DE112012002652T5

DE112012002652T5 - Abbildungsgerät

Info

Publication number: DE112012002652T5
Application number: DE201211002652
Authority: DE
Inventors: Tsuguhiro Korenaga; Norihiro Imamura
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-03-20
Also published as: JPWO2013001709A1; CN102959939A; JP5144841B1; WO2013001709A1; US20130141634A1

Abstract

Ein Abbildungsgerät (A) enthält: ein Linsenoptiksystem (L) einschließlich eines ersten Bereichs (D1) und eines zweiten Bereichs (D2) mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften; ein Abbildungselement (N) einschließlich von ersten Bildpunkten (P1) und zweiten Bildpunkten (P2); ein angeordnetes optisches Element, das zwischen dem Linsenoptiksystem (L) und dem Abbildungselement (N) vorgesehen ist und gestattet, dass das durch den ersten Bereich (D1) hindurchgehende Licht in die ersten Bildpunkte (P1) eintritt und dass das durch den zweiten Bereich (D2) hindurchgehende Licht in die zweiten Bildpunkte (P2) eintritt; eine Signalverarbeitungseinheit (C), die konfiguriert ist, um Objektinformationen unter Verwendung von Bildpunktwerten, die von den ersten Bildpunkten (P1) und von den zweiten Bildpunkten (P2) erhalten werden, zu erzeugen; und ein diffraktives optisches Element, das zwischen dem angeordneten optischen Element und dem Linsenoptiksystem (L) vorgesehen ist und ein Beugungsgitter enthält, das symmetrisch um eine optische Achse (V) des Linsenoptiksystems (L) ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungsgerät wie etwa eine Kamera.
[Hintergrund der Erfindung]
Es besteht ein wachsender Bedarf für Abbildungsgeräte, die nicht nur eine Funktion zum Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern, sondern auch andere Funktionen erfüllen können. Zum Beispiel besteht ein wachsender Bedarf für Kameras, die auch andere Funktionen wie etwa das Messen einer Distanz zu einem Objekt, das Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern wie etwa ein Bild bei einer sichtbaren Wellenlänge und ein Bild bei einer Infrarotwellenlänge, das Abbilden eines nahen Objekts und eines fernen Objekts mit großer Schärfe (das Vergrößern der Tiefenschärfe) oder das Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich erfüllen können.
Ein beispielhaftes Verfahren für die oben genannte Funktion zum Messen der Distanz zu einem Objekt ist ein Verfahren, in dem Parallaxeninformationen verwendet werden, die aus unter Verwendung von mehr als einem Abbildungsoptiksystem aufgenommenen Bildern erfasst werden.
Das Depth-From-Defocus(DFD)-Verfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Messen der Distanz von einem einzelnen Abbildungsoptiksystem zu einem Objekt. Das DFD-Verfahren ist eine Technik zum Berechnen der Distanz auf der Basis einer Analyse eines Unschärfegrads in aufgenommenen Bildern. In diesem Verfahren wird die Distanz unter Verwendung von mehr als einem Bild geschätzt, weil es bei nur einem einzigen Bild unmöglich ist, zu bestimmen, ob die Unschärfe ein Muster des Objekts ist oder durch die Objektdistanz verursacht wird (siehe die Patentliteratur (PTL) 1 und die nicht-Patentliteratur (NPL) 1).
Weiterhin wird als Verfahren zum Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern eine Technik angegeben, die Bilder aufnimmt, indem sie zum Beispiel sequentiell weißes Licht und ein vorbestimmtes Schmalbandlicht einschaltet.
Weiterhin gibt die PTL 3 als ein Verfahren zum Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich ein Verfahren an, in dem ein Logarithmische-Wandlung-Abbildungsgerät ungleichmäßige Empfindlichkeiten von Bildpunkten korrigiert, indem es Daten, die durch eine gleichförmige Beleuchtung erhalten wurden und in einem Speicher gespeichert sind, von für jeden Bildpunkt erhaltenen Daten subtrahiert. Die PTL 4 gibt ein Verfahren an, in dem ein optischer Pfad unter Verwendung eines Prismas separiert wird und eine Abbildung durchgeführt wird, während die Aufnahmebedingung (die Belichtungsstärke) unter Verwendung von zwei Abbildungselementen variiert wird. In dem Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit verschiedenen Belichtungszeiten mittels einer Zeitteilung und zum Kombinieren der aufgenommenen Bilder werden Bilder eines Objekts mittels einer Zeitteilung aufgenommen, sodass sich das Problem von Bilddiskontinuitäten ergibt, da bei einem sich bewegenden Objekt die Bilder aufgrund der Zeitdifferenz nicht kontinuierlich sind. Die PTL 5 gibt eine Technik zum Korrigieren von in einem derartigen Verfahren auftretenden Bilddiskontinuitäten an.
[Referenzliste]
[Patentliteratur]

PTL 1: Japanisches Patent Nr. 3110095
PTL 2: Japanisches Patent Nr. 4253550
PTL 3: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 05-30350
PTL 4: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2009-31682
PTL 5: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-101347

