特表 2022-535238 撮像システム及び合成画像を生成する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-05

(54)【発明の名称】撮像システム及び合成画像を生成する方法

(51)【国際特許分類】

   G03B 19/07 20210101AFI20220729BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20220729BHJP

   G03B 35/12 20210101ALI20220729BHJP

   G03B 11/00 20210101ALI20220729BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20220729BHJP

   G06T 5/50 20060101ALI20220729BHJP

【ＦＩ】

G03B19/07

G02B13/00

G03B35/12

G03B11/00

G03B15/00 B

G06T5/50

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021571524

(86)(22)【出願日】2020-04-27

(85)【翻訳文提出日】2022-02-01

(86)【国際出願番号】 US2020030036

(87)【国際公開番号】W WO2020247109

(87)【国際公開日】2020-12-10

(31)【優先権主張番号】62/858,258

(32)【優先日】2019-06-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】フー， ジンシン

(72)【発明者】

【氏名】シュー， ヨンアン

(72)【発明者】

【氏名】ゴデット， ルドヴィーク

(72)【発明者】

【氏名】アーガマン， ナーマ

(72)【発明者】

【氏名】フィッサー， ロバート ヤン

【テーマコード（参考）】

2H054

2H059

2H083

2H087

5B057

【Ｆターム（参考）】

2H054BB05

2H054BB07

2H059AA07

2H059AA09

2H083AA02

2H083AA26

2H083AA32

2H087KA01

2H087KA02

2H087LA01

2H087LA21

2H087RA26

2H087RA43

2H087RA44

5B057BA02

5B057BA15

5B057CA08

5B057CA12

5B057CA16

5B057CB01

5B057CB08

5B057CB12

5B057CC01

5B057CE08

(57)【要約】

撮像システム及び合成画像を生成する方法が提供される。撮像システムは、センサに結合された１以上のレンズアセンブリを含む。物体から反射された光が撮像システムに入射すると、メタレンズフィルタシステムの入射光がフィルタリングされた光を生成し、これが対応するセンサによって合成画像に変換される。各メタレンズフィルタシステムは、光を特定の波長に集束させ、メタレンズ画像を作成する。メタレンズ画像はプロセッサに送られ、そこで、プロセッサはメタレンズ画像を組み合わせて１以上の合成画像にする。メタレンズ画像は、組み合わされて色収差が低減された合成画像になる。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

撮像システムであって、
１以上のレンズアセンブリを含み、各レンズアセンブリは、
複数のメタレンズフィルタシステムを含み、前記複数のメタレンズフィルタシステムは、
複数のメタレンズ及び複数のカラーフィルタを含み、各カラーフィルタは、前記複数のメタレンズのうちの１つに対応し、前記カラーフィルタの中心通過波長は、対応する前記メタレンズの作用波長と同じであり、
各レンズアセンブリは、更に、複数のセンサを含み、各センサは、メタレンズフィルタシステムと結合されており、
前記撮像システムは、更に、コントローラを含み、前記コントローラは、前記複数のメタレンズの各々からのメタレンズ画像を組み合わせて合成画像にするように構成されたプロセッサを含む、撮像システム。

【請求項2】

前記複数のメタレンズフィルタシステムは、少なくとも１つの赤色メタレンズフィルタシステム、少なくとも１つの緑色メタレンズフィルタシステム、及び少なくとも１つの青色メタレンズフィルタシステムを含む、請求項１に記載の撮像システム。

【請求項3】

前記複数のメタレンズフィルタシステムは、少なくとも２つの緑色メタレンズフィルタシステムを含む、請求項２に記載の撮像システム。

【請求項4】

前記複数のメタレンズフィルタシステムは、グリッド状に配置され、前記少なくとも１つの赤色メタレンズフィルタシステムのうちの１つは、２つの緑色メタレンズフィルタシステムに隣接して配置され、前記少なくとも１つの青色メタレンズフィルタシステムのうちの１つは、２つの緑色メタレンズフィルタシステムに隣接して配置されている、請求項３に記載の撮像システム。

