特許 5881679 単一中心を有するレンズ群をベースにしたマルティスケールの光学システムとその使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5881679

(24)【登録日】2016年2月12日

(45)【発行日】2016年3月9日

(54)【発明の名称】単一中心を有するレンズ群をベースにしたマルティスケールの光学システムとその使用方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20160225BHJP

【ＦＩ】

   G02B13/00

【請求項の数】15

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2013-508216(P2013-508216)

(86)(22)【出願日】2011年4月27日

(65)【公表番号】特表2013-525862(P2013-525862A)

(43)【公表日】2013年6月20日

(86)【国際出願番号】US2011034156

(87)【国際公開番号】WO2011139780

(87)【国際公開日】20111110

【審査請求日】2014年4月24日

(31)【優先権主張番号】13/095,407

(32)【優先日】2011年4月27日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/328,213

(32)【優先日】2010年4月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【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】マークス，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ブラディ，デビット，ジョンズ

【審査官】 堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】 特表平０９−５０９２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２２６２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０８１４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２８７４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５０３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０９６６１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００−１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２−２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００−２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被写体の像を生成する光学システムに於いて、
（Ａ）第１レンズ（１０２）と（Ｂ）複数の第２レンズ（１０４）とを有し、
前記第１レンズ（１０２）は、
（ａ）第１位置に中心を有する球形状の第１レンズ要素（３０２）と、
（ｂ）前記第１位置に湾曲中心を有し均一厚さの入口レンズシェル（３０４）と、
（ｃ）前記第１位置に湾曲中心を有し均一厚さの出口レンズシェル（３０６；１０１０）と、
を有し、
前記第１レンズ要素（３０２）は、
（ｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第１表面を有する第１半球（３０８）と、
（ｉｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第２表面を有する第２半球（３１０）と、
を有し、
前記第１レンズ要素は、通過する光に第１量の第１収差を与え、
前記第１レンズ要素は、前記入口レンズシェルと出口レンズシェルの間に入り、前記第１レンズ要素と入口レンズシェルと出口レンズシェルは、一体となって前記第１レンズを通過する光に、前記第１量よりも小さい第２量の第１収差を与え、
前記第１レンズ（１０２）は、イメージ領域に第１収差を含む被写体の像を形成し、
前記複数の第２レンズ（１０４）の各第２レンズは、独自の光学軸を有し、前記第１収差を含む被写体の像の一部を伝搬して光学サブイメージを形成し、前記伝搬された光学サブイメージを少なくとも部分的に修正する
ことを特徴とする光学システム。

【請求項2】

前記第１収差は球面収差である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。

【請求項3】

前記第１収差は色収差である
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。

【請求項4】

前記第１レンズ要素は、前記第１レンズ要素を通過する光に第３量の第２収差を与え、
前記第１レンズ要素と入口レンズシェルと出口レンズシェルは、全体として第１レンズを通る光に、前記第３量より小さい第４量の第２収差を与える
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。

【請求項5】

前記第１収差は球面収差であり、前記第２収差は色収差である
ことを特徴とする請求項４記載の光学システム。

【請求項6】

前記出口レンズシェル（１０１０）は、第１シェル層（１０２０）と第２シェル層（１０２４）を有し、
前記第１シェル層と第２シェル層は、均一な厚さを有し、
前記第１シェル層と第２シェル層は、エアギャップ（１０２２）で分離されており、
前記エアギャップは、前記第１レンズが第１波長、第２波長、第３波長に対し、第１焦点距離を有するように配置される
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。

【請求項7】

前記第１レンズ要素と入口レンズシェルと出口レンズシェルは、全体として色収差と球面収差を除いたアポクロマティクに配置されている
ことを特徴とする請求項６記載の光学システム。

【請求項8】

（Ｃ）複数のセンサー列（１０６）を更に有し、
前記複数の第２レンズの各第２レンズ（１０４）は、前記複数のセンサー列（１０６）のそれぞれの上に被写体の前記光学サブイメージを結像する
ことを特徴とする請求項１記載の光学システム。

【請求項9】

前記複数のセンサー列は、球形状の第２配列で配列される
ことを特徴とする請求項８記載の光学システム。

【請求項10】

被写体の像を生成する方法に於いて、
（Ａ）第１位置に単一中心を有する第１レンズで、被写体の像を形成することにより、イメージ領域に収差を含む被写体の像を形成するステップと、
前記第１レンズは、球形状の第１レンズ要素と、入口レンズシェルと、出口レンズシェルとを有し、
前記第１レンズ要素は、（ｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第１表面を有する第１半球と、（ｉｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第２表面を有する第２半球と、を有し、
（Ｂ）複数の第２レンズの各第２レンズにより、被写体の複数のサブイメージを形成するステップと
を有し、
前記第１レンズは、前記第１レンズ要素が自身を通過する光に第１量の第１収差を与えるよう、配置され、
前記複数の第２レンズの各第２レンズは、独自の光学軸を有し、前記収差を含む被写体の像の一部を伝搬し、
前記複数の第２レンズは、一体となって前記第１レンズを通る光に、前記第１量より小さい第２量の第１収差を与える
ことを特徴とする被写体の像を生成する方法。

【請求項11】

前記第１収差は、球面収差又は色収差の一方である
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。

【請求項12】

前記第１レンズは、前記第１レンズ要素が前記第１レンズ要素を通過する光に第３量の第２収差を与えよう、配置され、
前記第１レンズは、一体となって第１レンズを通る光に、前記第３量より小さい第４量の第２収差を与える
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。

【請求項13】

前記出口レンズシェルは、第１シェル層と第２シェル層を有し、
前記第１シェル層と第２シェル層は、エアギャップで分離されている
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。

【請求項14】

前記第１レンズ要素と入口レンズシェルと出口レンズシェルは、全体として色収差と球面収差を除いたアポクロマティクであり、
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。

【請求項15】

（Ｃ）複数のサブイメージを、被写体の一部となる複数のデジタル表示に変換するステップと、
（Ｄ）前記複数のデジタル表示に基づいて、前記被写体の合成デジタル表示を形成するステップと
を更に有する
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学装置に関し、特に撮像システムに関する。

【背景技術】

【0002】

デジタルカメラ・システムは、複数の光学要素を有するレンズ・システムに基づいている。このレンズ・システムは、シーン（被写体又は対象物）を光学電子検出要素のアレイ上に画像を形成（撮像）する。デジタルカメラシステムが発展するにつれて、これ等の光学要素とディテクタ・アレイ（検出器列）は小型化してくる。しかし角度分解能（angular resolution）と解像（分解）可能な対象の点の数は、撮像システムのサイズに応じて変わる。その結果、このようなカメラシステムの光学性能は、光学要素と検出要素が小型化するにつれて、欠点を有するようになる。

【0003】

レンズシステムは、以下ができることが好ましい。
（１）大量の光学信号を、大きな口径に集めること、
（２）この集めた光学信号を処理して、光学画像を検知器列上に形成するか、或いは光学信号を符号化して、デジタル画像値を得ている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Luneburg,R.K.（1944）Mathematical Theory of Optics,Providence, RI:BrownUniversity:pp,189-213

【非特許文献2】Morgan,S.P.(1958)Journal of the Applied Physics 29: pp1358-1368

【非特許文献3】Doric, S.Munro, E.(1983)Journal of theOptical Society of America 73: pp1083-1086

【非特許文献4】Doric, S.Munro, E.(1983)Journal of theOptical Society of America 73: pp1083-1086

【非特許文献5】Southwell, W.H.(1977)Journal of theOptical Society of America 67: pp1010-1014

【非特許文献6】H.Kenner in "GeodesicMath and How to Use it,"published by University of California Press (1976)

【0005】

ディテクタ・アレイ内の各ディテクタ（検出要素）は、レンズ・システムから受光し、それを電気信号に変換している。電気信号の大きさは光強度の関数である。その後この電気信号を処理して、シーン（被写体又は対象物）の合成デジタル画像あるいはシーンの特性を得る。