[Nicht-Patentliteratur]
NPL 1: Xue Tu, Youn-sik Kang and Murali Subbarao Two- and Three-Dimensional Methods for Inspection and Metrology V. Herausgegeben von Huan, Pelsen S. Proceedings of the SPIE, Band 6762, Seiten 676203 (2007).
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Abbildungsgerät anzugeben, das nicht nur eine Funktion zum Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern, sondern auch wenigstens eine andere Funktion wie etwa einer der oben beschriebenen Funktionen (z. B. das Messen einer Objektdistanz, das Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern, das Vergrößern der Tiefenschärfe und das Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich) erfüllen kann.
Ein Abbildungsgerät gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Linsenoptiksystem einschließlich wenigstens eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften; ein Abbildungselement einschließlich von wenigstens ersten Bildpunkten und zweiten Bildpunkten, in die das durch das Linsenoptiksystem hindurchgehende Licht eintritt; ein angeordnetes optisches Element, das zwischen dem Linsenoptiksystem und dem Abbildungselement vorgesehen ist und gestattet, dass das durch den ersten Bereich hindurchgehende Licht in die ersten Bildpunkte eintritt und dass das durch den zweiten Bereich hindurchgehende Licht in die zweiten Bildpunkte eintritt; eine Signalverarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um Objektinformationen unter Verwendung von ersten Bildpunktwerten, die von den ersten Bildpunkten erhalten werden, und von zweiten Bildpunktwerten, die von den zweiten Bildpunkten erhalten werden, zu erzeugen; und ein diffraktives optisches Element, das zwischen dem angeordneten optischen Element und dem Linsenoptiksystem vorgesehen ist und ein Beugungsgitter enthält, das symmetrisch um eine optische Achse des Linsenoptiksystems ist.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur die Funktion zum Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern, sondern auch wenigstens eine andere Funktion (z. B. das Messen einer Objektdistanz, das Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern, das Vergrößern der Tiefenschärfe und das Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich) erfüllt werden. Die vorliegende Erfindung erfordert weder ein spezielles Abbildungselement noch eine Vielzahl von Abbildungselementen.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Abbildungsgeräts gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Vorderansicht eines ersten optischen Elements gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, von der Objektseite gesehen.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm eines dritten optischen Elements gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm zum Beschreiben einer Positionsbeziehung zwischen einem dritten optischen Element und Bildpunkten auf einem Abbildungselement gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Diagramm, das sphärische Abweichungen von durch einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich hindurchgehenden Lichtflüssen gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Kurvendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Objektdistanz und der Schärfe gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Diagramm, das an einer von der optischen Achse um eine Distanz H entfernten Position gesammelte Lichtstrahlen gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm, das einen Pfad eines Hauptstrahls gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Diagramm, das Analysen von Pfaden von Lichtflüssen einschließlich eines mit einem Einfallswinkel θ in eine Lentikularlinse einfallenden Hauptstrahls gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein bildseitiges telezentrisches Optiksystem zeigt.
11 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einem dritten optischen Element und einem Abbildungselement gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Diagramm, das Analysen von Pfaden von Lichtflüssen einschließlich eines mit einem Einfallswinkel θ in eine Lentikularlinse einfallenden Hauptstrahls gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine Vorderansicht eines ersten optischen Elements gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, von der Objektseite aus gesehen.
14 ist ein Konfigurationsdiagramm eines dritten optischen Elements gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einem dritten optischen Element und Bildpunkten auf einem Abbildungselement gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist ein Kurvendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Objektdistanz und der Schärfe gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist ein Diagramm, das ein drittes optisches Element gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist ein Diagramm, das die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz der ersten Ordnung eines Blaze-Beugungsgitters gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
19 ist ein vergrößertes Querschnittdiagramm eines dritten optischen Elements und eines Abbildungselements gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
20 ist ein vergrößertes Querschnittdiagramm eines dritten optischen Elements und eines Abbildungselements gemäß einer Variation der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
21 ist ein Querschnittdiagramm eines dritten optischen Elements gemäß einer Variation der vorliegenden Erfindung.
[Beschreibung verschiedener Ausführungsformen]
Wenn eine Distanz zu einem Objekt unter Verwendung der oben beschriebenen herkömmlichen Techniken erhalten wird, hat die Verwendung von mehr als einem Abbildungsoptiksystem eine Vergrößerung der Größe und der Kosten des Abbildungsgeräts zur Folge. Außerdem ist die Herstellung schwierig, weil die Eigenschaften der Abbildungsoptiksysteme gleichförmig vorgesehen werden müssen und die optischen Achsen der zwei Abbildungsoptiksysteme parallel und mit einer hohen Präzision ausgerichtet sein müssen. Außerdem ist eine große Anzahl von Mannstunden für eine Kalibrierung für das Bestimmen von Kameraparametern erforderlich.
Das in der PTL 1 und der NPL 1 angegebene DFD-Verfahren gestattet eine Berechnung der Distanz zu einem Objekt unter Verwendung eines einzelnen Abbildungsoptiksystems. Für das Verfahren der PTL 1 und der NPL 1 müssen jedoch eine Vielzahl von Bildern durch eine Zeitteilung aufgenommen werden, während die Distanz zu dem Objekt, bei welcher das Objekt im Fokus ist (Fokusdistanz), variiert wird. Die Anwendung einer derartigen Technik auf Bewegtbilder verursacht Bilddiskontinuitäten aufgrund von Differenzen in der Aufnahmezeit, was das Problem einer geringeren Präzision in der Distanzmessung mit sich bringt.
Die PTL 1 gibt ein Abbildungsgerät an, das einen optischen Pfad unter Verwendung eines Prismas separiert und ein Bild unter Verwendung von zwei Abbildungsebenen mit jeweils verschiedenen Auflagemaßen aufnimmt, sodass die Distanz zu einem Objekt in einer einzelnen Abbildungsoperation gemessen werden kann. Eine derartige Technik erfordert jedoch zwei Bildebenen, was das Problem einer größeren Größe des Abbildungsgeräts und eine wesentliche Kostenerhöhung mit sich bringt.
Wenn Bilder in verschiedenen Wellenlängenbändern unter Verwendung der in der PTL 2 angegebenen Technik aufgenommen werden sollen, werden eine weiße Lichtquelle und eine vorbestimmte Schmalbandlichtquelle sequentiell eingeschaltet, um Bilder mittels einer Zeitteilung aufzunehmen. Unter Verwendung dieser Technik verursacht das Aufnehmen von Bildern eines sich bewegenden Objekts Farbinkonsistenzen aufgrund der Zeitdifferenzen.
Wenn ein Bild mit einem breiten Dynamikbereich aufgenommen werden soll, erfordert ein Verfahren zum Durchführen einer logarithmischen Wandlung auf empfangenen Signalen einen Schaltkreis zum Durchführen der logarithmischen Wandlung auf einem Bildsignal auf einer Bildpunkt-für-Bildpunkt-Basis, was einer Reduktion der Bildpunktgröße entgegenwirkt. Weiterhin erfordert die in der PTL 1 offenbarte Technik eine Einrichtung zum Aufzeichnen von Korrekturdaten für das Korrigieren von ungleichmäßigen Empfindlichkeiten der Bildpunkte, wodurch die Kosten erhöht werden.
Außerdem erfordert die Technik der PTL 2 zwei Abbildungselemente, was eine Vergrößerung der Größe des Abbildungsgeräts und eine beträchtliche Erhöhung der Kosten mit sich bringt.
Die PTL 3 gibt eine Technik zum Korrigieren von Bilddiskontinuitäten an, wobei es jedoch theoretisch schwierig ist, die durch Zeitdifferenzen für verschiedene sich bewegende Objekte verursachten Bilddiskontinuitäten vollständig zu korrigieren.
Die vorliegende Erfindung kann in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungsoptiksystems nicht nur eine Funktion zum Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern, sondern auch wenigstens eine andere Funktion (z. B. das Messen einer Objektdistanz, das Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern, das Vergrößern der Tiefenschärfe und das Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich) erfüllen. Die vorliegende Erfindung erfordert weder ein spezielles Abbildungselement noch eine Vielzahl von Abbildungselementen.
Im Folgenden wird ein Abbildungsgerät gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Es ist zu beachten, dass die folgenden Ausführungsformen ein spezifisches Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Zahlenwerte, Formen, Materialien, Strukturelemente, die Anordnung und die Verbindung der Strukturelemente, die Schritte, die Verarbeitungsreihenfolge der Schritte usw. der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft aufzufassen und schränken die Erfindung nicht ein. Weiterhin werden die nicht in den unabhängigen Ansprüchen genannten und deshalb nicht zu dem ganz allgemeinen Konzept der Erfindung gehörigen Strukturelemente in den folgenden Ausführungsformen als beliebig zu wählende Strukturelemente beschrieben.
(Ausführungsform 1)
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Abbildungsgeräts A gemäß einer Ausführungsform 1 zeigt. Das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein Linsenoptiksystem L, ein drittes optisches Element K, das in der Nähe eines Brennpunkts des Linsenoptiksystems L vorgesehen ist, ein Abbildungselement N und eine Signalverarbeitungseinheit C.
Das Linsenoptiksystem L enthält einen ersten Bereich D1 und einen zweiten Bereich D2, in die jeweils ein Lichtfluss B1 oder B2 von einem Objekt (nicht gezeigt) eintritt und die verschiedene optische Eigenschaften aufweisen. Die optischen Eigenschaften sind zum Beispiel Fokuseigenschaften, das Wellenlängenband des übertragenen Lichts, der Lichtdurchlassgrad oder eine Kombination aus denselben.
Wenn verschiedene Fokuseigenschaften vorhanden sind, ist eine Differenz in wenigstens einer der zu dem Sammeln von Licht in dem Optiksystem beitragenden Eigenschaften gegeben, wobei insbesondere eine Differenz in zum Beispiel der Brennweite, der Distanz zu einem Objekt, bei der das Objekt im Fokus ist, und in dem Distanzbereich, in dem die Schärfe einen vorbestimmten Wert oder mehr aufweist, gegeben. Das Einstellen des Krümmungsradius, der sphärischen Abweichungseigenschaften und/oder des Brechungsindex gestattet, dass der erste Bereich D1 und der zweite Bereich D2 verschiedene Fokuseigenschaften aufweisen.
Das Linsenoptiksystem L umfasst ein erstes optisches Element L1, eine Membrane S mit einer Öffnung in einem Bereich, der eine optische Achse V des Linsenoptiksystems L enthält, und ein zweites optisches Element L2.
Das erste optische Element L1 ist in der Nähe der Membrane S vorgesehen und enthält den ersten Bereich D1 und den zweiten Bereich D2, die jeweils verschiedene optische Eigenschaften aufweisen.
In 1 geht der Lichtfluss B1 durch den ersten Bereich D1 des ersten optischen Elements L1 hindurch, während der Lichtfluss B2 durch den zweiten Bereich D2 des ersten optischen Elements L1 hindurchgeht. Die Lichtflüsse B1 und B2 gehen durch das erste optische Element L1, die Membrane S, das zweite optische Element L2 und das dritte optische Element K in dieser Reihenfolge hindurch und erreichen eine Bildebene Ni des Abbildungselements N.
