口絞り内の第１の開口及び第２の開口を通じて伝達された光を像平面上に投射する段階を更に含む。１つの態様では、本方法は、開口絞り内にあり、かつ第１の開口と同心である第３の開口を通じて多色光から第３の範囲の波長を伝達する段階を更に含み、第３の開口は、第２の直径よりも大きい第３の直径を有する。
【０００９】
別の実施形態は、光軸に沿って多色光を生成する光源と、光軸に沿って位置決めされた開口絞り及び少なくとも１つの光学レンズとを含む撮像装置である。開口絞りは、異なる範囲の波長が伝達される際に通る異なる直径の開口を有し、上述の少なくとも１つの光学レンズは、第１の範囲の波長に対する第１のＦストップと第２の範囲の波長に対する第２のＦストップが存在するように撮像装置の焦点距離を定める。第２のＦストップは、第１のＦストップよりも小さい。第３の範囲の波長に対する第３のＦストップのような付加的なＦストップを使用することもでき、第３のＦストップは、第２のＦストップよりも小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態による波長依存開口絞り１１０を含む、投射システムのような光学システム１００を示している。光学システム１００は、光軸１０３に沿って多色光を生成する光源１０２を含む。光源１０２は、図１に示すように、適切な光学器械（図示せず）と組み合わされた、例えば赤色光、緑色光、及び青色光を放出するいくつかの発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。代替的に、例えば蛍光体変換を通じて白色光を放出する単一のＬＥＤを用いてもよい。必要に応じて、他の光源を本発明と併用することもできる。図１に示すように、光源１０２からの光は、超小型表示装置のような物体１０１を通して伝達され（又は、それから反射され）、投射システムの光学器械は、レンズ１０４、開口１１０及びレンズ１０６、及び画面又は表示面１０８上の物体１０１の画像１０１imageから成る。開口１１０は、投射光学器械１０４及び１０６から成る光学システムの開口絞りに位置決めされる。
【００１１】
図１の光学システム１００は、波長依存開口絞り１１０を併用することができる光学システムの一例であることを理解すべきである。波長依存開口絞り１１０を除き、図１に示すもののような光学システムの一般的な作動は、当業技術で容易に理解されている。本明細書に照らして当業者が理解するように、必要に応じて波長依存開口絞り１１０を他の光学システムと併用することもできる。
波長依存開口絞り１１０を使用すると、光が通過して伝達される開口の直径を波長の関数として変化させることができる。従って、レンズシステムによって定められる焦点距離と異なる波長に対して異なる直径の開口とを使用すると、光の波長が異なれば光学システム１００のＦストップは異なることになる。一例として、高めの収量が所望される光の波長に対しては、例えば、波長が弱い光源によって生成される場合、又は追加の輝度がその波長に対して所望される場合には、小さめのＦストップを使用することができる。その結果、大きい開口数の光線が光学システムを通過し、システムのエテンデューを増大させる。当業技術で公知のように、エテンデューは、光学システムを通過する光の光学的範囲（画像面積と開口数の積に比例）であり、エテンデュー限定光学システムの場合、ｆ数（開口絞り数に反比例）は、制限エテンデュー、又は光学システムによって処理することができる光の量を示し、より大きなエテンデューは、一般的に、より明るい光学システムに対応する。
【００１２】
従って、本発明の実施形態によれば、光の異なる波長に対するＦストップ、すなわち収量、又は光学システムのエテンデューは、例えば異なる電力伝送要件に基づいて、異なる波長に対して最適化することができる。更に、各波長に対する開口数に基づいて、新しい色依存誤差関数を用いると、画質及び収差に関して光学システムを最適化することができる。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、平面図と横断面（図２Ａの線Ａ−Ａに沿う）で本発明の実施形態による波長依存開口絞り１１０を示している。開口絞り１１０は、２つのリング状透過フィルタ１１４及び１１６と不透明膜１１８とで覆われた透明板１１２を含み、フィルタ１１４及び１１６は、例えば、適切に板１１２上に堆積された薄膜コーティングである。透過フィルタ１１４の内径は、全ての波長の光が通過することができる円形開口１１５を定める。透過フィルタ１１６の内径は、円形開口１１７を定め、不透明膜１１８の内径は、円形開口１１９を定める。円形開口１１５、１１７、及び１１９は、同心であるように構成される。作動時には、開口１１５（図２Ａ及び図２Ｂ）は、全ての望ましい波長の光を通過させ、一方、リング状透過フィルタ１１４及び１１６は、特定の波長範囲のみを通過させ、不透明部材１１８は、どの光も通過させない。
【００１３】
必要に応じて他の波長依存開口構成を用いることもできることを理解すべきである。一例として、他の実施形態は、フィルタが特定の波長範囲の光に対するより狭帯域のフィルタである複数の波長依存開口を有することができる。別の実施形態では、開口の境界は、異なる波長伝達関数間の急激な境界ではなく、例えば変動透過フィルタを使用して、波長にわたってより緩やかなフィルタ透過率の変動を呈することができるであろう。例えば、図３Ａに示すように、開口絞り２００は、光の波長に依存する徐々に小さくなる開口直径をもたらす変動透過フィルタ２０２と、光を通さない不透明部材２０４とを含むことができる。