【請求項5】

前記１以上のレンズアセンブリは、少なくとも２つのレンズアセンブリを含み、前記レンズアセンブリは、グリッド状に配置されている、請求項１に記載の撮像システム。

【請求項6】

前記１以上のレンズアセンブリは、数が４つであり、前記レンズアセンブリは、２×２グリッド状に配置されている、請求項５に記載の撮像システム。

【請求項7】

前記１以上のレンズアセンブリは、少なくとも２つのレンズアセンブリを含み、前記レンズアセンブリの各々は、異なる焦点距離を有する、請求項１に記載の撮像システム。

【請求項8】

１以上の合成画像を生成する方法であって、
１以上のレンズアセンブリを含む撮像システムを光に曝露することを含み、各レンズアセンブリは、
複数のメタレンズフィルタシステムを含み、前記複数のメタレンズフィルタシステムは、
複数のメタレンズ及び複数のカラーフィルタを含み、各カラーフィルタは、前記複数のメタレンズのうちの１つと結合され、前記カラーフィルタの中心通過波長は、対応する前記メタレンズの作用波長と同じであり、
前記複数のメタレンズフィルタシステムは、赤色カラーフィルタを有する少なくとも１つの赤色メタレンズ、緑色カラーフィルタを有する少なくとも１つの緑色メタレンズ、及び青色カラーフィルタを有する少なくとも１つの青色メタレンズを含み、
各レンズアセンブリは、更に、複数のセンサを含み、各センサは、メタレンズフィルタシステムと結合されており、
前記複数のメタレンズフィルタシステムの各々がメタレンズ画像を生成するように、光が前記複数のメタレンズフィルタシステムを通過し、
前記方法は、更に
複数のセンサを前記複数のメタレンズ画像の各々に露光することであって、前記センサは前記メタレンズフィルタシステムに結合されている、複数のセンサを前記複数のメタレンズ画像の各々に露光すること、
前記複数のメタレンズ画像をプロセッサに送ること、並びに
前記プロセッサを使用して、前記複数のメタレンズ画像を組み合わせて前記１以上の合成画像にすることを含む、方法。

【請求項9】

前記１以上のレンズアセンブリは、少なくとも２つのレンズアセンブリを含み、前記レンズアセンブリの各々は、異なる焦点距離を有する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記撮像システムは、２つ以上のレンズアセンブリを含み、前記方法は、更に
前記プロセッサを使用して、前記合成画像のうちのどれをスクリーンに提供するか決定すること、及び
選ばれた前記合成画像を前記スクリーンに提供することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記複数のメタレンズフィルタシステムは、少なくとも２つの緑色メタレンズフィルタシステムを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

前記複数のメタレンズフィルタシステムは、グリッド状に配置され、前記少なくとも１つの赤色メタレンズフィルタシステムのうちの１つは、２つの緑色メタレンズフィルタシステムに隣接して配置され、前記少なくとも１つの青色メタレンズフィルタシステムのうちの１つは、２つの緑色メタレンズフィルタシステムに隣接して配置されている、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記１以上のレンズアセンブリは、少なくとも２つのレンズアセンブリを含み、前記レンズアセンブリは、グリッド状に配置されている、請求項８に記載の方法。

【請求項14】

前記１以上のレンズアセンブリは、数が４つであり、前記レンズアセンブリは、２×２グリッド状に配置されている、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記１以上の合成画像は、画像ステッチングアルゴリズムを使用して生成される、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001] 本発明の実施形態は、装置及び方法に関し、より具体的には、撮像システム及び合成画像を生成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002] 写真を撮るために使用される撮像システムは、カメラ及びスキャナを含む様々な用途で当該技術分野において一般的である。撮像システムは、通常、レンズの不完全性によって生じる収差を低減させるために、複数のレンズ、複合レンズ、及びフィルムを含む。ほとんどの透明材料の屈折率は、波長の増加につれて減少する。レンズの焦点距離は屈折率に依存するので、この屈折率のばらつきは集束に影響を及ぼし、色収差をもたらす。色収差を持つレンズは、画像の暗い部分と明るい部分を分離する境界に沿って色の「縞」を引き起こす。

【0003】

[0003] 色収差に対処するために、しばしば、複数のレンズ層を有する複合レンズを使用して、画像内の色収差を最小限に抑えるか、又は望ましくは完全に除去する。しかし、複合レンズは、垂直に積み重ねられた複数のレンズを含み、したがって、しばしば嵩張り、スマートフォン及び他のデバイスにレンズ突出（lens extrusion）問題を引き起こす。更に、従来の赤外線（IR）レンズは、一般的に使用される材料の屈折率が低いため、材料の選択が制限されていた。

【0004】

[0004] メタレンズは、伝統的なレンズや複合レンズよりもはるかに小さく（マイクロスケールやナノスケールでのサイズ、厚さはしばしば1μmより小さい）、様々な撮像用途において従来のレンズを置き換えるための有望性を示している。メタレンズ製造はまた、従来の半導体製造と互換性がある。メタレンズの１つの欠点は、従来のレンズよりも更に厳しい色収差を被ることである。メタレンズは、通常、極端に狭い波長の光にのみ有用であるため、フルカラー画像には使用できない。