2 ist eine Vorderansicht des ersten optischen Elements L1, von der Objektseite gesehen. Der erste Bereich D1 und der zweite Bereich D2 werden erhalten, indem eine Ebene vertikal zu der optischen Achse V in zwei obere und untere Bereiche geteilt wird, wobei die optische Achse V die Mitte der Grenze bildet.
Das zweite optische Element L2 ist eine Linse, in die das durch das erste optische Element L2 durchgelassene Licht eintritt. In 1 umfasst das zweite optische Element L2 eine Linse, wobei sie aber auch eine Vielzahl von Linsen umfassen kann. Weiterhin kann das zweite optische Element L2 einstückig mit dem ersten optischen Element L1 ausgebildet sein. Dadurch wird die Ausrichtung des ersten optischen Elements L1 und des zweiten optischen Elements L2 während der Herstellung vereinfacht.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm des dritten optischen Elements K. Insbesondere ist der Teil (a) von 3 ein Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K. Der Teil (b) von 3 ist eine teilweise vergrößerte, perspektivische Ansicht des dritten optischen Elements K von der Seite eines Blaze-Beugungsgitters M2 aus gesehen. Der Teil (c) von 3 ist eine teilweise vergrößerte, perspektivische Ansicht des dritten optischen Elements K von der Seite einer Lentikularlinse M1 aus gesehen. Es ist zu beachten, dass die Form und die genaue Abstandströße der Lentikularlinse M1 und des Blaze-Beugungsgitters M2 nicht beschrieben werden, weil diese in Übereinstimmung mit der Funktion oder dem Verwendungszweck des Abbildungsgeräts N bestimmt werden können.
Auf einer Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Abbildungselements N ist eine Lentikularlinse M1 ausgebildet, die längliche optische Elemente (konvexe Linsen) umfasst, die einen auf der Seite des Abbildungselements N vorstehenden bogenförmigen Querschnitt aufweisen und in der vertikalen Richtung (Spaltenrichtung) angeordnet sind. Die Lentikularlinse M1 entspricht einem angeordneten optischen Element.
Weiterhin ist auf einer Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Linsenoptiksystems L (d. h. auf der Seite des Objekts) ein Blaze-Beugungsgitter M2 ausgebildet, das symmetrisch um die optische Achse V ist. Das heißt, dass das dritte optische Element K ein optisches Element ist, in dem ein diffraktives optisches Element mit einem Beugungsgitter, das symmetrisch um die optische Achse V ist, und das angeordnete optische Element integriert sind. Mit anderen Worten sind in dieser Ausführungsform das diffraktive optische Element und das angeordnete optische Element einstückig ausgebildet. Die einstückige Ausbildung des angeordneten optischen Elements und das beugenden optischen Elements macht die Ausrichtung des angeordneten optischen Elements und des beugenden optischen Elements während der Herstellung einfacher. Es ist jedoch zu beachten, dass das angeordnete optische Element und das diffraktive optische Element nicht einstückig ausgebildet sein müssen und auch als separate optische Elemente vorgesehen sein können.
4 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen dem dritten optischen Element K und Bildpunkten an dem Abbildungselement N erläutert. Insbesondere ist der Teil (a) von 4 eine vergrößerte Ansicht des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N. Weiterhin ist der Teil (b) von 4 ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen dem dritten optischen Element K und den Bildpunkten an dem Abbildungselement N zeigt.
Das dritte optische Element K ist in der Nähe eines Brennpunkts des Linsenoptiksystems L an einer mit einer vorbestimmten Distanz von der Bildebene Ni entfernten Position vorgesehen. Weiterhin sind Bildpunkte in Reihen und Spalten auf der Bildebene Ni des Abbildungselements N angeordnet. Jeder dieser auf diese Weise angeordneten Bildpunkte kann als ein erster Bildpunkt P1 oder ein zweiter Bildpunkt P2 klassifiziert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten Bildpunkte P1 in einer Reihe in der horizontalen Richtung (Reihenrichtung) angeordnet und sind die zweiten Bildpunkte P2 in einer Reihe in der horizontalen Richtung angeordnet. In der vertikalen Richtung (Spaltenrichtung) sind die ersten Bildpunkte P1 und die zweiten Bildpunkte P2 alternierend angeordnet. Weiterhin ist eine Mikrolinse Ms über den ersten Bildpunkten P1 und den zweiten Bildpunkten P2 vorgesehen.
Weiterhin weist jede der optischen Komponenten in der Lentikularlinse M1 eine eins-zu-eins-Entsprechung mit einem Paar aus einer Reihe der ersten Bildpunkte P1 und einer Reihe der zweiten Bildpunkte P2 auf der Bildebene Ni auf.
Bei einem derartigen Aufbau erreicht ein großer Teil des durch den ersten Bereich D1 an dem ersten optischen Element L1 von 2 hindurchgehenden Lichtflusses B1 (durchgezogene Linien in 1) die ersten Bildpunkte P1 auf der Bildebene Ni, während ein großer Teil des durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehenden Lichtflusses B2 (Strichlinien in 1) die zweiten Bildpunkte P2 auf der Bildebene Ni erreicht.
Insbesondere gestattet das dritte optische Element K, dass der durch den ersten Bereich D1 hindurchgehende Lichtfluss B1 in die ersten Bildpunkte P1 eintritt und dass der durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehende Lichtfluss B2 in die zweiten Bildpunkte P2 eintritt, wenn Parameter wie etwa die folgenden entsprechend gesetzt sind: der Brechungsindex des dritten optischen Elements K, die Distanz von der Bildebene Ni zu dem dritten optischen Element K, der Beugungsabstand des Blaze-Beugungsgitters M2 und der Krümmungsradius der Oberfläche der Lentikularlinse M1.
Bei einem typischen Abbildungsoptiksystem wird der Winkel eines Lichtstrahls an einem Brennpunkt auf der Basis der Position bestimmt, bei welcher der Lichtstrahl durch die Membrane hindurchgegangen ist. Indem also wie oben beschrieben das erste optische Element P1 einschließlich des ersten Bereichs D1 und des zweiten Bereichs D2 in der Nähe der Membrane vorgesehen wird und indem das dritte optische Element K in der Nähe des Brennpunkts vorgesehen wird, können der Lichtfluss B1 und der Lichtfluss B2, die durch die entsprechenden Bereiche hindurchgehen, jeweils separat zu den ersten Bildpunkten P1 und den zweiten Bildpunkten P2 geführt werden.
Dabei erzeugt die in 1 gezeigte Signalverarbeitungseinheit C Objektinformationen unter Verwendung von ersten Bildpunktwerten, die von den ersten Bildpunkten P1 erhalten werden, und von zweiten Bildpunktwerten, die von den zweiten Bildpunkten P2 erhalten werden. In dieser Ausführungsform erzeugt die Signalverarbeitungseinheit C als Objektinformationen ein erstes Bild I1 mit den ersten Bildpunktwerten und ein zweites Bild I2 mit den zweiten Bildpunktwerten.
Das erste Bild I1 und das zweite Bild I2 sind Bilder, die jeweils aus dem Lichtfluss B1 und dem Lichtfluss B2 erhalten werden, die jeweils durch den ersten Bereich D1 und den zweiten Bereich D2 mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften hindurchgehen. Wenn zum Beispiel der erste Bereich D1 und der zweite Bereich D2 derartige optische Eigenschaften aufweisen, dass die Fokuseigenschaften der hindurchgehenden Lichtstrahlen verschieden sind, geben die Leuchtinformationen des ersten Bilds I1 und die Leuchtinformationen des zweiten Bilds I2 jeweils verschiedene Eigenschaften in Abhängigkeit von einer Änderung des Objektabstands an. Unter Verwendung dieser Differenz kann eine Distanz zu einem Objekt bestimmt werden. Das heißt, die Distanz zu einem Objekt kann in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungssystems erhalten werden. Entsprechende Details werden weiter unten beschrieben.
Weiterhin kann die Tiefenschärfe vergrößert werden, indem ein Ausgabebild unter Verwendung des schärferen ersten Bilds I1 oder zweiten Bilds I2 erzeugt wird, die jeweils unter Verwendung des ersten Bereichs D1 und des zweiten Bereichs D2 mit jeweils verschiedenen Fokuseigenschaften erhalten werden.
Und wenn der erste Bereich D1 und der zweite Bereich D2 verschiedene Wellenlängenbänder des hindurchgehenden Lichts aufweisen, werden das erste Bild I1 und das zweite Bild I2 aus Licht in verschiedenen Wellenlängenbändern erhalten. Zum Beispiel wird angenommen, dass der erste Bereich D1 ein optisches Filter ist, dessen Eigenschaften sichtbares Licht durchlassen und nahes Infrarotlicht im Wesentlichen blockieren. Weiterhin wird angenommen, dass der zweite Bereich D2 ein optisches Filter ist, dessen Eigenschaften sichtbares Licht im Wesentlichen blockieren und nahes Infrarotlicht durchlassen. Dies ermöglicht eine Implementierung eines Tagsicht/Nachtsicht-Abbildungsgeräts und eines Abbildungsgeräts für eine biometrische Authentifizierung. Das heißt, dass ein beliebiges multispektrales Bild in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungssystems aufgenommen werden kann.
Wenn weiterhin der erste Bereich D1 und der zweite Bereich D2 verschiedene Durchlässigkeiten aufweisen, sind die Belichtungsgröße der ersten Bildpunkte P1 und die Belichtungsgröße der zweiten Bildpunkte P2 verschieden. Es soll hier zum Beispiel ein Fall angenommen werden, in dem die Durchlässigkeit des zweiten Bereichs D2 größer als die Durchlässigkeit des ersten Bereichs D1 ist. Auch wenn eine die Erfassungsfähigkeiten übersteigende Lichtmenge zu den ersten Bildpunkten P1 zugeführt wird (d. h. wenn die Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 gesättigt sind), kann eine genaue Objekthelligkeit unter Verwendung von Werten berechnet werden, die von den zweiten Bildpunkten P2 erfasst werden. Wenn dagegen eine größte durch die ersten Bildpunkte P1 erfassbare Lichtmenge zu den ersten Bildpunkten P1 zugeführt wird (d. h. wenn die Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 nicht gesättigt sind), können von den ersten Bildpunkten P1 erfasste Werte verwendet werden. Das heißt, dass ein Bild mit einem breiten Dynamikbereich in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungssystems aufgenommen werden kann.
Auf diese Weise erzeugt das Abbildungsgerät A verschiedene Bilder, indem es gestattet, dass das durch den ersten Bereich D1 und den zweiten Bereich D2 mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften hindurchgehende Licht in verschiedene Bildpunkte eintritt. Die Differenz der optischen Eigenschaften zwischen dem ersten Bereich D1 und dem zweiten Bereich D2 hat eine Differenz in den Objektinformationen zwischen den erzeugten Bildern zur Folge. Indem die Differenz in den Objektinformationen verwendet wird, können Funktionen wie etwa das Messen einer Objektdistanz, das Aufnehmen von Bildern in verschiedenen Wellenlängenbändern, das Vergrößern der Tiefenschärfe und das Aufnehmen eines Bilds mit einem breiten Dynamikbereich erfüllt werden. Das heißt, dass das Abbildungsgerät A nicht nur eine Funktion zum Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern, sondern auch andere Funktionen in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungssystems erfüllen kann.
Es ist zu beachten, dass die verschiedenen optischen Eigenschaften des ersten Bereichs D1 und des zweiten Bereichs D2 nicht auf diejenigen des oben beschriebenen Beispiels beschränkt sind.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektdistanz aus den Objektinformationen im Detail als ein Beispiel für die Verwendung von Objektinformationen beschrieben.
Die Oberfläche des ersten optischen Elements L1 auf der Objektseite umfasst den ersten Bereich D1, der eine flache Fläche ist, und den zweiten Bereich D2, der eine optische Fläche mit einer Punktspreizfunktion ist, die annähernd konstant entlang der Richtung der optischen Achse in einem vorbestimmten Bereich in der Nähe des Brennpunkts des Linsenoptiksystems L ist. Weiterhin ist die Blendenzahl der zweiten Linse L2 gleich 2,8.