【0006】

レンズ・システムの設計は、主要な性能基準の目標を特定している。この主要な性能基準とは、例えば、角度分解能（angular resolution）、視野（field-of-view）、被写界深度（depth of field）、スペクトル範囲（spectral range）、感度（sensitivity）、ダイナミック・レンジ、システムの大きさである。角度分解能は最重要な基準である。レンズの最適の角度分解能はλ／Ａで与えられる。ここでλは動作波長であり、Ａは収集開口直径（collection aperture diameter）である。収集開口サイズがこれ等の関係により決まると、レンズは、材料とその表面形状を適宜選択することにより、残りの性能基準を達成すべく設計される。

【0007】

従来のレンズ設計に於いては、入口レンズあるいは光学停止（optical stop）の開口サイズ（第１開口）は、レンズシステム内の後続の全てのレンズ表面の有効開口サイズ（第２開口）を決定する。複数のレンズと複数の開口を使用することにより、レンズ・システムは、有効焦点距離（effective focal length）と撮像タスクに適切な拡大率とを同時に与え、画像収差（image aberration）を減らして、正確なイメージ・オリエンテーションを提供する。第２開口は、レンズ・システムを通して伝搬する、拡大した或いは縮小した入口開口の有効断面積にマッチしている。低収差のシステムに於いては、入口開口のサイズは、レンズ・システムの角度分解能を決定するが、第２開口のサイズはレンズ・システムの視野を決定する。

【0008】

簡単なカメラでは、視野と解像度とのバランスをとる為に、ほぼ等しいサイズの開口を有する一連のレンズを用いている。顕微鏡では、広い視野と高い角度分解能を、集合開口（collectionn aperture）に対し第２の開口を大きくすることにより、達成している。望遠鏡は、限られた視野で異常に大きな角度分解能を、第２開口サイズを減少することにより、達成している。広視野のカメラは、広視野を、ほぼ等しい大きさの第１と第２の開口で、イメージ全体にわたって大幅な収差を許容することにより、達成している。そのため、従来のレンズの設計の於いては、通常、所望の性能の基準の間でトレード・オフがある。例えば、望遠鏡は、高い角度分解能を、視野を犠牲にして達成しており、広視野の撮像器は、大きな視野を、回析限界の角度分解能（diffraction-limited angulr resolution）を犠牲にして、達成しており、合成光学カメラは、高品質を、より多くの収差修正光学システムを含めるためにシステムを大きくすることにより、達成している。

【0009】

標準の撮像工学の限界を打ち破るために、複数開口を有するカメラ（multi-aperture
camera）が開発されてきた。このマルチ・アパラチュア・システムに於いては、標準のカメラの対物レンズを、小型レンズのアレイ（aray of lenslets）で置換している。各小型レンズは、従来のカメラに比べると焦点距離が短い。このようなアプローチに於いては、ディテクタ（検出器）は、視野内に対象物のサブ・サンプルしたバージョンの組を測定し、後処理のアルゴリズムを用いて、このサブ・サンプルしたサブイメージのセットから、高解像度の画像を生成している。その結果、システムを小型化している。システムを小さくすることは、大幅な後処理計算プロセスで、画像品質を妥協することにより、達成している。

【0010】

更に、マルチ開口のカメラの設計スペースは、極めて限られており、この為光学システムへのその適用も限られてしまう。マルチ開口のカメラを使用するには、ディテクタ・アレイのサイズとシステム開口をほぼ同じサイズにする必要がある。その結果、従来のマルチ開口設計は、極めて限られた集合開口（collection aperture）に限定される。このことは、設計出来るカメラ・フォーマットの数を制限することになる。更にマルチ開口カメラは、視野が限られているが、その理由は、ディテクタ・アレイ上でサブイメージがオーバーラップするのを回避しなければならないからである。このようなオーバーラップは、光学デザインに視野絞り（field stop）を導入することにより達成出来る。しかしこれによりシステムが大きくなってしまう。別の構成として、吸収性のあるバリア（absorbing barrier）をディテクタ・アレイのサブイメージの領域間に配置することもできる。しかしこれにより、製造コストと構造の複雑さが増すことになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、従来のレンズ設計でのトレード・オフを回避し、高性能で低価格のレンズ・システムを提供することである。

【0012】

本発明により、従来の欠点を解決する光学システムを提供できる。具体的には、本発明により単一中心を有する合成レンズ群である対物レンズに基づいて、マルチ・スケールの光学システム設計が可能となる。この対物レンズは球形状をしており、複数のセル・セグメントを有する。本発明の実施例は、高い位置での監視システム及び広い視野を有する宇宙空間の監視システムで使用するのに適したものである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の光学システムに於いては、対物レンズは被写体からの光を収集し、この光をほぼ球形のイメージ・フィールドで像を形成する。球形状に配置した第２レンズは、イメージ・フィールド近傍で且つそこから離れた場所に配置されている。各第２レンズは対物レンズから受光した光を処理し、それを対応するセンサー列上に結像し、これにより結像した光を、被写体の一部のデジタル表示に変換する。球形状の第２レンズの配置により対物レンズの出光点における視野の湾曲の影響を緩和できる。

【0014】

本発明の対物レンズは、球状の中心レンズ要素と球形状のレンズシェルを含む層構造により特徴づけられる。全てのレンズの表面は、共通の湾曲中心を有する。レンズ・シェルの設計は、対物レンズの内側表面における屈折率が負の球面収差を生成し、この負の収差が、対物レンズの入口表面に導入される屈折率が正の球面収差を打ち消す（相殺する）。球形状をしたレンズ・シェルは、更にレンズの出光点における色収差と球面収差のそれぞれの量を減らすことが出来る。これにより、第２レンズにより必要とされる色収差と球面収差の大きさの補正量を減らすことができる。その結果、センサー列において、被写体の高品質の像を形成できる。その結果、各第２レンズの仕様は余り厳しくなくなり、このことにより、第２レンズによりそれぞれの画像視野に導入されるコマと非点収差の量を減らすことができる。更に簡単な第２レンズの構成により、全体的に小型の光学システムが可能となる。更に簡単なレンズ仕様により、第２レンズの製造は簡単且つ安くできるようになる。

【0015】

一実施例の於いて、球状の中央レンズは、低屈折率と高いAbbe(アッベ)数を有する材料から形成される。一実施例に於いては中央レンズ材料の屈折率は１．２８−１．５２の範囲にある。一実施例の於いては中央レンズのアッベ数は７３−９６の範囲にある。一実施例では、中央レンズの材料はフッ化カルシウム（calcium fluoride）である。

【0016】

本発明の他の実施例は、単一中心の対物レンズと複数の第２レンズと複数のセンサーとを含む。単一中心の対物レンズは、球状の中央要素と複数の球状のシェル要素とを含む。中央要素とシェル要素は同心に配置される。中央要素はフッ化カルシウム製で、これによりレンズに対し正の集光力を与える。更にフッ化カルシウムは、色分散が低く、これにより色収差の修正が容易となる。各シェル要素は、アッベ数が中央要素よりも低いガラスを含む。シェル要素を対物レンズに含めることにより、レンズの出光点における色収差と球面収差の両方の量（大きさ）を減らすことが出来る。一実施例に於いては、エアギャップを２つの処理要素の間に入れて、これにより大きな分散を引き起こすことなく、色収差と球面収差の大きな修正が容易となる。

【0017】

一実施例において、各第２レンズは異なるセンサー・アレイと対を形成して、複数の同一のサブイメージ・ユニットの１つを形成する。複数の同一のサブ結像ユニットは、一体となって被写体の合成デジタル表示を与える。一実施例に於いて、サブ結像ユニットは、各結像点が複数の第２レンズにより達成でき、その結果、複数の第２レンズが、ブラインド・スポットがない被写体のイメージを提供できるようになる。