【0005】

[0005] したがって、広範囲の光波長にわたりメタレンズを利用することができる装置及び方法が必要とされている。

【発明の概要】

【0006】

[0006] 一実施形態では、撮像システムが提供される。該撮像システムは、１以上のレンズアセンブリを含む。各レンズアセンブリは、複数のメタレンズフィルタシステムを含む。複数のメタレンズフィルタシステムは、複数のメタレンズ及び複数のカラーフィルタを含む。各カラーフィルタは、複数のメタレンズのうちの１つと結合され、カラーフィルタの中心通過波長（central pass-through wavelength）は、対応するメタレンズの作用波長（working wavelength）と同じである。更に、各レンズアセンブリは、複数のセンサを含む。各センサは、メタレンズフィルタシステムと結合されている。更に、該撮像システムは、コントローラを含む。コントローラは、複数のメタレンズの各々からのメタレンズ画像を組み合わせて合成画像にするように構成されたプロセッサを含む。

【0007】

[0007] 別の一実施形態では、撮像システムが提供される。該撮像システムは、１以上のレンズアセンブリを含む。各レンズアセンブリは、複数のメタレンズフィルタシステムを含む。複数のメタレンズフィルタシステムは、複数のメタレンズ及び複数のカラーフィルタを含む。各カラーフィルタは、複数のメタレンズのうちの１つと結合され、カラーフィルタの中心通過波長は、対応するメタレンズの作用波長と同じである。更に、各レンズアセンブリは、複数のセンサを含む。各センサは、メタレンズフィルタシステムと結合されている。更に、該撮像システムは、コントローラを含む。コントローラは、複数のメタレンズの各々からのメタレンズ画像を組み合わせて合成画像にするように構成されたプロセッサを含む。複数のメタレンズフィルタシステムは、少なくとも１つの赤色メタレンズフィルタシステム、少なくとも１つの緑色メタレンズフィルタシステム、及び少なくとも１つの青色メタレンズフィルタシステムを含む。

【0008】

[0008] 別の一実施形態では、撮像システムが提供される。該撮像システムは、１以上のレンズアセンブリを含む。各レンズアセンブリは、集束レンズ、及び複数のメタレンズを含むメタレンズアセンブリを含む。更に、該撮像システムは、１以上のレンズアセンブリに結合されたセンサ、及びコントローラを含む。コントローラは、複数のメタレンズの各々からのメタレンズ画像を組み合わせて合成画像にするように構成されたプロセッサを含む。複数のメタレンズは、少なくとも１つの赤色メタレンズ、少なくとも１つの緑色メタレンズ、及び少なくとも１つの青色メタレンズを含む。

【0009】

[0009] 別の一実施形態では、１以上の合成画像を生成する方法が提供される。該方法は、１以上のレンズアセンブリを含む撮像システムを光に曝露することを含む。各レンズアセンブリは、複数のメタレンズフィルタシステムを含む。複数のメタレンズフィルタシステムは、複数のメタレンズ及び複数のカラーフィルタを含む。各カラーフィルタは、複数のメタレンズのうちの１つと結合され、カラーフィルタの中心通過波長は、対応するメタレンズの作用波長と同じである。更に、複数のメタレンズフィルタシステムは、少なくとも１つの赤色メタレンズ、少なくとも１つの緑色メタレンズ、及び少なくとも１つの青色メタレンズを含む。更に、各レンズアセンブリは、複数のセンサを含む。各センサは、メタレンズフィルタシステムと結合されている。複数のメタレンズフィルタシステムの各々がメタレンズ画像を生成するように、光が複数のメタレンズフィルタシステムを通過する。更に、該方法は、複数のセンサを複数のメタレンズ画像の各々に露光することであって、センサはメタレンズフィルタシステムに結合されている、複数のセンサを複数のメタレンズ画像の各々に露光すること、複数のメタレンズ画像をプロセッサに送ること、並びに、プロセッサを使用して、複数のメタレンズ画像を組み合わせて１以上の合成画像にすることを含む。

【0010】

[0010] 該撮像システムは、メタレンズによって引き起こされる任意の色収差を緩和する。というのも、メタレンズの各々は、光を異なる波長範囲に集束させ、個別のメタレンズ画像を生成するからである。メタレンズ画像は、組み合わされて合成画像になり、したがって、最終画像における色収差が低減される。

【0011】

[0011] 本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約されている実施形態のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、それらの実施形態の一部が添付図面に示される。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、添付の図面が本開示の典型的な実施形態のみを例示しており、よって本開示の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】[0012] 一実施形態による撮像システムを示す。