5 ist ein Diagramm, das sphärische Abweichungen der durch den ersten Bereich D1 und den zweiten Bereich D2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hindurchgehenden Lichtflüsse zeigt. Dabei ist der erste Bereich D1 derart ausgebildet, dass er die sphärische Abweichung des durch den ersten Bereich D1 hindurchgehenden Lichtflusses reduziert. Weiterhin ist der zweite Bereich D2 absichtlich derart ausgebildet, dass er die sphärische Abweichung des durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehenden Lichtflusses verstärkt.
Durch das Anpassen der Eigenschaften der durch den zweiten Bereich D2 verursachten sphärischen Abweichung wird eine annähernd konstante Punktspreizfunktion des Bilds, das durch den durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehenden Lichtfluss erzeugt wird, in dem vorbestimmten Bereich in der Nähe des Brennpunkts des Linsenoptiksystems L ermöglicht. Das heißt, dass die Punktspreizfunktion des Bilds auch dann annähernd konstant vorgesehen werden kann, wenn sich die Objektdistanz ändert.
Weil die Bildschärfe größer wird, wenn die Größe des Punktbilds in der Punktspreizfunktion kleiner wird, ist die Beziehung zwischen der Objektdistanz und der Schärfe wie in 6 gezeigt.
6 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Objektdistanz und der Schärfe gemäß dieser Ausführungsform zeigt. In dem Kurvendiagramm von 6 zeigt das Profil G1 die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des Bilds, das unter Verwendung der Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 erzeugt wird, während das Profil G2 die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des Bilds zeigt, das unter Verwendung der Bildpunktwerte der zweiten Bildpunkte P2 erzeugt wird. Die Schärfe kann unter Verwendung einer Differenz zwischen den Leuchtwerten von benachbarten Bildpunkten in einem Bildblock einer vorbestimmten Größe bestimmt werden. Weiterhin kann die Schärfe auch auf der Basis eines Frequenzspektrums bestimmt werden, das durch eine Fourier-Transformation auf der Leuchtverteilung eines Bildblocks einer vorbestimmten Größe erhalten wird.
Ein Bereich Z ist ein Bereich, in dem die Schärfe gemäß dem Profil G1 in Antwort auf eine Änderung in der Objektdistanz variiert, und außerdem ein Bereich, in dem die Schärfe gemäß dem Profil G2 auch dann kaum variiert, wenn sich die Objektdistanz ändert. Die Objektdistanz kann also unter Verwendung einer derartigen Beziehung in dem Bereich Z bestimmt werden.
Zum Beispiel ist in dem Bereich Z das Verhältnis zwischen der Schärfe gemäß dem Profil G1 und der Schärfe gemäß dem Profil G2 mit der Objektdistanz korreliert. Deshalb ermöglicht die Verwendung einer derartigen Korrelation eine Bestimmung der Objektdistanz auf der Basis des Verhältnisses zwischen der Schärfe des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 erzeugten Bilds und der Schärfe des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der zweiten Bildpunkte P2 erzeugten Bilds.
Es ist zu beachten, dass eine derartige Bestimmung der Objektdistanz ein Beispiel für die Verwendung der Objektinformationen ist, wobei ein Bild wie etwa ein Bild mit einem breiten Dynamikbereich oder ein Bild mit einer großen Tiefenschärfe unter Verwendung der Objektinformationen erzeugt werden kann. Weiterhin kann die Signalverarbeitungseinheit C unter Verwendung der Objektinformationen die Objektdistanz bestimmen oder ein Bild wie etwa ein Bild mit einem breiten Dynamikbereich oder ein Bild mit einer großen Tiefenschärfe erzeugen.
Im Folgenden wird ein vorteilhafter Effekt des Blaze-Beugungsgitters M2 beschrieben, das auf dem dritten optischen Element K auf der Seite des Linsenoptiksystems L (d. h. auf der Objektseite) wie in 3 gezeigt ausgebildet ist.
7 ist ein Diagramm, das an einer von der optischen Achse V um eine Distanz H entfernten Position gesammelte Lichtstrahlen gemäß dieser Ausführungsform zeigt. In 7 ist φ ein Winkel (ein Einfallswinkel in Bezug auf die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite) zwischen einem Hauptstrahl CR (einem durch die Mitte der Membrane S hindurchgehenden Lichtstrahl) und der optischen Achse V. Wenn die Distanz H als ein Parameter variiert wird, gibt es einen Hauptstrahl CR und einen Einfallswinkel φ für jede Distanz H. Wenn die Distanz H gleich 0 ist, ist der Einfallswinkel φ gleich 0. In einem typischen abbildenden Linsenoptiksystem wird der Einfallswinkel φ mit der Distanz H größer.
8 ist ein Diagramm, das einen Pfad des Hauptstrahls CR an einer um die Distanz H von der optischen Achse V entfernten Position zeigt. Insbesondere zeigt der Teil (a) von 8 einen Pfad des Hauptstrahls CR in einem vergleichbaren optischen Element, in dem das Blaze-Beugungsgitter M2 nicht ausgebildet ist. Der Teil (b) von 8 zeigt einen Pfad des Hauptstrahls CR in dem dritten optischen Element K, in dem das Blaze-Beugungsgitter M2 gemäß dieser Ausführungsform ausgebildet ist.
In dem Teil (a) von 8 wird der Hauptstrahl CR an der Einfallsebene des vergleichbaren optischen Elements, das einen Brechungsindex n aufweist, mit einem Winkel θa gebrochen, der nsinθa = sinφ erfüllt, bevor er die Lentikularlinse M1 erreicht.
Im Gegensatz dazu wird in dem Teil (b) von 8 der Hauptstrahl CR durch einen Winkel θb gebeugt, bevor er die Lentikularlinse M1 erreicht. Der Winkel θb ergibt sich aus der folgenden Gleichung. sinφ – nsinθb = mλ/P (Gleichung 1)
Dabei gibt λ die Wellenlänge wieder, gibt m die Beugungsordnung wieder und gibt P den Abstand des Blaze-Beugungsgitters an.
Bei dem Blaze-Beugungsgitter M2 kann die Bedingung, unter welcher die Beugungseffizienz theoretisch 100% in Bezug auf einen mit einem Einfallswinkel von 0° eintretenden Lichtstrahl ist, durch die folgende Gleichung unter Verwendung der Tiefe d der Beugungsrillen ausgedrückt werden. d = mλ/(n – 1) (Gleichung 2)
In der Gleichung 2 ist d gleich 0,95 μm, wenn λ = 500 nm, m = 1 und n = 1,526.
Das Blaze-Beugungsgitter M2 beugt die einfallenden Lichtstrahlen, um die Wellenfront zu ändern. Wenn zum Beispiel die Bedingung der Gleichung 2 zutrifft, gestattet das Blaze-Beugungsgitter M2, dass das gesamte einfallende Licht das m-te gebeugte Licht ist, um die Lichtrichtung zu ändern.
Das Blaze-Beugungsgitter M2 ist ein Phasengitter, das eine Beugung gemäß einer durch seine Form bestimmten Phasenverteilung erzielt. Das heißt, dass das Blaze-Beugungsgitter M2 eine Rille für jede Phasendifferenz 2π in Entsprechung zu einer Wellenlänge auf der Basis der Phasenverteilung zum Brechen von Lichtstrahlen zu einer gewünschten Richtung aufweist. Eine Fresnel-Linse ist ein Beispiel für ein optisches Element, das eine ähnliche Form wie das Blaze-Beugungsgitter M2 aufweist. Eine Fresnel-Linse ist eine planare Linse, die durch das Teilen einer Linse in Übereinstimmung mit der Distanz von der optischen Achse und das Verschieben der Linsenoberfläche in der Richtung der Linsendicke hergestellt wird. Die Fresnel-Linse unterscheidet sich von dem Blaze-Beugungsgitter M2 (Phasengitter). Die Fresnel-Linse nutzt eine Lichtbrechung, sodass also ihr Rillenabstand mehrere hundert Mikrometer bis mehrere Millimeter groß ist. Weiterhin erzielt die Fresnel-Linse keine große Brechung von Lichtstrahlen, die durch eine Beugung einer hohen Ordnung mit m gleich 2 oder größer erhalten werden können.
In dieser Ausführungsform werden die einfallenden Lichtstrahlen zu der optischen Achse gebrochen, wenn das Blaze-Beugungsgitter M2 zu der optischen Achse hin ausgebildete Beugungsrillen und gekrümmte Flächen zwischen den Beugungsrillen zu dem Außenumfang wie in dem Teil (a) von 3 gezeigt aufweist. Das heißt, dass in diesem Fall das Blaze-Beugungsgitter M2 eine positive Licht sammelnde Kraft aufweist. Dies entspricht einem positiven Wert von m in der Gleichung 1.
In dieser Ausführungsform gilt θa > θb, weil das Blaze-Beugungsgitter M2 mit einem positiven Wert von m auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite ausgebildet ist. Das bedeutet, dass bei dem dritten optischen Element K die Richtung der in die Lentikularlinse M1 eintretenden Lichtstrahlen näher an der Richtung der optischen Achse V sein kann als bei einem vergleichbaren optischen Element, in dem kein Blaze-Beugungsgitter M2 ausgebildet ist. Wie in der vorliegenden Ausführungsform gestattet das Blaze-Beugungsgitter M2, das das Licht die Lentikularlinse M1 mit einem Winkel erreicht, bei dem das Licht paralleler zu der optischen Achse ist.
9 ist ein Diagramm, das Analysen von Pfaden von Lichtflüssen einschließlich des mit einem Einfallswinkel θ in die Lentikularlinse eintretenden Hauptstrahls CR zeigt. 9 zeigt nur die repräsentativen Lichtstrahlen einschließlich des Hauptstrahls CR.
Der Teil (a) von 9 zeigt eine Analyse der Pfade der Lichtstrahlen, die durch den ersten Bereich D1 des ersten optischen Elements L1 hindurchgehen. Der Teil (b) von 9 zeigt eine Analyse der Pfade der Lichtstrahlen, die durch den zweiten Bereich D2 des ersten optischen Elements L1 hindurchgehen. Die Teile (a) und (b) von 9 zeigen Analysen, wenn θ gleich 0°, 4°, 8°, 10° oder 12° ist.
Wenn wie in dem Teil (a) von 9 gezeigt θ = 0°, erreichen die durch den ersten Bereich D1 hindurchgehenden Lichtstrahlen nur die ersten Bildpunkte P1 und nicht die zweiten Bildpunkte P2. Und wenn wie in dem Teil (b) von 9 gezeigt θ = 0°, erreichen die durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehenden Lichtstrahlen nur die zweiten Bildpunkte P2 und nicht die ersten Bildpunkte P1. Wenn also θ = 0°, werden die Lichtstrahlen korrekt durch die Lentikularlinse M1 getrennt und tritt kein Übersprechen auf.
Wenn dagegen θ ≥ 4°, erreichen die durch den ersten Bereich D1 hindurchgehenden Lichtstrahlen sowohl die zweiten Bildpunkte P2 als auch die ersten Bildpunkte P1 und erreichen die durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehenden Lichtstrahlen sowohl die ersten Bildpunkte P1 als auch die zweiten Bildpunkte P2. Wenn also θ ≥ 4°, werden die Lichtstrahlen nicht korrekt durch die Lentikularlinse M1 separiert und tritt ein Übersprechen auf. Ein Übersprechen verschlechtert die Qualität des unter Verwendung der Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 erzeugten Bilds und des unter Verwendung der Bildpunktwerte der zweiten Bildpunkte P2 erzeugten Bilds. Dies hat eine Verschlechterung der Genauigkeit von verschiedenen unter Verwendung von derartigen Bildern erzeugten Informationen (wie z. B. Stereoinformationen) zur Folge.
Wenn wie in dem vergleichbaren optischen Element von Teil (a) in 8 kein Blaze-Beugungsgitter M2 ausgebildet ist, kann θa < 4° nicht erfüllt werden, wenn nicht φ < 6° gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz erfüllt wird. Um φ < 6° unabhängig von der Distanz H von der optischen Achse V zu erfüllen, muss das Linsenoptiksystem L ein bildseitiges telezentrisches Optiksystem oder ein ähnliches Optiksystem wie in 10 gezeigt sein.
Das bildseitige telezentrische Optiksystem ist ein Optiksystem, in dem der Hauptstrahl CR (ein beliebiger Hauptstrahl) annähernd parallel zu der optischen Achse V unabhängig von der Distanz H wie in 10 gezeigt ist. Es handelt sich also um ein Optiksystem, in dem der Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Hauptstrahls CR annähernd gleich null ist. Das Linsenoptiksystem L wird zu dem bildseitigen, telezentrischen Optiksystem, wenn die Membrane S an einer von dem grundsätzlichen Punkt des Linsenoptiksystems L um eine Brennweite f entfernten Position auf der Objektseite vorgesehen ist. Die Implementierung des bildseitigen telezentrischen Optiksystems bringt eine derartige Beschränkung für die Position der Membrane S mit sich, wodurch die Entwurfsfreiheit des Abbildungsgeräts reduziert wird. Insbesondere erfordert die Implementierung eines telezentrischen Optiksystems eine Vergrößerung des Linsenoptiksystems oder eine größere Anzahl von Linsen. Eine weitere Vergrößerung des Linsenoptiksystems oder eine größere Anzahl von Linsen sind insbesondere dann erforderlich, wenn der Sichtwinkel des Linsenoptiksystems vergrößert werden soll.