【0018】

本発明の一実施例は、被写体のイメージを提供する光学システムを含む。この光学システムは、請求項１に記載した通りである。すなわち、本発明の被写体の像を生成する光学システムは、（Ａ）第１レンズと（Ｂ）複数の第２レンズとを有する。そして、前記第１レンズ（Ａ）は、（ａ）第１位置に中心を有する球形状の第１レンズ要素と、（ｂ）前記第１位置に湾曲中心を有し均一厚さの入口レンズ・シェルと、（ｃ）前記第１位置に湾曲中心を有し均一厚さの出口レンズ・シェルと、を有する。
前記第１レンズ要素は、（ｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第１表面を有する第１半球と、（ｉｉ）前記第１位置に湾曲中心を有する第２表面を有する第２半球と、を有する。前記第１レンズ要素は、通過する光に第１量の第１収差を与え、前記第１レンズ要素は、前記入口レンズシェルと出口レンズ・シェルの間に入り、前記第１レンズ要素と入口レンズ・シェルと出口レンズ・シェルは、一体となって前記第１レンズを通過する光に、前記第１量よりも小さい第２量の第１収差を与える。前記複数のレンズ（Ｂ）は、前記第１レンズを介した被写体の像を一体となって形成し、前記複数の第２レンズの各々は独自の光軸を有する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施例のマルチ・スケールの光学システムのブロック図。

【図2】本発明により画像を生成するステップを表す図。

【図3】本発明の対物レンズの断面図。

【図4】本発明のカメラの断面図。

【図5A】本発明のマルチ・スケールの光学システムの変調伝搬関数のカーブを表す図。 縦軸：ＯＦＴのモディラス、横軸：１ｍｍ当たりサイクルの空間周波数

【図5B】センサー列１０６の表面におけるレンズ・システム１００のスポット・サイズを表す図。

【図5C】センサー列１０６の表面におけるレンズ・システム１００のスポット・サイズを表す図。

【図5D】センサー列１０６の表面におけるレンズ・システム１００のスポット・サイズを表す図。

【図6A】本発明によるカメラの球面配列を保持するフレームの側面図。

【図6B】本発明のカメラを収納するレセプターを表す図。

【図7】本発明の第１実施例の対物レンズの断面図。

【図8】本発明の第１実施例のカメラの断面図。MTF（Modulation Transfer Function）のカーブを表す図。 縦軸：ＯＦＴの係数、横軸：１ｍｍ当たりサイクルの空間周波数

【図9B】センサー列８１０における対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システムのスポット・サイズを表す図。

【図9C】センサー列８１０における対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システムのスポット・サイズを表す図。

【図9D】センサー列８１０における対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システムのスポット・サイズを表す図。

【図9E】センサー列８１０における対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システムのスポット・サイズを表す図。

【図10】本発明の第２実施例の撮像システムの断面図。

【図11】本発明のマルチ・スケールの光学システムのMTF（Modulation Transfer Function：変調伝搬関数）のカーブを表す図。 縦軸：ＯＦＴの係数、横軸：１ｍｍ当たりサイクルの空間周波数

【図12】本発明の第３実施例の対物レンズの断面図。

【図13】本発明の対物レンズ１２０２の変調伝搬関数のカーブを表す図。 縦軸：ＯＦＴの係数、横軸：１ｍｍ当たりサイクルの空間周波数

【図14】本発明の第４実施例の対物レンズの断面図。

【図15】本発明の対物レンズ４０２の変調伝搬関数のカーブを表す図。 縦軸：ＯＦＴの係数、横軸：１ｍｍ当たりサイクルの空間周波数

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本明細書，特許請求の範囲で使用される用語について定義する。
「球状に配置」とは、（１）共通の湾曲中心を有する配置、（２）配置されたものが、同じ湾曲半径を有することである。従って、レンズ群の球状表面は、同一の球状を形成する。
「アポクロマティック」とは、同一の焦点距離あるいは同一のイメージ視野に、3個以上の波長が集光する性質をいう。球面収差又は色収差を減らした状態をいう。

【0021】

従来のマルチスケール光学システムは、1個の対物レンズと第２レンズの列を含む。対物レンズと第２レンズは、一体となって、複数のセンサ列（フォトディテクタ列）に被写体（複数の光学サブイメージ（小像））を結像する。各第２レンズは、唯一の光軸を有し、対物レンズを通過した被写体の一部を結像し、光学サブイメージの１つを生成する。センサ列が、複数の光学サブイメージを被写体の一部のデジタル表示（デジタルイメージ）に変換する。その後、この複数のデジタル像を組み合わせて、被写体全体の合成デジタル画像を生成する。

【0022】

このマルチスケールの光学システムの手法は、他の撮像手法よりも、大きな利点を有する。第１の利点として、マルチスケールの光学システムは、対物レンズと第２レンズが、被写体の撮像（結像）のタスクを分けることができる。集光は対物レンズで行われ、この対物レンズが結像領域（image region）に収差のある像を形成する。第２レンズが結像領域の近傍に配置され、この第２レンズが収差のある像の一部を写し（転送し）、対応する平面状のセンサ列に光学サブイメージを形成する。収差のある像の一部を移す（転送する）ことに加えて、各第２レンズは、収差のある像の転送された一部を部分的に修正する（即ち収差の量を減らす）ことにより、光を処理する。このように、対物レンズと第２レンズの機能を分けることにより、他の設計項目とは無関係に、集光機能と光処理機能を個別に改善できる。かくして、多数多開口の列とともに大きな対物レンズを使用できるようになり、これにより、収差と視野のトレードオフを減らすことができる。

【0023】

このマルチスケールの光学システムの手法は、隣り合う２個の第２レンズが、同一の結像点からの光を集めることができるようになる。これは、第２レンズをイメージ視野から離れた場所で互いに横方向に隣接しない場所に、配置することにより行われる。このように配置することにおり、所定の点の像からの光を、常に少なくとも１個の第２レンズで捕獲できるようになる。その結果、隣り合うセンサ列の間の横方向のスペースに起因するブランドスポットを無くすことができる。

【0024】

第２点として、第２レンズは、対物レンズ（第１レンズ）により導入される大きな収差を修正するために、波面（wavefront）の修正機能をある程度有する。これにより、対物レンズに必要とされる設計の複雑さを減らすことができ、修正がより速く行うことができ、システムも小型化できる。

【0025】

最３の点として、このマルチスケールの光学システムの手法は、画像の解像度を改善できる。

【0026】

第４の点として、このマルチスケールの光学システムの製造コストと複雑さを改善できる。レンズが小型になると、波面の修正が以下の理由で改善される。（１）波面の修正と画像の形成の両方が、小さな開口に対し、波長スケールの誤差が少さな（幾何学的な）解決法を提供できる。（２）複雑なレンズ表面の製造がより小さなシステムで遙かに簡単になる。

【0027】

第５の点として、あるマルチスケールの光学システムにおいては、第２レンズは、重複した視野を有する広い範囲で集光できる。これにより、多次元イメージの捕獲とマルチスケールの結像を組み合わせることにより、例えば、TOMBO（Thin Observation Module by Bound Optics）べースのシステムにおいて、断層撮影の対象物の再構築が可能になる。

【0028】

最後に、マルチスケールのデザインにより、複数の個別の焦点面のレンズ列の使用が可能となる。その結果、個々の焦点列を非平面状に配置できる。例えば、対物レンズのイメージ視野の形状に合わせる配置が可能になる。更に、焦点面の列の大きさは、製造コストを下げ、信頼性を上げるよう、段階を踏んで選択できる。更に、複数の焦点面の列からのサブイメージを、被写体の部分的に関連性のある像に合成できる。しかもこれは、従来の画像システムでにられた継ぎ目と視野の均質性の問題に会うことはない。全被写体を合成するのに必要な後処理の複雑さは、本発明のシステムでは、従来のシステムに比較して、大幅に減らすことができる。

【0029】

本発明は、対物レンズとして、単一中心のレンズを用いることにより、マルチスケールの光学システムを改善できる。本発明の単一中心のレンズは、入口レンズシェルと出口レンズシェルの間に、球状レンズを有する。

