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(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】2024-06-21
(54)【発明の名称】性能が改善された低視差レンズ設計
(51)【国際特許分類】
G02B 13/00 20060101AFI20240614BHJP
G02B 13/06 20060101ALI20240614BHJP
G03B 15/00 20210101ALI20240614BHJP
G03B 37/00 20210101ALI20240614BHJP
H04N 23/55 20230101ALI20240614BHJP
H04N 23/698 20230101ALI20240614BHJP
G02B 13/18 20060101ALN20240614BHJP
【ＦＩ】
G02B13/00
G02B13/06
G03B15/00 W
G03B37/00 A
H04N23/55
H04N23/698
G02B13/18
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023577920
(86)(22)【出願日】2021-12-22
(85)【翻訳文提出日】2023-12-18
(86)【国際出願番号】 US2021065002
(87)【国際公開番号】W WO2022173515
(87)【国際公開日】2022-08-18
(31)【優先権主張番号】63/185,042
(32)【優先日】2021-05-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】PCT/US2021/017284
(32)【優先日】2021-02-09
(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】521564847
【氏名又は名称】サークル オプティクス，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ボーロン
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー エフ．カーツ
(72)【発明者】
【氏名】アダム ブリッグス
(72)【発明者】
【氏名】ピーター ディーン－エルランデル
【テーマコード（参考）】
2H059
2H087
5C122
【Ｆターム（参考）】
2H059BA02
2H087KA01
2H087LA01
2H087LA21
2H087NA14
2H087PA08
2H087PA09
2H087PA10
2H087PA18
2H087PB09
2H087PB10
2H087PB11
2H087QA02
2H087QA07
2H087QA12
2H087QA21
2H087QA22
2H087QA25
2H087QA34
2H087QA39
2H087QA41
2H087QA45
2H087QA46
2H087RA01
2H087RA12
2H087RA13
2H087RA32
2H087RA42
2H087RA43
2H087RA44
2H087UA01
5C122FA03
5C122FA18
5C122FB02
5C122FB06
5C122HB06
(57)【要約】
低視差撮像デバイスのレンズ形状は、多角形の視野をキャプチャして撮像するように配置された複数の撮像レンズ要素を含む。レンズ形状は、コンプレッションレンズ要素群および広角レンズ要素群を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
低視差マルチカメラ撮像システムで使用するための撮像レンズであって、メニスカスレンズ形状を有し、クラウン光学材料を備える多角形レンズ要素を含むコンプレッサレンズ要素群であって、前記コンプレッサレンズ要素群は、多角形視野内の像光としてスペクトル帯域幅を有する入射光の少なくとも一部を屈折させるように構成され、前記像光は、前記コンプレッサレンズ要素の縁部に沿って受容される光線である視野縁部主光線を含む、コンプレッサレンズ要素群と、
前記コンプレッサレンズ要素群から前記像光を受光し、前記像光を像面に向け、前記多角形視野に対応する多角形像を形成するように構成された広角レンズ要素群と
を備え、
前記入射光に含まれた前記視野縁部主光線の投影は、前記像面の後ろに位置する低視差点に収束して、前記スペクトル帯域幅内の光が前記低視差点で収束するようにする、撮像レンズ。
【請求項2】
前記第１のレンズ要素の前記メニスカス形状は、低視差量内で前記瞳球面収差（ＰＳＡ）を最小化する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項3】
前記低視差点の量内のＲＭＳ横方向主光線誤差として測定された、前記撮像視野の平均ＰＳＡは０．３０ｍｍ以下である、請求項２に記載の撮像レンズ。
【請求項4】
前記低視差点で収束する前記入射光のスペクトル差は、前記コンプレッサレンズ要素と前記広角レンズ群の１つまたは複数の前開口絞りレンズ要素との組み合わせによって決定される、請求項３に記載の撮像レンズ。
【請求項5】
前記コンプレッサレンズ要素群が正の歪みを導入し、前記広角レンズ要素群がほぼ相殺する負の歪みを提供する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項6】
前記コンプレッサレンズ要素群が正のラテラルカラーを導入しながらフロントカラーと視差の両方を制限し、前記広角レンズ要素群がほぼ相殺する負のラテラルカラーを提供する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項7】
前記コンプレッサ群は第２のコンプレッサレンズ要素を含み、前記多角形コンプレッサレンズ要素および前記第２のコンプレッサレンズ要素は、フロントカラーを制御または制限するために無色に色補正される、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項8】
前記入射瞳と前記低視差点との間の距離が、前記複数の縁部のうちの１つの近傍で受光される非近軸主光線の視差誤差を低減する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項9】
前記コンプレッサレンズ要素は、１．６以下の可視屈折率および５５以上のアッベ数を有する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項10】
前記コンプレッサレンズ要素は、約１．６以上約１．８以下の可視屈折率および４０以上のアッベ数を有する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項11】
２００ｎｍ以上のスペクトル帯域幅の可視光撮像を提供し、前記コンプレッサ群は、前記第１のコンプレッサレンズ要素の前記多角形レンズ縁部に沿った残留フロントカラーを約０．２ｍｍ以下に制限する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項12】
２００ｎｍ以上のスペクトル帯域幅の可視光撮像を提供し、前記コンプレッサ群は、前記像面における前記像の前記多角形レンズ縁部に沿った残留フロントカラーを画像ピクセルサイズの約０．７以下に制限する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項13】
前記コンプレッサ群は、前記近軸主光線の投影が前記像面の後方に位置する入射瞳に収束するように、前記スペクトル帯域幅内の前記主光線の色補正された投影を提供するために組み合わされる２つのコンプレッサレンズ要素を有し、前記成形されたレンズ要素縁部またはその近くで受容された少なくとも前記非近軸主光線の前記スペクトル帯域幅にわたって遠近誤差が低減されるように、前記非近軸主光線の投影が、前記入射瞳に近接して位置するように最適化された遠近中心に収束する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項14】
前記多角形縁部に沿ったフロントカラーおよび視差の両方の制御が、前記撮像レンズによって提供される拡張視野の必要な幅を低減する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項15】
前記拡張視野は、公称視野幅の約５％未満であることが好ましく、約１％未満であることがさらに好ましい、請求項１４に記載の撮像レンズ。
【請求項16】
前記多角形縁部に沿ったフロントカラーおよび視差の両方の制御が、マルチレンズデバイスにおける前記撮像レンズおよび隣接する撮像レンズの継ぎ目の幅を約８ｍｍの機械的幅以下に低減させることに寄与する、請求項１に記載の撮像レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、隣り合って当接する複数の多角形カメラを有するパノラマ低視差マルチカメラキャプチャデバイスに関する。本開示はまた、多角形形状の視野からの入射光を取り込んで、改善された視差および前部色性能によって多角形形状の画像を形成するカメラのレンズ設計にも関する。
【背景技術】
【0002】
（関連出願の相互参照）
本出願は、（１）２０２１年５月６日出願の米国仮特許出願第６３／１８５，０４２号、名称「Ｌｏｗ Ｐａｒａｌｌａｘ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、および（２）２０２１年２月９日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２１／１７２８４号、名称「Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｃａｍｅｒａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ」の優先権の利益を主張し、各出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、（１）２０２１年５月６日出願の米国仮特許出願第６３／１８５，０４２号、名称「Ｌｏｗ Ｐａｒａｌｌａｘ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、および（２）２０２１年２月９日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２１／１７２８４号、名称「Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｃａｍｅｒａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ」の優先権の利益を主張し、各出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0003】