【図1B】[0013] 幾つかの実施形態による１以上のレンズアセンブリの配置を示す。

【図1C】幾つかの実施形態による１以上のレンズアセンブリの配置を示す。

【図1D】幾つかの実施形態による１以上のレンズアセンブリの配置を示す。

【図1E】幾つかの実施形態による１以上のレンズアセンブリの配置を示す。

【図2A】[0014] 幾つかの実施形態によるメタレンズフィルタシステムの配置を示す。

【図2B】幾つかの実施形態によるメタレンズフィルタシステムの配置を示す。

【図3A】[0015] 一実施形態による複数のメタレンズ特徴の一部分の上面図を示す。

【図3B】[0016] 一実施形態による複数のメタレンズ特徴の一部分の側面図を示す。

【図4】[0017] 一実施形態による合成画像を生成するための方法動作のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

[0018] 理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに、同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、追加の記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。

【0014】

[0019] 本明細書で提供される本開示の実施形態は、１以上のレンズアセンブリを使用する撮像システム、及び１以上の合成画像を生成する方法を含む。撮像システムは、物体から反射された光に曝露され、光は、複数のメタレンズフィルタシステムを通してフィルタリングされる。複数のセンサで特定の狭い波長の集束光から生成されるメタレンズ画像は、次いで組み合わされて合成画像になる。結果として得られる合成画像は、実質的に色収差がない。本明細書で提供される本開示の実施形態は、殊に、メタレンズを使用して合成画像を生成するために使用される撮像システム及びその方法に有用であり得るが、それらに限定されない。

【0015】

[0020] 本明細書で使用されるときに、「約」と言う用語は、公称値からの＋／－１０％のばらつきを指す。そのようなばらつきは、本明細書で提供される任意の値に含まれ得ることが理解されるべきである。

【0016】

[0021] 図1Aは、一実施形態による撮像システム１００を示す。図示されているように、撮像システム１００は、コントローラ１９０、及び１以上のレンズアセンブリ１２５を含む。図示されているように、１以上のレンズアセンブリ１２５は、ベース１２１、複数のメタレンズフィルタシステム１３５、及び複数のセンサ１４０を含む。レンズアセンブリ１２５は、約１００μmから約１５mmの幅を有し得る。レンズアセンブリ１２５の間の幅は、用途によって変わり得る。例えば、レンズアセンブリ１２５の間の幅は、伝統的な二次元画像を撮るように修正することができ、又は三次元若しくは立体画像を撮るように幅を大きくすることができる。

【0017】

[0022] 本開示の部分は、撮像システム１００を白色光に曝露することを説明するが、これは一例であり、撮像システム１００は、白色光、可視光、又は予めフィルタリングされた光を含むが、これらに限定されない任意のスペクトルの光に曝露され得ることを理解されたい。

【0018】

[0023] メタレンズフィルタシステム１３５は、ベース１２１内に配置される。図示されているように、メタレンズフィルタシステム１３５は、メタレンズ１２０及びカラーフィルタ１２２を含む。メタレンズ１２０は、メタレンズの選択された焦点距離において、ある特定の波長の光を収束させる。カラーフィルタ１２２は、メタレンズ１２０の下方に配置される。カラーフィルタ１２２の中心通過波長は、対応するメタレンズ１２０の作用波長と同じである。例えば、焦点距離が約１cmの赤色メタレンズ１２０Ｒは、メタレンズ１２０Ｒから約１cmの距離に赤色光を集束させる。次いで、赤色カラーフィルタ１２２Ｒは、赤色メタレンズ１２０Ｒによって生成された画像から非赤色光をフィルタリングし、このフィルタリングされた画像がセンサ１４０Ｒに入射し、その結果、センサによって検知されたメタレンズ画像が得られ、このメタレンズ画像は、大部分が元の物体からの赤色光を含む。赤色メタレンズ１２０Ｒと同じ焦点距離を有する隣接する緑色メタレンズ１２０Ｇは、メタレンズ１２０Ｇから約１cmの距離に緑色光を集束させる。次いで、緑色カラーフィルタ１２２Ｇは、緑色メタレンズ１２０Ｇによって生成された画像から非緑色光をフィルタリングし、このフィルタリングされた画像がセンサ１４０Ｇに入射し、その結果、センサによって検知されたメタレンズ画像が得られ、このメタレンズ画像は、大部分が元の物体からの緑色光を含む。メタレンズ画像は、次に、合成画像を作成するために組み合わされ、これは、以下でより詳細に説明される。その結果、各レンズアセンブリ１２５は、他のレンズアセンブリ１２５、１２５’のものとは異なり得る単一の焦点距離を有する。

