特開 2016-149134 マルチスケール光学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-149134(P2016-149134A)

(43)【公開日】2016年8月18日

(54)【発明の名称】マルチスケール光学システム

(51)【国際特許分類】

   G06T 1/00 20060101AFI20160722BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20160722BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20160722BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20160722BHJP

【ＦＩ】

   G06T1/00 440

   G02B3/00 A

   G02B13/00

   H04N5/225 D

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-29591(P2016-29591)

(22)【出願日】2016年2月19日

(62)【分割の表示】特願2011-544647(P2011-544647)の分割

【原出願日】2010年1月5日

(31)【優先権主張番号】61/142,499

(32)【優先日】2009年1月5日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】12/651,894

(32)【優先日】2010年1月4日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】511161203

【氏名又は名称】アプライド クウォンタム テクノロジイズ インク

(71)【出願人】

【識別番号】507189666

【氏名又は名称】デューク ユニバーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】100081053

【弁理士】

【氏名又は名称】三俣 弘文

(72)【発明者】

【氏名】ブレイディー，デイビッド，ジョーンズ

(72)【発明者】

【氏名】ハーゲン，ネイサン，エイドリアン

(72)【発明者】

【氏名】マケイン，スコット，トーマス

【テーマコード（参考）】

2H087

5B047

5C122

【Ｆターム（参考）】

2H087KA01

2H087KA02

2H087LA01

2H087LA27

2H087NA01

2H087RA26

2H087RA41

2H087RA44

5B047BA02

5B047BB04

5B047BC04

5B047BC05

5B047DC20

5C122DA01

5C122EA12

5C122EA37

5C122EA54

5C122FB02

5C122FB03

5C122FB05

5C122FC04

5C122FC06

5C122FH18

5C122HB01

5C122HB10

(57)【要約】

【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

【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）集光光学系（１００６）と複数のサブ撮像ユニット（１００２）とを有する光学撮像システム（１０００）を用意するステップと、
前記各サブ撮像ユニット（１００２）は、２次元に配置された光検出機（９０２）を有する複数の光検出器アレイ（４１２）と複数の光学要素（１００８）とを有し、
（ｂ）前記集光光学系（１００６）により形成されたシーン（４０２）の画像（１０１０）を画像フィールド（１００４）に形成するステップと、
（ｃ）前記画像の複数の画像部分（４１８）を前記複数の光検出器アレイ（４１２）上にリレーするステップと、
前記各画像部分（４１８）は、前記複数の光検出器アレイ（４１２）の異なる光学要素（１００８）で受領された光学場であり、前記各光学場は第１収差を有し、
（ｄ）前記複数の画像部分（４１８）の内の少なくとも１つの画像部分（４１８）の前記第１収差を低減するステップと、
を有し、前記複数の複数の光学要素（１００８）の内の少なくとも１つの複数の光学要素（１００８）は、前記第１収差に基づいた処方箋で特徴づけられる
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記複数の光学要素（１００８）は同一であり、
前記複数のサブ撮像ユニット（１００２）の内の第１サブ撮像ユニット（１００２）は、その配置位置に基づく処方箋を有する第１レンズを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

（ｅ）第１副画像を形成するステップと、
（ｆ）第２副画像を形成するステップと、
（ｇ）前記第１副画像と第２副画像とを有し、前記シーン（４０２）と空間的に相関関係が採られている第２画像を形成するステップと、
を有し、
前記ステップ（ｅ）の第１副画像は、
(ｉ)第１群の電気信号（４２２−１）を生成するステップと、
前記第１群の電気信号（４２２−１）は、前記複数の光検出器アレイ（４１２）の内の第１光検出器アレイ（４１２−１）により、前記複数の光学要素（１００８）の内の第１光学要素（１００８−１）によりリレーされた第１画像部分（４１８−１）に基づいて、生成され、
(ｉｉ)前記第１群の電気信号（４２２−１）をプロセッサ（４２４）に提供するステップと、
（ｉｉｉ）前記第１群の電気信号（４２２−１）をデジタル処理して、前記第１副画像を生成するステップと
により形成され、
前記ステップ（ｆ）の第２副画像は、
(ｉ)第２群の電気信号（４２２−２）を生成するステップと、
前記第２群の電気信号（４２２−２）は、前記複数の光検出器アレイ（４１２）の内の第２光検出器アレイ（４１２−２）により、前記複数の光学要素（１００８）の内の第２光学要素（１００８−２）によりリレーされた第２画像部分（４１８−２）に基づいて、生成され、
(ｉｉ)前記第２群の電気信号（４２２−２）を前記プロセッサ（４２４）に提供するステップと、
（ｉｉｉ）前記第２群の電気信号（４２２−２）をデジタル処理して、前記第２副画像を生成するステップと
により形成される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項4】

（ｈ）前記第１光検出器アレイ（４１２−１）のサイズを、前記第１光学要素（１００８−１）の開口サイズに基づいて、選択するステップと、
（ｉ）前記第２光検出器アレイ（４１２−２）のサイズを、前記第２光学要素（１００８−２）の開口サイズに基づいて、選択するステップと、
を更に有する
ことを特徴とする請求項３記載の方法。

【請求項5】

（ｄ２）前記複数の画像部分（４１８）の内の少なくとも１つの画像部分（４１８）の第２収差を低減するステップと、
を有し、前記複数の複数の光学要素（１００８）の内の少なくとも１つの複数の光学要素（１００８）は、前記第２収差に基づいた処方箋で特徴づけられる
ことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項6】

シーン（４０２）の第１画像（１０１０）を画像フィールド（１００４）に提供する集光光学系（４０４）と、複数のサブ撮像ユニット（１００２）とを有する装置において、
前記各サブ撮像ユニット（１００２）は、光学要素（１００８）と検出器アレイ（４１２）とを有し、前記検出器アレイ（４１２）は、２次元に配置された光検出機（９０２）を有し、前記各光学要素（１００８）は、（ａ）画像フィールド（４１８）を光検出器アレイ（４１２）にリレーし、（ｂ）前記画像フィールド（４１８）の第１収差を低減し、前記画像フィールド（４１８）は画像の一部である
ことを特徴とする装置。