パノラマカメラは、広視野画像を同時に捕捉するその能力の故に重要な価値を持つ。最も初期のこのような例は魚眼レンズであり、これは、広いパノラマ画像または半球画像を取り込む一方で、強い視覚歪みが生じる超広角レンズである。魚眼レンズの視野（ＦＯＶ）は通常、１００度から１８０度の間であるが、その手法は、Ｙ．Ｓｈｉｍｉｚｕが米国特許第３，５２４，６９７号で提示しているように、２２０～２７０度に及ぶ範囲を含むさらに大きい角度に拡張されている。
【0004】
別の代替形態として、複数のカメラが球体まわりまたは球体の周囲に配置されたパノラママルチカメラデバイスがますます普及してきている。しかしながら、Ｊａｕｎｔ Ｉｎｃ．のＡ．Ｖａｎ Ｈｏｆｆらの米国特許第９，４５１，１６２号および米国特許第号９，９１１，４５４号に記載されているものを含めて、これらのシステムのほとんどでは、複数のカメラがデバイスの外面に間隔をあけて装着されている。隣り合う個々のカメラ間の隙間または継ぎ目を含めて完全な３６０度パノラマ画像を取り込むために、カメラは、この場合には互いに重なり合う拡大ＦＯＶを有する。場合によっては、カメラのＦＯＶまたは解像度の５０％もがカメラ間オーバーラップのために使用されることがあり、これによりまた、取り込まれた画像間にかなりの視差が生じる。視差とは、物体の位置または方向が、異なる位置から見たときに異なるように見える視覚認知のことである。この場合、その後の画像処理において、過剰な画像重なりと視差差の両方が、隣り合うカメラによって撮影された画像から容認可能な画像を適切に結合、タイル化またはステッチ、および合成するための処理を複雑にするとともに大幅に遅らせる。
【0005】
複数のカメラが球体まわりまたは球体の周囲に、隣り合うカメラが隣接縁部の一部または全体に沿って当接するように配置されているパノラママルチカメラデバイスもまたある。例として、Ｋ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａの米国特許第７，５１５，１７７号は、隣り合う多数の撮像ユニット（カメラ）を含む撮像デバイスを描写している。画像は、視野が重なり合っているカメラから、機械的誤差を補償するように収集される。
【0006】
低視差パノラママルチカメラデバイスに使用できる撮像レンズ系のレンズ設計および機能には、改善する余地が残されている。可能性のある光学的改良にはまた、隣り合うカメラ間の継ぎ目または継ぎ目付近の問題に特に関連して、個々のカメラレンズ系およびデバイス全体の光学機械設計に対する直接的および間接的な利益または相乗効果もあり得る。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】マルチカメラキャプチャデバイスの一部分、特にそのうちの２つの隣り合うカメラを示す３Ｄ図である。
【図2A】レンズ要素および光線経路を含むカメラレンズアセンブリの一部分の断面図である。
【図2B】レンズ要素および光線経路を含むカメラレンズアセンブリの一部分の断面図である。
【図3】ＦＯＶ重なり、視野、重なり、継ぎ目、およびブラインド領域を示す、標準的なマルチカメラキャプチャデバイスの一部分の断面図である。
【図4A】切頭二十面体の幾何形状を有するデバイスで生じる可能性がある、隣り合う６角形レンズおよび５角形レンズの視野の光学的幾何形状を示す図である。
【図4C】近軸ＮＰ点または入射瞳とデバイス中心との両方の近くに位置する低視差（ＬＰ）量の例を示す図である。
【図4D】遠近中心に対するカメラチャネルの視差差を示す図である。
【図4E】外側コンプレッサレンズ要素の縁部におけるフロントカラーを示す図である。
【図5】最適化されたパノラママルチカメラキャプチャデバイスの設計に両方とも有用な可能性のあるコアおよび拡張視野（ＦＯＶ）の両方を含む、隣り合うカメラの視野を示す図である。
【図6】例示的対物レンズの断面図である。
【図7】本発明によるレンズ設計方法を示すフローチャートである。
【図8A】レンズ設計方法に従って別個に設計された２要素コンプレッサレンズ群の断面図である。
【図8B】レンズ設計方法に従って別個に設計されたコンプレッサレンズ要素によって作成された一時的開口絞りに向けられている主光線の断面図である。
【図10B】別の例示的な改善された撮像レンズ系の断面図である。
【図11A】別の例示的な改善された撮像レンズ系の断面図である。
【図11B】追加の例示的な改善された撮像レンズ系の前開口絞り（pre-aperture stop）部分の断面図である。
【図11C】別の例示的な改善された撮像レンズ系の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
光学の分野で一般的に理解されているように、レンズまたはレンズアセンブリは通常、レンズ鏡筒またはハウジングに取り付けられ協働して光学像を生成する、複数のレンズ要素を有するシステムまたはデバイスを備える。撮像レンズは、レンズ系からいくらかの距離の物体空間に存在する物体または複数の物体から来る光の一部分を取り込む。そうして撮像レンズは、これらの物体の像を出力「面」に形成することができ、この像は、撮像レンズの焦点距離と、その焦点距離に対する物体および像面までの共役距離とによって決定される倍率に依存する有限の大きさを有する。レンズを通過する、物体から像への像光の量は、撮像レンズの開口絞りのサイズに大きく依存し、これは通常、開口数（ＮＡ）またはＦナンバー（Ｆ＃またはＦ／＃）についての１つまたは複数の値によって定量化される。
【0009】
撮像レンズによって得られる画質は、設計に使用される光学材料の選択、レンズ要素のサイズ、形状（もしくは曲率）および厚さ、レンズ要素相互の相対間隔、スペクトル帯域幅、偏光、透過光の光負荷（パワーまたは束）、光回折もしくは散乱、ならびに／またはレンズ製造公差もしくは誤差を含む、レンズ設計の多数の特性に依存する。画質は通常、レンズ収差（たとえば、球面収差、コマ収差、非点収差、歪曲収差）、またはレンズによって得られる解像可能なスポットの相対的なサイズの観点から記述されるか定量化される。撮像レンズによって得られる解像度は通常、変調伝達関数（ＭＴＦ）によって定量化される。
【0010】
典型的な電子カメラまたはデジタルカメラでは、通常はＣＣＤまたはＣＭＯＳデバイスであるイメージセンサが、像面に名目上配置される。
【0011】
典型的な使用において、カメラは環境およびその中の物体を撮像する。カメラが、同じシーンの一部の別の画像を取り込むために、近くの別の場所に移動され使用される場合には、物体の見かけの視点と相対的な位置決めの両方が変化する。後の方の場合、ここでは一方の物体が他方の物体を部分的に覆い隠すことがあるのに対して、以前には隠れていた物体が少なくとも部分的に見えるようになる。物体のこれらの見かけ上の位置または方向の差は、視差として知られている。特に、視差とは、２つの異なる視線に沿って見た物体の見かけ上の位置のずれまたは差のことであり、これらの２つの線間の傾斜の角度または半角によって測定される。パノラマ画像取り込み適用例において、視差差は、画像ステッチングと画像外観の両方を複雑にして視覚的な差異、画像アーチファクト、露光差、およびその他の誤差を生じさせる可能性がある誤差とみなすことができる。結果として得られる画像は、画像処理アルゴリズムを用いて成功裏に継ぎ合せができることが多いが、入力画像誤差は画像処理時間を複雑にするとともに長くし、場合によっては視覚的に明白な残留誤差を残す。
【0012】
状況を提示するために、図１は、視差低減画像キャプチャ用に設計されたハウジング１３０内に隣り合う２つのカメラ１２０を有する、改善された一体型パノラママルチカメラキャプチャデバイス１００の一部分を示す。これらのカメラは、あるいはカメラチャンネルまたは対物レンズ系とも呼ばれる。カメラ１２０はそれぞれ、レンズ鏡筒またはハウジング１３０内に装着される複数のレンズ要素（図２参照）を有する。隣り合う外側のレンズ要素１３７は、隣り合うベベル縁部１３２を有し、一方のカメラチャネルから他方のカメラチャネルまで近接して設置されているが、接触していなくてよく、したがって、有限の幅のギャップまたは継ぎ目１６０によって分離されている。シーンまたは物体空間１０５からの利用可能な光（λ）、すなわち光線１１０のいくらかの部分はカメラ１２０に入って、制約されたＦＯＶ内で捕捉され画像平面に向けられた画像光になり、他の光線はカメラを完全に外れる。
【0013】
より詳細に、図２Ａは、一体型パノラママルチカメラキャプチャデバイス１００の一部分内のハウジング（１３０、図示せず）の中に装着されたレンズ要素１３５のセットを有するカメラ１２０の一部分の断面を示す。物体空間１０５からの、軸上主光線から全視野軸外主光線までの範囲に及ぶ扇形の光線１１０が、外側レンズ要素１３７に入射し屈折して内側に透過する。各主光線は、両側に隣接する光線とともに示されており、局所的な光ビームを表している。開口絞り１４５を通り、さらに内側レンズ要素１４０を通過して屈折および透過するこの像光１１５は、イメージセンサ（図示せず）が通常は配置されている像面１５０またはその近傍で焦点画像に収束する。図２Ａのレンズ系１２０はまた、外側レンズ要素１３７またはコンプレッサレンズ要素、および内側レンズ要素１４０からなるレンズ形態を有すると定義することもでき、後者はまた、前絞り（pre-stop）広角レンズ群および後絞り（post-stop）アイピース様レンズ群からなると定義することもできる。このコンプレッサレンズ要素（１３７）は、像光１１５を鋭く内向きに光を圧縮して、レンズアセンブリ全体が短い焦点距離を実現できるようにする助けにするとともに、一方ではまた、レンズ要素を保持または装着するためと、隣り合うカメラの鏡筒またはハウジングと適切にインターフェースするためとの両方に必要な機械的機能が得られるように、カメラレンズハウジングまたは鏡筒に必要な空間を可能にもする。カメラレンズアセンブリを外側レンズ要素１３７から像面１５０まで通過した像光は、像解像度、像コントラスト、焦点深度、および他の属性によって定量化され得る画質の画像をもたらし、その品質は、カメラ１２０内のレンズ要素（１３７、１４０）の各々において通過光で生じる、光学収差（たとえば、非点収差、歪曲収差、または球面収差）および色収差または分光収差によって定義された。図２Ｂは、図２Ａに示されたカメラ光学部品（１２０）の外側レンズ要素１３７のベベル縁部１３２に沿って、またはその近くに入射する扇形の主光線１７０、または周辺光線を示している。図２Ｂはまた、光軸１８５から端部光線と一致する線まで延びる、捕捉された多角形形状または非対称のＦＯＶ １２５の一部分を示す。
【0014】
