JP2012514796A - マルチスケール光学システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来技術のコスト及び欠点を解消できる手段と撮像レンズ系を提供する。
【解決手段】 本発明のレンズ系は画像収集機能を画像処理機能から分離することにより光入力の1個以上の収差を軽減又は除去する。各機能は他の機能を阻害することなく実施できる。集光光学系はシーンからの光に基づいて第1光学場を複数個の小型レンズからなる処理光学系に提供する。処理光学系は第1光学場を複数の第2光学場にタイル張りする。各小型レンズは複数の第2光学場のうちの一つを受信し、その受信した第2光学場における少なくとも一つの局在収差を低減し、補正光学場を複数個の光検出器のうちの一つに提供する。光検出器は補正出力を使用し、補正光学場の空間的に相関された副画像を形成する。副画像は結合され、シーンの空間的に相関された画像を形成する。
【選択図】 図4
Description
(a)第1の光学要素で第1の光学場の第1の部分を受信するステップと、
ここで、前記第1の部分は第1の局在収差により特徴付けられ、前記第1の光学場はシーンからの光を集光する集光光学系から受信される、
(b)第1の光学要素から第2の光学場を提供するステップと、
ここで、第2の光学場は第1の部分に基づき、第2の光学場における第1の局在収差の大きさは第1の部分における第1の局在収差の大きさよりも小さい、
(c)第2の光学要素で第1の光学場の第2の部分を受信するステップと、
ここで、第2の部分は第2の局在収差により特徴付けられ、
(d)第2の光学要素から第3の光学場を提供するステップと、
ここで、第3の光学場は第2の部分に基づき、第3の光学場における第2の局在収差の大きさは第2の部分における第2の局在収差の大きさよりも小さい、
からなる方法からなる。
本発明は「マルチスケール撮像」と呼ばれる発明概念に依拠する。図1〜図3に示されるような従来技術の撮像システムに対して、集光レンズと焦点面との間に間挿された多開口処理光学系(例えば、小型レンズアレイ)からなる。処理光学系内の各開口は、集光レンズから受信する光学場内の局在収差を緩和する波面補正を提供する。局在収差を補正するための処理開口の異質アレイの使用は、本発明の実施態様と従来技術の多開口撮像システムとの間の顕著な相違を示す。
i. 球面収差、又は
ii. コマ収差、又は
iii. 非点収差、又は
iv. 像面湾曲収差、又は
v. 歪曲収差、又は
vi. 均等デフォーカス(uniform defocus)、又は
vii. 線形デフォーカス(linear defocus)、又は
viii. 二次デフォーカス(quadratic defocus)、又は
ix. 前記i.、ii.、iii.、iv.、v.、vi.、vii.及びviii.の任意の組合せ。
小型レンズ内に非円筒形的対称形状を包含させることが如何にして局在収差を補正することができるかを例証するために、一例として下記に全像面湾曲収差の補正について説明する。
i. 3段階以上のプロセッサ、又は
ii. プレプロセッサ光学系1102及びプロセッサ光学系406のうちの1個のみによりもたらされる収差補正、又は
iii. 複数個の小型レンズからなるプレプロセッサ光学系であり、少なくとも一つの小型レンズは、その複数個の小型レンズのうちの少なくとも他の一つの小型レンズと異なる直径を有する、又は
iv. 複数個の小型レンズからなるプレプロセッサ光学系であり、少なくとも一つの小型レンズは、その複数個の小型レンズのうちの少なくとも他の一つの小型レンズと異なる直径を有する、又は
v. 1m、5mm及び1mmとそれぞれ異なる直径を有する集光光学系、プレプロセッサ光学系又はプロセッサ光学系、又は、
vi. 前記i.、ii.、iii.、iv.及びv.の任意の組合せ。
102 シーン(情景)
104 撮像素子
106 レンズアレイ
108 プロセッサ
110 分離層
112 光検出器アレイ
114 中間画像
116 画像
118 プロセッサ
200 従来技術の第2の撮像系
202 レンズ
204 光軸
206 像面
208 光
210 光電子デバイス
212 基板
214、216、218 小型レンズ
220 スペーサ
224 光学場
300 従来技術の第3の撮像系
302、304、306 小型レンズ
308 スペーサ
310 階段
400 本発明の撮像系
402 シーン(情景)
404 集光光学系
406 プロセッサ光学系
408 小型レンズ(光学要素)
410 開口アレイ
412 光検出器アレイ
414 光
416、418、420 光学場
422 電気信号
424 光軸
図5の翻訳
501: シーン402からの光414に基づいて光学場416を提供する
502: 光学場416を光学場418にタイル張りする
503: 光学場418における第1の局在収差を低減する