【請求項7】

前記複数の検出器アレイ（４１２）は、それぞれの光学要素（１００８）によりリレーされる光学フィールド（４１８）に基づく電気信号アレイ（４２２）を提供する
ことを特徴とする請求項６記載の装置。

【請求項8】

前記複数の光学要素（１００８）は同一であり、
第１のサブ撮像システム（１００２−１）は、その配置位置に基づく処方箋を有する第１レンズを有する
ことを特徴とする請求項６記載の装置。

【請求項9】

前記サブ撮像ユニット（１００２）は、前記画像フィールド（１０１０）の形状に基づいて配置されている
ことを特徴とする請求項６記載の装置。

【請求項10】

前記第１光学要素（１００８）の少なくとも１つは、リレーされた画像フィールド（４１８）の第２収差を低減するような大きさで配列されている
ことを特徴とする請求項６記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像光学系に関し、特に、撮像レンズに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、デジタルカメラシステムの傾向は、光学要素及び検出器アレイの両方の小型化であった。しかし、これらの要素が小型化するにつれて、これら光学システムの光学性能は悪くなる。なぜなら、角度分解能及び解像可能物点数の両方が撮像系の直径の小型化につれて低下するからである。

【0003】

デジタル撮像系は物体又はシーンからの光を光電子検出器アレイに供給する。各検出器は電気信号を供給する。電気信号の大きさは当該検出器への入射光の強度の関数である。その結果、検出器アレイは、物体の輪郭を推定するために入射光を電子的に処理することができる。一般的に、レンズ系にとっては、(1)出来るだけ大きな口径を通じて出来るだけ多くの光信号を集めること、及び(2)集められた光信号を検出器アレイ上に光学画像を形成するように処理するか又は光信号をデジタル画像推定用にエンコード（符号化）するように処理することが望ましい。

【0004】

レンズ系の設計は、主要な性能測定基準（例えば、角解像度、視界又は視野、被写界深度、スペクトル範囲、感度、動作範囲、システムの重量及び大きさ等に関する達成目標を特定することにより開始される。角解像度は一般的に、最も重要な初期測定基準である。レンズの最適角解像度はλ／Ａにより与えられる。ここで、λは動作波長であり、Ａは集光開口直径である。この関係式により集光開口直径サイズが決定されたら、材料及び表面分布の賢明な選択により残りの性能測定規準を達成するようレンズは設計される。

【0005】

従来のレンズ設計では、入射レンズ又は光学ストップ（即ち、一次開口）の開口サイズはしばしば、レンズ系における全ての後続レンズ表面（即ち、二次開口）の有効開口サイズを決定する。複数のレンズ及び開口の使用は、レンズ系が同時に、(1)手による撮像作業に適当な有効焦点距離及び倍率を形成すること、(2)像収差の低減及び(3)正確な画像配向を提供することを可能にする。二次開口は一般的に、レンズ系により伝搬される拡大又は縮小入射開口の有効断面積に適合される。低収差のレンズ系では、入射開口のサイズはしばしば、レンズ系の角解像度を決定し、一方、二次開口のサイズはレンズ系の視界を決定する。

【0006】

簡単なカメラは一般的に、概ね等しいサイズの開口を有する一連のレンズを使用することにより視界と解像度とをバランスさせている。他方、顕微鏡では、集光開口に対して二次開口を増大させることにより、大きな視界と角解像度を達成している。望遠鏡では、二次開口サイズを低下させることにより、限定的な視界と共に並はずれた角解像度を達成している。広視野カメラは、概ね等しい一次及び二次開口により画像の全域で大きな収差を許容することにより大きな視界を達成している。従って、従来のレンズ設計では、所望の性能測定規準間では通常二律背反の関係があった。例えば、望遠鏡は視界を犠牲にすることにより高角解像度を達成し、広視野カメラは、回折ー限定的角解像度を犠牲にすることにより大きな角視界を達成し、複合光学カメラは、収差補正光学系を更に含むためにカメラ全体の大きさを増大させることにより高品質を達成している。

【0007】

標準的な撮像光学系の制限の幾つかを克服するために、多開口カメラが開発された。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。

【0008】

さらに、多開口カメラの設計スペースは非常に制限される。そのため、実際のカメラ系におけるそれらの採用は限定的である。多開口カメラの使用は、その検出器アレイのサイズ及びシステム開口のサイズが概ね等しいサイズでなければならない。その結果、従来の多開口設計は一般的に、非常に小さな集光開口に限られる。また、これは設計できるカメラフォーマットの数も制限する。さらに、多開口カメラは一般的に、検出器アレイ上の副画像の重畳を避ける必要性のために、限定された視界を有する。このような重畳は光学系設計に視野絞りを導入することにより避けることができる。しかし、視野絞りの導入はカメラを大型化する。別法として、検出器アレイの副画像領域間に吸収バリアを配設することができる。しかし、吸収バリアの配設は製造コストとカメラの複雑性を著しく高める。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

従来のレンズ設計に付随する設計上の二律背反の幾つかを避けることができ、しかも、高い性能コストを有効に達成できるレンズ系の開発が強く望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題を解決するために、本発明は従来技術の欠点の幾つかを解消する光学系を提供する。本発明は、光の集収と光の処理機能が別々のマルチスケールレンズ系を提供する。その結果、各機能は他の機能に対して有害な影響を与えること無く独立的に設計することができる。本発明は、下記のうちの一つ以上により特徴付けられるレンズ系を提供する。(1)回折限界分解能を有する広視野撮像、(2)高い光集収における改善された光学画像解像度、(3)低コストレンズ系、(4)低システム質量及びシステム容積、(5)３Ｄ撮像可能性、(6)改善された被写界深度及び(7)低コスト検出系。本発明の実施態様は、携帯電話、カメラ、監視システム、テレビ会議システム、人工衛星システムなどで使用するための高性能撮像系用として特に好適である。