【0030】

図1に於いて、レンズ・システム１００は、対物レンズ１０２と、第２レンズ１０４−１〜１０４−５と、センサー列１０６−１〜１０６−５とを有する。

【0031】

図２に於いて、本発明の方法２００はステップ２０１で、対物レンズ１０２が用意される。

【0032】

対物レンズ１０２は単一中心のレンズ群であり、被写体１０８から十分な量の光１１０を集める。対物レンズ１０２の光学表面は中心点１１２に湾曲中心を有する。

【0033】

単一中心レンズ（monocentric lens）とは、複数のレンズの全ての表面が共通の湾曲中心を有するレンズのことである。理想的な単一中心レンズは、あらゆる方向から来る光を一点に集めることができる。これにより単一中心レンズは、広視野で非常に広い視野を見るのに用いることができる。かくして形成された像は、平面形状ではなく球形の形状をしており、単位角度拡大（unit angular magnification）を有する。単一中心レンズは対称性があるために、レンズにより導入される収差は、視野ポイント（field point）から独立している。その結果、単一中心レンズは、十分な量の球状収差のみを、レンズを通る光に導入することができる。即ち像の湾曲や像のひずみを無視できる。斯して導入された収差は、球面収差に限定されるが、それは視野ポイントから独立しているのは収差のみだからである。

【0034】

従来の単一中心レンズの一例は、非特許文献１−４に開示されている。 非特許文献１に開示されたルネンベルグ・レンズは、球状傾斜屈折率レンズ（specifically
shaped gradient-index lens）であり、被写体の像をその表面上に形成することができる。このルネンベルグ・レンズは、光学波長用にはいくつかの理由で不適である。第一の理由は、ルネンベルグ・レンズは、１から１．７３（２の平方根）まで屈折率が変化（傾斜）するからである。新種の金属材料を除いて、この屈折率のガラスを得ることはできない。第二の理由として、傾斜屈折率レンズは製造が難しいことである。第三に、傾斜屈折率レンズは、色収差の影響を受け、広い範囲の周波数の光で結像するのに不適なものである。

【0035】

このルネンブルグ・レンズとは対照的に本発明の対物レンズは、次に述べるような効果を有する積層構造を有する。
ｉ．回析を制限した性能が達成できる。
ｉｉ．大きな視野を有する。
ｉｉｉ．４５０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲にわたってアポクロマチックである。
ｉｖ．色収差又は球面収差を緩和できる。
ｖ．１０^９個以上の解像度が達成できる。
ｖｉ．製造が容易である。
ｖｉｉ．以上の要素の組み合わせの効果。

【0036】

図３に於いて、対物レンズ１０２は、複数の要素からなる単一中心レンズである。このレンズは、レンズ要素３０２と入口レンズ・シェル３０４と出口レンズ・シェル３０６とを含む。

【0037】

レンズ要素３０２は、２つの半球３０８と３１０を有する。各半球３０８、３１０は、フッ化カルシウム（calcium fluoride）製である。その結果、レンズ要素３０２は、屈折率が約１．４３３８４８で、Ａｂｂｅ数は約９５．２３２９０５である。フッ化カルシウムは色分散が小さいのが特徴である。そのためレンズ要素３０２でフッ化カルシウムを使用すると、マルチ・スケールのレンズ・システム１００における色収差の修正が容易となる。フッ化カルシウムは、レンズ要素３０２にとって好ましい材料であるが、或る実施例では、レンズ要素３０２には、屈折率が１．２８−１．５２の間にある別の材料を用いてもよい。レンズ要素３０２に適した材料は、これに限定されるわけではないが、フッ化カルシウム、溶融シリカ、ＢＫ−７ガラス、ＳＫ−７ガラス、fluorocrownガラス、フッ化マグネシウム、プラスチック、水、perfluorooctnaneである。一実施例に於いては、レンズ要素３０２の材料は、その屈折率は、入口レンズ・シェル３０４と出口レンズ・シェル３０６の材料の屈折率よりも低く、Ａｂｂｅ数は入口レンズ・シェル３０４と出口レンズ・シェル３０６のそれよりも高いものが選択される。

【0038】

半球３０８と半球３１０は、中心点１１２を含む中心面で組み合わされて、１６４．５ｍｍの直径を有する球を形成する。一実施例に於いては、レンズ要素３０２は、光学的に平坦な領域３１２を有し、その搭載を容易にすることもできる。他の実施例に於いては、半球３０８と半球３１０は、レンズ要素３０２を通る光と相互作用するような球状表面３２２と球状表面３２４の一部のみを含むように、形成してもよい。

【0039】

ここに開示した実施例に於いては、半球３０８と半球３１０は、同一の湾曲半径を有するが、本明細書を参照することにより、半球３０８と半球３１０の湾曲半径を変えるように構成することもできる。

【0040】

半球３０８は台座３１４を有する。台座３１４は、台座の領域外で、半球３０８の表面３１６を削ることにより或いはエッチングすることにより、形成され、解放表面３１８を形成する。解放表面３１８は、その後層３２０でコーティングして、台座３１４と層３２０が一体となって、対物レンズ１０２の内部で光学ストップ（optical stop）を形成する。層３２０は、従来と同様、解放表面３１８上に配置された不透明層或いは吸収層である。一実施例に於いては、解放表面３１８を形成するプロセスにより、表面を不透明にして層３２０を省くこともできる。

【0041】

半球３０８と半球３１０を結合してレンズ要素３０２を形成すると、半球３０８の表面３１６と半球３１０の球状表面３２２が一体となって、レンズ材料の連続する領域を形成する。その結果、表面３１６と球状表面３２２は、本発明の目的の為の光学表面を構成しない。その理由は、それらを通る光は、材料の変化を受けないからである。

【0042】

光がレンズ要素３０２を通過するときに、レンズ要素３０２の球形状は、複数の収差が光１２０に導入されるのを緩和するが、レンズ要素３０２は、ある程度の球面収差と色収差を光１２０に導入してしまう。本発明に於いては、レンズ要素３０２の入口ポイントと出口ポイントに、適正に設計したレンズシェルを採用することにより、レンズ要素３０２により導入される色収差を球面収差の一方又は両方の量を減らすことができる。

【0043】

入口レンズ・シェル３０４は、球形状の湾曲したシェル断面を有する。言い換えると、入口レンズ・シェル３０４は球形状のシェルの一部である。入口レンズ・シェル３０４はフリントガラス（例、LASF46A）で構成され、屈折率が１．９０３６６０でＡｂｂｅ数が３１．３９９７６である。入口レンズ・シェル３０４は、球状表面３２６と球状表面３２８の間で、均一の厚さ４８．１６３ｍｍを有する。

【0044】

出口レンズ・シェル３０６は球形状の湾曲したシェル断面を有する。言い換えると出口レンズ・シェル３０６は球形状のシェルの一部である。出口レンズ・シェル３０６はフリントガラス（例、BAF50）で構成され、屈折率が１．６８２７２６０でＡｂｂｅ数が４４．５０３５０７である。出口レンズ・シェル３０６は、光学表面３３０と光学表面３３２の間で均一の厚さ５４．３４４ｍｍを有する。

【0045】

対物レンズ１０２は、５００ｎｍから６００ｎｍの範囲内の波長に対アポクロマティクである。その有効開口サイズは１００ｍｍである。一実施例に於いては、対物レンズ１０２の開口サイズは、５０ｍｍから２００ｍｍの範囲である。本明細書を参照することにより、あらゆる開口サイズの対物レンズを形成し使用することができる。

【0046】

対物レンズ１０２の要素の特定のデザイン・パラメータ（例、使用材料、湾曲半径、厚さ、屈折率，Ａｂｂｅ数）は、適切なレンズ・デザインを規定するデザイン・パラメータの組み合わせを与える。例えば、対物レンズ１０２の要素を製造するために材料は、これに限定されないが、フッ化カルシウム、溶融シリカ、ＢＫ−７ガラス、ＳＫ−７ガラス、フルオロクラウンガラス、フッ化マグネシウム、プラスチック等である。本明細書を参照することにより、アポクロマティクな対物レンズは、様々なデザイン・パラメータで達成することができる。