【0019】

[0024] 図１Ａは、集束光がカラーフィルタ１２２に集束する前にメタレンズ１２０に入射する白色光を示しているが、カラーフィルタは、メタレンズの前に配置されてもよく、その結果、白色光は、フィルタリング済みの光がメタレンズ１２０に入射する前に、カラーフィルタによってフィルタリングされる。カラーフィルタ１２２は、ベイヤーフィルタ（Bayer filter）などの、当技術分野で使用される任意のものであってよい。カラーフィルタ１２２は、それ自体がメタレンズ又はメタ表面であってもよい。更に、メタレンズ１２０は、ガラス又はプラスチックなどの透明基板を間に挟んで成長させた個々のメタレンズのスタックを含んでよい。

【0020】

[0025] 幾つかの実施形態によれば、１以上のレンズアセンブリ１２５、１２５’は、異なる焦点距離を有し、レンズアセンブリは、可変焦点レンズシステムを構成する。レンズアセンブリ１２５の焦点距離は、約０．５mmから約２０００mmまで変化し得る。異なる焦点距離により、撮像システム１００は、様々な距離で物体を正確に撮像することが可能になる。例えば、レンズアセンブリ１２５は、約０．５mmの焦点距離を有し、撮像システム１００に非常に近い物体を撮像することを可能にし、レンズアセンブリ１２５’は、２０００mmの焦点距離を有し、撮像システム１００から非常に遠い物体を撮像することを可能にする。

【0021】

[0026] 図１Ｂ～図１Ｅは、幾つかの実施形態による１以上のレンズアセンブリ１２５の配置を示している。図１Ｂは、１つのレンズアセンブリ１２５を有する撮像システム１００を示している。図１Ｃは、２つのレンズアセンブリ１２５を有する撮像システム１００を示している。図１Ｄは、２×２グリッド状の４つのレンズアセンブリ１２５を有する撮像システム１００を示している。図１Ｅは、ｎ×ｎ’レンズアセンブリ１２５を有する撮像システム１００を示し、ｎ及びｎ’は任意の整数である。ｎ及びｎ’は、同じ数であってもよいし、異なる数であってもよい。レンズアセンブリ１２５は、用途に応じて、図１Ｄで示されているようなグリッド、螺旋、円、又は任意の他の適切な形状などの任意の適切なパターンで配置され得るが、これらに限定されない。一実施形態によれば、図１Ｃで示されているように、グリッド状に配置された４つのレンズアセンブリ１２５が存在する。グリッド内で、レンズアセンブリ１２５は、ｙ方向に間隔ａを有し、ｘ方向に間隔ｂを有し得る。間隔ａ及び間隔ｂは、同じであっても異なっていてもよい。レンズアセンブリ１２５は、撮像システム１００の目的に応じて、約５００μmから約１０cmの間隔を空けられ得る。例えば、単一画像キャプチャでは、レンズアセンブリ１２５が、約５００μmから約３cmの間隔を空けられ得る。多重画像キャプチャでは、レンズアセンブリ１２５が、約３cmから約１５cmの間隔を空けられ得る。

【0022】

[0027] 図２Ａ及び図２Ｂは、幾つかの実施形態によるメタレンズフィルタシステム１３５の配置を示している。メタレンズフィルタシステム１３５は、少なくとも１つの赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒ、少なくとも１つの緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇ、及び少なくとも１つの青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂを含み、例えば、緑色メタレンズフィルタシステムは、緑色メタレンズ１２０Ｇ及び緑色カラーフィルタ１２２Ｇを含む。一実施形態によれば、メタレンズフィルタシステム１３５は、少なくとも２つの緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇを含む。赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒは、白色光をフィルタリングして、約６００nmから約７００nmの波長の赤色光を残し、緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇは、白色光をフィルタリングして、約５００nmから約５６０nmの波長の緑色光を残し、青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂは、白色光をフィルタリングして、約４４０nmから約４９０nmの波長の青色光を残す。

【0023】

[0028] 図２Ａは、赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒ、緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇ、及び青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂを示している。緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇは、赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒと青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂとの間に配置されている。メタレンズフィルタシステム１３５をこの構成に配置することによって、メタレンズフィルタシステムの総面積を小さくすることができ、レンズアセンブリ１２５のサイズを小さくすることができる。

【0024】

[0029] 図２Ｂは、赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒ、２つの緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇ、及び青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂを示している。図示されている構成では、４つのメタレンズフィルタシステム１３５が、グリッド状に配置され、1つの実施形態によれば、赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒが、２つの緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇに隣接して配置され、青色メタレンズフィルタシステム１３５Ｂが、２つの緑色メタレンズフィルタシステム１３５Ｇに隣接して配置される。図２Ｂで示されているように配置されたメタレンズフィルタシステム１３５は、色差分解能（chrominance resolution）よりも高い輝度分解能を実現するために使用され得る。