一体型パノラママルチカメラキャプチャデバイス１００の複数のカメラによって生成される画像は、レンズ要素を通って任意の所与のカメラ１２０のイメージセンサに至る画像光の方向位置決めまたは収集によって、カメラが、角度歪みのある、または非対称のＦＯＶ（ＦＯＶ⇔）、またはサイズ間違いのＦＯＶ（ＦＯＶ±）を取り込むようになる影響を受ける可能性がある。レンズ位置決めばらつきは、カメラ（たとえば、レンズ要素、センサ、およびハウジング）の製造中に、または複数のカメラを一体型パノラママルチカメラキャプチャデバイス１００に組み立て中に、個々のカメラのアライメントが、アライメント不良または装着応力によって歪むことになるように生じる可能性がある。これらのカメラ位置決め誤差が、カメラ１２０間に継ぎ目１６０があることと合わさると、取り込まれ得る利用可能な風景または全景ＦＯＶの一部分の画像が取り込まれずに取り逃されたり、不適切に取り込まれたりすることがある。カメラ位置決めおよび継ぎ目のばらつきは、熱または光（たとえば、画像コンテンツ）などの内部または外部の環境要因と、特にその非対称の負荷とによって引き起こされる機械的なシフトおよび歪みによって悪化する可能性がある。
【0015】
カメラ幾何形状に関するいくつかの問題を説明するのに役立つように、図４Ａは、五角形ＦＯＶ １７７を取り込む五角形レンズ１７５と、六角形ＦＯＶ １８２を取り込む六角形のレンズ１８０との断面を示しており、切頭二十面体、またはサッカーボール型のパノラママルチカメラキャプチャデバイス（たとえば、１００、３００）で生じ得るような、外側のレンズ要素が五角形および六角形の形状を有する隣り合うカメラの対を表す。理論上の六角形ＦＯＶ １８２は、辺に沿って２０．９°の半ＦＯＶ、または４１．８°（θ１）の全ＦＯＶに及ぶが、頂点付近のＦＯＶはもっと大きい。五角形ＦＯＶ １７７は、円形領域内で３６．５５°ＦＯＶ（θ２）をサポートし、隅または頂点付近でより大きいＦＯＶをサポートする。注目すべきことには、この断面では、五角形ＦＯＶ １７７は非対称であり、光軸１８５の一方の側で２０度ＦＯＶをサポートし、光軸の他方の側では１６．５度ＦＯＶだけをサポートする。
【0016】
改善された低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイス（３００）のレンズ系を設計する場合、性能（特に視差を含む）に影響を及ぼすいくつかの要因と、それを制御するように個別にまたは一括して最適化することができるいくつかのパラメータとがある。レンズ最適化中の視差制御の１つの手法は、「ＮＰ」点、またはより重要なことには、その変形体を対象とする。背景として、光学の分野には入射瞳の概念があり、これは、物体空間から見た開口絞りの投影であり、または、物体空間からの撮像光線が第１のレンズ要素による屈折の前に伝播するように見える仮想的な開口である。標準的な手法では、入射瞳の位置は、開口絞りの中心を通過する物体空間１０５からの近軸主光線を特定すること、および、その物体空間方向を前方に、それが光軸１８５に当たる位置まで投影または延長することによって、見つけることができる。光学では、入射ガウス光線または近軸光線は、一般に、光軸から１０°以下の角度範囲内に存在するとともに、開口絞りの中心に向けられる光線に対応すると理解されており、また、入射瞳位置を画定もする。レンズの特性に応じて、入射瞳は開口絞りよりも大きいことも小さいこともあり、開口絞りの前または後に位置することもある。
【0017】
比較して、低視差カメラの分野には、無視差（no-parallax）（ＮＰ）点、または視点中心の概念がある。概念的には、近軸入射瞳と関連付けられたＮＰ点が、レンズを設計するための初期仕様、またはレンズを記述するための初期仕様を策定するのに役立ち得る。それに対し、非近軸視野縁部主光線と関連付けられたＮＰ点は、視差性能を対象にすること、および理解すること、ならびにレンズアセンブリが存在できる円錐容積部または錐台を画定することに役立ち得る。主光線、特に非近軸主光線の投影は、レンズ収差と、これらのレンズ系に関連付けられた実際的な幾何学との両方の故に、近軸主光線画定の入射瞳を取り逃す可能性がある。前者に関連して、適切に設計されたレンズでは、像面における画質が通常は、解像力、テレセントリック性、および他の属性に対する収差の影響を制限することによって、優先される。レンズ系内では、重点が像面における正味合計にあるので、開口絞りを含む中間面における収差が広範に変化する可能性がある。開口絞りにおける収差は、ケラレを避けるためにある程度制御されることが多いが、非近軸主光線が、開口絞りの中心、または投影された近軸に位置する入射瞳の中心を通過する必要はない。
【0018】
これらの概念を拡張し、改善された低視差レンズ系の設計を可能にするために、図２Ａのカメラレンズ系１２０は、物体空間１０５からの近軸主光線のベクトル投影によって画定された入射瞳に対応する第１のＮＰ点１９０Ａと、物体空間からの非近軸主光線のベクトル投影に対応するオフセットされた第２のＮＰ点１９０Ｂとの両方を示していることに留意されたい。これら両方の仮想光線投影が、レンズ系と像面１５０両方の後ろの位置で光軸１８５を横切る。後で論じられるように、投影点１９０Ａと１９０Ｂの間、およびこれらに近接する領域における光線の挙動は複雑になる可能性があり、投影された位置または点のどちらも明示的な値または大きさを有していない。主光線の投影は、点で光軸を横切るが、主光線の群の投影は、光軸に向かって収束し、密集できる（たとえば、数ミクロンまたは数十ミクロン以内）異なる位置で横切り、その「点」の範囲またはサイズは、解析に使用される近接主光線の集まったものに依存し得る。それに対して、大きいＦＯＶを撮像する低視差撮像レンズを設計する場合、投影された近軸主光線および非近軸主光線によって得られるＮＰ点１９０Ａと１９０Ｂの間の軸方向の距離または差は、著しく大きい可能性がある（たとえば、ミリメートル）。したがって、後でまた論じられるように、軸方向の差は、現在のパノラマキャプチャデバイスおよび適用例のために設計されたレンズ系の視差最適化（たとえば、低視差量１８８）の有用な尺度である。後でも分かるように、改善されたデバイス（３００）の設計は、デバイスの幾何学的中心、すなわちデバイス中心１９６を、この低視差量１８８の外側であるが近くに、あるいはその内部に、好ましくは非近軸主光線ＮＰ点の近傍に位置付けるように最適化することができる。
【0019】
１つの態様として、図４Ａは、共通点（１９０）に向けられた線を得るための、隣り合う２つのカメラの外側レンズ要素（レンズ１７５および１８０）を通り越す、視野の理論的縁部（ＦＯＶ縁部１５５）の仮想投影図を示す。これらの線は、複雑な「円錐形」光学機械レンズアセンブリの理論的限界を表しており、通常は五角錐形または六角錐形の限界量である。再び、理想的には、無視差マルチカメラシステムでは、隣り合うカメラの入射瞳またはＮＰ点は同位置にある。しかし、機械的な干渉を避けるために、所与のレンズアセンブリの機構は一般に、センサパッケージを含めて、カメラシステムの錐台の外側に、および隣接するレンズアセンブリの錐台空間の中に突出してはならない。しかし、マルチカメラパノラマキャプチャデバイスの実際のレンズアセンブリは、継ぎ目１６０によっても分離される。したがって、機械的な継ぎ目と、装着された外側レンズ要素（レンズ１７５および１８０）の物理的な幅または開放口との両方の内側にある、レンズ縁部で受容される実主光線１７０は、全体的に近軸ＮＰ点１９０に向けて投影されると、代わりにオフセットＮＰ点１９２に着地し、ＮＰ点オフセット距離１９４だけ分離することができる。
【0020】
このことは、図４Ｂに詳細に示されるように、公称または理想の点ＮＰ１９０に近接する拡大領域Ａ－Ａを考慮することによって、より良く理解することができる。図４Ａ～図４Ｃは、相対的により細かい尺度に向かっており、たとえば、図４Ｃに提示された細部が図４Ａまたは図４Ｂですべて見えるわけではないことを理解されたい。図４Ｂでは、六角形ＦＯＶ １８２内で、ガウス領域または近軸領域内を伝搬し開口絞りの公称中心を通過する光線（たとえば、近軸光線１７３）は、公称ＮＰ点１９０（入射瞳に対応）に、または公称ＮＰ点１９０からの小さいＮＰ点差またはオフセット１９３でオフセットＮＰ点１９０Ａに、投影することができる。それに対して、六角形内の最大内接円と関連付けられた実六角形レンズ縁部主光線１７０は、より大きいオフセット距離（１９４Ａ）のところにあり得る共通オフセットＮＰ点１９２Ａに着地するように投影することができる。図４Ａ、図４Ｂの隣り合う２つのカメラはまた、一致するＮＰ点（たとえば１９０）を共有することも、しないこともある。距離オフセットは、カメラ（隣り合う六角形カメラと五角形カメラ）間の幾何学的な事柄、カメラ内の幾何学的な非対称性（たとえば、五角形カメラの場合）、もしくは継ぎ目１６０の実際的な幅からの制限を含む様々な理由の故に、または収差光線間の方向性差の故に、生じる可能性がある。
【0021】
前述のように、極度に単純化された公称「ＮＰ点」（１９０）に向かう入射主光線の仮想投影図には、潜在的な幾何学的差もまたある。第一に、六角形レンズまたは五角形レンズの隅もしくは頂点または中央縁部（中央弦）付近からの入射撮像光路は、公称近軸ＮＰ点１９０とオフセットＮＰ点１９２Ｂとの間の記述された範囲内の共通ＮＰ点に投影することも、しないこともある。また、図４Ｂに示されるように、五角形レンズの幾何学的非対称性だけから、実際に受容されるＦＯＶに対する縁部主光線１７０と１７１の関連付けられた対は、近軸ＮＰ点（１９０）からオフセット距離１９４Ｂだけと、互いにオフセット距離１９４Ｃだけとの両方で分離できる、異なる公称ＮＰ点１９２Ｂに投影することができる。
【0022】
別の問題として、レンズ設計中、最良の性能は通常、光軸１８５付近の、軸上または軸上付近（たとえば、０．３視野（正規化）以下）で生じる。多くのレンズでは、設計による良好な撮像性能は、コンプライアンスを強制するために最適化重み付けが使用されることが多い視野縁部またはその近傍で生じることが多い。そうして、最悪の撮像性能は、中間視野（たとえば、正規化像視野高さの０．７～０．８）で生じる可能性がある。再び図４Ａ、図４Ｂを考察すると、近軸領域外側の中間視野（θ）からの、しかし縁部主光線（１０°＜θ＜２０．９°）ほどに極端ではない、中間軸外光線は、公称ＮＰ点１９０とオフセットＮＰ点１９２Ｂとの間の中間ＮＰ点に向けて投影することができる。しかし他の、特に０．７～０．８中間視野からの、収差による影響をより多く受ける、より極端な軸外光線は、視野縁部オフセットＮＰ点１９２Ｂよりも公称ＮＰ点１９０から多かれ少なかれオフセットされている位置のＮＰ点に投影することができる。レンズ設計のばらつきを考慮すると、非近軸オフセット「ＮＰ」点は、図４Ｂで示唆されているように、近軸ＮＰ点（入射瞳）の前（レンズにより近い）、またはその後ろに位置することができる（図２Ａに図示）。