【0047】

対物レンズ１０２は、屈折表面のみを有しているが、本発明の単一中心レンズは、反射表面（例、catadioptric lens )を有することもできる。

【0048】

表１に対物レンズ１０２のデザイン・パラメータを以下に示す。
表１：代表的な単一中心の対物レンズのデザイン・パラメータ

【0049】

対物レンズ１０２内に、入口レンズ・シェル３０４と出口レンズ・シェル３０６を導入すること及びその設計により、入口レンズ・シェル３０４とレンズ要素３０２と出口レンズ・シェル３０６は、各球面収差と色収差の量を、レンズ要素３０２単独で導入されたこれ等の収差の量よりも、減らすことができる。

【0050】

更に、光学表面３２６，３２８，３２２，３２４，３３０，３３２の球状対称性は、対物レンズ１０２が視野独立性の収差（field-independent aberration）のみを光１１４に導入することになる。球状対称のレンズ例えば対物レンズ１０２により導入される収差の主な原因は、光が自由空間から前表面（即ち球状表面３２６）に入る時に光が屈折することに起因する。本発明では、対物レンズ１０２の層を、光学表面の残りの表面（３２８，３２２，３２４，３３０，３３２）で導入される集合的屈折率（collective refraction）が負の値の球面収差を生成するよう設計している。この負の球面収差の少なくとも一部は、球状表面３２６により導入される正の球面収差をオフセット（減算）する。

【0051】

入口レンズ・シェル３０４と出口レンズ・シェル３０６は、球状対称であるが、これ等は異なる材料又異なるシェルの厚さを有してもよい。これにより、より少ない表面で収差の修正が可能となる。

【0052】

対物レンズ１０２は、球形状をしたイメージ・フィールド１２６（図１）に、被写体１０８の収差を補正した像を形成する。

【0053】

図２のステップ２０２に於いて、各第２レンズ１０４は、対物レンズ１０２を介した被写体位置１２２−１〜１２２−５の１つを結像し、光学サブイメージ１２４を形成する。各第２レンズ１０４は、センサー列１０６−１〜１０６−５（これ等はセンサー列１０６と総称する）の１つと対をなし、カメラ１１６−１〜１１６−５（これ等はカメラ１１６と総称する）の１つを規定する。例えば、第２レンズ１０４−２とセンサー列１０６−２が一体となって、カメラ１１６−２を構成する。

【0054】

各第２レンズ１０４は、対応するセンサー１０６に、サブイメージ１２４−１〜１２４−５（これ等をサブイメージ１２４と総称する）の１つを生成する。例えば第２レンズ１０４−３は、対物レンズ１０２を介した被写体の一部１２２−３を結像し、センサー列１０６−３にサブイメージ１２４−３を形成する。

【0055】

カメラ１１６は、中心点１１２に湾曲中心を有する球状に配列される。その結果、第２レンズ１０４とセンサー列１０６は、その湾曲中心が中心点１１２にあるような球状に配列される。各カメラ１１６は唯一の光軸１１８を有する。この光軸１１８は、第２レンズ１０４とセンサー列１０６の中心を通る。

【0056】

第２レンズ１０４は、球状に且つその湾曲中心が中心点１１２にあるように配列される。各第２レンズ１０４は、対物レンズ１０２から距離ｄ１だけ離れている。更に第２レンズ１０４は隣と距離ｄ２だけ離れている。距離ｄ１とｄ２は、第２レンズ１０４により捕獲されるべき被写体１０８の各結像点（image point）から光が放射するよう選択される。その結果、センサー列１０６により一体に形成されたイメージの合成イメージに、ブラインド・スポットが入るのが避けられる。

【0057】

一実施例において、第２レンズ１０４は球状に配列され、各第２レンズ１０４はイメージ・フィールド１２６からずれない。一実施例に於いては、各対物レンズ１０２は、イメージ・フィールド１２６よりも中心点１１２近くに配置される。

【0058】

図4に於いて、カメラ１１６は第２レンズ１０４を有する。この第２レンズ１０４は、レンズ要素４０２，４０４，４０６，４０８を有する。第２レンズ１０４は、直径が３ｍｍから４ｍｍの範囲内にある光学サブイメージ１２４を与える。

【0059】

対物レンズ１０２は単一中心のレンズである為に、対物レンズ１０２は、すべてのイメージポイントに対し同一の収差を与える。更に単一中心レンズのために、対物レンズ１０２は、脱軸収差（off-axis aberration）を生成することはない。例えばコマ又は非点でない収差（coma or astigmatism）を生成することはない。これ等は、レンズ・システム１００のイメージ・プロセッサ１２８からずれた場所にある別の第２レンズにより個別に補正する必要がある。

【0060】

その結果、同一のレンズ処方（設計）が、各第２レンズ１０４に対して、対物レンズ１０２に入る光の角度を考慮することなく、用いることができる。これにより、本発明の実施例が達成できる。特に第２レンズ１０４の製造コストは劇的に下がるが、それは同一のレンズ設計を繰り返し用いればよいからである。更にパッケージングの複雑さが低減されるが、パッケージの手法を用いて、各第２レンズ１０４を整合させ固定することができるからである。更に同一のカメラ１１６を、低コストで大量生産できる。

【0061】

第２レンズ１０４は、レンズ要素４０２，４０４，４０６，４０８の軸方向に対称な組み合わせで構成される。その結果、第２レンズ１０４は脱軸収差を光１１４に導入する。第２レンズ１０４は、小型である為に、導入された脱軸収差を補正するのに必要なレンズの数は、対物レンズを構成する軸方向に対称なレンズで必要とされるのよりも少なくて済む。一実施例に於いては、第２レンズ１０４の設計は、非球面の表面を有し、これにより第２レンズ１０４は、より少ない数のレンズ要素で良好な光学性能を達成できる。少ない数のレンズ要素を用いることにより、システム全体の重量、複雑さ、コスト等を低減できる。

【0062】

一実施例に於いては、第２レンズ１０４に含まれる（を構成する）レンズ要素は、大量生産（例えば、プラスチックモールディングまたはガラスモールディング）に適したものである。上記したようにこれ等の利点は、マルチスケールの光学システムデザインを使用することにより可能となる。これは、対物レンズ１０２の設計の単純化と第２レンズ１０４の設計の複雑さの間のトレード・オフとなる。第２レンズ１０１４の設計を複雑にするほうがより好ましい。その理由は、大きな複合光学システムよりも小さな複合光学システムを製造する方が、容易且つ安価になるからである。

【0063】

表２に第２レンズ１０４のデザインパラメータを示す。

【0064】

レンズ要素４０２は、平面−凸形レンズでその直径は１０ｍｍである。レンズ要素４０２は、屈折率が１．６２０００４０で、Ａｂｂｅ数３６．３６６４９１のガラスを含む。

【0065】

レンズ要素４０４は、凸−凸レンズでその直径は１０ｍｍである。レンズ要素４０４は屈折率が１．４８６５６１でＡｂｂｅ数が８４．４６７９９４のガラスを含む。

【0066】

レンズ要素４０６は凹−凸レンズでその直径は１０ｍｍである。レンズ要素４０６はレンズ要素４０２と同一のガラス材料で形成される。

【0067】

レンズ要素４０８は凸−凸レンズでその直径は１０ｍｍである。レンズ要素４０８はレンズ要素４０４と同一のガラス材料で形成される。

【0068】

ハウジング４１０は、熱膨張係数の低い材料製のチューブである。ハウジング４１０に適した材料は、これに限定されないが、インバー、スーパーインバー、チタン、Zerodur、溶融シリカ、合成材料等である。