504: 光学場418に基づいて複数個の副画像を形成する
505: 複数個の副画像に基づいて第2の画像を形成する
600、602、604、606 プロット
700 プロセッサ光学系
702 基板
706、708、710、716 小型レンズ
712 レンズ
714 スラブ
718、722 プリズム
802 フレーム
902 光検出器
904 基板
1002 サブ撮像ユニット
1004 画像フィールド
1006 集光光学系
1008 小型レンズ
1010 画像
これらは、次の文献に記載されている。米国特許第4323925号,欧州特許出願第0809124号,欧州特許出願第0893915号,米国特許第6137535号,米国特許出願第2005/052751号,WO99/26419号,米国特許出願第2007/109438号,Duparre J. et.al.著「Thin Compound-eye Camera」(Applied Optics, Vol 44, No. 15, pp.2949-2956(2005))多開口カメラ系では、標準的なカメラ対物レンズは小型レンズ(lenslet)アレイにより置き換えられている。各小型レンズは通常のカメラに比べて焦点距離が短い。このような態様では、検出器は視界内の物体の一連のサブサンプリングされたバージョンを測定する。処理後アルゴリズムは、サブサンプリングされた副画像のセットから高解像度画像を生成するために使用される。結果的にカメラ系は小型化されるが、カメラ系の小型化は、顕著なコンピュータ後処理コスト及び妥協的画像品質により達成される。
Claims (35)
- (a)シーンからの光を集光光学系で受信するステップと、
ここで、前記集光光学系は画像フィールドにより特徴付けられる、
(b)集光光学系から第1光学場を提供するステップと、
ここで、前記第1光学場は前記シーンからの光に基づく、
(c)前記第1光学場の第1部分を第1光学要素で受信するステップと、
ここで、前記第1部分は第1局在収差により特徴付けられる、
(d)前記第1光学要素から第2光学場を提供するステップと、
ここで、前記第2光学場は第1光学場の第1部分に基づき、また、前記第2光学場における第1局在収差の大きさは、前記第1光学場の第1部分における第1局在収差の大きさよりも小さい、
(e)前記第1光学場の第2部分を第2光学要素で受信するステップと、
ここで、第2部分は第2局在収差により特徴付けられる、
(f)前記第2光学要素から第3光学場を受信するステップと、
ここで、前記第3光学場は第1光学場の第2部分に基づき、また、前記第3光学場における第2局在収差の大きさは、前記第1光学場の第2部分における第2局在収差の大きさよりも小さい、
を有する
ことを特徴とする方法。 - (g)複数個の光学要素のうちの一つとして第1光学要素を提供するステップと、
ここで、前記第1光学要素は、複数個の光学要素内の第1光学要素の部分に基づく量だけ、前記第1局在収差の大きさを低減する、
(h)複数個の光学要素のうちの一つとして第2光学要素を提供するステップ、
ここで、前記第2光学要素は、複数個の光学要素内の第2光学要素の部分に基づく量だけ、前記第2局在収差の大きさを低減する、
を更に有する
ことを特徴請求項1記載の方法。 - (1)第1副画像を形成するステップと、
ここで、第1副画像は、
(i)第2光学場を第1光検出器アレイで受信するステップと、
(ii)第1複数個の電気信号を発生するステップと、
ここで、第1複数個の電気信号は第2光学場に基づき第1光検出器アレイにより生成される、
(iii)第1複数個の電気信号をプロセッサに提供するステップと、
(iv)第1副画像を形成するために、第1複数個の電気信号をデジタル処理するステップとからなる操作により形成される、
(2)第2副画像を形成するステップ、
ここで、第2副画像は、
(i)第3光学場を第2光検出器アレイで受信するステップと、
(ii)第2複数個の電気信号を発生するステップと、
ここで、第2複数個の電気信号は第3光学場に基づき第2光検出器アレイにより生成される、
(iii)第2複数個の電気信号をプロセッサに提供するステップと、
(iv)第2副画像を形成するために、第2複数個の電気信号をデジタル処理するステップとからなる操作により形成される、
を更に包含することを特徴請求項1記載の方法。 - (3)第1光検出器アレイのサイズを選択するステップと、
ここで、第1光検出器アレイのサイズは第1光学要素の開口サイズに基づいて選択される、
(4)第2光検出器アレイのサイズを選択するステップ、
ここで、第2光検出器アレイのサイズは第2光学要素の開口サイズに基づいて選択される、
を更に包含することを特徴請求項3記載の方法。 - (5)第1画像を形成するステップを更に包含し、
ここで、第1画像はシーンと空間的に相関され、また、第1画像は第1副画像及び第2副画像からなる、