【0023】
これは、より詳細に図４Ｃに示されており、この図は、本質的に、図４Ｂのさらに拡大された領域Ａ－Ａを示しているが、本手法の方法を使用して設計され最適化された撮像レンズ系について、近軸入射瞳（１９０）およびその近傍に収束する、収差像光線と関連付けられたベクトル投影光線経路の影響を示している。図４Ｃにおいて、カメラレンズ系からの複数の視野における緑色の収差像光線の投影光線経路は、１つまたは複数の「ＮＰ」点近くの低視差量１８８内に収束する。同様の光線扇形の図はまた、赤色光または青色光について生成することもできる。近軸光線１７３の仮想投影は、像面１５０の後ろの距離Ｚにおいて公称光軸１８５上に位置する公称近軸ＮＰ点１９０もしくはその近傍に、または入射瞳に収束することができる。主光線１７１を含む視野縁部光線１７２の仮想投影は、光軸１８５に沿ってオフセットＮＰ点１９２Ｂまたはその近くに収束する。ＮＰ点１９２Ｂは、たとえば、すべての視野縁部光線１７２の重心として定量的に画定することができる。「最小混乱の円」に対応する代替のオフセットＮＰ点１９２Ａを特定することができ、この場合には、近軸光線、端部光線、および中間または中央視野光線が最小スポット（軸外）に集まる。これらの異なる「ＮＰ」点は、近軸ＮＰ点からオフセット距離１９４Ａおよび１９４Ｂだけ、また互いにオフセット距離１９４Ｃだけ分離される。したがって、より大きい近軸ＦＯＶ、または非対称ＦＯＶをサポートする任意の所与の実際の撮像レンズアセンブリまたはカメラレンズの集合「ＮＰ点」は、通常は点ではなく、オフセット低視差（ＬＰ）スマッジ（smudge）または量１８８である可能性があると理解することができる。中央視野光線および視野縁部主光線のＮＰポイントは通常、近軸入射瞳または近軸ＮＰポイントよりも像面から遠くに位置するが、常にそうなるとは限らない。レンズ設計では、これらの詳細が設計仕様と最適化優先順位の両方に依存する可能性がある。
【0024】
スマッジまたは低視差量１８８内では、様々な可能な最適または好ましいＮＰ点を特定することができる。たとえば、改善された画像タイリングを実現するのに役立つように、視野光線１７２の縁部に対応するオフセットＮＰ点を強調することができる。代替の中央視野（たとえば、０．６～０．８）のＮＰ点（図示せず）もまた、追跡し最適化することができる。また、全体的な「ＬＰ」スマッジもしくは量１８８、またはその中の好ましいＮＰ点（たとえば、１９２Ｂ）のサイズおよび位置は、レンズ設計最適化に応じて変化する可能性もある。このようなパラメータはまた、レンズアセンブリ間の製造差異の故に、所与の設計の製造された１つのレンズ系から別のレンズ”系までに関して、レンズ間で変化する可能性もある。図４Ｃは、非近軸光線に対するこれらの代替オフセット「ＮＰ点」１９２Ａ、Ｂを、近軸ＮＰ点１９０の後ろに、またはレンズおよび像面からさらに遠くに位置するように示しているが、本手法の方法を使用して最適化された、このタイプの他のレンズが提供されることも可能であり、この場合には、低視差量１８８で配置されている同様の非近軸ＮＰ点１９２Ａ、Ｂが、像面と近軸ＮＰ点の間の位置に生じ得る。
【0025】
図４Ｃはまた、低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイスの中心、デバイス中心１９６の位置を示す。光学的考察に基づいて、改善されたパノラママルチカメラキャプチャデバイス３００は、好ましくは、デバイス中心１９６を低視差量１８８内に名目上位置付けるように最適化することができる。その中の最適化された位置は、視野縁部主光線に対する視差制御を優先するように、オフセットＮＰ点１９２Ａまたは１９２Ｂのいずれかに、もしくは近傍に、またはそれらの間のオフセット距離１９４Ｂ内に、あることを含むことができる。その中の実際の位置は視差最適化に依存しており、この視差最適化は、入射瞳の球面収差、または直接主光線制約、または歪み、またはそれらの組み合わせに関連するレンズ最適化によって決定することができる。たとえば、球面収差が過補正または過小補正されるように最適化されるかどうか、およびどれだけの重み付けがメリット関数の視野オペランドに使用されるかが、周辺視野または中央視野に対する非近軸「ＮＰ」点の位置決めに影響を及ぼす可能性がある。「ＮＰ」点位置決めはまた、製造公差の管理およびレンズ系製造における残留ばらつきに依存する可能性もある。デバイス中心１９６はまた、低視差量１８８の近傍であるが、そこから中心オフセット距離１９８だけオフセットして配置することもできる。この手法はまた、公差管理に役立ち、より多くの空間をデバイス中心１９６の近傍に、ケーブル、回路、冷却ハードウェア、および関連する構造物のために設けることもできる。このような場合、隣り合うカメラ１２０は、「ＮＰ」点のオフセット低視差量１８８（図４Ｃ）を、一致するもの（図４Ａ、４Ｂ）の代わりに有することができる。この例では、そうではなくデバイス中心１９６が、近軸方向入射瞳、ＮＰ点１９０に位置しているか近接しているならば、実質的にカメラ１２０の外側レンズ要素１３７のうちの１つまたは複数が過小サイズになり、所望の完全ＦＯＶが達成可能にならない。
【0026】
低視差量１８８の幅および位置と、様々な主光線の投影のベクトル方向と、それらの低視差量内のＮＰ点位置とは、レンズ最適化中に、主光線１７０の扇形（たとえば、図２Ａ、図２Ｂ）と関連付けられたオペランドを使用する方法によって制御することができる。しかし、図４ＣのＬＰスマッジまたはＬＰ量１８８はまた、入射瞳の球面収差（ＰＳＡ）の横方向成分の視覚化であると理解することもでき、このパラメータは、主光線扇形を使用することの代替の、しかしそれと同等の設計最適化方法で使用することができる。特に、レンズ最適化中に、たとえばＣｏｄｅ Ｖを使用して、レンズ設計者は、入射瞳の球面収差の横方向成分（たとえば、光線高さ）についての特別なユーザー定義関数またはオペランドを作成することができ、これはその後、様々に使用することができる。たとえば、オペランド値は、視野オペランドに対する均等または不均等な重み付けのいずれかを使用して、全ＦＯＶまたは局所的視野にわたる値の残差二乗和（ＲＳＳ）として計算することができる。後の方の局所的な視野選択の場合、値は、入射瞳もしくはその近くの位置、または低視差量１８８内のどこか他のところについて、近軸、中央または周辺視野を選択することに応じて計算することができる。等価オペランドは、図４Ｃに示されるように、オフセットＮＰ点１９２Ａの平面またはオフセットＮＰ１９２Ｂのそれなどの、平面内の最小混乱の円の幅とすることができる。最適化オペランドはまた、視野全体にわたって不均一に視差誤差を低減または制限するための重み付けで、中央視野よりも周辺視野または縁部視野が有利になる不均衡な重み付けで、計算することができる。あるいは、最適化オペランドは、全視野にわたって（たとえば、図５のように、コアＦＯＶ ２０５の内部またはその全体にわたって）名目上低い視差誤差を名目上均一にもたらす重み付けで計算することができる。そのタイプの最適化は、マッピングタイプ適用例に特に有用であり得る。
【0027】
低視差レンズ設計および最適化方法が、主光線または入射瞳の球面収差（ＰＳＡ）に基づくオペランドを使用するものであろうとなかろうと、得られるデータはまた、撮像遠近（ｉｍａｇｉｎｇ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ）の変化に関連して分析することもできる。特に、視野および色に対する視差誤差はまた、遠近中心（ＣＯＰ）の計算を使用して分析することもでき、この視差誤差は、可視画像アーチファクトに、低視差量よりも直接関連付けられるパラメータであり、また、物体をカメラシステムから２つの異なる距離において撮像する場合の画像ピクセル誤差または差異で評価することができる。遠近中心の誤差は本質的に、「無限遠」にある別の物体に対して近い距離（３フィート（９１．４４ｃｍ））にある物体などについての、所与の複数の物体距離における主光線軌跡の変化である。
【0028】
遠近法は、シーンから想像上の長方形（図の平面として実現される）を通って観察者の目に至る光を、あたかも観察者が窓を通して見て、見えたものを直接窓ガラスに描くように表現することによって機能する。図面および建築学では、線遠近法または点遠近法を用いた図の場合、物体は、観察者からのその距離が増加につれて小さく見える。隣り合う光学系の対を用いる立体画像取り込みまたは投影において、遠近法は、デュアルビュー視差、影付け、オクルージョンとともに、奥行き感をもたらす視覚的手がかりになる。少なくとも部分的に重なる視野を持つ隣り合うカメラの対による画像取り込みの場合には、視差画像差は、立体画像知覚の手がかりになり、またはパノラマ画像アセンブリの誤差になる。
【0029】
分析的に、実際のレンズからの主光線データはまた、色誤差を含む遠近誤差の観点から、画角の関数として表現することもできる。その場合、遠近誤差は、異なる距離または方向に位置する２つの物体間の画像における位置誤差として分析することができる。遠近誤差は、ＣＯＰの位置の選択、撮像ＦＯＶ内の角度、および色誤差に依存する可能性がある。たとえば、緑色遠近誤差を最小にするようにＣＯＰを優先することが有用であり得る。遠近差または視差誤差は、撮像ＦＯＶ内の１つまたは複数の画角について、遠近中心に対するＬＰ量１８８内の色軸の位置（Δｚ）または幅を最適化することによって低減させることができる。遠近中心はまた、画角に対するＺ（軸）切片位置（ｍｍ単位の距離）の曲線の群として、色ごとにグラフ化し分析することもできる。あるいは、取り込まれた画像がどのように見えるかをよりよく理解するために、ＣＯＰは、視野に対する画像ピクセル単位の視差誤差として、色ごとに、カメラシステムの曲線の群としてグラフ化し分析することもできる。
【0030】
カメラレンズ系の設計の間、目標は、コアＦＯＶ ２０５（図５）内の撮像の視差誤差を数ピクセル以下に制限することとすることができる。あるいは、周辺視野における、たとえばコアＦＯＶの外縁および拡張ＦＯＶ領域（提供される場合）の視差誤差を特に制限することが好ましいことがある。カメラの残留視差誤差がこのように十分に小さい場合、それらの共有継ぎ目１６０近くの、または拡張ＦＯＶ重なり撮像の継ぎ目関連領域内の、隣り合う２つのカメラ間の遠近誤差として見られる視差差も同様に、数ピクセル以下（たとえば、３～４ピクセル以下）に制限することができる。レンズ設計、デバイス設計、および用途に応じて、遠近誤差によって判定されるレンズ系の視差誤差をさらに、コアＦＯＶ全体、周辺視野、またはその両方で０．５ピクセル以下までさらに低減させることが可能であるとともに好ましい。隣り合う２つのカメラそれぞれの、これらの残留視差誤差が十分に小さい場合には、どの残留継ぎ目１６０またはブラインド領域１６５からの画像アーチファクトも補償または隠しながら、画像を取り込み、クロップし、容易にタイル化することができる。