【0069】

ハウジング４１０は、レンズ要素４０２，４０４，４０６，４０８を精密レール４１２により整合し保持する。この精密レール４１２は、マイクロマシン加工したシリコン製のレールで、エアギャップを設けて、レンズ要素を保持する。一実施例に於いては、精密レール４１２は、従来の技術で製造されたレールでもよく膨張係数の低い材料製である。全体として、レンズ要素４０２，４０４，４０６，４０８より、１．６度の視野を結像する第２レンズが形成できる。

【0070】

ハウジング４１０はフランジ４１４を有する。このフランジ４１４はピン４１６とスロット４１８を有する。ピン４１６とスロット４１８は、ハウジング４１０とレセプタ６０４との整合を容易にするためのものである。

【0071】

ステップ２０３に於いて、各センサー列１０６は、受領した光学サブイメージ１２４を被写体の一部１２２のデジタルイメージに変換する。

【0072】

各センサー列１０６は、１０００万個のＣＣＤ要素５０２を二次元に配列したものである。ＣＣＤ要素５０２は１．５μｍの大きさである。その結果、カメラ１１６は、１０００万個の光学信号を提供できる。この光学信号は、被写体１０８内に１０００万個のイメージ・ポイントからの光の強度の基づく。言い換えると、各カメラ１１６は、１０メガピクセルのカメラである。センサー列１０６の全体サイズは、３ｍｍから４ｍｍの範囲の直径を有する光学サブイメージを完全にサンプリングできる。

【0073】

一実施例に於いては、各センサー列は、他の受光素子例えばＣＭＯＳセンサー、フォトディテクター、アバランシア・フォトダイオード等を二次元に配列しても構成できる。本明細書を参照することにより、センサー列１０６の製造と使用は当業者に明らかである。

【0074】

各センサー列１０６は、イメージ・プロセッサ１２８に、通信バス１３０を介して電気的に接続されている。イメージ・プロセッサ１２８は、従来のイメージ処理システムであり、各要素から電気信号を受領し、光学サブイメージ１２４に基づいて、デジタル・サブイメージを形成する。

【0075】

ステップ２０４に於いて、イメージ・プロセッサ１２８は、複数のデジタル・サブイメージに基づいて、被写体１０８の合成デジタル・イメージを形成する。

【0076】

一実施例に於いて、各カメラ１１６は、更にオートフォーカス機構を有する。一実施例に於いて、オートフォーカスは、螺旋状の焦点調整装置あるいはセンサー列１０６をカメラの１１８に沿って動かすことにより行われる。オートフォーカス機能により、本発明の実施例では、様々な深度に、被写体１０８の様々な部分の焦点を合わせて形成することができる。

【0077】

一実施例に於いて、各カメラ１１６は、光学フィルター例えば偏光装置あるいはカラーフィルターを有する。ある実施例では、被写体１０８の一部を解析できる機能を有するが、これは、その部分の偏光又は空間シグネチャを検査することにより、行われる。

【0078】

一実施例に於いて、第２レンズ１０４は、対物レンズ１０２により導入された正確な残留球面収差（correct residual spherical aberration）に基づく。更に第２レンズ１０４は、イメージ・フィールド１２６のカーバチュア・オブ・フィールド（curvature -of-field）を修正して、平坦なセンサー列１０６上に光学サブイメージを形成する。一実施例に於いては、第２レンズ１０４は、対物レンズ１０２により提供された像の倍率を減少させて、センサー列１０６間のギャップを調整できる。

【0079】

図５Ａに於いて、プロット５００は、センサー列１０６におけるレンズ・システム１００の（modulation transfer function:ＭＴＦ）のカーブを示す。

【0080】

図５Ｂ−Ｄは、センサー列１０６の表面におけるレンズ・システム１００のスポットサイズを表す。

【0081】

図６Ａは、本発明の一実施例によるカメラを球状に配置するのを保持するフレームの側面図である。

【0082】

フレーム６００は、５０００台のカメラ１１６を搭載するために、５０００個のレセプタ６０２とレセプタ６０４を有する球形状の支持部材である。フレーム６００はgeodesic sphere dualの一部に類似する。フレーム６００の表面は、六角形のセル（即ちレセプタ６０２）と通常１２個以下の数の五角形セル（即ちレセプタ６０４）に分割される。球をできるだけ均一な面に分割するのが好ましいが、２０個以上の面を有する球は、完全に均一の面となるようにすることはできない。フレーム６００の表面を六角形のレセプタ６０２と五角形のレセプタ６０４に分けることにより、カメラ１１６のほぼ均一な配置となる。

【0083】

フレーム６００は、３００ｍｍの半径と中心点１１２に湾曲中心を有する。一実施例に於いて、フレーム６００は熱膨張係数の低い材料例えばインバー、スーパーインバー、チタン、ゼロデュアー、溶融シリカ、合成材料等で形成される。一実施例に於いて、フレーム６００は、その熱膨張係数がハウジング４１０の材料のそれに一致するような材料から形成される。

【0084】

フレーム６００は、４９８８個の六角形のレセプタ６０２と、１２個の五角形のレセプタ６０４とを有する。レセプタ６０２とレセプタ６０４に、完全にカメラ１１６が埋め込まれると、レンズ・システム１００は５００億個のピクセルを結像できる。一実施例に於いては、レセプタ６０２とレセプタ６０４の数は、４９８８と１２以外でもよい。一実施例に於いては、レセプターの全数は５０００個でなくてもよい。

【0085】

一実施例においては、フレーム６００は、二十面体 icosadeltahedral、正三角形の形状を有するレセプターを有してもよい。フレーム６００の構成の一例は、非特許文献１−５に開示されている。

【0086】

図６Ｂに於いて、レセプタ６０２は、貫通通路６０４とチャネル６０６とネジ穴６０８とを有する。レセプタ６０４はレセプタ６０２に類似する。

【0087】

貫通通路６０４は、カメラ１１６のハウジング４１０を収納できるような寸法で配置され、その光軸１１８は中心点１１２に整合している。各レセプターは、貫通通路を有しその中にハウジング４１０が挿入される。ハウジング４１０は、貫通通路６０４内を光学サブイメージ１２４が適正な焦点が合う位置まで、横方向に動く。ハウジング４１０が一旦配置されると、貫通通路６０４内のその位置は固定ネジ、ＵＶ硬化エポキシ、熱硬化エポキシ、他の従来の方法により、固定される。一実施例に於いて、各レセプタ６０２は、４８．２ｍｍ^２の断面積を有する。

【0088】

センサー列１０６の回転整合は、ハウジング４１０を光軸１１８の周りに回転することにより達成できる。センサー列１０６が回転して整合すると、その位置はスロット４１８に挿入されるネジで固定される。

【0089】

ピン４１６は、チャネル６０６に適合して、センサー列１０６を光軸１１８上に置く。

【0090】

フレーム６００とレセプタ６０２とハウジング４１０は一体となって、被写体１０８のサブイメージのモザイクを構成するカメラ１１６の配列を可能とする。このモザイク配列により、本発明の実施例は、従来のイメージング・システムに対し幾つかの利点がある。第一の利点として、これ等の配列により重なり合った視野が使用可能になる。これは従来の撮像システムに対しきつい制約を取り除く。この制約とは、被写体の像を受領する焦点面のアレイは、互いに隣接して配置される複数のフォト・ディテクターを含まなければならないという制約である。その結果、各センサー列１０６は、コストと歩留り等を最適化できる大きさとなる。更にこのような配列により、様々なサイズのディテクター・アレイの使用が可能となる。更にセンサー列１０６は、それ等の間に電子部品を含めるように離間して配置可能となる。最後に、サブイメージのモザイクを形成することにより、得られた像のフィルタリング、サンプリング、デジタル処理を一体となって最適化する複数開口のカメラを用いることができる。