【0011】

従来技術のレンズ系は、他の性能測定基準のうちの少なくとも一つを犠牲にすることによってのみ、高解像度、広視野、シングルショット露光及び固有入射光束係数などのような性能測定基準を達成する。例えば、従来の光学系は望遠鏡の形状の使用により視野を犠牲にすることにより高解像度を達成する。これに対して、本発明のレンズ系は、これらの性能測定基準の全てを同時に達成する。本発明の別の実施態様では例えば、高解像度、広視野、シングルショット露光及び全小固有入射光束係数を達成する。

【0012】

本発明は、大きな直径を有する単一開口レンズと微小光学系の多開口レンズアレイを併用する光学撮像系を提供する。単一開口レンズは高い角解像度を提供し、一方、微小光学系レンズは収差補正を提供する。更に、多開口レンズアレイの使用により、セグメント化された高密度検出器アレイの使用が可能になる。

【0013】

本発明の実施態様は、小型レンズのような複数の光学要素からなるプロセッサ光学系からなる。このプロセッサ光学系は、シーンからの光に基づいて第１の光学場(optical field)を複数の第２の光学場にタイル張りする。第２の光学場の幾つか又は全部は少なくとも一つの局在化された収差により特徴付けられる。プロセッサ光学系における光学要素類は局在収差を軽減する。これは、これらの収差を補正するための集光光学系の必要性の一部又は全部を低減する。

【0014】

各光学要素類は別の複数個の開口アレイに補正された光学場を提供する。或る実施態様では、各開口アレイは、補正された光学場の一つを受信する光検出器アレイからなる。各光検出器アレイからの出力信号はシーンと空間的に相関された副画像を形成するために使用される。別の実施態様では、これら副画像は結合されて、シーンの完全な空間的に相関された画像を形成する。

【0015】

或る実施態様では、各開口アレイは、別の複数個の光学要素類からなる第２の処理光学系である。各複数個の光学要素類は更に、その受信した補正光学場を複数個の第３の光学場にタイル張りする。別の実施態様では、各光学要素類はまた、その第３の光学場に追加的な収差補正も提供する。このような階層的実施態様は、本発明の単一段階実施態様よりも大きな集光光学系の使用を可能にする。或る実施態様では、少なくとも一つの小型レンズの光学特性は整調可能である。

【0016】

或る実施態様は、検出器アレイのモザイクからなる。各検出器アレイはシーンの空間的に相関された副画像を提供する。これら実施態様において、これら副画像の登録はデジタル的に行われる。その結果、検出器アレイ間のアライメント公差は従来技術におけるときよりも一層緩和されている。

【0017】

本発明の実施態様は、
(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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来技術による第１の撮像系の模式的構成図である。

【図2】従来技術による第２の撮像系の模式的構成図である。

【図3】従来技術による第３の撮像系の模式的構成図である。

【図4】本発明の一実施例による撮像系の模式的構成図である。

【図5】本発明の一実施例により画像の提供に好適な方法の操作手順を示すブロック図である。

【図6】全視野像面湾曲の分解を一層簡単に補正可能な要素収差に表示する模式図である。

【図7】全視野像面湾曲を補正するのに好適なプロセッサ光学系の断面図である。

【図8】本発明の一実施例によるプロセッサ光学系の模式的構成図である。

【図9】本発明の一実施例による開口アレイの模式的構成図である。

【図10】本発明の別の実施例による撮像系の模式的構成図である。

【図11】本発明の更に別の実施例による撮像系の模式的構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら更に詳細に説明する。

【0020】

図１は従来技術による第１の撮像系の模式的構成図である。システム１００は統合されたコンピュータ操作撮像系である。この撮像系は多レンズアレイ及び再構成アルゴリズムを使用し、広視野全体にわたって高解像度をもたらす。システム１００は撮像素子１０４とプロセッサ１１８を有する。

【0021】

撮像素子１０４は薄型画像入力モジュール(TOMBO)撮像素子である。この撮像素子はシーン（情景）１０２からの視野を受信する。撮像素子１０４はレンズアレイ１０６，分離層１１０及び光検出器アレイ１１２からなる。

【0022】

レンズアレイ１０６は概ね同一のレンズ１０８の２次元アレイからなる。レンズアレイ１０６内の各レンズ１０８及びその対応する光検出器アレイは異なる撮像ユニットを形成する。分離層１１０は撮像ユニット間の光漏話を緩和するパーティション（仕切）を構成する。

【0023】

操作では、撮像素子１０４は中間画像１１４を提供する。中間画像１１４は複数個の画像１１６からなり、各画像は撮像素子１０４の異なる画像ユニットにより提供されたシーン１０２の低解像度画像のコピーである。画像１１６は互いに僅かに歪んだバージョンであり、この歪みはレンズアレイ１０６内のその対応レンズ１０８の位置に基づく。

【0024】

中間画像１１４はプロセッサ１１８により受信される。プロセッサ１１８は再構成アルゴリズムを適用し、複数個の低解像度画像を単一の高解像度画像１２０に変換する。この再構成アルゴリズムの品質は、撮像素子１０４の光学系における変位及び収差に関するパラメータ推算の正確性を当てにしている。

【0025】

単一の光検出器アレイの異なる領域の各々に同じ情報を提供することにより、従来のＴＯＭＢＯシステムはデジタル処理を使用し、光検出器アレイの特性から生じるサンプリング限界を解消することができる。運悪く、ＴＯＭＢＯシステムは画像の光学的解像度を全く改善しない。なぜなら、ＴＯＭＢＯシステムは結局のところ、各小型レンズの開口サイズにより制限されてしまうからである。

【0026】

更に、ＴＯＭＢＯ系撮像システムの設計スペースは極端に限定されている。例えば、システム開口及び検出器アレイは概ね同じサイズでなければならない。その結果、このようなシステムは一般的に、小さな集光開口に限定されてしまう。これはまた、このようなシステムについて設計可能な使用可能なカメラフォーマットの個数も制限してしまう。更に、分離層１１０の包含は一般的に、ＴＯＭＢＯ系撮像システムの視野を制限するために必要であり、これにより画像１１６の重畳を防止する。しかし、分離層１１０の包含はシステム容積を大幅に増大させる。別法として、光吸収バリアを各レンズ１０８に付属される検出器アレイ間で使用することができる。しかし、これは組立の複雑性及びシステムコストを増大させる。