【0025】

[0030] 図２Ａ及び図２Ｂは、赤色、緑色、及び青色用のメタレンズフィルタシステム１３５を示しているが、レンズアセンブリ１２０内に任意のカラーメタレンズフィルタシステムを配置することができる。さらに、IR及びUVなどの不可視光用のメタレンズフィルタシステム１３５も使用できることが企図される。

【0026】

[0031] 図３Ａは、一実施形態による複数のメタレンズ特徴３０５の一部分３００の上面図を示している。メタレンズ１２０は、メタレンズ特徴３０５の反復パターンを含む。メタレンズ特徴３０５は、基板３１０上に成長させたナノサイズのカラム（column）である。メタレンズ特徴３０５は、フィルタリングする光の所望のスペクトルに応じて異なる形状を有する。メタレンズ特徴３０５は、実質的に、円形、三角形、正方形、長方形、又は凹凸形状を有し得る。メタレンズ特徴３０５は、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、チタン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、砒化ガリウム、窒化ガリウム、及び酸化ニオブなどの、任意の適切な高屈折率材料から作製され得るが、これらに限定されない。基板３１０は、ガラスなどの任意の典型的な透明基板であってよい。基板３１０は、その上に配置された任意の数の層を含み得る。

【0027】

[0032] 図３Ｂは、一実施形態による複数のメタレンズ特徴３０５の一部分３００の側面図を示している。メタレンズ特徴３０５は、約２０nmから約５００nmの半径ｒを有する。メタレンズ特徴３０５は、約１０nmから約２μmの高さｈを有する。メタレンズ特徴３０５は、約３０nmから約５００nmの分離距離ｄだけ互いから間隔を空けられている。メタレンズ特徴３０５の半径、高さ、形状、材料、及び特徴分離距離は、光の狭い波長帯域以外の全てをフィルタリングするメタレンズ１２０を生成するように選択される。例えば、赤色メタレンズ１２０Ｒに白色光が入射すると、赤色メタレンズ１２０Ｒは赤色光のみを集束させる。

【0028】

[0033] 一実施形態では、メタレンズ１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂが、円形又は楕円形のカラムを有するメタレンズ特徴３０５を有し、カラムは、二酸化ケイ素（SiO₂）、シリコン（Si）、二酸化チタン（TiO₂）、チタン（Ti）、又は窒化ガリウム（GaN）材料を含み、カラムは、約３０nmから５００nmの半径を有し、カラムは、約１０nmから２umの高さを有し、カラムは、約３０nmから５００nmの分離を有する。

【0029】

[0034] 図１Ａに戻って参照すると、メタレンズフィルタシステム１３５は、該当するメタレンズフィルタシステムに応じて、メタレンズフィルタシステムによってフィルタリングされた赤色光、緑色光、又は青色光のフィルタリング済みメタレンズ画像を、対応するセンサ１４０に送る。センサ１４０は、フォトセンサなどのような光情報を受け取り、解読することができる任意のセンサである。センサ１４０は、メタレンズ画像をコントローラ１９０に送る。

【0030】

[0035] プログラマブルコンピュータなどのコントローラ１９０は、センサコネクタ１４１によってセンサ１４０に接続され、レンズアセンブリ１２５から送られたメタレンズ画像を処理する。センサコネクタ１４１は、限定はしないが、ワイヤ、光ファイバ、又は無線ローカルエリアネットワーク（LAN）、Wi‐Fi、超高周波（UHF）電波、若しくはBLUETOOTH（登録商標）などの無線接続などのような、任意の種類のデータ接続であってよい。図示されているように、コントローラ１９０は、プロセッサすなわち中央処理装置（CPU）１９２と、メモリ１９４と、サポート回路１９６（例えば、入力／出力回路、電源、クロック回路、キャッシュなど）とを含む。メモリ１９４は、CPU１９２に接続される。メモリ１９４は、非一過性のコンピュータ可読媒体であり、１以上の容易に利用可能なメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（RAM）、読出し専用メモリ（ROM）、フロッピーディスク、ハードディスク、又は他の形状のデジタルストレージ）であってよい。加えて、単一のコンピュータとして図示されているが、コントローラ１９０は、例えば、複数の独立して動作するプロセッサ及びメモリを含む分散システムであってもよい。このアーキテクチャは、メタレンズ画像などのセンサ１４０から送られた画像を受け入れて解析するために、コントローラ１９０のプログラミングに基づいて、撮像システム１００の様々な実施形態に適応可能である。