In dieser Ausführungsform erlaubt der durch das Blaze-Beugungsgitter M2, das auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite wie in dem Teil (b) von 8 gezeigt ausgebildet ist, eine Reduktion des Einfallswinkels der Lichtstrahlen zu der Lentikularlinse M1 von dem Winkel θa zu dem Winkel θb. Mit anderen Worten können die in die Lentikularlinse M1 eintretenden Lichtstrahlen paralleler zu der optischen Achse gemacht werden.
Es soll hier zum Beispiel angenommen werden, dass der Brechungsindex n des dritten optischen Elements K gleich 1,526 ist und die Tiefe der Beugungsrillen des Blaze-Beugungsgitters M2 gleich 0,95 μm ist. In diesem Fall gibt die Gleichung 2 an, dass m ungefähr gleich 1 für Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm ist. Das bedeutet, dass das Blaze-Beugungsgitter M2 die Erzeugung von gebeugtem Licht der ersten Ordnung mit einer Beugungseffizienz von annähernd 100% gestattet.
Bei einem Beugungsgitterabstand von 7 μm an der Position, wo der Hauptstrahl CR in das Blaze-Beugungsgitter M2 eintritt, ist θb ungefähr 4°, wenn φ bei 10° liegt. Das heißt, dass das dritte optische Element K mit dem Blaze-Beugungsgitter M2 das Übersprechen im Vergleich zu dem vergleichbaren optischen Element von Teil (a) von 8 auch dann reduzieren kann, wenn der Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Hauptstrahls CR um ungefähr 4° größer wird.
Mit anderen Worten kann das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform das Übersprechen auch dann reduzieren, wenn der Einfallswinkel φ des Hauptstrahls CR in die Lentikularlinse M1 um ungefähr 10° größer wird. Das Linsenoptiksystem L muss also nicht notwendigerweise ein bildseitiges telezentrisches Optiksystem sein, sondern kann auch ein bildseitiges nicht-telezentrisches Optiksystem sein.
Wie bisher beschrieben, kann das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform unter Verwendung der Lentikularlinse M2 gestatten, dass der durch den ersten Bereich D1 hindurchgehende Lichtfluss die ersten Bildpunkte P1 erreicht und der durch den zweiten Bereich D2 hindurchgehende Lichtfluss die zweiten Bildpunkte P2 erreicht. Das Abbildungsgerät A kann also zwei Bilder in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungsoptiksystems erzeugen. Indem weiterhin das Blaze-Beugungsgitter M2 zwischen dem ersten optischen Element L1 und der Lentikularlinse M1 vorgesehen wird, kann die Richtung des in die Lentikularlinse M1 einfallenden Lichts näher an die Richtung der optischen Achse gebracht werden. Dies hat eine Reduktion des Übersprechens zur Folge, auch wenn das Linsenoptiksystem L ein bildseitiges, nicht-telezentrisches Optiksystem ist, sodass die Entwurfsfreiheit für das Abbildungsgerät A vergrößert wird. Das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform kann also die Entwurfsfreiheit vergrößern und das Übersprechen reduzieren und ist außerdem in der Lage, eine Vielzahl von Bildern in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungsoptiksystems zu erzeugen.
Weiterhin ist bei dem Abbildungsgerät A die Öffnung der Membrane S in einem Bereich ausgebildet, der die optische Achse enthält, und ist das erste optische Element L1 in der Nähe der Membrane vorgesehen, was besonders vorteilhaft ist, weil bei einem derartigen Aufbau ein helles Bild mit einem geringeren Lichtverlust aufgenommen werden kann.
(Ausführungsform 2)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform 2 der Erfindung beschrieben.
Das Linsenoptiksystem L kann weiter miniaturisiert werden, sodass ein Abbildungsgerät mit einer kleineren Größe und einem größeren Sichtwinkel implementiert werden kann, wenn das Übersprechen auch dann reduziert werden kann, wenn der Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Hauptstrahls CR, d. h. der Winkel zwischen dem Hauptstrahl CR und der optischen Achse V, weiter vergrößert wird.
Deshalb ist in dieser Ausführungsform jede optische Komponente (konvexe Linse) in einer Lentikularlinse M3 in Bezug auf die Anordnung von entsprechenden ersten Bildpunkten P1 und zweiten Bildpunkten P2 versetzt. Im Folgenden wird das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform mittels eines Vergleichs mit einem vergleichbaren Abbildungsgerät beschrieben, in dem die in der Lentikularlinse M3 enthaltenen optischen Komponenten nicht versetzt sind.
11 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen dem dritten optischen Element K und dem Abbildungselement N gemäß dieser Ausführungsform beschreibt. Insbesondere ist der Teil (a) von 11 eine vergrößerte Ansicht des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N an einer von der optischen Achse des vergleichbaren Abbildungsgeräts entfernten Position. Der Teil (b) von 11 ist eine vergrößerte Ansicht des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N an einer von der optischen Achse des Abbildungsgeräts entfernten Position gemäß der Ausführungsform 2. Die Teile (a) und (b) von 11 zeigen von den durch das dritte optische Element K hindurchgehenden Lichtflüssen nur den durch den ersten Bereich D1 hindurchgehenden Lichtfluss.
Bei dem in dem Teil (a) von 11 gezeigten vergleichbaren Abbildungsgerät sind die in der Lentikularlinse enthaltenen optischen Komponenten nicht in Bezug auf die Anordnung der entsprechenden ersten Bildpunkte P1 und zweiten Bildpunkte P2 versetzt. Mit anderen Worten entspricht in der Richtung parallel zu der optischen Achse die Mitte jeder optischen Komponente der Mitte eines Paars der entsprechenden ersten Bildpunkten P1 und zweiten Bildpunkten P2.
Bei einem derartigen vergleichbaren Abbildungsgerät erreicht ein Teil des durch den ersten Bereich D1 hindurchgehenden Lichtflusses die zweiten Bildpunkte P2 in Nachbarschaft zu den ersten Bildpunkten P1 wie in dem Teil (a) von 11 gezeigt. Mit anderen Worten tritt ein Übersprechen an einer von der optischen Achse V entfernten Position auf, wo der Einfallswinkel φ des in das dritte optische Element K eintretenden Lichts größer wird.
Dagegen sind bei dem in dem Teil (b) von 11 gezeigten Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform die in der Lentikularlinse M3 enthaltenen optischen Komponenten in Bezug auf die Anordnung der entsprechenden ersten Bildpunkte P1 und zweiten Bildpunkte P2 versetzt. Mit anderen Worten ist in der Richtung parallel zu der optischen Achse die Mitte jeder optischen Komponente zu der optischen Achse V durch einen Versatzwert Δ von der Mitte der Anordnung eines Paars der entsprechenden ersten Bildpunkte P1 und zweiten Bildpunkte P2 verschoben.
Bei einem derartigen Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform erreicht der durch den ersten Bereich D1 hindurchgehende Lichtfluss nur die ersten Bildpunkte P1 wie in dem Teil (b) von 11 gezeigt. Das heißt, dass das Übersprechen reduziert werden kann, indem die in der Lentikularlinse M3 des dritten optischen Elements K enthaltenen optischen Komponenten in Bezug auf die Bildpunktanordnung in einer Richtung, die näher zu der optischen Achse V ist, um den Versatzwert Δ wie in dem Teil (b) von 11 gezeigt versetzt werden.
Es ist zu beachten, dass der Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Lichts in Abhängigkeit von der Distanz H von der optischen Achse V variiert. Es reicht also aus, wenn der Versatzwert Δ in Übereinstimmung mit dem Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Lichtflusses gesetzt wird. Dementsprechend reicht es aus, wenn die Lentikularlinse M3 den Versatzwert Δ aufweist, der mit der Distanz von der optischen Achse V größer wird. Dies ermöglicht eine Reduktion des Übersprechens auch dann, wenn die Distanz von der optischen Achse V groß ist.
12 ist ein Diagramm, das Analysen von Pfaden von Lichtflüssen einschließlich des mit einem Einfallswinkel θ in die Lentikularlinse M3 einfallenden Hauptstrahls zeigt. 12 zeigt nur die repräsentativen Lichtstrahlen einschließlich des Hauptstrahls CR.
Der Teil (a) von 12 zeigt eine Analyse der Pfade der durch den ersten Bereich D1 des ersten optischen Elements L1 hindurchgehenden Lichtstrahlen. Der Teil (b) von 12 zeigt eine Analyse der Pfade der durch den zweiten Bereich D2 des ersten optischen Elements L1 hindurchgehenden Lichtstrahlen. Die Teile (a) und (b) von 12 zeigen Analysen, wenn θ jeweils 0°, 4°, 8°, 10° oder 12° beträgt.
Dabei wird an der Position, wo der Einfallswinkel θ gleich 4°, 8°, 10° oder 12° beträgt, ein Versatzwert Δ von 9%, 20%, 25% oder 30% entsprechend für den Abstand der Lentikularlinse M3 gesetzt.
Aus 12 wird deutlich, dass durch das Versetzen der optischen Komponenten der Lentikularlinse um den Versatzwert Δ in Bezug auf die Bildpunktanordnung das Übersprechen reduziert wird, wenn der Einfallswinkel θ bei 8° oder weniger liegt.
Wie oben beschrieben, gestattet bei dem Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform das Vorsehen des Blaze-Beugungsgitters M2 auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite aufgrund des Beugungseffekts eine Reduktion des Einfallswinkels der in die Lentikularlinse M3 eintretenden Lichtstrahlen, sodass die Lichtstrahlen paralleler zu der optischen Achse sein können.
Weiterhin gestattet bei dem Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform das Versetzen der in der Lentikularlinse M3 enthaltenen optischen Komponenten in Bezug auf die Anordnung der entsprechenden ersten Bildpunkte P1 und zweiten Bildpunkte P2 eine weitere Reduktion des Einfallswinkels der in die Lentikularlinse M3 einfallenden Lichtstrahlen. Daraus resultiert, dass das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform das Übersprechen weiter reduzieren kann.
Es soll hier zum Beispiel angenommen werden, dass der Brechungsindex n des dritten optischen Elements K gleich 1,526 ist und dass die Tiefe der Beugungsrillen gleich 0,95 μm ist. In diesem Fall gibt die Gleichung 2 an, dass m annähernd gleich 1 für Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm ist. Das bedeutet, dass das Blaze-Beugungsgitter M3 die Erzeugung von gebeugtem Licht der ersten Ordnung mit einer Beugungseffizienz von annähernd 100% gestattet.
Bei einem Beugungsgitterabstand von 7 μm an einer Position, wo der Hauptstrahl CR in das Blaze-Beugungsgitter M3 eintritt, ist θb ungefähr gleich 8°, wenn φ gleich 16° ist. Im Vergleich zu dem in dem Teil (a) von 8 gezeigten vergleichbaren optischen Element kann das Übersprechen auch dann reduziert werden, wenn der Einfallswinkel φ des in die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite eintretenden Hauptstrahls CR um ungefähr 8° größer wird.
Mit anderen Worten gestattet ein Versetzen der optischen Komponenten der Lentikularlinse M3 in Bezug auf die Bildpunktanordnung wie in dieser Ausführungsform eine Reduktion des Übersprechens auch dann, wenn der Einfallswinkel φ bis zu ungefähr 16° größer wird, wodurch die Entwurfsfreiheit für das Abbildungsgerät weiter vergrößert wird.
(Ausführungsform 3)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das Abbildungsgerät gemäß der Ausführungsform 3 unterscheidet sich von den Abbildungsgeräten der Ausführungsformen 1 und 2 vor allem durch die folgenden Punkte: Erstens weist das erste optische Element L1 vier Bereiche mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften auf. Zweitens ist eine Mikrolinsenanordnung anstelle der Lentikularlinse auf einer der Oberflächen des dritten optischen Elements K ausgebildet. Und drittens weist das Blaze-Beugungsgitter einen konzentrischen Aufbau in Bezug auf die optische Achse auf. Mit Bezug auf die Zeichnungen wird im Folgenden die Ausführungsform 3 vor allem hinsichtlich der Unterschiede zu den Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben.
13 ist eine Vorderansicht des ersten optischen Elements L1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der Objektseite gesehen. Ein erster Bereich D1, ein zweiter Bereich D2, ein dritter Bereich D3 und ein vierter Bereich D4 sind vier vertikal und horizontal getrennte Bereiche, wobei die optische Achse V die Mitte der Grenzen bildet.