【0027】

図２は従来技術による第２の撮像系の模式的構成図である。システム２００は、像面湾曲収差を補正する２段階撮像系である。この収差は球面形状像面を平面に投射することにより生じる。システム２００はレンズ２０２、光電子デバイス２１０−１〜２１０−５及びレンズ２１４，２１６−１、２１６−２、２１８−１及び２１８−２からなる。システム２００は光軸２０４に対して対称である。

【0028】

レンズ２０２は広域レンズであり、シーンからの光２０８を受信し、そして光学場２２２を提供する。レンズ２０２は光軸２０４及び像面２０６により特徴付けられる。レンズ２０２は光２０８を受信し、その光を像面２０６に合焦する。像面２０６は球面形状面であり、レンズ２０２の焦点距離を示す。

【0029】

光電子デバイス２１０−１〜２１０−５（以下「デバイス２１０」と言う）は基板２１２の上面に形成され、基板２１２と共面である。

【0030】

レンズ２１４，２１６−１、２１６−２、２１８−１及び２１８−２は小型レンズであり、各レンズはレンズ２０２からの光学場２２４−１〜２２４−５（以下「光学場２２４」と言う）のうちの一つを受信する。例えば、小型レンズ２１８−１は光学場２２４−１を受信し、小型レンズ２１４は光学場２２４−３を受信し、小型レンズ２１８−２は光学場２２４−５（図面を簡略化するため図示されていない）を受信する。各小型レンズはその受信光学場をその対応する光電子デバイス２１０の表面に合焦する。

【0031】

小型レンズ２１４，２１６−１、２１６−２、２１８−１及び２１８−２も共面であり、スペーサ２２０の上面に配設されている。スペーサ２２０は基板２１２上に配設されている。スペーサ２２０は各小型レンズを、小型レンズの焦点距離だけその各デバイス２１０から離間させる。

【0032】

小型レンズが共面（coplanar）なので、これらと像面２０６との間の離間距離は光軸２０４からの距離に応じて増大する。その結果、小型レンズ２１８−１及び２１８−２で受信された光学場２２４−１〜２２４−５の直径は、小型レンズ２１６−１及び２１６−２で受信される光学場２２４−２〜２２４−４の直径よりも大きく、また、小型レンズ２１６−１及び２１６−２で受信される光学場２２４−２〜２２４−４の直径は小型レンズ２１４で受信される光学場２２４−３の直径よりも大きい。小型レンズが受信する光学場の大きなサイズを適応させるために、小型レンズ２１６−１及び２１６−２は小型レンズ２１４よりも大きい（即ち、大きなクリアな開口を有する）。同様に、小型レンズ２１８−１及び２１８−２は小型レンズ２１６−１及び２１６−２よりも大きい。更に、小型レンズの焦点距離は光軸２０４からの距離の増大につれて増大し、像面２０６からの離間距離の増大に適応させる。

【0033】

システム２００は像面湾曲（field curvature）を或る程度補正しなければならない。これはグローバル収差である。本明細書において「グローバル収差（global aberration）」とは、ゆっくりと変化する態様で複数の光学場に及ぶ収差を意味する。また、本明細書において「局在収差（localized aberration）」とは収差又はグローバル収差の一部、すなわち、各光学場に対して実質的に独特な収差を意味する。例えば、複数個の局在収差は集合的にグローバル収差と定義することもできるかもしれないが、各局在収差に付随する波面湾曲の大きさは、その付随する個々の光学場に対して実質的に独特である。従って、局在収差を補正するために、個々の小型レンズはその受信光学場に対して独特な処方箋が必要である。

【0034】

小型レンズ２１４，２１６−１、２１６−２、２１８−１及び２１８−２は実質的に同一である。その結果、システム２００は局在収差を補正しない。例えば、光学場２２２は、実質的にゆっくりと変化する態様で集合光学場２２４に及ぶグローバル収差により特徴付けられ得る。各光学場２２４は、特定の光学場のみに付随する１個以上の局在収差により特徴付けられ得る。

【0035】

システム２００に付随する別の欠点は、小型レンズのうちの幾つかの直径が光電子デバイス２１０のピッチに近ずくか又は越えるような場合に生起する。

【0036】

図３は従来技術による第３の撮像系の模式的構成図である。システム３００は、像面湾曲収差を補正する第２の２段階撮像系である。システム３００は、レンズ２０２、光電子デバイス２１０−１〜２１０−５及び小型レンズ３０２、３０４−１、３０４−２、３０６−１及び３０６−２からなる。

【0037】

小型レンズ３０２、３０４−１、３０４−２、３０６−１及び３０６−２はスペーサ３０８の上面に配設されている。スペーサ３０８は階段３１０からなる。この階段３１０により、各小型レンズを像面２０６に対して配置させることができる。しかし、その結果、スペーサ２０８は、光軸２０４からの距離に応じて増大する距離だけ各デバイス２１０から各小型レンズを離間させる。従って、各小型レンズは、小型レンズとその対応する光電子デバイス２１０との間の離間距離に対応する焦点距離を有する。

【0038】

システム３００は各小型レンズを像面２０６に接近して配置させるので、小型レンズにより受信される光学場は、レンズ２０２による像面２０６における集光以上からなる。その結果、各小型レンズは実質的に同じ直径を有する。しかし、レンズの曲率は光軸２０４からの距離に応じて増大する。

【0039】

システム２００及び３００の何れも各小型レンズ毎に１個の光電子要素２１０を使用しなければならない。

【0040】

小型レンズ３０２、３０４−１、３０４−２、３０６−１及び３０６−２は焦点距離が相違すること以外は実質的に同一である。従って、システム２００と同様に、システム３００は或る程度の像面湾曲補正しか提供しない。

【0041】

マルチスケール撮像
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。本発明の「マルチスケール撮像」は、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）を有する。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。