【0031】
図１のもののタイプのパノラマカメラの設計を追求する上であるが、複数の隣り合うカメラを有する改善された低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイス（３００）を可能にするために、レンズ最適化方法およびパラメータの選択が重要になり得る。図２Ａのもののようなカメラレンズ１２０、すなわちレンズ要素１３５のシステムを出発点として使用することができる。このカメラレンズは、コンプレッサレンズ要素、および内側レンズ要素１４０を有し、後者はまた、前絞り広角レンズ群および後絞りアイピース様レンズ群からなると定義することもできる。視差誤差を低減するためにこのようなレンズを設計する際、近軸主光線から非近軸主光線までの扇形１２５（図２Ａ参照）、または縁部主光線の扇形１７０（図２Ｂ参照）、または視野縁部光線の局所的な集まり１７２（図４Ｃ参照）が、カメラレンズアセンブリによってどのように撮像されるかを考察することは有益であり得る。レンズ設計は、主光線の集合またはセット（たとえば、３１本の画定された光線）に対してメリット関数オペランドのセットを使用することによって最適化することが可能であるが、その場合、最適化プロセスが面倒になることがある。代替形態として、改善された低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイス（３００）の設計を追求する上で、改善された性能がまた、入射瞳において、またはレンズ系の後ろのＬＰスマッジ量１８８内の同様の選択された表面または位置において（たとえば、オフセットＮＰ点１９２Ａまたは１９２Ｂにおいて）、球面収差の横方向成分を強調する光線パラメータまたはオペランドの縮小セットを使用することによって得られることも可能であると決定された。代替の非近軸入射瞳における球面収差（ＰＳＡ）の横方向成分の最適化は、非近軸主光線を強調するメリット関数重み付けを使用することによって達成することができる。
【0032】
別の態様として、低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイスでは、カメラ１２０（図２Ｂ参照）の外側レンズ要素のベベル縁部またはその近くに入射する主光線１７０の扇形は、隣り合うカメラ（図１参照）の外側レンズ要素のベベル面の縁部１３２またはその近くに入射する主光線１７０の扇形と平行でなければならない。外側レンズ要素１３７またはコンプレッサレンズの「縁部」は、ガラス厚さを通して切断された平坦な縁部を有することができる３次元構造物（図２Ｂ参照）であり、そのレンズ要素、レンズアセンブリ全体、およびハウジング１３０、ならびに隣接する継ぎ目１６０およびその構造の製造公差に従っていることに留意されたい。ベベル縁部が外側のレンズ要素のどこに切り込まれるかという位置の画定は、材料特性、フロントカラー、歪み、視差補正、公差、および余分の拡張ＦＯＶ ２１５がもしあればその範囲、を含む要因に依存する。外側レンズ要素１３７は、ベベル縁部１３２がレンズに切り込まれて、多角形パターン（たとえば、五角形、または六角形）に名目上従う多角形形状の縁部のセットが作成されると、ファセット外側レンズ要素になる。本明細書全体を通して、用語の「多角形形状の縁部」、「多角形縁部」、「多角形形状のレンズ縁部」、および同様の用語は、多角形形状の視野を撮像するように構成された多角形形状のレンズの１つまたは複数の縁部を、たとえば、上で論じられたように、その視野に対応する多角形形状の画像として撮像するように構成されている、多角形形状のレンズの１つまたは複数の縁部を指すために用いられることがある。
【0033】
別の態様として、図４Ｅは、軸外または縁部視野点に向けられたときの、視野に対する色による公称光線経路の差である「フロントカラー」を示す。通常、所与の視野点に対して、青色光線は最も遠いオフセットである。図４Ｅに示されるように、第１のレンズ要素１３７への受入青色光線１５７は、同じ像面点に向けられた受入赤色光線１５８よりもΔＸ≒１ｍｍ遠くにある。レンズ要素１３７が十分に大きくない場合、この青色光はクリップされる、またはケラレる可能性があり、また、カラーシェーディングアーチファクトが、撮像視野の縁部またはその近くに生じる可能性がある。フロントカラーは、多角形ＦＯＶの細い虹様の輪郭として、または光学システムの視野絞りとして機能する外側コンプレッサレンズ要素の多角形縁部として、取り込まれた画像コンテンツに現れることがある。画像縁部近くのフロントカラー関連カラーシェーディングアーチファクトを生じさせ得る局所的色透過率差は、外側コンプレッサレンズ要素１３７のベベル縁部における差ケラレによって、またはコンプレッサレンズ要素における縁部切り捨てから、または開口絞り１４５によって引き起こされる可能性がある。改善されたカメラレンズ（３２０）を実現するためのレンズ設計最適化中に、フロントカラーは、コンプレッサレンズ群もしくはレンズ設計全体の中でのガラスの選択によるものを含むレンズ設計の色補正の一部として、または横方向の色の補正におけるトレードオフとして、低減させることができる（たとえば、幅０．５ｍｍ以下のΔＸ（Ｂ－Ｒ）幅に）。取り込まれた画像に対するフロントカラーの効果はまた、拡張ＦＯＶ ２１５（図５）を有するように改善カメラレンズ（３２０）を設計することによって、また光学機構も、ストレートカットまたはベベルレンズ縁部１３２を拡張ＦＯＶ ２１５の縁部で押す、またはそれを越えて押すように設計することによって、光学機構的に低減させることもでき、それにより、いかなる残留フロントカラーもコアＦＯＶ ２２０の外側で発生するようになる。そうして、いかなる残留フロントカラーのアーチファクトも、画像処理中の画像クロップステップの間に除去することができる。
【0034】
図４Ｄは、図２Ａおよび図２Ｂのタイプの、ただし光学設計および性能が改善されている、低視差レンズについて、画角および色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する画像ピクセル単位の誤差または差として、遠近中心の変化２８０を示す。この例では、一方が、改善された低視差カメラレンズ３２０を有する改善された低視差マルチカメラパノラマキャプチャデバイス（３００）から３フィート（９１．４４ｃｍ）の距離にあり、他方がデバイスから「無限遠」（∞）の距離にある、２つの物体の撮像が分析された。図４Ｄは、軸上から視野の縁部近くまで（たとえば、約３４度まで）、赤色および緑色では＜１ピクセルの、青色では約１．５ピクセルの視差誤差を示している。視差誤差はまた、角度単位で定量化することもできる（たとえば、色ごとの度の分数）。視差最適化により、遠近中心差２８０のＲ、Ｇ、Ｂ曲線は同様の形状を有しているが、それらの間には小さいオフセット差および勾配差がある。これらの差は、横方向の色、軸方向の色、およびフロントカラーを含む、レンズの残留色差の表れである。青色光の視差誤差は、極端な視野点（たとえば頂点）では１．５ピクセルを超えることがある。しかし、設計されたＦＯＶ内での、特に少なくとも緑色光では、周辺視野内での撮像のために遠近誤差または視差誤差をさらに、サブピクセルレベル（たとえば、０．５ピクセル以下）に制限することが好ましい。隣り合うカメラ間の残留視差誤差が十分に小さい場合、コアＦＯＶから得られた取り込み画像は、容易かつ迅速にクロップし、一緒にタイル化することができる。同様に、継ぎ目またはその近くのコンテンツを取り込む拡張ＦＯＶ内の残留視差誤差が同様に十分に小さく、隣り合う２つのカメラが互いに適切に位置合わせされている場合には、２つのカメラによる重ねられた取り込み画像コンテンツは、迅速にクロップまたは平均化し、出力パノラマ画像に含めることができる。
【0035】
継ぎ目またはその近くの光学性能はまた、部分的に、画定された視野（図５）のセットに関連して理解することもできる。特に、図５は、隣り合う２つのカメラによって潜在的な画像光を収集することができる視野の潜在的なセットを示す。例として、十二面体または切頭二十面体または他の多角形レンズカメラアセンブリが付随するかどうかにかかわらず、五角形形状の外側レンズ要素を備え、それを継ぎ目１６０が隣接するレンズまたはカメラチャネルから分離しているカメラは、頂点（６０）まで、またはレンズが存在する錐台もしくは円錐容積部の多角形縁部まで広がる理想的なＦＯＶ ２００を撮像することができる。しかしながら、レンズハウジングの有限の厚さ、ベベルレンズ要素縁部の物理的態様、機械的くさび、および公差を含む、継ぎ目で生じ得る様々な物理的制約の故に、より小さい通過画像光のコアＦＯＶ ２０５が実際には撮像される可能性がある。外側のレンズ要素１３７のためのコーティングされた開放口は、いくらかのマージン（たとえば、０．５～１．０ｍｍ）とともに少なくともコアＦＯＶ ２０５を包含しなければならない。レンズをＡＲコーティング付きでベベリングの前に製造することができるので、コーティングは継ぎ目まで延びることができる。コアＦＯＶ ２０５は、所与の実際のカメラ１２０が撮像できる最大の低視差視野として画定することができる。等価的に、コアＦＯＶ ２０５は、カメラチャネルの、境界がその多角錐の境界に名目上平行であるサブＦＯＶとして、画定することができる（図４Ａおよび図４Ｂ参照）。理想的には、小さい継ぎ目１６０と、ＦＯＶ位置決めの適切な制御および較正とによって、公称コアＦＯＶ ２０５は、サイズが理想的なＦＯＶ ２００に近づくか一致する。
【0036】
ブラインド領域１６５と、シーンからの画像コンテンツの関連する損失とを補償するために、カメラは、継ぎ目の幅および公差を考慮するのに十分な余分なＦＯＶを提供できる拡張ＦＯＶ ２１５、またはオフセットデバイス中心１９６をサポートするように設計することができる。図５に示されるように、拡張ＦＯＶ ２１５は、隣接するカメラのコアＦＯＶ ２０５の端部との重なり１２７を得るのに十分なだけ遠くまで延びることができるが、拡張ＦＯＶ ２１５はさらに大きくすることができる。この制限された画像重なりは、図３に関して前に論じられたように、適度の分量の画像解像度損失、視差誤差、および画像処理におけるいくらかの複雑さをもたらす可能性があるが、継ぎ目およびブラインド領域の見かけの幅を低減させるのに役立つ可能性もある。しかしながら、余分な重なりＦＯＶが適度であり（たとえば、５％以下）、その中の残留視差誤差が、本手法によって実現されるように十分に小さい場合（たとえば、０．７５ピクセル以下の遠近誤差）、画像処理の負担は全く適度であり得る。拡張ＦＯＶ ２１５までの画像取り込みはまた、改善されたパノラママルチカメラキャプチャデバイス３００の動作中に、カメラ較正および画像補正をサポートする中間取り込みステップを可能にするために使用することもできる。図５はまた、コアＦＯＶ ２０５のサブセットに対応する、ＦＯＶセットのうちの１つの中の内接円も示しており、これは、そのカメラから全方向に取り込むことができる共通コアＦＯＶ ２２０である。共通コアＦＯＶ ２２０の角度幅は、カメラの画像容量のクイックリファレンスとして有用であり得る。コアＦＯＶ ２０５全体を含むようにより大きい、共通コアＦＯＶ ２２０の代替画定もまた有用であり得る。共通コアＦＯＶ ２２０またはコアＦＯＶ ２０５から、理想的なＦＯＶ ２００を超えて、拡張ＦＯＶ ２１５を名目上含むように延びる破線（２２５）は、レンズ設計が、低視差誤差撮像および隣り合うカメラによって取り込まれた画像の容易なタイリングを可能にするように、主光線または主光線の注意深いマッピングまたは入射瞳の球面収差の制御をサポートすることができる領域を表す。