【0091】

図１に示すカメラの配列によれば、第２レンズ１０４とセンサー列１０６は、互いに極めて広く離して配置されている。このような大きな間隙は、単に図面を明瞭にするためだけではない。本明細書を参照することにより、第２レンズ１０４は、より多くの第２レンズを近接して配置してもよい。一実施例に於いて各第２レンズ１０４は、１度から５度の範囲内の視野を結像できる。その結果、数百の第２レンズとセンサー列が、１２０度を含む角度の像を提供するのに、必要となる。本明細書を参照することにより、第２レンズにより結像される視野とレンズ・システム１００の全視野は、設計的選択事項であり、あらゆる実際的な値を採ることもできる。

【0092】

図７に於いて、対物レンズ７００は、レンズ要素７０２と入口レンズ・シェル７０４と出口レンズシェル７０６とを有する。

【0093】

対物レンズ７００は対物レンズ１０２に類似する。

【0094】

レンズ要素７０２は、半球７０８と７１０とを有する。各半球７０８と７１０は、屈折率が１．４６５６１とＡｂｂｅ数が８４．４６７９９４のガラス製である。

【0095】

半球７０８と７１０は、中心点１１２を含む中心面で結合されて直径が１５６．４２ｍｍの球形状を規定する。

【0096】

半球７０８は台座７１４を有する。台座７１４は台座３１４に類似する。層３２０は解放表面７１８上に配置される。

【0097】

入口レンズ・シェル７０４は、球形状のシェルの一部である湾曲したシェル断面である。入口レンズ・シェル７０４は、屈折率が２．０２２０４０でＡｂｂｅ数が２９．０５９７８８のガラス製である。入口レンズ・シェル７０４は、５６．７９２ｍｍの均一厚さを有する。

【0098】

出口レンズ・シェル７０６は、球形状のシェル一部である湾曲したシェル断面である。出口レンズ・シェル７０６は、屈折率が１．６６８１９でＡｂｂｅ数が４４．９６１８２８のガラス製である。出口レンズ・シェル７０６は、５９．１８１ｍｍの均一厚さを有する。

【0099】

図８に於いて、カメラ８００は、レンズ要素８０２，８０４，８０６，８０８とセンサー列８１０とハウジング８１２とを有する。

【0100】

レンズ要素８０２は、平面−凹状レンズで直径は５ｍｍである。レンズ要素８０２は、屈折率が１．６７７９００でＡｂｂｅ数が５５．１９９５６６のガラス製である。

【0101】

レンズ要素８０４は、凹−平面状レンズで直径は５ｍｍである。レンズ要素８０４は、屈折率が１．４３４２５０でＡｂｂｅ数が９４．９５３４８９のガラス製である。

【0102】

レンズ要素８０６は凹−凹レンズで直径が５ｍｍである。レンズ要素８０６は、レンズ要素８０２と同一のガラス製である。

【0103】

レンズ要素８０８は、合成前面と凹状裏面とを有し直径が５ｍｍである。レンズ要素８０８は、レンズ要素８０４と同一のガラス製である。

【0104】

対物レンズ７００とカメラ８００は、協調して動作するよう設計され、直径が７ｍｍ−８ｍｍ内にある光学サブイメージを生成する。

【0105】

センサー列８１０はセンサー列１０６に類似する。センサー列８１０は７ｍｍ−８ｍｍの範囲の直径を有する光学サブイメージを完全にサンプリングできるサイズである。

表３：対物レンズ７００とカメラ８００の設計パラメータ

【0106】

図９Ａに於いて、プロット９００は、センサー列８１０における、対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システム用のＭＴＦカーブを示す。

【0107】

図９Ｂ−Ｄは、センサー列８１０における、対物レンズ７００とカメラ８００を含む光学システムのスポット・サイズを表す。

【0108】

図１０に於いて、レンズ・システム１００は、対物レンズ１００２とカメラ１００４−１〜１００４−５を含む。

【0109】

対物レンズ１００２は単一中心レンズであり、レンズ要素１００６と入口レンズ・シェル１００８と出口レンズ・シェル１０１０を含む。対物レンズ１００２は、有効開口が１００ｍｍで、約１２０度の視野をカバーする回折を制限した性能を発揮できる。対物レンズ１００２は、４５０ｎｍないし７００ｎｍからの波長範囲に対し、アクロマティクである。

【0110】

レンズ要素１００６はレンズ要素３０２に類似する。レンズ要素３０２と同様にレンズ要素１００６はフッ化カルシウム製で、この材料は低い色分散を示し、対物レンズ１００２に対すし正の焦点パワー（positive focussing power ）を提供する。

【0111】

レンズ要素１００６は、半球１０１２と１０１４とを有する。半球１０１２と１０１４は、一体となって球形状を形成する。レンズ要素１００６は、１２０ｍｍの直径を有し、レンズの中心点１１２に光学ストップを含む。

【0112】

入口レンズ・シェル１００８は、シェル層１０１６と１０１８を有する。これ等は互いに物理的に接触している。シェル層１０１８は、レンズ要素１００６に物理的に接触している。

【0113】

シェル層１０１６は、球形シェルの一部である湾曲したシェルの断面である。シェル層１０１６は、屈折率が１．５９１９６５でＡｂｂｅ数が４８．５０９５７９のガラス製である。シェル層１０１６は、１７．０４３ｍｍの均一な厚さを有する。

【0114】

シェル層１０１８は、球形シェルの一部である湾曲したシェル断面である。シェル層１０１８は屈折率が１．７５３９３０でＡｂｂｅ数が５２．２７０７６４のガラス製である。シェル層１０１６は、４４．７９２ｍｍの均一な厚さを有する。

【0115】

出口レンズ・シェル１０１０は、シェル層１０２０と１０２４とを有する。それ等はエアギャップエアギャップ１０２２で分離されている。これは１２．２９１ｍｍの均一の幅さを有する。

【0116】

シェル層１０２０は、球形シェルの一部である湾曲したシェルの断面である。シェル層１０２０は屈折率が１．７７２５００でＡｂｂｅ数が４９．６２０２２７のガラス製である。シェル層１０２０は１６．２１３ｍｍの均一な厚さを有する。

【0117】

シェル層１０２４は、球形シェルの一部である湾曲したシェルの断面である。シェル層１０２４は屈折率が１．６４０４８０でＡｂｂｅ数が５９．７４９９１５のガラス製である。シェル層１０２４は４２．１７１ｍｍの均一な厚さを有する。

【0118】

エアギャップ１０２２をシェル層１０２０とシェル層１０２４の間に配置することにより、球面収差の修正の制御は可能となる。この球面収差修正は色収差の修正とは独立している。球面収差の制御は、エアギャップ１０２２の厚さを制御することにより実現され、これはアクロマティックである。

【0119】

対物レンズ１００２は、球状のイメージ・フィールド１０２６に像を生成する。

【0120】

カメラ１００４−１〜１００４−５（以下カメラ１００４と総称する）は、第２レンズ１０２８とセンサー列１０３０とを有する。カメラ１００４は、球形状に配置され、中心点１１２に中心を有し、その結果各第２レンズ１０２８は、イメージ・フィールド１０２６にある。

【0121】

センサー列１０３０はセンサー列１０６に類似する。センサー列１０３０を従来通りパッケージングすることは、センサー列の上方に配置された光学ウインドウを有する。ここに示した実施例においては、第２レンズ１０２８は、センサー・パッケージ・ウインドウの外側表面を研磨することにより形成され、これにより、１０１．８１０ｍｍの半径（radius-of-curvature）を有する凹状レンズを形成する。ここでウインドウはＢＫ７のガラス製である。

【0122】

第２レンズ１０２８は、カメラ１００４の視野に含まれる角度に対しカーバチュア・オブ・視野の修正を提供する。通常カメラ１００４の視野は４度である。本明細書を参照することにより、カメラ１００４はあらゆる視野を有するよう構成することができる。

【0123】

表４はシステム１０００のデザイン・パラメータを示す。

【0124】

第２レンズ１０２８は、カメラ１００４の視野の内含角（included angle）に対しカーバチュア・オブ・フィールドの修正を提供する。カメラ１００４の視野は４度である。本明細書を参照することにより、カメラ１００４があらゆる視野の値を採り得るよう製造し構成することができる。