【００１４】
更に、代替構成を用いて波長依存開口絞りを製造することができる。例えば、図３Ｂは、重複する透過フィルタ２１４及び２１６及び不透明部材２１８で形成され、それによって透明板１０２を不要にし、２つ又はそれよりも多くの重複する色フィルタの積である伝達関数を有する少なくとも１つの絞り開口部をもたらす、開口絞り２１０を横断面図で示している。透過フィルタ２１４及び２１６及び不透明部材は、部分的又は完全に重なることができる。一実施形態では、透過フィルタ２１４及び２１６及び不透明部材２１８は、それぞれ、同心の円形開口２１５、２１７、及び２１９を有する。このような構成を用いて、透過フィルタ２１４及び２１６は、図２Ａに示す平面図をもたらすリング形状を有することになる。波長依存開口絞りを製造する他の可能な構成は、本発明の開示に照らせば当業者には明らかであろう。
【００１５】
図４は、透過フィルタ１１４が青色光を遮断して緑色光及び赤色光の両方を伝達し、一方、透過フィルタ１１６が赤色光及び青色光を遮断して緑色光のみを通し、かつ不透明要素１１８が赤色光、緑色光、及び青色光を遮断する波長依存開口絞り１１０の作動を図式的に示している。従って、緑色光は、開口１１５及び透過フィルタ１１４及び１１６を通過することになり、従って、不透明フィルム１１８内の開口１１９の直径によって定められたＦストップを有する。赤色光は、開口１１５のみ及び透過フィルタ１１４のみを通過することになり、従って、透過フィルタ１１６内の開口１１７の直径によって定められたＦストップを有する。青色光は、開口１１５のみを通過することになり、従って、開口１１５の直径によって定められたＦストップを有する。このような実施形態では、緑色光では、赤色光又は青色光よりもＦストップが小さく、従って収量が大きくなり、一方、赤色光では、Ｆストップは青色光よりも小さい。
【００１６】
開口絞り１１０の特定の設計は、光学システムの要件、例えば、光源の電力伝送要件及び／又は所要の色の最終画質に依存する場合がある。従って、透過フィルタ１１４及び１１６は、あらゆる望ましい波長範囲を伝達することができる。更に、必要に応じて、波長依存開口絞りと共により少ないか又は付加的な透過フィルタ数を使用することができる。例えば、単一の透過フィルタ、例えば透過フィルタ１１４のみを不透明要素と併用することができる。このような構成においては、単一の透過フィルタは、１つの波長範囲、例えば、緑色光、又は緑色及び赤色光を伝達することができ、一方、残りの波長の光は、フィルタなしの開口、すなわち開口１５を通してのみ伝達される。別の実施形態では、波長範囲が小さくなると、付加的な透過フィルタを使用することができ、例えば、付加的な透過フィルタを使用して、青、シアンブルー、緑、琥珀、及び赤色のような異なる色に対して異なる大きさの開口を提供することができる。
教示を目的として特定的な実施形態に関連して本発明を示したが、本発明は、それらに限定されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく様々な適応及び修正を行うことができる。従って、特許請求の範囲及び精神は、以上の説明に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】波長依存開口絞りを有する光学システムを示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による波長依存開口絞りの平面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による波長依存開口絞りの横断面図である。
【図３Ａ】波長依存開口絞りの他の実施形態の横断面図である。
【図３Ｂ】波長依存開口絞りの他の実施形態の横断面図である。
【図４】波長依存開口絞りの作動を図式的に示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１００  光学システム
１０１  物体
１０２  光源
１０８  表示面
１１０  波長依存開口絞り
【図１】
2007052441.tif 000003
【図２Ａ】
2007052441.tif 000004
【図２Ｂ】
2007052441.tif 000005
【図３Ａ】
2007052441.tif 000006
【図３Ｂ】
2007052441.tif 000007
【図４】
2007052441.tif 000008
【外国語明細書】
2007052441.tif 000009
2007052441.tif 000010
2007052441.tif 000011
2007052441.tif 000012
2007052441.tif 000013
2007052441.tif 000014
2007052441.tif 000015
2007052441.tif 000016
2007052441.tif 000017
2007052441.tif 000018
2007052441.tif 000019
2007052441.tif 000020
2007052441.tif 000021
2007052441.tif 000022