14 ist ein Konfigurationsdiagramm des dritten optischen Elements K gemäß dieser Ausführungsform. Insbesondere ist der Teil (a) von 14 ein Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K. Der Teil (b) von 14 ist eine Vorderansicht des dritten optischen Elements K, von der Seite des Blaze-Beugungsgitters M2 gesehen. Der Teil (c) von 14 ist eine teilweise vergrößerte, perspektivische Ansicht des dritten optischen Elements K, von der Seite der Mikrolinsenanordnung M4 gesehen.
Wie in 14 gezeigt, ist eine Mikrolinsenanordnung M4 mit einer Vielzahl von Mikrolinsen auf einer Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Abbildungselements N1 ausgebildet. Weiterhin ist das Blaze-Beugungsgitter M2 einschließlich von konzentrischen diffraktiven Ringzonen mit der optischen Achse V als deren Mitte auf einer Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Linsenoptiksystems L (d. h. auf der Objektseite) ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Form und die genaue Abstandsgröße der Mikrolinsenanordnung M4 und des Blaze-Beugungsgitters M2 hier nicht beschrieben werden, weil diese in Übereinstimmung mit der Funktion oder dem Verwendungszweck des Abbildungsgeräts A bestimmt werden können.
15 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen dem dritten optischen Element K und Bildpunkten auf dem Abbildungselement N beschreibt. Insbesondere ist der Teil (a) von 15 eine vergrößerte Ansicht des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N. Der Teil (b) von 15 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen dem dritten optischen Element K und Bildpunkten auf dem Abbildungselement N zeigt.
Wie in der Ausführungsform 1 ist das dritte optische Element K in der Nähe des Brennpunkts des Linsenoptiksystems L an einer um eine vorbestimmte Distanz von der Bildebene Ni entfernten Position vorgesehen. Weiterhin sind Bildpunkte in Reihen und Spalten auf der Bildebene Ni des Abbildungselements N angeordnet. Jeder dieser derart angeordneten Bildpunkte kann als ein erster Bildpunkt P1, ein zweiter Bildpunkt P2, ein dritter Bildpunkt P3 oder ein vierter Bildpunkt P4 klassifiziert werden. Außerdem ist eine Mikrolinse Ms über den Bildpunkten vorgesehen.
Weiterhin ist die Mikrolinsenanordnung M4 auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Abbildungselements N ausgebildet. Die Mikrolinsenanordnung M4 entspricht einem angeordneten optischen Element. Jede der in der Mikrolinsenanordnung M4 enthaltenen Mikrolinsen (optischen Komponenten) entspricht einem aus einem Satz von vier Bildpunkten, nämlich dem ersten Bildpunkt P1, dem zweiten Bildpunkt P2, dem dritten Bildpunkt P3 und dem vierten Bildpunkt P4, die in Reihen und Spalten auf der Bildebene Ni angeordnet sind.
Ein derartiger Aufbau gestattet, dass der größte Teil der durch den ersten Bereich D1, den zweiten Bereich D2, den dritten Bereich D3 und den vierten Bereich D4 an dem ersten optischen Element L1 von 13 hindurchgehenden Lichtflüsse jeweils den ersten Bildpunkt P1, den zweiten Bildpunkt P2, den dritten Bildpunkt P3 und den vierten Bildpunkt P4 auf der Bildebene Ni erreicht.
Dabei erzeugt die Signalverarbeitungseinheit C die Objektinformationen unter Verwendung von ersten Bildpunktwerten, die von den ersten Bildpunkten P1 erhalten werden, zweiten Bildpunktwerten, die von den zweiten Bildpunkten P2 erhalten werden, dritten Bildpunktwerten, die von den dritten Bildpunkten P3 erhalten werden, und vierten Bildpunktwerten, die von den vierten Bildpunkten P4 erhalten werden. Wie in der Ausführungsform 1 erzeugt die Signalverarbeitungseinheit C gemäß dieser Ausführungsform als die Objektinformationen ein erstes Bild I1 mit den ersten Bildpunktwerten, ein zweites Bild I2 mit den zweiten Bildpunktwerten, ein drittes Bild I3 mit den dritten Bildpunktwerten und ein viertes Bild I4 mit den vierten Bildpunktwerten.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektdistanz aus den Objektinformationen als ein Beispiel für die Verwendung der Objektinformationen beschrieben.
In diesem Beispiel wird angenommen, dass der erste Bereich D1, der zweite Bereich D2, der dritte Bereich D3 und der vierte Bereich D4 jeweils optische Eigenschaften aufweisen, die jeweils verschiedene Fokuseigenschaften für die hindurchgehenden Lichtstrahlen vorsehen. Insbesondere ist zum Beispiel eine flache Linse als der erste Bereich D1 vorgesehen, ist eine sphärische Linse mit einem Krümmungsradius R2 als der zweite Bereich vorgesehen, ist eine sphärische Linse mit einem Krümmungsradius R3 als der dritte Bereich vorgesehen und ist eine sphärische Linse mit einem Krümmungsradius R4 als der vierte Bereich D4 vorgesehen (R2 > R3 > R4). Die optischen Achsen der sphärischen Linsen des zweiten Bereichs D2, des dritten Bereichs D3 und des vierten Bereichs D4 entsprechen der optischen Achse V des weiter oben beschriebenen Linsenoptiksystems L. 16 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Objektdistanz und der Schärfe für diesen Fall zeigt. In dem Kurvendiagramm von 16 gibt ein Profil G1 die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der ersten Bildpunkte P1 erzeugten Bilds an. Ein Profil G2 gibt die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der zweiten Bildpunkte P2 erzeugten Bilds an. Ein Profil G3 gibt die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der dritten Bildpunkte P3 erzeugten Bilds an. Ein Profil G4 gibt die Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des nur unter Verwendung der Bildpunktwerte der vierten Bildpunkte P4 erzeugten Bilds an.
Weiterhin ist der Bereich Z ein Bereich, in dem die Schärfe gemäß dem Profil G1, G2, G3 oder G4 in Antwort auf eine Änderung in der Objektdistanz variiert. Die Objektdistanz kann also unter Verwendung einer derartigen Beziehung in dem Bereich Z bestimmt werden.
Zum Beispiel ist in dem Bereich Z das Schärfeverhältnis zwischen dem Profil G1 und dem Profil G2 und/oder das Schärfeverhältnis zwischen dem Profil G3 und dem Profil G4 mit der Objektdistanz korreliert. Deshalb ermöglicht die Verwendung einer derartigen Korrelation eine Bestimmung der Objektdistanz für jeden der vorbestimmten Bereiche der entsprechenden Bilder auf der Basis dieser Schärfeverhältnisse.
Es ist zu beachten, dass die verschiedenen optischen Eigenschaften des ersten Bereichs D1, des zweiten Bereichs D2, des dritten Bereichs D3 und des vierten Bereichs D4 nicht auf das oben beschriebene Beispiel beschränkt sind. In Abhängigkeit von der Art der verschieden vorgesehenen optischen Eigenschaften ändert sich die Verwendung der Objektinformationen. Das Verfahren zum Bestimmen der Objektdistanz wie etwa das oben beschriebene Verfahren ist ein Beispiel für die Verwendung der Objektinformationen. Zum Beispiel kann ein Summenbild I5 erzeugt werden, das eine Summe aus dem ersten Bild I1, dem zweiten Bild I2, dem dritten Bild I3 und dem vierten Bild I4 ist. Das auf diese Weise erzeugte Summenbild I5 ist ein Bild mit einer größeren Tiefenschärfe als das erste Bild I1, das zweite Bild I2, das dritte Bild I3 und das vierte Bild I4.
Weiterhin kann die Objektdistanz für jeden der vorbestimmten Bereiche der entsprechenden Bilder unter Verwendung eines Verhältnisses zwischen der Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des Summenbilds I5 und der Schärfe eines vorbestimmten Bereichs des ersten Bilds I1, des zweiten Bilds I2, des dritten Bilds I3 oder des vierten Bilds I4 bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass die Signalverarbeitungseinheit C unter Verwendung der Objektinformationen wie oben beschrieben die Objektdistanz bestimmen oder das Summenbild I5 erzeugen kann usw.
Wie bisher beschrieben, kann das Abbildungsgerät A gemäß dieser Ausführungsform die Entwurfsfreiheit vergrößern und das Übersprechen reduzieren und ist außerdem in der Lage, vier Bilder in einer einzelnen Abbildungsoperation unter Verwendung eines einzelnen Abbildungsoptiksystems zu erzeugen.
(Ausführungsform 4)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Ausführungsform 4 unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen dadurch, dass das Blaze-Beugungsgitter zwei Schichten aufweist. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede zu den Ausführungsformen 1 bis 3 und verzichtet auf eine detaillierte Beschreibung der Gemeinsamkeiten mit den Ausführungsformen 1 bis 3.
Der Teil (a) von 17 ist ein Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K gemäß der Ausführungsform 1. Gemäß der Ausführungsform 1 ist die Lentikularlinse M1 mit einem bogenförmigen Querschnitt auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Abbildungselements N1 ausgebildet und ist das Blaze-Beugungsgitter M2 auf der Seite des Linsenoptiksystems L (d. h. auf der Objektseite) ausgebildet.
Im Gegensatz dazu ist der Teil (b) von 17 ein Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K gemäß dieser Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Deckfilm Mwf auf dem Blaze-Beugungsgitter M2 vorgesehen, das auf der Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Seite des Linsenoptiksystems L ausgebildet ist. Das heißt, das dritte optische Element K enthält den Deckfilm Mwf, der das Blaze-Beugungsgitter M2 bedeckt.
Wenn n1 der D-Linien-Brechungsindex des Blaze-Beugungsgitters M2 ist und n2 der D-Linien-Brechungsindex des Deckfilms ist, geben diese Brechungsindizes Funktionen einer Wellenlänge λ wieder. Insbesondere wenn die Tiefe d' der Beugungsrillen die folgende Gleichung 3 in allen sichtbaren Wellenlängenbändern annähernd erfüllt, ist die Beugungseffizienz der m-ten Ordnung (oder der negativen m-ten Ordnung, wenn die Neigungsrichtung des Blaze zwischen links und rechts umgekehrt ist) unabhängig von der Wellenlänge und liegt bei ungefähr 100%. Es ist zu beachten, dass m die Beugungsordnung wiedergibt. d' = mλ/|n1 – n2| (Gleichung 3)
Unter „erfüllt die Gleichung 3 annähernd” ist zu verstehen, dass die Gleichung 3 auch in einem Bereich erfüllt wird, der als im Wesentlichen identisch mit dem Bereich betrachtet werden kann, in dem die Gleichung 3 strikt erfüllt wird.
Der Teil (a) von 18 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Beugungseffizienz der ersten Ordnung des Blaze-Beugungsgitters M2 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt. Insbesondere zeigt der Teil (a) von 18 die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz der ersten Ordnung in Bezug auf vertikal in das Blaze-Beugungsgitter M2 eintretende Lichtstrahlen.
In dem Teil (a) von 18 wird ein Basismaterial mit einem D-Linien-Brechungsindex von 1,52 und einer Abbeschen Zahl von 56 als Basismaterial für das Blaze-Beugungsgitter M2 verwendet. Weiterhin ist die Tiefe der Beugungsrillen des Blaze-Beugungsgitters M2 gleich 1,06 μm.
Im Gegensatz dazu ist der Teil (b) von 18 ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Beugungseffizienz der ersten Ordnung des Blaze-Beugungsgitters M2 gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Insbesondere zeigt der Teil (b) von 18 die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz der ersten Ordnung in Bezug auf vertikal in das Blaze-Beugungsgitter M2 eintretende Lichtstrahlen.
In dem Teil (b) von 18 wird ein Polycarbonat (D-Linien-Brechungsindex: 1,585, Abbesche Zahl: 28) als Basismaterial für das Blaze-Beugungsgitter M2 verwendet. Weiterhin wird als Deckfilm Mwf ein Kunstharz (D-Linien-Brechungsindex: 1,623, Abbesche Zahl: 40) verwendet, das durch das Dispergieren von Zirkonoxid mit einer Partikelgröße von 10 nm oder weniger in einem unter Ultraviolettstrahlen aushärtbaren Acrylkunstharz hergestellt wird. Deshalb ist die rechte Seite der Gleichung 3 unabhängig von der Wellenlänge im Wesentlichen konstant. Es ist zu beachten, dass die Tiefe d' der Beugungsrillen des Blaze-Beugungsgitters M2 gleich 15 μm ist.
Durch das Vorsehen des Deckfilms Mwf zum Bedecken des auf dem dritten optischen Element K ausgebildeten Blaze-Beugungsgitters M2 wie in dieser Ausführungsform wird die Beugungseffizienz der ersten Ordnung auf ungefähr 100% in allen sichtbaren Wellenlängenbändern wie in dem Teil (b) von 18 gezeigt erhöht. Und wenn d' = 30 μm ist, kann die Beugungseffizienz der zweiten Ordnung ebenfalls auf ungefähr 100% erhöht werden.