ことを特徴請求項3記載の方法。 - (6)第1光検出器アレイ及び第2光検出器アレイを配列させるステップを更に包含し、
ここで、第1光検出器アレイは第1平面を画成し、第2光検出器アレイは第2平面を画成し、また、第1平面及び第2平面は異なる平面である、
ことを特徴請求項3記載の方法。 - (7)複数個の光検出器アレイを提供するステップを更に包含し、
ここで、複数個の光検出器アレイは第1光検出器アレイ及び第2光検出器アレイからなり、また、複数個の光検出器アレイは、集光光学系の画像フィールドの形状に実質的にマッチするようなアレンジメントで配列されている、
ことを特徴請求項3記載の方法。 - (i)第2光学場における第3局在収差の大きさが、第1光学場の第1部分における第3局在収差の大きさよりも小さいように、第2光学場を提供するステップを更に有することを特徴請求項1記載の方法。
- (j)第2光学要素で第2光学場を受信するステップと、
ここで、第2光学要素は第2光学場を複数個の第1副光学場にタイル張りし、また、複数個の第1副光学場の各々は第3局在収差により特徴付けられる、
(k)複数個の第2副光学場を提供するステップと、
ここで、複数個の第2副光学場の各々は複数個の第1副光学場の異なる副光学場に基づき、また、複数個の第2副光学場の各々における第3局在収差の大きさは、複数個の第1副光学場に対応するその副光学場における第3局在収差の大きさよりも小さい、
(l)第3光学要素で第3光学場を受信するステップと、
ここで、第3光学要素は第3光学場を複数個の第3副光学場にタイル張りし、また、複数個の第3副光学場の各々は第4の局在収差により特徴付けられる、
(m)複数個の第4の副光学場を提供するステップと、
ここで、複数個の第4の副光学場の各々は複数個の第3副光学場の異なる副光学場に基づき、また、複数個の第4の副光学場の各々における第4の局在収差の大きさは、複数個の第3副光学場に対応するその副光学場における第4の局在収差の大きさよりも小さい、
を更に包含することを特徴請求項1記載の方法。 - (a)第1光学場を複数個の第2光学場にタイル張りするステップと、
ここで、第1光学場はシーンからの光に基づく、
(b)複数個の第3光学場を提供するステップと、
ここで、複数個の第3光学場の各々は、別の複数個の第2光学場に基づき、また、複数個の第3光学場の各々における第1局在収差の大きさは、対応する第2光学場における第1局在収差の大きさよりも小さい、
(c)複数個の第3光学場に基づき複数個の副画像を形成するステップと、
ここで、複数個の副画像及び複数個の第3光学場は1対1の対応関係を有する、
からなることを特徴とする方法。 - シーンの第1画像を形成するために、複数個の副画像を結合するステップを更に包含し、
ここで、第1画像はシーンと空間的に相関する、
ことを特徴とする請求項10記載の方法。 - 複数個の副画像は、
(i)別の複数個の第3光学場を複数個の光検出器アレイの各々で受信するステップと、
(ii)複数個の出力信号アレイを発生させるステップと、
ここで、複数個の出力信号アレイの各々は別の複数個の光検出器アレイにより受信される第3光学場に基づく、
(iii)別の複数個の副画像を形成するために、複数個の出力信号アレイの各々をデジタル処理するステップと、
からなる操作により形成されることを特徴とする請求項10記載の方法。 - (iv)複数個の第3光学場を複数個の光検出器アレイに提供するステップと、
ここで、第3光学場の各々は別の複数個の光学要素により提供される、
(v)複数個の光学要素のその対応する光学要素の開口サイズに基づいて複数個の光検出器アレイの各々のサイズを決定するステップと、
を更に包含することを特徴請求項12記載の方法。 - (vi)複数個の光検出器アレイを提供するステップを更に包含し、
ここで、複数個の光検出器アレイの各々は第1平面に位置する、
ことを特徴とする請求項12記載の方法。 - (vii)光検出器アレイが共面ではないアレンジメントで複数個の光検出器アレイを提供するステップを更に包含することを特徴とする請求項12記載の方法。
- (viii)光検出器アレイが共面であるアレンジメントで複数個の光検出器アレイを提供するステップを更に包含することを特徴とする請求項12記載の方法。
- (ix)シーンからの光を集光光学系で受信するステップと、
ここで、集光光学系は第1光学場をプロセッサ光学系に提供し、また、集光光学系は画像フィールドにより特徴付けられる、
(x)プロセッサ光学系を提供するステップと、
ここで、プロセッサ光学系は第1光学場をタイル張りし、また、プロセッサ光学系は複数個の光学要素からなる、
(xi)複数個の光検出器アレイを提供するステップと、
ここで、複数個の光検出器アレイ及び複数個の光学要素は集合的に複数個のサブ撮像ユニットを画成し、また、複数個のサブ撮像ユニットは、画像フィールドの形状に実質的にマッチするアレンジメントで提供される、