【0037】
隣り合う２つのカメラ間の隣り合う２つの使用可能な開放口間の距離にまたがる継ぎ目１６０全体にわたって、視差を低減させ画像タイリングを改善するために、画像光が、有限の距離にわたって実質的な直線性および平行性を備え、共通の間隔で取り込まれるならば有利であり得る。設計される拡張ＦＯＶの量は、予想される光学的および機械的な継ぎ目幅と、公称物体視認距離とを考慮することができる。たとえば、有限の機械的な継ぎ目幅は、撮像された物体がマルチカメラデバイスから常に離れている場合には、継ぎ目をカバーするために必要とする拡張ＦＯＶが少ない可能性がある。一般に、機械的な継ぎ目幅は８ｍｍ以下であり、好ましくは４ｍｍ以下である。拡張ＦＯＶを形成し、ブラインド領域を制限するために必要なＦＯＶ重なりの量は、デバイス中心１９６（たとえば、十二面体形状の中心）に対する、入射瞳（近軸ＮＰ点）または（たとえば、周辺光線を強調するための）低視差量１８８内の代替の好ましい平面の相対的な近接度を制御することによって、決定することができる。拡張ＦＯＶ ２１５の量は、カメラの周辺視野がたとえば約０．８５～１．０５になるように、好ましくは５％以下である（たとえば、３７．５°の公称コアＦＯＶでは１．８°以下の付加視野）。デバイス中心におけるスペーシング制約、および製造公差が適切に管理されるならば、拡張ＦＯＶ ２１５は、１％以下の付加視野に低減させることができる。拡張ＦＯＶ ２１５内では、視差は公称システムレベルに制限されるべきであるが、画像解像度と相対照度は両方とも十分なままである。視差誤差を低減させるための視差最適化では、主光線制約または瞳収差制約と、高ＦＯＶ領域（たとえば、０．８５～１．０視野）の、またはそれを超えるターゲティング最適化とを、拡張ＦＯＶ ２１５によって得られる余分のカメラ重なり領域（たとえば、図５、約０．８５～１．０５のうちのわずかな視野範囲）を含めるために用いることができる。
【0038】
フロントカラー（たとえば、図４Ｅ）が引き起こし得る問題を考慮すると、改善された設計方法を開発すること、および大きさをさらに低減させること（たとえば、０．２ｍｍ以下に、好ましくは０．１ｍｍ以下に）が有利であり得る。フロントカラーは、像面の像の多角形縁部またはその近くに見られるが、それは、赤色、緑色、および青色光の空間色差またはビーム高さ差として外側コンプレッサレンズ要素に現れる入射瞳の色収差によって生じる。外側コンプレッサレンズ要素、およびその多角形の縁部は、本質的に、ソフトフォーカスまたは焦点の合っていない視野絞りとして機能する。多角形縁部近くから入ってくる光がレンズを通って伝搬するとき、青色光は、緑色と赤色に比較して外側の経路を横切り、設計者が開放口を画定するのに注意を払わない限りケラレる可能性がある。それに対して、赤色光は緑色および青色に比較して内側経路を横切り、比較的減衰しない。この結果として、保持された赤色光が、通常の白色光透過率を有するレンズ内視野またはコアＦＯＶに到達する前に、外縁に沿って緑色光に隣接しており、青色光がさらに内側にある、虹色の像面アーチファクトが生じる。加えて、このフロントカラー問題は、隣り合うカメラチャンネル間の距離が必ず増加することを意味する。これらのギャップは望ましくなく、したがって、フロントカラーを最小限にすることが重要である。
【0039】
低視差カメラまたは対物レンズ系の設計中、フロントカラーは制御することが困難であった。この問題は、入射光が最初のコンプレッサ要素から屈折するとすぐに始まる。したがって、低分散要素が使用されなければならない。同時に、この大きい要素の曲率を最小にするために、可能な最高の屈折率も使用されなければならない。これらの相反する圧力は、ガラスマップの左上隅にあるＯＨＡＲＡ Ｓ－ＬＡＨ５３などの光学材料を選択することを推進し得る。しかし、ガラスマップのこの領域におけるガラス選択は、むしろ限定されている。改善された解決策が、Ｓｕｒｍｅｔ社（マサチューセッツ州バーリントン）の光学セラミックＡＬＯＮなどの、従来とは異なる光学材料をフロントレンズ要素に使用することによって見出される可能性がある。しかし、このような材料からそのような大きい要素が作られるのは望ましくないことがある。ＡＬＯＮは、Ｓ－ＬＡＨ５３と同様の屈折率を有するが、分散はずっと低い。Ｓ－ＬＡＨ５３フロント要素を使用することの補償をするために、ダブレットＬ２－３が、そのダブレットが残留色の問題を補正するのに役立つ３要素コンプレッサ群を得るように、また、それによってフロントカラーの低減を可能にするように、追加された（図１の対物レンズを参照）。このような低視差および低フロントカラーカメラレンズ１２０の例が図６に示されており、外側コンプレッサ要素１３７はＳＬＡＨ－５３を使用し、内側コンプレッサレンズ要素１３８は、要素１３８ＡにＳＢＡＨ２８を使用し、要素１３８ＢにＳＴＩＨ５３を使用しており、それぞれすべてＯｈａｒａ Ｇｌａｓｓのものである。しかし、設計は、視差を制御または制限するために、３つのコンプレッサ要素が非常に小さい入射瞳球面収差（ＰＳＡ）もまた実現しなければならないという同時要件によって、さらに複雑になっている。さらに、同時に、レンズ系全体は、画像に生じるラテラルカラー（ＬＣ）収差および歪曲収差が小さくなければならない。
【0040】
図１または図６のような低視差カメラまたは低視差対物レンズ系の設計中に、小さい視差、小さいフロントカラー、および小さいラテラルカラーの３つの目的を同時に達成することは困難なことがある。通常、フロントカラーとラテラルカラーは反比例の関係にあり、一方を減少させると他方が増加する。個々のカメラチャンネルが約３７．４度の最大半ＦＯＶをサポートする、十二面体形状をサポートする低視差レンズの設計では、３要素コンプレッサレンズ群には十分な自由度がないようであり、フロントカラーの０．４～０．６ｍｍの妥協値（外側のコンプレッサレンズ要素で測定）が残される可能性がある。しかし、実際には、０．１ｍｍ幅以下の、より小さい残留フロントカラー値が青と赤の分離では好ましい。
【0041】
前述のように、これを解決する１つの方法は、ＡＬＯＮなどの、従来とは異なる光学材料を使用することである。内側レンズ要素１４０の中で、いくつかのレンズ要素に好ましいガラスは、ガラスマップの左上隅にあることが分かった。これらの非常に小さい要素にＡＬＯＮを使用することは有益である。別の代替形態として、ラテラルカラーを増加させることが容認され得る。しかしそれは、いくつかの画像ピクセルと同等の、容認できない値にすぐに達する可能性がある。第３の代替形態として、対物レンズがリレーイメージングシステムと対にされる場合、フロントカラーが低減されることを可能にするために、対物レンズのラテラルカラーを犠牲にすることができる。これは、最初または第一の空中画像におけるラテラルカラーが「容認できないほど」大きくなり得ることを意味するが、リレーシステムが、最終的な性能損失を最終画像で修正する。この場合、瞳球面収差（ＰＳＡ）およびフロントカラーの最適化は、対物レンズのコンプレッサレンズ群によって制御されて、第一または中間像での性能損失（たとえば、ラテラルカラー、歪み、およびテレセントリック性）が結果として生じ、それは次に、リレーレンズ設計において補償される。有利なことに、イメージングリレーは、対物レンズに見られる空間制約のいずれも受けない。しかし、本出願は、パノラママルチカメラデバイスの少なくとも１つの撮像チャンネルにおいて、対物レンズとリレーレンズ系組み合わせのための使用または空間を可能にしなければならない。
【0042】
これらのレンズ系を簡単にする１つの手法として、大きいフロントコンプレッサレンズ要素に使用される光学材料をガラスからプラスチックに置き換えることが望ましい可能性がある。しかし、現在および過去の光学プラスチックまたはポリマーは非常に限られており、Ｓ－ＬＡＨ５３またはＡＬＯＮとほとんど同等の高屈折率、低分散材料はない。接合されたプラスチックダブレットもまた、特にコンプレッサレンズ要素のサイズのレンズ要素では望ましくないことがある。
【0043】
これらの問題を克服するために、より良い同時視差性能およびフロントカラー性能を有する低視差レンズを設計するための、新たな強化された手法または方法が開発された。この改善された手法は、ガラス、プラスチックもしくはポリマー材料、光学セラミック、またはそれらの組み合わせを使用している屈折コンプレッサレンズ要素を有するレンズに適用される。それはまた、自由曲面を有するレンズ要素、またはサブ波長構造もしくはメタマテリアル構造を持つ表面を使用するレンズにも適用される。
【0044】
この新たな手法の１つの実施形態として、図７に示された新たなレンズ設計方法６００を使用することができ、この方法では、レンズ系が、コンプレッサレンズ要素またはレンズ群を分離し、それらを最初に設計することと（ステップ６１０～６４０）、次に、コンプレッサレンズを他のレンズ要素と組み合わせて（ステップ６５０）、完全な低視差、低フロントカラーカメラまたは対物レンズ系３００を設計すること（ステップ６６０～６７０）とによって、設計される。より詳細には、ステップ６１０で、焦点距離およびスペクトル動作帯域幅などの一次目標データが、第１のコンプレッサレンズ要素２３７（図８Ａ参照）に対して提供される。特に、開口絞りの位置と、入射瞳の位置と、コンプレッサおよび広角群の画角とについての１次データが、全体的なシステム仕様またはこのタイプのレンズ系のための以前の設計のどちらかに基づくこと、どちらかで推測されること、またはどちらかより導出されることが可能である。
【0045】