Wie bisher beschrieben, kann bei dem Abbildungsgerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Beugungseffizienz in allen sichtbaren Wellenlängenbändern erzielt werden, indem das Blaze-Beugungsgitter M2 mit dem Deckfilm Mwf derart bedeckt ist, dass die Gleichung 3 annähernd erfüllt wird.
Es ist zu beachten, dass die Kombination von Materialien des dritten optischen Elements K und des Deckfilms nicht auf die oben beschriebenen Materialien beschränkt ist, wobei Materialien wie etwa verschiedene Typen von Glas, verschiedene Typen von Kunstharz oder ein Nanoverbundmaterial miteinander kombiniert werden können. Dies ermöglicht eine Implementierung des Abbildungsgeräts, die ein helles Bild mit einem geringeren Lichtverlust aufnehmen kann.
(Ausführungsform 5)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das Abbildungsgerät gemäß der Ausführungsform 5 unterscheidet sich von den Abbildungsgeräten gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 dadurch, dass das dritte optische Element K mit dem Blaze-Beugungsgitter und der Lentikularlinse oder der Mikrolinsenanordnung einstückig mit dem Abbildungselement N ausgebildet ist. Die folgende Beschreibung konzentriert sind auf die Unterschiede zu den Ausführungsformen 1 bis 4 und verzichtet auf eine detaillierte Beschreibung der Gemeinsamkeiten mit den Ausführungsformen 1 bis 4.
19 ist ein vergrößertes Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N gemäß der Ausführungsform 5. In der vorliegenden Ausführungsform ist das dritte optische Element K einschließlich des Blaze-Beugungsgitters M2 und einer Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 mit dem Abbildungselement N über ein Medium Md integriert. Wie etwa in der Ausführungsform 1 sind Bildpunkte P in Reihen und Spalten auf der Bildebene Ni angeordnet. Eine der optischen Komponenten der Lentikularlinse und der Mikrolinse bzw. der Mikrolinsenanordnung entspricht einem Satz von Bildpunkten aus diesen Bildpunkten P.
In dem Teil (a) von 19 sind das dritte optische Element K und das Abbildungselement N derart integriert, dass jede der optischen Komponenten der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 eine konvexe Oberfläche auf der Objektseite aufweist. In diesem Fall enthält das Medium Md zwischen dem dritten optischen Element K und dem Abbildungselement N ein Material mit einem größeren Brechungsindex als das dritte optische Element K (ein Medium zwischen dem Blaze-Beugungsgitter M2 und der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5). Zum Beispiel genügt es, wenn das dritte optische Element K SiO2 enthält und das Medium Md SiN enthält.
Es ist zu beachten, dass das dritte optische Element K und das Abbildungselement N derart integriert sein können, dass jede optische Komponente der Lentikularlinse (oder der Mikrolinsenanordnung) M5 eine konkave Oberfläche auf der Objektseite wie in dem Teil (b) von 19 gezeigt aufweist. In diesem Fall enthält das Medium Md zwischen dem dritten optischen Element K und dem Abbildungselement N ein Material mit einem kleineren Brechungsindex als das dritte optische Element K (das Medium zwischen dem Blaze-Beugungsgitter M2 und der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) Md).
Auch in dieser Ausführungsform können die durch verschiedene Bereiche des ersten optischen Elements L1 hindurchgehenden Lichtflüsse zu verschiedenen Bildpunkten wie in den Ausführungsformen 1 bis 4 geführt werden.
Im Folgenden wird eine Variation dieser Ausführungsform beschrieben, in der eine Mikrolinse Ms auf der Bildebene Ni vorgesehen ist.
20 ist ein vergrößertes Querschnittdiagramm des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N gemäß einer Variation der Ausführungsform 5. In dieser Variation ist die Mikrolinse Ms auf der Bildebene Ni ausgebildet, um die Bildpunkte P zu bedecken, und sind das Medium Nd und das dritte optische Element K über der Mikrolinse Ms gestapelt.
In dem Teil (a) von 20 sind das dritte optische Element K und das Abbildungselement N derart integriert, dass jede optische Komponente der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 eine konkave Oberfläche auf der Objektseite aufweist. In diesem Fall enthält das Medium Md zwischen der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 und der Mikrolinse Ms ein Material mit einem kleineren Brechungsindex als das dritte optische Element K (das Medium zwischen dem Blaze-Beugungsgitter M2 und der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5) oder die Mikrolinse Ms. Zum Beispiel genügt es, dass das dritte optische Element K und das Medium Md ein Kunstharzmaterial enthalten, wenn die Mikrolinse ein Kunstharzmaterial enthält.
Es ist zu beachten, dass das dritte optische Element K und das Abbildungselement N derart integriert sein können, dass jede optische Komponente der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 eine konvexe Oberfläche auf der Objektseite wie in dem Teil (b) von 20 gezeigt aufweist. In diesem Fall enthalten das dritte optische Element K (das Medium zwischen dem Blaze-Beugungsgitter M2 und der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5), das Medium Md zwischen der Mikrolinse Ms und der Lentikularlinse (oder Mikrolinsenanordnung) M5 und die Mikrolinse Ms Materialien mit Brechungsindizes, die in der genannten Reihenfolge jeweils größer sind. Es ist zu beachten, dass durch das Vorsehen der Mikrolinse Ms über den Bildpunkten die Lichtsammeleffizienz in dieser Variation im Vergleich zu der Ausführungsform 5 erhöht werden kann.
Es ist zu beachten, dass das Vorsehen des Deckfilms zum Bedecken des dritten optischen Elements K und des Blaze-Beugungsgitters unter Verwendung einer Kombination von Materialien mit annährend die Gleichung 3 erfüllenden Brechungsindizes wie in der Ausführungsform 4 eine Implementierung des Abbildungsgeräts ermöglicht, die ein helles Bild mit einem geringeren Lichtverlust in allen sichtbaren Wellenlängenbändern aufnehmen kann.
Wie bisher beschrieben, gestattet das Abbildungsgerät A gemäß der vorliegenden Ausführungsform oder gemäß der Variation eine Integration des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N. Wenn das dritte optische Element K und das Abbildungselement wie in den Ausführungsformen 1 bis 4 separat vorgesehen sind, ist die Ausrichtung des dritten optischen Elements K mit dem Abbildungselement N schwierig. Dagegen ermöglicht die einstückige Ausbildung des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N wie in dieser Ausführungsform oder in der Variation eine Ausrichtung des dritten optischen Elements K und des Abbildungselements N während der Waferverarbeitung, sodass die Ausrichtung vereinfacht ist und die Ausrichtungspräzision höher ist.
Vorstehend wurde das Abbildungsgerät A gemäß einem Aspekt der Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Der Fachmann kann verschiedene Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vornehmen und weitere Ausführungsformen durch die Kombination von Strukturelementen aus verschiedenen Ausführungsformen schaffen, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Zum Beispiel ist das oben beschriebene Linsenoptiksystem L gemäß den Ausführungsformen 1 bis 5 ein bildseitiges, nicht-telezentrisches Optiksystem, wobei es jedoch auch ein bildseitiges, telezentrisches Optiksystem sein könnte. In diesem Fall kann das Abbildungsgerät A das Übersprechen weiter reduzieren.
Und während das Blaze-Beugungsgitter M2 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 5 auf der gesamten Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite ausgebildet ist, muss das Blaze-Beugungsgitter M2 nicht auf der gesamten Oberfläche ausgebildet sein. Der Einfallswinkel φ des auf die Oberfläche des dritten optischen Elements K auf der Objektseite einfallenden Hauptstrahls CR variiert in Abhängigkeit von der Distanz H von der optischen Achse V. In einem typischen Linsenoptiksystem wird der Einfallswinkel φ mit der Distanz H größer. Angesichts dessen genügt es, wenn das Blaze-Beugungsgitter M2 wenigstens an einer von der optischen Achse V entfernten Position (d. h. an einer Position, wo der Einfallswinkel φ größer wird) ausgebildet ist. Mit anderen Worten muss das Blaze-Beugungsgitter M2 nicht notwendigerweise in der Nähe der optischen Achse V ausgebildet sein. Das heißt, dass das Blaze-Beugungsgitter M2 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 5 auch nur in Bereichen ausgebildet sein kann, die mit einer vorbestimmten Distanz oder mehr von der optischen Achse V wie in 21 gezeigt entfernt sind. Deshalb kann der mittlere Teil des dritten optischen Elements K flach sein, wodurch die Herstellung des dritten optischen Elements K vereinfacht wird.
Weiterhin kann das Blaze-Beugungsgitter M2 mit einem Abstand P ausgebildet sein, der in den peripheren Bereichen kleiner wird, in denen der Winkel φ größer wird. Dies ermöglicht eine Reduktion von θb in den peripheren Bereichen des Blaze-Beugungsgitters M2, in denen der Einfallswinkel θ größer wird.
Weiterhin kann das Blaze-Beugungsgitter M2 mit einer in den peripheren Bereichen größer werdenden Tiefe d der Beugungsrillen ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Brechungsordnung m der peripheren Bereiche des Blaze-Beugungsgitters M2, was wiederum eine weitere Reduktion von θb gestattet.
Weiterhin konzentrierte sich die Beschreibung der Ausführungsformen 1 bis 5 auf einen Fall, in dem die Bereiche des ersten optischen Elements L1 verschiedene Fokuseigenschafen aufweisen. Die Bereiche des ersten optischen Elements L1 müssen jedoch nicht notwendigerweise verschiedene Fokuseigenschaften aufweisen.
Zum Beispiel kann das erste optische Element L1 Bereiche mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeiten aufweisen. Insbesondere können Neutraldichtefilter (ND-Filter) mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeiten in den Bereichen vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Abbildungsgerät A in einer einzelnen Abbildungsoperation ein Bild eines dunklen Objekts aus den durch einen Bereich mit einer hohen Durchlässigkeit hindurchgehenden Lichtstrahlen und ein Bild eines hellen Objekts aus den durch einen Bereich mit einer geringen Durchlässigkeit hindurchgehenden Lichtstrahlen erzeugen. Und indem diese Bilder kombiniert werden, kann das Abbildungsgerät A ein Bild mit einem breiten Dynamikbereich erzeugen.
Alternativ hierzu kann das erste optische Element L1 Bereiche aufweisen, die Lichtstrahlen in verschiedenen Wellenlängenbändern durchlassen. Insbesondere können Filter mit verschiedenen Wellenlängenbändern in den Bereichen vorgesehen sein. In diesem Fall können in einer einzelnen Abbildungsoperation zum Beispiel ein Farbbild in den sichtbaren Wellenlängen und ein Bild in den nahen Infrarotwellenlängen erzeugt werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes Abbildungsgerät ein Farbbild untertags und ein dunkles Bild nachts aufnehmen, ohne dass zwischen Tag- und Nachtfunktionen gewechselt werden muss.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 5 ist das Blaze-Beugungsgitter auf dem dritten optischen Element K ausgebildet, wobei jedoch auch ein anderes Beugungsgitter ausgebildet werden kann, das symmetrisch um die optische Achse V ist.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Das Abbildungsgerät gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zum Beispiel als eine digitale Standbildkamera oder eine digitale Videokamera genutzt werden. Es kann auch als eine in einem Fahrzeug integrierte Kamera, als eine Sicherheitskamera, eine Kamera für medizinische Einsatzzwecke wie etwa in einem Endoskop oder einem Kapselendoskop, als eine Kamera für eine biometrische Authentifizierung, als eine Kamera für ein Mikroskop, als eine Kamera für ein astronomisches Teleskop oder für ähnliche Anwendungen zum Erhalten eines Spektralbilds verwendet werden.
[Liste der Bezugszeichen]