【0042】

マルチスケール撮像による方法は、従来技術の撮像システムを凌駕する本発明の顕著な効果を与える。第１に、本発明は光処理の大部分から光集光を分離する。この分離により、その他の要素の設計を変更することなく、集光と処理の各々を個別的に改善させることができる。また、この分離により、ラージスケール集光レンズをラージカウント多開口アレイと共に使用することができ、それにより、幾何学的収差と視野との間の二律背反を低減することができる。

【0043】

第２に、局在収差の補正は集光レンズに必要な設計複雑性を低減する。これにより、迅速な集光光学系が可能になり、全体的なシステム容積が低減される。

【0044】

第３に、本発明の実施態様は優れた画像解像度をもたらすことができる。

【0045】

第４に、本発明の実施態様によれば、製造コスト及びシステムの複雑性が著しく低減される。一層小型のレンズは波面補正を提供するのに優れている。なぜなら、(1)波面補正及び画像形成は両方とも、一層小さな開口に及ぶ低波長スケールエラーの幾何学的解決をもたらし、また、(2)複雑なレンズ面の製造はスケールシステムが小さくなるほど一層容易になるからである。

【0046】

第５に、本発明の幾つかの実施態様では、処理光学系は重畳場について異なった範囲内で合焦する。これにより、例えば、ＴＯＭＢＯ系システムにおけるような多次元的な画像取込を結合することによりトモグラフィー的な物体再構成が可能になる。

【0047】

最後に、マルチスケール設計により、多数の分離した焦点面アレイの使用が可能になる。その結果、分離した焦点面アレイは任意の好都合な方法（例えば、非平面配置法）で配列させることができる。更に、焦点面アレイのサイズは、製造コストを低減させ、かつ、全体的信頼性を高める粒度で選択することができる。更にまた、複数個の焦点面アレイからの副画像は、従来技術の撮像システムで見られたような繕い及びフィールド均一性問題無しにシーンの空間的に相関された画像に集合的に合成させることができる。更にまた、フルシーン画像を合成するために必要な後処理の複雑性は、従来技術の撮像システムで必要とされていたＴＯＭＢＯ系システムのようなコンピュータ操作後処理よりも本発明の実施態様の方が著しく低い。

【0048】

図４は、本発明の一実施例による撮像系の模式的構成図である。システム４００は集光光学系４０４、プロセッサ光学系４０６及び開口アレイ４１０からなる。

【0049】

図５は、本発明の例証的な実施態様により画像を提供するのに好適な方法の操作手順を示すブロック図である。方法５００は、操作ステップ５０１で開始され、シーン４０２からの光４１４は集光光学系４０４により集光され、そして、光学場４１６としてプロセッサ光学系４０６に提供される。

【0050】

集光光学系４０４は大開口レンズである。集光光学系４０４は図２に関連して前記に説明したレンズ２０２に類似している。

【0051】

操作ステップ５０２において、光学場４１６を光学場４１８−１、４１８−２、４１８−３、４１８−４及び４１８−５にタイル張りする。光学場４１６をタイル張りするために、光学場４１６の異なる部分（即ち、各光学場４１８−１、４１８−２、４１８−３、４１８−４及び４１８−５）が、プロセッサ光学系４０６の各光学要素４０８−１〜４０８−５の有効口径(clear aperture)で受信できるように、集光光学系４０４はプロセッサ光学系４０６に光学場４１６を提供する。光学場４１８−１、４１８−２、４１８−３、４１８−４及び４１８−５（集合的に「光学場４１８」と呼ぶ）は小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−３、４０８−４及び４０８−５（集合的に「小型レンズ４０８」と呼ぶ）の各々により受信される。幾つかの実施態様では、集光光学系４０４は光学場４１６の１個以上のグローバル収差の何らかの補正を提供する。

【0052】

プロセッサ光学系４０６は集光光学系４０４の像面の後方地点に配置される。プロセッサ光学系４０６は小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−３、４０８−４及び４０８−５からなる。プロセッサ光学系４０６は光学場４１６を受信し、そして、特に、光学場４１６を一層小さな光学場４１８−１〜４１８−５のアレイにタイル張りする。プロセッサ光学系４０６はプリズム、回折格子、フィルタなどのような小型レンズ以外の光学要素からなる。

【0053】

システム４００は集光光学系４０４の像面の後方に配置された小型レンズ４０８からなるが、小型レンズ４０８は集光光学系４０４の像面の手前に配置させることもできる。

【0054】

前記のように、複数個の別個の領域（即ち、光学場４１８−１〜４１８−５）に光学場４１６をタイル張りすることにより、画像形成が可能になり、更に、小型レンズ４０８により最初に行われるべき処理が可能になる。その結果、大型レンズの設計に内在的な、角解像度vs視野、解像度vsシステム体積などのような設計上の二律背反の必然性を本発明は著しく軽減又は除去する。

【0055】

重要なことは、複数個の別個の光学場４１８−１〜４１８−５に光学場４１６をタイル張りすることにより、その各視野角の中心における局在収差を補正するために、各小型レンズ４０８について個々の処方箋も使用出来ることである。換言すれば、各個体小型レンズは、その受信光学場４１８内の１個以上の局在収差の補正に好適な処方箋に従って設計できる。

【0056】

操作ステップ５０３において、プロセッサ光学系は幾つかの光学場４１８における局在収差を低減する。各小型レンズ４０８は下記の局在化事項を改善するように設計される。
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。

【0057】

局在収差の補正を提供するために、各小型レンズ４０８はこれらの局在収差に基づく個々の処方箋により特徴付けられる。１個以上の局在収差は光学場４１６内の光学場４１８の地理的位置に基づく。また、各小型レンズ４０８の処方箋はプロセッサ光学系４０６内のその地理的位置に基づく。

【0058】

各小型レンズ４０８の処方箋は一次設計原則により定義することができる。光学場４１６のザイデル収差（即ち、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲収差、歪曲収差）は集光光学系４０４に単純な薄型レンズとプロセッサ光学系４０６の位置に理想型レンズを使用することに基づく。開口アレイ４１０における画像の収差関数は下記の数式（１）により決定される。

【0059】

(1)