また、最初の手法として、ステップ６１０で提示される最初の１次データは、スペクトルを一時的に準単色波長帯域幅に制限することもできる（たとえば、２０ｎｍ帯域幅を有する緑色で）。これは、フロントカラー、ラテラルカラー、および他のいかなる色収差も一時的に除去する。次に、最初のコンプレッサ最適化ステップ６１５の間に、第１のコンプレッサレンズ要素２３７は、最終的なＬＰスマッジの位置の近くに配置された、無収差の入射瞳でもある一時的な開口絞り２９２に向かって入射光を導くように、形状およびサイズに関して設計することができ、主光線は、完全なレンズの最終的な開口絞りが配置される場所に名目上対応する位置２４５に向かって収束する。もちろん、２４５と２９２の役割を交代させることは、それらが互いに共役であるので可能である。初期コンプレッサ最適化ステップ６１５の間に、容認可能なＰＳＡを有する本質的に単一のレンズ要素単色コンプレッサが設計される。このコンプレッサは、別個に設計することができ、または、利用可能であれば、広角レンズ群（１４０）の前絞り要素の一部または全部を含みながら設計することができる。後者の場合、それは、この前絞りコンプレッサレンズ群設計段階（ステップ６１０～６４０）の間、広角レンズ要素の処方が凍結または固定されているならば、有益であり、または好ましい。
【0046】
この最初のコンプレッサ最適化ステップ６１５の間に、第１のコンプレッサレンズ要素２３７のレンズ位置、サイズ、曲げ、およびパワーは、すべての単色収差を解決するように見出すことができる。この第１のレンズ要素は通常、図８Ａに示された第１のレンズ要素２３７のような形状を有するが、さらにメニスカス形状を有し、それは、単一のコンプレッサ要素の特定の形状係数から来ている非常に低い瞳球面収差（ＰＳＡ）を実現することができる。図７の改善されたレンズ設計方法６００を使用しながら、このレンズを設定し、非撮像最適化を実行するための様々な方法がある。この第１のコンプレッサレンズ要素２３７が、曲率チェックステップ６２０によって製造されるか堅牢に取り付けられるには形状があまりに極端である場合、設計は、設計変更ステップ６３０によって、たとえば、要素の曲率を低減させるように変更することができる。ステップ６３０で、レンズ曲率が補正され、それが容認可能とみなされる場合、設計プロセスは色補正ステップ６４０に進むことができる。たとえば、あまり極端ではない形状のコンプレッサレンズ要素２３７を実現するために、光学材料、ガラス、プラスチック、またはセラミックが高屈折率材料に変更されることが可能である。設計帯域幅はまた、拡大することもできる（たとえば、５０ｎｍまで）。あるいは、または追加して、コンプレッサレンズ群は、第１のコンプレッサレンズ要素２３７と第２のコンプレッサレンズ要素２３８の両方を含むように拡張することができる。この前群のコンプレッサレンズ要素２３０は、物体の適切な画像を生成せず、したがって最適化は、レンズ設計者規定の内部制約のみを満たすように設定される。
【0047】
しかし、特に可視光スペクトルにおいて、色補正が最終的に必要とされるという予想を認めると、図８Ａに示されているもののような、少なくとも２つのコンプレッサレンズ要素２３７および２３８を有するコンプレッサレンズ群２３０が必要になり得る。次に、ステップ６４０で、コンプレッサレンズ群設計は、光学材料選択によって、設計スペクトル帯域幅をさらに拡大するように（たとえば、２００～３００ｎｍまで）、およびこのダブレットを無色にするようにさらに修正することができる。無色化を達成するために、レンズ材料（たとえば、屈折率および分散）が選択され、レンズ要素曲げまたは曲率、厚さ、および介在空間が、所与の視野の光を、無彩色化レンズ群を出るときのこれらの光線の位置およびベクトル方向において最小のスペクトル差または色差で前方に向けるように設計される。ステップ６４０の間の最適化はまた、２要素コンプレッサ群の最適化だけで、瞳球面収差（ＰＳＡ）と軸方向の色瞳収差（chromatic pupil aberration）の両方の良好な制御を実現することができる。修正コンプレッサ設計ステップ６４０の間、設計スペクトルは、フロントカラーを補正しながら、意図された全波長範囲に及ぶように拡張することができる。第３のレンズ要素またはフリントレンズ要素が、必要に応じて追加され得る。設計ステップ６４０の間、１次コンプレッサ設計ターゲット、および設計自体もまた、必要に応じて修正されることが可能である。設計ステップ６１０～６４０は、この分離されたレンズ要素群（２３０）の非撮像最適化である。軸方向の色瞳収差を制御することは、本質的に、入射瞳球面収差を無色で補正しており、フロントカラーを制御するための効果的な機構である。
【0048】
新たな方法６００を使用してレンズ、特にその無色補正を設計する上で、目標は、視差およびフロントカラーを補正する際に、撮像されたスペクトル帯域幅の下端および上端またはその近くの光の主光線の投影が、名目上、同じ小さい低視差量またはＬＰスマッジの中に入ることである。２００ｎｍ幅のスペクトル帯域幅を有する色補正された撮像システムでは、下端および上端波長または色は、たとえば４５０ｎｍおよび６５０ｎｍにあり得る。それに対して、３００ｎｍ幅のスペクトル帯域幅を有する色補正された撮像システムでは、下端および上端波長または色は、たとえば４００ｎｍおよび７００ｎｍにあり得る。別の例として、ＬＷＩＲ光を撮像する、かつそれに対してスペクトル補正されているシステムでは、撮像され補正されたスペクトル帯域幅は６μｍ幅になり得、下端および上端波長はそれぞれ、８μｍおよび１４μｍにある。
【0049】
例として、１つの設計では、図８Ａの第１および第２のコンプレッサレンズ要素は、それぞれ低屈折率Ｅ４８Ｒおよびそれより高い屈折率ＯＫＰＡ２である、２つの光学プラスチックを含み得る。図８Ｂは、最終開口絞り２４５近くの主光線色広がりを示し、縁部主光線２７０が厳密に制御されており、内側主光線２７２が互いにより多くオフセットしている。一時的な開口絞り２９２とＬＰスマッジ２８５は、この分離されたレンズ設計プロセス（ステップ６１０～６４０）において役割を反対にしており、入射瞳は、実際の、無収差のものとは対照的に、仮想の、収差のあるものになる。これらのコンプレッサレンズ要素２３７および２３８の、他の光学収差に対する寄与は、これらのレンズ要素がそれに対してほとんどまたは全く強調なしに設計されているので、増加し得る。縁部主光線２７０の、全視野またはその近くの色広がりは非常に小さく、フロントカラーが適切に制御されていることを意味していることに留意されたい。しかし、より低い視野における色広がり（主光線２７２）は補正されず、また、コンプレッサレンズ要素群では補正される必要がない。
【0050】
次に、対物レンズ全体を撮像用に最適化するために、最適化されたコンプレッサ群２３０は、広角群または内側レンズ要素を含む、または備えるレンズ要素と組み合わされる（ステップ６５０）。ここで、図９Ａの完全なレンズを考えると、広角群のレンズ要素３４０を追加する際に、開口絞り３４５は、光軸１８５に沿ってシフトし、第１のコンプレッサレンズ要素の頂点から遠くのレンズ内のその元の位置へ戻るが、投影された近軸入射瞳および非近軸等価物は、図８Ａの元のレンズと同じ名目上の位置に留まる。しかし、次に、像面またはセンサパッケージが容認される円錐容積部または錐台内に留まるように、像面が入射瞳位置およびＬＰスマッジ位置の前で十分遠くにあることを確実にするために、調整が必要になり得る。これらの他のレンズ群は、次に、ラテラルカラーおよび歪みを含む、コンプレッサ群によって導入された光学収差を修正することを一部は含めて、所望の撮像機能および画質を実現するように設計される（ステップ６６０）。コンプレッサレンズ要素は、このレンズ設計最適化ステップ（６６０）の間凍結すること、たとえば変更しないままにすることができる。これらのレンズ群内の、非常に多数の要素と、非球面プロファイルを持つレンズ面とによって、良好な画質を像面に得ることができる。最終の完全レンズ最適化ステップ６７０の間、コンプレッサレンズ要素の設計は、フロントカラーおよび視差性能が著しく犠牲にならない限り、撮像設計取り組みを支援するために変更する自由をいくらか許容することができる。図９Ａは、十二面体デバイス用に設計されたこのタイプの例示的低視差対物レンズまたはカメラレンズを示している。しかし実際には、このレンズ設計方法６００を使用して、新たな低視差レンズ設計が、標準的な光学ガラス材料またはポリマー材料を使用しながら、以前の設計と同等またはより優れている低残留視差性能とともに、ただし改善されたフロントカラー性能と改善されたラテラルカラー性能の両方とともに、達成されている。
【0051】
図７の改善されたレンズ設計方法６００は、設計問題に応じて、またはこのタイプの低視差、低フロントカラーレンズを設計する上でのレンズ設計者の経験が増加するにつれて、修正することができる。たとえば、ターゲット波長帯域が限定されている、または利用可能な光学材料が十分に低い分散を有するいくつかの状況では、結果として得られるレンズ設計は、ダブレット（たとえば、図９Ａ）または３つ以上のレンズ要素を有する代わりに、単一のレンズ要素を備えたコンプレッサレンズ群を有することができる。
【0052】
特に、図９Ａは、改善された方法６００によって設計されており、マルチカメラキャプチャデバイス１００で使用可能である、改善された低視差、低フロントカラーカメラレンズまたは対物レンズ３００を示す。このレンズは、十二面体システム用に設計されており、したがって、中央縁部から頂点まで約３１～３７度の範囲の視野縁部角度を有する多角形縁部をサポートする。レンズ系３００は、主光線３７０および視野縁部主光線３７２を含む、視野３２５から収集された光を、コンプレッサレンズ群３３０および内側レンズ要素または広角群３４０、および開口絞り３４５を通して像面３５０に撮像する。内側レンズ要素または広角レンズ群３４０はまた、前絞り広角レンズ群、および後絞りアイピース様レンズ群とみなすこともできる。縁部主光線３７２の仮想投影３８０は、像面３５０の後方に位置する縁部主光線ＮＰ点３９２の方に向いている。
【0053】
より詳細に、図９Ｂは、図９Ａのレンズの縁部主光線ＮＰ点３９４またはその近くのＬＰスマッジ量の断面図を示す。近軸入射瞳３９０は、センサまたは像面３５０の後ろ約２６．７ｍｍに位置している。この図は、多角形縁部に沿った周辺主光線が、近軸入射瞳３９０からオフセットしているがその近くにある量または非近軸ＮＰ点３９４に収束することを示す。低部および中央視野光線は３９２に収束する。周辺主光線の緊密な投影収束は、視差を低減させるために必要である。この例では、多くの中央視野主光線３７４の投影は、実際には、近軸入射瞳３９０の後ろの中央視野ＮＰ点３９２の位置に、またはその近くに、しかし周辺光線ＮＰ点３９４よりもそれに近接して収束する。しかし、この設計例では、投影された主光線はすべて、縁部主光線視野ＮＰ点３９４の近くに位置する最小量に包含される。この例で示されるように、視差補正を分析する際に、様々な場合を考慮することは有用であり得る。
【0054】