を更に包含することを特徴とする請求項12記載の方法。 - (d)複数個の第3光学場の各々における第2局在収差の大きさが、その対応する第2光学場における第2局在収差の大きさよりも小さいように、複数個の第3光学場を提供するステップを更に包含することを特徴とする請求項10記載の方法。
- (a)集光光学系と、
ここで、集光光学系はシーンからの光を受信し、そして、当該光に基づく第1光学場を提供し、また、集光光学系は画像フィールドにより特徴付けられる、
(b)複数個の光学要素からなるプロセッサ光学系と、
ここで、第1局在収差の大きさを低減するために、複数個の光学要素の各々は必要な寸法にされ、かつ、配列されている、
プロセッサ光学系は第1光学場を複数個の第2光学場にタイル張りし、また、複数個の光学要素の各々は別の複数個の第2光学場を受信し、そして、その受信した第2光学場に基づいて第3光学場を提供する、
複数個の第3光学場の各々における第1局在収差の大きさはその対応する第2光学場における第1局在収差の大きさよりも小さい、
からなることを特徴とする装置。 - (c)開口アレイを更に包含し、
ここで、開口アレイは複数個の光検出器アレイからなり、複数個の光検出器アレイの各々は別の複数個の第3光学場を受信し、更に、複数個の光検出器アレイの各々はその受信された第3光学場に基づく電気信号アレイを提供する、
ことを特徴とする請求項19記載の装置。 - (d)プロセッサを更に包含し、
ここで、プロセッサは複数個の副画像を形成し、そして、複数個の副画像の各々は別の複数個の電気信号アレイに基づく、
ことを特徴とする請求項20記載の装置。 - プロセッサは複数個の副画像に基づく第1画像を形成し、また、第1画像はシーンと空間的に相関されていることを特徴とする請求項21記載の装置。
- 複数個の光検出器アレイは共面であることを特徴とする請求項20記載の装置。
- 複数個の光検出器アレイはモノリシック的に集積されていることを特徴とする請求項20記載の装置。
- 複数個の光検出器アレイのうちの第1光検出器アレイは第1平面に配置され、また、複数個の光検出器アレイのうちの第2光検出器アレイは第2平面に配置され、第1平面と第2平面は異なる平面であることを特徴とする請求項20記載の装置。
- 複数個の光検出器アレイは、画像フィールドの形状に実質的にマッチするアレンジメントで配列されていることを特徴とする請求項20記載の装置。
- 複数個の光検出器アレイの各々及び別の複数個の光学要素は集合的にサブ撮像ユニットを画成し、そして、複数個のサブ撮像ユニットは、画像フィールドの形状に基づくアレンジメントで配列されていることを特徴とする請求項20記載の装置。
- (e)開口アレイを更に包含し、
ここで、開口アレイの各開口は複数個の光学要素からなり、開口アレイの各開口は別の複数個の第3光学場を受信し、更に、開口アレイの各開口は受信した第3光学場を複数個の第4の光学場にタイル張りすることを特徴とする請求項19記載の装置。 - 第1局在収差の大きさを低減するために、各光学要素は必要な寸法にされ、かつ配列されていることを特徴とする請求項28記載の装置。
- 第2局在収差の大きさを低減するために、複数個の光学要素のうちの少なくとも一つは必要な寸法にされ、かつ配列されていることを特徴とする請求項19記載の装置。
- (a)集光光学系と、
ここで、集光光学系はシーンからの光を受信し、そして、当該光に基づく第1光学場を提供し、また、集光光学系は画像フィールドにより特徴付けられる、
(b)複数個の第1光学要素からなるプロセッサ光学系と、
ここで、複数個の第1光学要素は画像フィールドに実質的にマッチするアレンジメントで配列されている、
(c)複数個の光検出器アレイと、
ここで、複数個の光検出器アレイの各々は、別の複数個の第1光学要素から第1光学場の一部を受信し、また、複数個の光検出器アレイの各々は、第1光学場のその受信した部分に基づく副画像を提供する、
からなることを特徴とする装置。 - 第1局在収差の大きさを低減するために、複数個の光学要素の各々は、必要な寸法にされ、かつ配列されていることを特徴とする請求項31記載の装置。
- 複数個の光学要素の各々は、画像フィールドとその光学的に結合された光検出器アレイとの間のリレーレンズとして配列されていることを特徴とする請求項31記載の装置。
- 複数個の光学要素の各々は、第1局在収差の大きさを低減するために必要な寸法にされ、かつ配列されている第2光学要素を更に包含することを特徴とする請求項33記載の装置。
- (d)プロセッサを更に包含し、
ここで、プロセッサは複数個の副画像からなる複合画像を形成し、また、複合画像はシーンと空間的に相関している、
ことを特徴とする請求項31記載の装置。
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