（式中、Ｗ_ｉｊｋは長さの単位で示される波面収差係数であり、Ｈは正規化視界角であり、ρは正規化瞳孔半径であり、φは瞳孔半径の方位角である。）

【0060】

各小型レンズ４０８の処方箋は、下記の数式（２）で示されるように、ｎ番目の小型レンズについて中心視界角（Ｈ_ｎ）に置き換えて、前記の数式（１）から波面収差の式を最初に発展させることにより創出させることができる。

【0061】

【0062】

所定の小型レンズの中心視界角について局在された収差関数の式は、サイデル収差の形ではない多数の収差項を生成する。しかし、有益なことに、高次視野依存性を伴う収差は著しく低減され、そして、これらの波面エラーの殆どは低次の項にシフトされる。好都合なことに、これら低次項は各小型レンズに関する適当な処方箋を使用することにより光学的に一層簡単に補正できる。しかし、非ザイデル収差の包含は、好適な収差補正を提供するために、小型レンズの表面が非円筒形的対称形状からなることを必要とする。

【0063】

全像面湾曲収差補正の実施例
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。

【0064】

図６は、全視野像面湾曲の分解を一層簡単に補正可能な要素収差に表示する模式図である。プロット６００は、３個の光学要素からなるプロセッサ光学系における光学場４１６の全視野像面湾曲を示す。プロット６０２，６０４及び６０６から、各光学要素における局在収差の推定値を創出させることができる。プロット６０２から明らかなように、２つの軸外光学要素は約４〜４．５波の均質デフォーカスを見る。プロット６０４は、各軸外光学要素がデフォーカスにおける顕著な線形変動も見ることを証明している。最後に、プロット６０６は、通常の像面湾曲を示す。図示されているように、像面湾曲は各光学要素において非常に小さい。

【0065】

プロット６０２、６０４及び６０６から明らかなように、光学場４１６を光学場４０８に分割することにより、軸外小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−３、４０８−４及び４０８−５の一次収差は均質デフォーカス及び線形デフォーカス（即ち、画像傾斜）になる。

【0066】

図７は、全視野像面湾曲を補正するのに好適なプロセッサ光学系の断面図である。プロセッサ光学系７００は基板７０２と小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２からなる。

【0067】

基板７０２は機械的強度を提供するのに十分な厚さのガラス基板である。基板７０２はまた、その表面７０４に小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２の形成を可能にするのに十分な厚さである。基板７０２は、ガラス以外の材料から構成することもできる。特に限定するわけではないが、基板７０２で使用するのに好適な材料は、半導体、ドープガラス、誘電体などである。基板７０２は、紫外線、近赤外線、中赤外線、遠赤外線などのような可視光線以外の波長範囲で動作するレンズ形成用材料からなることもできる。

【0068】

小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２は反応性イオンエッチング及びレジスト剥離技術を用いて基板表面７０４に形成される。小型レンズは成型技術、型押し又はその他の常用技術を用いて形成することもできる。小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２の特定方法、形成方法及び使用方法は本明細書を読めば当業者に明らかである。小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２は異なる基板上に形成された複雑な表面形状により特徴付けられる。これらは一列に配列され、一緒にスタックされて複合小型レンズを形成する。

【0069】

本発明の或る実施態様は、調整可能な光学特性を有する小型レンズからなる。小型レンズの調整可能性は、例えば、電気的、機械的、熱的、磁気的、ミクロ電子機械的、電磁気的、磁気歪的などのような適当な任意の手段により影響させることができる。調整させることができる光学特性は例えば、倍率、焦点距離、焦点面の変更などである。

【0070】

小型レンズ７０６はレンズ７１２からなる。レンズ７１２は球面的に対称なレンズであり、受信光学場を対応する検出器アレイで撮像するのに適する。レンズ７１２の焦点距離は基板７０２とスラブ７１４の合計厚さに基づく。これは一般的に、レンズ７１２とその対応する検出器アレイとの間の分離を画成する。

【0071】

小型レンズ７０６は光軸４２４の中心に配置される。その結果、小型レンズ７０６は線形デフォーカスについて補正する必要が無い。従って、スラブ７１４は実質的に矩形形状である。

【0072】

小型レンズ７０８−１及び７０８−２はそれぞれ光軸４２４から距離ｄ１だけ離間されている。プロット６０２及び６０４に示されるように、これらの小型レンズにより受信される光学場は均等デフォーカスと線形デフォーカスの両方を示す。

【0073】

しかし、線形デフォーカスは小型レンズ位置の関数である。光軸４２４からの距離が増大するに応じて、必要な線形デフォーカス補正量が比例的に増大する。線形デフォーカスは、各小型レンズ７１６−１及び７１６−２にプリズム７１８−１及び７１８−２をそれぞれ組み込むことにより補正される。プリズム７１８−１及び７１８−２の楔形状は、これらの各画像を“傾けない”ことにより線形デフォーカスを補正する。楔形状の角度は各小型レンズにおいて必要とされる画像傾斜補正量により規定される。均等デフォーカス及び線形デフォーカスを補正した後でも、像面湾曲収差が残る。しかし、その像面湾曲収差は全視野像面湾曲のときに比べて著しく低減される。

【0074】

均等デフォーカスは、各小型レンズにおけるデフォーカスを補償するためにその各小型レンズの焦点距離を変更することより容易に補正される。その結果、小型レンズ７１６−１及び７１６−２の焦点距離は距離ｄ１とプリズム７１８−１及び７１８−２の厚さに基づく。

【0075】

同様に、小型レンズ７１０−１及び７１０−２はそれぞれ距離ｄ２だけ光軸４２４から離間されている。その結果、これらのレンズにより受信される光学場は一層大きな均等デフォーカス及び線形デフォーカスを示す。従って、小型レンズ７１０−１及び７１０−２はプリズム７２２−１及び７２２−２を含む。これらのプリズムはプリズム７１８−１及び７１８−２よりも大きな楔角度を有する。更に、小型レンズ７２０−１及び７２０−２の焦点距離は距離ｄ２とプリズム７２２−１及び７２２−２の厚さに基づく。

【0076】

前記の実施例は均等デフォーカス及び線形デフォーカスの実質的に線形収差に関する補正を例証する。その他の収差（例えば、コマ収差、球面収差、非点収差、歪曲収差など）を抑制するために、一層複雑な小型レンズ設計が一般的に必要である。このような設計は、数値方法及びコンピュータ操作的レンズ設計技術を用いることにより容易に実行できる。