【0031】

[0036] プロセッサ１９２は、メタレンズ画像を組み合わせて合成画像を作成する。プロセッサ１９２は、アルファ合成又は画像ステッチングなどのような、このタスク用の任意の標準アルゴリズムを使用する。一実施形態によれば、プロセッサ１９２は、画像ステッチングアルゴリズムを使用する。上記の実施例では、メタレンズフィルタシステム１３５が、赤色、緑色、及び青色であり、合成画像は、赤‐緑‐青（RGB）カラーモデルから生成される。しかし、メタレンズフィルタシステム１３５の任意の適切なセットは、例えば、シアン、マゼンタ、及びイエローメタレンズなどのような適切なカラーモデルと共に使用されてよく、シアン‐マゼンタ‐イエロー（CMY）カラーモデルが、合成画像を作成するために使用され得る。プロセッサ１９２によるメタレンズ画像の組み合わせは、色収差が低減された合成画像を可能にする。

【0032】

[0037] したがって、プロセッサ１９２は、メタレンズ画像を取得し、それらを組み合わせてフルカラー合成画像にし、プロセッサは、スクリーンコネクタ１８１を介して、合成画像をスクリーン１８０に送る。スクリーンコネクタ１８１は、ワイヤ、光ファイバ、又はWi‐FやBLUETOOTH（登録商標）などのような無線接続などの、任意の種類のデータ接続であってよいが、これらに限定されない。スクリーン１８０は、モニタ又はテレビなどのような任意の種類の適切なディスプレイであってもよい。スクリーン１８０は、標準精細度、高精細度（HD）、又は超高精細度（UHD）などのような任意の解像度を有し得る。スクリーン１８０は、液晶ディスプレイ（LCD）、発光ダイオード（LED）ディスプレイ、有機LED（OLED）ディスプレイなどであってよい。撮像システム１００がカメラの部分である場合、スクリーン１８０は、ユーザが撮像した写真を見るためのカメラの部分であってよい。撮像システム１００がスマートフォン又は他の携帯電話の部分である場合、スクリーン１８０は、電話のスクリーンの部分であってもよいし、電話のスクリーンであってもよい。

【0033】

[0038] メタレンズ画像は、非常に特有の波長の光（赤、緑、青など）に焦点が合わされ、設計されたもの以外の他の波長は、メタレンズフィルタシステム１３５によってフィルタリングされ、したがって、メタレンズ画像内の色収差が低減される。合成画像がメタレンズ画像の組み合わせによって生成されるときに、合成画像における色収差は最小化される。

【0034】

[0039] 各レンズアセンブリ１２５は、各レンズアセンブリが異なる焦点距離を有することができ、したがって、各合成画像は異なることになるので、個別の合成画像を提供することができることに留意されたい。例えば、短い焦点距離を有するレンズアセンブリ１２５によって近接している物体から取得された画像は、非常に長い焦点距離を有するレンズアセンブリ１２５’によって取得された画像よりも実質的に焦点が合うことになる。この場合、プロセッサ１９２は、合成画像のそれぞれをスクリーン１８０に送るように構成され、そこでユーザは、どの画像を選択して保存するかを選ぶことができる。プロセッサ１９２は、どの合成画像が焦点が合っているかなどのような、スクリーンに提供する最良の品質の合成画像をどのように選択するかに関するアルゴリズムを含み得る。一実施形態によれば、プロセッサ１９２は、合成画像のうちのどれをスクリーン１８０に提供するかを決定し、プロセッサは、選ばれた合成画像をスクリーンに提供する。また、プロセッサ１９２は、２つの合成画像を組み合わせて、第３の合成画像を作成するようにも構成され得る。例えば、合成画像のうちの１つが近焦点で生成され、合成画像のうちの別の１つが遠焦点で生成される場合、２つの合成画像は、組み合わされて完全な被写界深度を有する第３の合成画像になり得る。この場合、撮像システム１００は、光場（light-field）撮像システムにおいて使用することができ、シーン内の光の強度も、及び光線が空間内を進行する方向も、それら両方を考慮することができる。

【0035】

[0040] 説明された撮像システム１００は、レンズのサイズを小さくしなければならない用途に有用である。例えば、撮像システム１００は、スマートウォッチなどのようなウェアラブルデバイスにおいて、又はスマートフォンにおいて使用され得る。メタレンズフィルタシステム１３５は、メタレンズカメラの大きな視野、開口数、及び高効率最適化のために設計スペースを節約する。

【0036】

[0041] 図４は、一実施形態による合成画像を作成するための方法動作４００のフロー図である。図１Ａ～図１Ｅ及び図４を併用して本方法のステップについて説明するが、当業者には、本方法のステップを任意の順序で実行するよう構成された任意のシステムが、本明細書で説明される実施形態の範囲に入ることが分かるであろう。