【0125】

図１１に於いて、プロット１１０２は、１個の８ｍｍのセンサー列１０３０におけるＭＴＦカーブを示す。第２レンズ１０２８は８度の視野を有する。プロット１１０４は光軸１２８から最大６０度ずれた視野を提供する為の、システム１０００のＭＴＦカーブを示す。

【0126】

図１２に於いて、対物レンズ１２０２は、レンズ要素１２０４、入口レンズ・シェル１２０６、出口レンズ・シェル１２０８を含む単一中心レンズである。対物レンズ１２０２は対物レンズ１００２に類似するが、その有効開口は１００ｍｍ以下である。対物レンズ１２０２は、光学システム１０００に類似する光学システムで使用されるのに適したものである。

【0127】

レンズ要素１２０４は、半球１２１０と１２１２を含む。それぞれフッ化カルシウム製である。半球１２１０と１２１２は一体となって球形状を構成する。レンズ要素１２０４の直径は３３ｍｍで、レンズの中心点１１２に光学ストップを有する。

【0128】

入口レンズ・シェル１２０６は、球状形状の一部である湾曲したシェル断面を有する。入口レンズ・シェル１２０６は屈折率が１．６９６７３２でＡｂｂｅ数は５６．４２０１７４のガラス製である。入口レンズ・シェル１２０６はレンズ要素１２０４と接触しており、その厚さは２３．４５７ｍｍである。

【0129】

出口レンズ・シェル１２０８はシェル層１２１６と１２２０を含む。これ等はエアギャップ１２１８で分離している。エアギャップの幅は４．０７６ｍｍである。

【0130】

シェル層１２１６は、球形状の一部である湾曲したシェル形状を有する。シェル層１２１６は屈折率が１．８３５０１０でＡｂｂｅ数が４３．１２９０４４のガラス製である。シェル層１２１６は５ ．０５３ｍｍの均一厚さを有する。

【0131】

シェル層１２２０は球形状の一部である湾曲したシェル形状を有し、球形状の一部である。シェル層１２２０は屈折率が１．６４０４８０でＡｂｂｅ数が５９．７４９９１５のガラス製である。シェル層１２２０は４２．１７１ｍｍの均一厚さを有する。

【0132】

対物レンズ１２０２は球状のイメージ・フィールド１２２２に像を生成する。システム１０００と同様に、対物レンズ１２０２は、イメージ・フィールド１２２２に配置された複数のカメラ（対物レンズ１００２に類似する）と共に使用するのに適したものであり、対物レンズ１２０２を通した被写体の像の一部を転送する。

【0133】

表５は対物レンズ１２０２のデザイン・パラメータを示す。

【0134】

図１３に於いて、プロット１２０２は、第２レンズを有する１個の１０ｍｍのセンサー列におけるＭＴＦカーブを示す。第２レンズは６度の視野を有する。プロット１２０４は光軸１２８から最大６０度ずれた視野を提供する為の、対物レンズ１２０２（と適宜の第２レンズ）のＭＴＦカーブを示す。

【0135】

図１４に於いて、対物レンズ１４０２は、レンズ要素１４０４、入口レンズ・シェル１４０６、出口レンズ・シェル１４０８を含む単一中心レンズである。対物レンズ１４０２は対物レンズ１００２に類似するが、その有効開口は７５ｍｍ以下である。対物レンズ１４０２は、光学システムに類似する光学システムで使用されるのに適したものである。

【0136】

レンズ要素１４０４は、半球１４１０と１４１２を含む。それぞれフッ化カルシウム製である。半球１４１０と１４１２は一体となって球形状を構成する。レンズ要素１４０４の直径は２３ｍｍで、レンズの中心点１１２に光学ストップを有する。

【0137】

入口レンズ・シェル１４０６は、球状形状の一部である湾曲したシェル断面を有する。入口レンズ・シェル１４０６は屈折率が１．６９６７３２でＡｂｂｅ数は５６．４２０１７４のガラス製である。入口レンズ・シェル１４０６はレンズ要素１４０４と接触しており、その厚さは８．３５８ｍｍである。

【0138】

出口レンズ・シェル１４０８は、球状形状の一部である湾曲したシェル断面を有する。出口レンズ・シェル１４０８は屈折率が１．６３７７５０でＡｂｂｅ数は４２．４１０１７７のガラス製である。出口レンズ・シェル１４０８はレンズ要素１４０４と接触しており、その厚さは９．３５ｍｍである。

【0139】

対物レンズ１４０２は球状のイメージ・フィールド１４１４に像を生成する。システム１０００と同様に対物レンズ１４０２は、対物レンズ４０２は、イメージ・フィールド１４１４２に配置された複数のカメラ（カメラ１００２に類似する）で使用するのに適したものであり、対物レンズ１４０２を通した被写体の像の一部を転送する。

【0140】

表６は対物レンズ１４０２のデザイン・パラメータを示す。

【0141】

図１５に於いて、プロット１４０２は、カーバチャー・オブ・視野修正を行う第２レンズを有する１個の１０ｍｍのセンサー列１０３０におけるＭＴＦカーブを示す。第２レンズは８度の視野を有する。プロット１４０４は光軸１２８から最大６０度ずれた視野を提供する為の、対物レンズ１４０２（と第２レンズ）のＭＴＦカーブを示す。

【0142】

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】

【0143】

１００ レンズ・システム
１０２ 対物レンズ
１０４ 第２レンズ
１０６ センサー列
１０８ 被写体
１１０ 光
１１２ 中心点
１１６ カメラ
１２０ 光
１２４ サブイメージ
１２６ イメージ・フィールド
１２８ イメージ・プロセッサ
１３０ 通信バス
図２
２０１：対物レンズ１０２を用意する
２０２：被写体の一部１２２を対物レンズ１０２を通して撮像し、光学サブイメージ１２４を形成する
２０３：光学サブイメージ１２４をデジタル・サブイメージに変換する
２０４：デジタル・サブイメージに基づいて被写体１０８の合成イメージを生成する
３０２ レンズ要素
３０４ 入口レンズ・シェル
３０６ 出口レンズ・シェル
３０８，３１０ 半球
３１４ 台座
３１６ 表面
３１８ 解放表面
３２０ 層
３２２，３２４ 球状表面
３２６，３２８ 球状表面
３２６，３２８，３２２，３２４，３３０，３３２ 光学表面
４０２．４０４，４０６，４０８ レンズ要素
４１０ ハウジング
４１４ フランジ
４１６ ピン
４１８ スロット
６００ フレーム
６０２，６０４ レセプタ
７００ 対物レンズ
７０２ レンズ要素
７０４ 入口レンズ・シェル
７０６ 出口レンズ・シェル
７０８，７１０ 半球
７１４ 台座
７１６ 表面
７１８ 解放表面
８００ カメラ
８０２，８０４，８０６，８０８ レンズ要素
８１０ センサー列
８１２ ハウジング
１００２ 対物レンズ
１００４ カメラ
１００６ レンズ要素
１００８ 入口レンズ・シェル
１０１０ 出口レンズ・シェル
１０１２，１０１４ 半球
１０１６，１０１８ シェル層
１０２０，１０２４ シェル層
１０２２ エアギャップ
１０２６ イメージ・フィールド
１０２８ 第２レンズ
１０３０ センサー列
１１０２ プロット
１２０２ 対物レンズ
１２０４ レンズ要素
１２０６ 入口レンズ・シェル
１２０８ 出口レンズ・シェル
１２１０，１２１２ 半球
１２１６，１２２０ シェル層
１２１８ エアギャップ
１２２２ イメージ・フィールド
１４０２ 対物レンズ
１４０４ レンズ要素
１４０６ 入口レンズ・シェル
１４０８ 出口レンズ・シェル
１４１０，１４１２ 半球
１２１６，１２２０ シェル層
１２１８ エアギャップ
１２２２ イメージ・フィールド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B-5D】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B-9E】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】