【0077】

図８は、本発明の一実施例によるプロセッサ光学系の模式的構成図である。プロセッサ光学系４０６は小型レンズ４０８−１〜４０８−５及びフレーム８０２からなる。プロセッサ光学系４０６は図７に関連して前記に説明したプロセッサ光学系７００と類似している。従って、小型レンズ４０８及びフレーム８０２は、基板７０２及び小型レンズ７０６、７０８−１、７０８−２、７１０−１及び７１０−２に関して前記に説明した材料及び方法を用いて形成される。

【0078】

フレーム８０２は基板の固定部分である。フレーム８０２は機械的強度と安定性をプロセッサ光学系４０６に付与する。また、フレーム８０２はプロセッサ光学系４０６に対して好都合な実装表面も提供する。

【0079】

小型レンズ４０８−３は光軸４２４の中心に配置される。従って、小型レンズ４０８−３は軸的に対称である。

【0080】

小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−４及び４０８−５は軸外小型レンズである。従って、図示されているように、“楔様”造作を組み入れている。更に、各小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−４及び４０８−５は均等デフォーカス及び線形デフォーカス以外の収差を軽減する形状を有する表面からなる。別の実施態様では、各小型レンズ４０８−１、４０８−２、４０８−４及び４０８−５は、別の局在収差を軽減する複雑な表面からなる。処理開口をサブ開口にセグメント化することにより、異なる局在収差は受信光学場４１８において自主的に補正される。図８は、光学要素４０８−１及び４０８−５における一層強い収差補正を示す。増大された収差補正は、画像フィールド(image field)の端部に配置された小型レンズに関する小さな角度接近の失敗に適応される。設計は、軸外フィールドポイントにおける複雑な波面補正用の非球面光学要素及び異なったフィールドポイント用の小型レンズの形状の多様性を予想する。

【0081】

各光学場４１８の各局在収差は波面歪曲収差の大きさにより特徴付けられる。波面補正の可能性はレンズ開口サイズに比例する。なぜなら、波面補正の可能性はレンズの２点間で達成可能な最大位相遅延に基づく。その結果、局在収差に関する波面歪曲収差の大きさと局在収差を補正するために必要な開口サイズとの間には相関関係が存在する。従って、各小型レンズ４０８のサイズはその受信光学場４１８の１個以上の局在収差に付随する波面歪曲収差の大きさに基づいて個別的に決定される。光学場４１６が光学場４１８にタイル張りされる方法は、波面歪曲収差の大きさが光学場４１６の全域で変化する方法により決定される。換言すれば、各小型レンズのサイズと同様に、小型レンズ４０８の配列も、波面歪曲収差の効率的補正を、光学場４１６の各部分全体でどのようにして行うことが出来るかに基づく。

【0082】

各小型レンズ４０８に関する最適開口サイズは、レンズ製造及び組立に付随する実際的な束縛を仮定すれば、密接回折制限撮像(nearly diffraction limited imaging)を達成できる最大開口である。現行のレンズ製造の場合、小型レンズ４０８の開口サイズは、その付随光学場４１８における光の波長の約１００倍〜１０００倍の範囲内である。

【0083】

図９は、本発明の一実施例による開口アレイの模式的構成図である。開口アレイ４１０は検出器アレイ４１２−１〜４１２−５からなる（以下集合的に「検出器アレイ４１２」と呼ぶ）。各検出器アレイ４１２は光検出器９０２の二次元配列からなる。光検出器９０２は基板９０４の表面に配設されている。例えば、検出器アレイ４１２−３は、基板９０４−３の表面上に形成された光検出器９０２の６ｘ４個の二次元アレイからなる。各検出器アレイ４１２のサイズはその対応する小型レンズ４０８の開口サイズに基づく。次ぎに、小型レンズ４０８の開口サイズは、図８に関連して前記に説明したように、小型レンズが提供する収差補正の程度に基づく。少なくとも１個の検出器アレイ４１２は異なるサイズであるか又は少なくとも１個以上の他の検出器アレイ４１２よりも異なる個数の光検出器９０２からなる。或る実施態様では、検出器アレイ４１２は単一の基板上にモノリシック的に実装されている。別の実施態様では、検出器アレイ４１２は共面である。

【0084】

図５の操作ステップ５０４において、光学場４１８−１〜４１８−５はプロセッサ光学系４０６により受信される。プロセッサ光学系４０６の各小型レンズ４０８はその受信光学場を、個別的光学場４２０−１、４２０−２、４２０−３、４２０−４及び４２０−５（以下集合的に「光学場４２０」と呼ぶ）のうちの一つとして開口アレイ４１０上で撮像する。小型レンズ４０８−２及び４０８−５は光学場４１８−２及び４１８−５を、シーン４０２のタイル張りされた光学場４２０−２及び４２０−５として、開口４１２−２上で撮像する。集合的に、光学場４２０はシーン４０２の完全な空間的に相関された画像を示す。

【0085】

各小型レンズ４０８及びその対応する検出器アレイ４１２は集合的に、別の複数個のサブ撮像ユニットを画成する。これらサブ撮像ユニットは、光学場４１６を複数個のモザイク化された副画像に再分する。本発明による副画像のモザイク化は、従来技術に比べて幾つかの優れた効果をもたらす。第１に、使用されるべき視野の重畳を可能する。これにより、シーンの画像を受信する焦点面アレイが互いに直ぐ隣に隣接している光検出器からならなければならない従来技術の撮像システムに関する重大な制約を緩和する。その結果、各検出器アレイ４１２は、コスト、収率などを最適化するサイズにすることができる。また、所望により、異なるサイズの検出器アレイの使用も可能になる。第２に、検出器アレイ４１２は、これらの間に電子部品を包含することができるように離間させることができる。第３に、副画像のモザイク化は多開口カメラを可能にする。多開口カメラは、合成された画像の物理的フィルタリング、サンプリング及びデジタル処理を連帯的に最適化する。