【0037】

[0042] この方法は、動作４１０で始まり、ここで、１以上のレンズアセンブリ１２５を含む撮像システム１００が光に曝露される。１以上のレンズアセンブリ１２５は、物体から反射された光に曝露され、光は、下方のメタレンズフィルタシステム１３５に入射する。メタレンズフィルタシステム１３５内のメタレンズ１２０によって光が集束されると、集束した光はカラーフィルタ１２２を通過し、その結果、１色のフィルタリングされた光が得られる。例えば、赤色メタレンズフィルタシステム１３５Ｒは、フィルタリングされた赤色光のみを生成する。

【0038】

[0043] 動作４２０では、各センサ１４０が、フィルタリングされた光に曝露されて、メタレンズ画像の各々を作成する。

【0039】

[0044] 動作４２５では、各センサ１４０が、各メタレンズフィルタシステム１３５の対応するメタレンズ画像を、センサコネクタ１４１によってプロセッサ１９２に送る。

【0040】

[0045] 動作４３０では、プロセッサ１９２が、複数のメタレンズ画像を組み合わせて合成画像にする。合成画像は、上述のアルゴリズムのいずれかによって作成することができる。一実施形態によれば、合成画像は、画像ステッチングアルゴリズムによって生成される。例えば、２つのレンズアセンブリ１２５があり、各レンズアセンブリが３つのメタレンズフィルタシステム１３５を含む場合、３つのメタレンズ画像の２つの組が組み合わされて２つの合成画像にされ、合計６つのメタレンズ画像がプロセッサ１９２によって組み合わされる。

【0041】

[0046] 幾つかの実施形態では、任意選択的な動作４４０において、撮像システム１００が、２つ以上のレンズアセンブリ１２５、１２５’を含み、レンズアセンブリは、異なる焦点距離を有し、レンズアセンブリは、可変焦点レンズシステムを構成し、プロセッサ１９２は、合成画像のうちのどれをスクリーン１８０に提供するかを決定する。例えば、短い焦点距離を有するレンズアセンブリ１２５によって近接している物体から取得された画像は、非常に長い焦点距離を有するレンズアセンブリ１２５’によって取得された画像よりも実質的に焦点が合うことになる。プロセッサ１９２は、どの合成画像が焦点が合っているかなどのような、スクリーンに提供する最良の品質の合成画像をどのようにして選択するかに関するアルゴリズムを含み得る。

【0042】

[0047] 動作４５０では、プロセッサ１９２が、スクリーンコネクタ１８１を介して、１以上の合成画像をスクリーン１８０に提供する。プロセッサ１９２は、１以上の合成画像の全てをスクリーン１８０に提供することができ、そこでユーザは、どの合成画像を保存するかを選択することができる。上述したように、プロセッサ１９２は、合成画像のうちのどれをスクリーンに送るかを自動的に決定することができる。また、プロセッサ１９２は、２つの合成画像を組み合わせて、第３の合成画像を作成するように構成することもできる。例えば、合成画像のうちの１つが近焦点で生成され、合成画像のうちの別の１つが遠焦点で生成される場合、２つの合成画像は、組み合わされて完全な被写界深度を有する第３の合成画像になり得る。この場合、撮像システム１００は、光場撮像システムにおいて使用することができ、シーン内の光の強度も、及び光線が空間内を進行する方向も、それら両方を考慮することができる。

【0043】

[0048] 上述されたように、撮像システム１００は、プロセッサ１９２に結合された１以上のレンズアセンブリ１２５を含む。物体から反射された光がレンズアセンブリ１２５に入射すると、メタレンズフィルタシステム１３５は、センサ１４０に入射する光をフィルタリングする。各メタレンズフィルタシステム１３５は、光を特定の波長に集束させ、センサ１４０においてメタレンズ画像を生成する。メタレンズ画像はプロセッサ１９２に送られ、プロセッサはメタレンズ画像を組み合わせて１以上の合成画像にする。プロセッサ１９２は、１以上の合成画像をスクリーン１８０に送る。

【0044】

[0049] 説明されるような撮像システム１００は、メタレンズ１２０によって引き起こされる任意の色収差を緩和する。何故ならば、メタレンズの各々は、異なる波長の光を収束させるからである。メタレンズ画像は、組み合わされて合成画像になり、合成画像は、低減された色収差を有する。レンズアセンブリ１２５は、従来のレンズよりも小さくすることができる。更に、レンズアセンブリ１２５は、複数の複合レンズを必要とせず、したがって、レンズアセンブリの嵩張りを最小限に抑えることができる。

【0045】

［0050］上記は本発明の実装形態を対象としているが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実装形態を考案することもでき、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【国際調査報告】