A

Abbildungsgerät

L

Linsenoptiksystem

L1

erstes optisches Element

L2

zweites optisches Element

D1

erster Bereich

D2

zweiter Bereich

D3

dritter Bereich

D4

vierter Bereich

S

Membrane

K

drittes optisches Element

N

Abbildungselement

Ni

Bildebene

Ms

Mikrolinse

M1, M3, M5

Lentikularlinse

M2

Blaze-Beugungsgitter

M4

Mikrolinsenanordnung

Mwf

Deckfilm

CR

Hauptstrahl

H

Distanz

P

Bildpunkt

P1

erster Bildpunkt

P2

zweiter Bildpunkt

P3

dritter Bildpunkt

P4

vierter Bildpunkt

C

Signalverarbeitungseinheit

Claims

Abbildungsgerät, das umfasst: ein Linsenoptiksystem einschließlich wenigstens eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften, ein Abbildungselement einschließlich von wenigstens ersten Bildpunkten und zweiten Bildpunkten, in die das durch das Linsenoptiksystem hindurchgehende Licht eintritt, ein angeordnetes optisches Element, das zwischen dem Linsenoptiksystem und dem Abbildungselement vorgesehen ist und gestattet, dass das durch den ersten Bereich hindurchgehende Licht in die ersten Bildpunkte eintritt und dass das durch den zweiten Bereich hindurchgehende Licht in die zweiten Bildpunkte eintritt, eine Signalverarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um Objektinformationen unter Verwendung von ersten Bildpunktwerten, die von den ersten Bildpunkten erhalten werden, und von zweiten Bildpunktwerten, die von den zweiten Bildpunkten erhalten werden, zu erzeugen, und ein diffraktives optisches Element, das zwischen dem angeordneten optischen Element und dem Linsenoptiksystem vorgesehen ist und ein Beugungsgitter enthält, das symmetrisch um eine optische Achse des Linsenoptiksystems ist.
Abbildungsgerät nach Anspruch 1, wobei das Linsenoptiksystem umfasst: (i) eine Membrane, die eine Öffnung in einem die optische Achse enthaltenden Bereich aufweist, und (ii) ein optisches Element, das in der Nähe der Membrane vorgesehen ist und wenigstens den ersten Bereich und den zweiten Bereich enthält.
Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Beugungsgitter nur in einem Bereich ausgebildet ist, der von der optischen Achse um eine vorbestimmte Distanz oder mehr entfernt ist.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der ersten Bildpunkte wenigstens einem der zweiten Bildpunkte benachbart ist.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Bildpunkte und die zweiten Bildpunkte alternierend angeordnet sind.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das angeordnete optische Element optische Komponenten enthält, die jeweils in Bezug auf eine Anordnung wenigstens eines entsprechenden ersten Bildpunkts und wenigstens eines entsprechenden zweiten Bildpunkts versetzt sind.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Linsenoptiksystem ein bildseitiges, nichttelezentrisches Optiksystem ist.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Bildpunkte in einer Reihe in einer horizontalen Richtung angeordnet sind, und die zweiten Bildpunkte in einer Reihe in der horizontalen Richtung angeordnet sind, und die ersten Bildpunkte und die zweiten Bildpunkte alternierend in einer vertikalen Richtung angeordnet sind.
Abbildungsgerät nach Anspruch 8, wobei das angeordnete optische Element eine Lentikularlinse ist, wobei die Lentikularlinse horizontal längliche optische Komponenten enthält, die in der vertikalen Richtung angeordnet sind, und jede der optischen Komponenten zwei Reihen von Bildpunkten entspricht, die eine Reihe der ersten Bildpunkte und eine Reihe der zweiten Bildpunkte sind.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Linsenoptiksystem weiterhin einen dritten Bereich und einen vierten Bereich enthält, wobei der erste, der zweite, der dritte und der vierte Bereich jeweils verschiedene optische Eigenschaften aufweisen, wobei das Abbildungselement weiterhin dritte Bildpunkte und vierte Bildpunkte enthält, in die das durch das Linsenoptiksystem hindurchgehende Licht eintritt, wobei das angeordnete optische Element weiterhin gestattet, dass das durch den dritten Bereich hindurchgehende Licht in die dritten Bildpunkte eintritt, und gestattet, dass das durch den vierten Bereich hindurchgehende Licht in die vierten Bildpunkte eintritt, und die Signalverarbeitungseinheit konfiguriert ist, um die Objektinformationen unter Verwendung der ersten Bildpunktwerte, der zweiten Bildpunktwerte, dritter Bildpunktwerte, die von den dritten Bildpunkten erhalten werden, und vierter Bildpunktwerte, die von den vierten Bildpunkten erhalten werden, zu erzeugen.
Abbildungsgerät nach Anspruch 10, wobei einer der ersten Bildpunkte, einer der zweiten Bildpunkte, einer der dritten Bildpunkte und einer der vierten Bildpunkte einen Satz von vier Bildpunkten bilden und in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind.
Abbildungsgerät nach Anspruch 11, wobei das angeordnete optische Element eine Mikronlinsenanordnung ist, die Mikrolinsenanordnung optische Komponenten enthält, und jede der optischen Komponenten einem aus dem Satz von vier Bildpunkten entspricht.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Beugungsgitter ein Blaze-Beugungsgitter ist.
Abbildungsgerät nach Anspruch 13, wobei das diffraktive optische Element einen Deckfilm enthält, der das Blaze-Beugungsgitter bedeckt, und das Blaze-Beugungsgitter Beugungsrillen mit einer Tiefe d' enthält und d' = mλ/|n1 – n2| in allen sichtbaren Wellenlängenbändern erfüllt wird, wobei n1 der D-Linien-Brechungsindex des Blaze-Beugungsgitters ist, n2 der D-Linien-Brechungsindex des Deckfilms ist und m eine positive Ganzzahl ist.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das diffraktive optische Element und das angeordnete optische Element einstückig ausgebildet sind.
Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das angeordnete optische Element einstückig mit dem Abbildungselement ausgebildet ist.
Abbildungsgerät nach Anspruch 16, das weiterhin umfasst: eine Mikrolinse, die zwischen dem angeordneten optischen Element und dem Abbildungselement vorgesehen ist, wobei das angeordnete optische Element über die Mikrolinse einstückig mit dem Abbildungsgerät ausgebildet ist.