【0086】

各検出器アレイ４１２−１〜４１２−５は、その各光検出器９０２からの電気信号をプロセッサ４２４に送信する。これらの電気信号は、電気信号アレイ４２２−１〜４２２−５（集合的に「電気信号アレイ４２２」と呼ぶ）として送信される。例えば、検出器アレイ４１２−１は、光学場４２０−１に基づく電気信号アレイ４２２−１をプロセッサ４２４に送信する。

【0087】

図５の操作ステップ５０５において、プロセッサ４２４は、光学場４２０に基づく電気信号アレイ４２２に基づいて、シーン４０２の複合画像を形成する。

【0088】

プロセッサ４２４は電気信号アレイを受信する汎用目的プロセッサである。プロセッサ４２４は電気信号アレイ４２２−１〜４２２−５をデジタル処理し、光学場４２０−１〜４２０−５をそれぞれ示す副画像を生成する。プロセッサ４２４はこれらの副画像をシーン４０２を示す複合画像に繕う。

【0089】

或る実施態様では、小型レンズ４０８の倍率は１未満である。従って、光学場４２０は相互に離間されており、互いに実質的に独立的である。その結果、検出器アレイ４１２のパッケージング許容度は、従来技術の撮像システムに関する一般的要件にに比べて極めて緩やかである。例えば、本発明の実施態様における検出器アレイは相互に物理的に転置させることができ、アレイ間に調節用電子部品を含むことなどができる。その結果、本発明は従来技術に比べて顕著な製造コスト低減が可能になる。

【0090】

図１０は、本発明の別の実施例による撮像系の模式的構成図である。システム１０００はサブ撮像ユニット１００２−１〜１００２−５と集光光学系１００６からなる。

【0091】

集光光学系１００６は画像フィールド１００４にシーン４０２の画像１０１０を形成する。集光光学系１００６は集光光学系４０４と類似している。

【0092】

サブ撮像ユニット１００２−１〜１００２−５（集合的に「サブ撮像ユニット１００２」と呼ぶ）は、画像フィールド１００４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る。各サブ撮像ユニット１００２は１個の小型レンズ１００８と１個の検出器アレイ４１２からなる。

【0093】

各小型レンズ１００８は、画像１０１０の一部をその対応する検出器アレイ４１２にリレーする実質的に同一の小型レンズである。換言すれば、小型レンズ１００８は画像フィールド１００４で集光光学系により形成された画像を集合的にリレーするリレーレンズとして機能する。システム１０００では、各小型レンズ１００８はその受信画像をその対応する光検出器アレイ４１２に縮小する。各受信画像部分の縮小は、セグメント化された光検出器アレイ１１０２における画像情報の潜在的喪失を軽減する。或る実施態様では、各小型レンズ１００８は、その受信画像部分を、そのそれぞれの光検出器アレイにリレーしながら、当該受信画像部分を拡大する。別の実施態様では、小型レンズ１００８はそれらが受信した画像部分を拡大も縮小もしない。留意すべきことは、前記のように、サブ撮像ユニット１００２内の各個別小型レンズ１００８が、図４〜図９に関連して説明したようなその受信光学場４１８における局在収差を軽減する特徴を有することである。

【0094】

前記のように、検出器アレイはモザイク化させることができるので、その他の撮像システムに比べて本発明のシステム１０００は次のような顕著な効果を発揮できる。第１に、サブ撮像ユニット１００２は実質的に同一であり、その結果、比較的低コストで容易に大量生産することができる。

【0095】

第２に、システム１０００におけるサブ撮像ユニットにのみ基づく処方箋を有する追加レンズをその他の点で同一のサブ撮像ユニット１００２の各々に簡単に追加することができる。このようなアレンジメントは、小型レンズ１００８の画像リレー収差補正機能を分離する。その結果、このようなシステムは低コストで背増できるばかりか、局在収差補正の補正も提供する。

【0096】

第３に、サブ撮像ユニット１００２は、図１０に示された湾曲アレンジメントのような、光学システムを活用する任意の実際的アレンジメントに配列させることができる。システム１０００はサブ撮像ユニット１００２の一次元アレンジメントからなるように図示されているが、サブ撮像ユニット１００２は空間的アレンジメント、楕円形アレンジメントなどのようなその他の一次元アレンジメント及び多次元アレンジメントに配列させることもできる。

【0097】

集光光学系１００６の画像フィールドに一層緊密にマッチさせるようにサブ撮像ユニット１００２を配列することにより、集光光学系１００６は、検出器アレイが共面であるシステムで必要とされるような設計よりも一層簡単な設計を有することができる。更に、図示された湾曲アレンジメントはシステムにおける像面湾曲収差を軽減する。

【0098】

システム１０００は画像フィールド１００４の後方に配置される小型レンズ１００８を含むが、小型レンズ１００８は画像フィールド１００４の前方に配置させることもできる。

【0099】

図１１は、本発明の更に別の実施例による撮像系の模式的構成図である。システム１１００は集光光学系４０４，プレプロセッサ光学系４０６及び開口アレイ４１０からなる。

【0100】

システム１１００は、集光光学系４０４により提供された光学場４１６から開口アレイ４１０により受信される光学場４２０にまで段階的に光学場４１４が“ステップダウン”する階層的撮像システムである。

【0101】

プレプロセッサ光学系１１０２はプロセッサ光学系４０６と同類である。プレプロセッサ光学系１１０２及びプロセッサ光学系４０６は集合的に、大幅な収差補正を行うことができる。その結果、システム１１００は大きな開口を有する集光光学系を使用することができる。システム１１００の特徴は設計事項の選択であるが、プロセッサの２段階アレンジメントは例えば、(1)約１ｍの直径を有する集光レンズからなる集光光学系と、(2)複数個の小型レンズ（各レンズは約５ｍｍの直径を揺する）からなるプレプロセッサ光学系と、(3)複数個の小型レンズ（各レンズは約１ｍｍの直径を揺する）からなるプロセッサ光学系とを含む。本発明は更に下記の実施態様も含む。
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。

【0102】

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

【符号の説明】

【0103】

１００ 従来技術の第１の撮像系
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】