また、観察平面を画定し、次にその平面全体にわたって残留視差誤差をグラフ化することもまた有用であり得る。図示のように、低角度（１０度以下）および中間角度（たとえば、１０～２５度）主光線は、選択された観察平面の前にある狭い領域に収束する。最低角度光線は、近軸入射瞳および選択された観察平面に非常に近い位置に収束する。多角形縁部に沿った光線は、観察平面の前またはそれを越えた点に収束する。これは、主光線角度誤差対画角として図９Ｃに定量化されている、いくらかの残留視差誤差を導入する。図９Ｂに示される観察面または評価面の位置は、緑色主光線に対してバランスのとれた結果が生じるように少量だけ調整された。残留視差３１０のこの例示的グラフは、角度誤差対画角として与えられており、０～３７．４度に及ぶ半視野にわたって数値的に最大残留±０．３度差を示す。
【0055】
より詳細には、この例では、真の無視差は、多角形縁部に沿った中央弦点近くで生じる（３３．６度で０．０度誤差）。真の無視差からの残差は、弦中央点近くでほぼ均衡しており、頂点（３７度）での－０．３度主光線偏差と、中央縁部（３１．４度）での＋０．１８度偏差と、中央視野（約２４度）での＋０．２７度残留誤差とがある。レンズ設計に応じて、残留非視差の大きさ、および曲線形状は変化することができ、またはさらに最適化することができる。ステレオカメラシステムまたは典型的なマルチカメラパノラマシステムの隣り合うカメラ間の視差差は通常、度の単位で測定され（たとえば、５～２０度）、これらの値は約１００×低く、視差関連の画像アーチファクトを大幅に低減させることができる。他の同様のグラフを、このデータを異なる条件で再計算することによって、作成することができる。たとえば、像平面に沿った位置に対するピクセル単位の残留視差誤差のグラフもまた、非常に有用であり得る。
【0056】
図９Ａのレンズ設計例では、外側コンプレッサレンズ要素３３７について測定され、赤色光線と青色光線の間の局所距離Ｄｘとして測定された、フロントカラーは、図９Ｄに示されるように、わずか０．０８４ｍｍに低減された。緑色光線と青色光線の間の局所距離は実質的にゼロである。これは、第１のコンプレッサレンズ要素３３７上の推定幾何学的ビームサイズの２．２ｍｍと比較して小さい。レンズ設計が実質的にフロントカラーを制御するので、図９ＣのＲＧＢ残留視差の３つの曲線は、多角形の縁部の範囲にわたって互いに最上部に実質的に位置する。特に、図９Ｃのグラフは、主光線の分光補正またはＲＧＢ色補正された投影３８０が、中央縁部から頂点までの約３１～３７度画角に対応する多角形の縁部にわたって適切に補正されていることを表示する視差測定値を示している。図９Ｃで、これは、ＲＧＢ曲線が、多角形縁部に沿っている３１～３７度画角にわたって、緊密に集まっている、またはほとんど重なっている（たとえば、互いに０．０７度以内に）ことによって示されている。
【0057】
センサにおける画像解像度（ピクセルまたはピクセル／ｍｍ）はまた、ピクセル／度として物体空間に再キャストすることもできる。通常、これらの低視差レンズは、設計および使用されるセンサに応じて、２０～４００ピクセル／度の解像度をサポートすることができるが、もっと高い値または低い値も可能である。隣り合うピクセルの隣り合う主光線は角度的にオフセットされているが、幾何学的ビームサイズは重なっている。したがって、多角形レンズ縁部に沿った残留フロントカラーは、センサの複数の画像ピクセルへの影響と相互に関連している可能性がある。それは、多角形縁部に沿って、総撮像ＦＯＶ、画像タイリング、および残留画像アーチファクトに影響を及ぼし得る。したがって、フロントカラーの大きさを、図７の改善された本設計方法６００によって、および図９Ａ～Ｆおよび図１１Ｂ～Ｄの本例によって例示されているように、レンズ外面上でそれぞれ０．０８４ｍｍまたは０．２ｍｍに低減させることが、像面における影響の最小化につながり得る。特に、像面で考えると、このような小さい角度差は、０．７ピクセル以下、好ましくは０．２ピクセル幅以下のフロントカラー像アーチファクトにつながって、フロントカラー虹像アーチファクトをほとんど見えなくすることが可能になる。この残留分は、その後必要であれば容易に取り除くことができる。もちろん、残留角度主誤差を像面の画像ピクセルに変換することもまた、イメージセンサの解像度およびピクセルサイズに依存する。したがって、その尺度は、非常に有用であるが、相対的なものでもあり得る。
【0058】
図９Ｃと図９Ｄは、一緒に解釈すると、図７の改善されたレンズ設計方法６００を適用することによって作成されたこの例示的レンズ設計には、フロントカラーと遠近補正または視差補正との両方について、残留色差がほとんどないことを示すものである。残留視差誤差および残留フロントカラーの量は、どれだけの拡張ＦＯＶ ２１５がコアＦＯＶ ２０５を越えて与えられるかについての設計選択に寄与することができる。改善されたフロントカラー性能はまた、それが、光学機械設計が継ぎ目幅を縮小し、コンプレッサレンズの多角形縁部近くの差色ケラレを回避する助けになるので、有用である。
【0059】
図９Ｅは、図９Ａの例示的低視差、低フロントカラー撮像レンズ３００の光学処方を示す。それは、９つのレンズ要素、ならびにフィルタプレート、および像面近くの検出器窓からなる。要素１は光学プラスチックＥ４８Ｒを使用し、レンズ要素２および９は、両方とも光学プラスチックＯＫＰＡ２を用いて設計されている。要素４は非球面および円錐面を有する。レンズ要素８～９は、それぞれ１つの非球面を有する。撮像レンズ全体は、４．８７ｍｍの焦点距離、およびＦ／２．８の絞り値を有する。その半視野は３７．４°であり、それは３．７４ｍｍの像半対角線をサポートする。前頂点から像面までの光軸に沿った撮像レンズ全体トラック長は１２２．８ｍｍであり、ＬＰスマッジは、イメージセンサの約２５．６ｍｍ後ろに位置している。
【0060】
図９Ａの撮像レンズ設計はまた、図９Ｅの処方に詳述されているように、古典的なレンズ設計測定基準に対して適切に機能する。特に、５０％超ＭＴＦによる撮像解像度が、全視野について、ナイキスト周波数である１００ｌｐ／ｍｍで達成される。このレンズは、視野全体にわたって１．５％未満である残留糸巻型歪みを像面に有する。この低歪みに対する、設計内の相対的な寄与は、表面寄与データを用いて調べることができる。この例示的設計では、コンプレッサレンズ要素は、正の３次歪み（＋２．３８）に寄与し、広角群レンズ要素は、相殺する負の歪み（－２．０９）を与え、正味で、レンズ全体で＋０．２９の表面寄与合計になる。同様の計算を５次歪み表面寄与について行うことができ、これは再び、広角群が、コンプレッサレンズ群の正の歪み寄与を名目上相殺するように設計されたことを示す。組み合わせでは、３次と５次合計寄与が組み合わされて、視野にわたって前述の１．５％歪みに寄与する。
【0061】
このレンズ設計はまた、像面に、青と赤の間で＜０．７ミクロン（ｍｍ）、青と緑の間で＜１．７ｍｍ、緑と赤の間で＜２ｍｍの残留ラテラルカラーを有する。これらの値はすべてサブピクセルであるので、意図された２．５ｍｍのセンサピクセルサイズに対して、残留ラテラルカラーは本質的に目立たない。相対照度（ＲＩ）もまた、撮像視野全体にわたって高く、視野の端で約６３％までしか低下しない。また、図９Ｆは、この撮像レンズの熱挙動もまた考慮されていることを示す。４０℃温度範囲にわたって取得された、１００ｌｐ／ｍｍでのスルーフォーカスＭＴＦ曲線は、低い熱感度を示している。このレンズ設計の以前のバージョンには、光学プラスチックを使用した第４のレンズ要素があったが、そのバージョンは、範囲３０～３７．４°の視野外角に対してかなりの熱感度を有していた。
【0062】
図１０Ａは、図９Ａのものに対する代替の例示的レンズ設計を示している。この例では、改善された対物レンズ３００は、色補正のために光学プラスチック（ＰＭＭＡおよびＯＫＰＡ２）の低屈折率と高屈折率対（Δｎ約０．１７）を使用する２つのコンプレッサレンズ要素３３７および３３８を有するが、それらは、図９Ａに提示されたものとは実質的に異なるレンズ要素形状を有する。図１０Ｂは、図９Ａのものに対する追加の代替の例示的レンズ３００を示し、これは、図９Ａおよび図１０Ａのものとは形状が中間であるコンプレッサレンズ要素を有するが、Ｅ４８Ｒを使用する低屈折率レンズ要素は、ＯＫＰ４を使用する高屈折率レンズ要素（Δｎ約０．０７）の前に来る。これらの様々な設計は、収差制御もしくは画質、円錐面もしくは非球面の数、スマートフォンカメラの最新のレンズに似ている広角群のレンズ要素３４０の存在、それらの視差性能、ゴースト光および熱デフォーカスに対するそれらの感度、ならびに／または他の要因の点で、細部が異なる。しかし、図９Ａ、図１０Ａ、および図１０Ｂのレンズはすべて、図７の新たなレンズ設計方法６００を適用することによって、改善されたコンプレッサレンズ群を含むように設計された。
【0063】
これらの例示的レンズ３００のすべてが、光学ポリマーを使用するコンプレッサレンズ要素（群３３０）を有するが、このコンプレッサレンズ要素はさらに、視差とフロントカラーの両方の制御を強化する。そうすることが、より大きい自由度を表面形状にもたらし、レンズ単価を下げ、レンズ総重量を低減させる。しかし、全ガラス製コンプレッサレンズ要素を有する他の低視差レンズ設計と比較して、広角群のいくつかの要素に非常に高い屈折率材料を使用することは、高屈折率フロントガラス要素から低屈折率ポリマーへの切り替えに起因するコンプレッサ群の屈折力の損失を相殺するために有益であり得る。
【0064】
コンプレッサレンズ群３３０の２要素形状を持つ、図９Ａおよび図１０Ａ、図１０Ｂのものと同様のレンズは、光学ポリマーレンズ要素の代わりにガラスレンズ要素をコンプレッサレンズ要素に対して使用しながら、視差およびフロントカラー最適化に対する強化された制御を行うように、図７の改善された方法６００を使用して設計できることに留意されたい。さらに別の代替形態として、これら２つのコンプレッサ要素（３３７および３３８）は、ガラスレンズ要素および光学ポリマーレンズ要素で構成することが、どちらの順序でもできる。
【0065】
別の例として、図１１Ａは、図７の改善された方法６００を使用して設計された代替撮像レンズ３００を示しており、図９Ａ～Ｆおよび図１０Ａ～Ｂの例示的レンズと比較して、画像サイズは大きい必要があるが、撮像される角度視野は小さい（最大約２４度）。この例では、第１のコンプレッサレンズ要素３３７の前面の曲率が強すぎたので、光学プラスチックを使用する２要素コンプレッサ群３３０は実現されなかった。その後、光学プラスチックを使用する実行可能な３要素コンプレッサ群３３０を用いた設計が得られた。しかし、第１のコンプレッサレンズ要素３３７を中屈折率低分散ガラス（たとえば、Ｏｈａｒａ ＳＬＡＬ－１９（ｎ約１．７２））に変更することによって、２要素コンプレッサ解決策が得られた。第２のコンプレッサレンズ要素３３８には、光学プラスチックＯＫＰＡ２を使用した。注目すべきことには、この設計解決策は、３要素プラスチック解決策よりも９８０ｇ重い、１２９０ｇの重量があった。しかし、その熱感度は、３要素プラスチック解決策よりも低かった。
【0066】
さらに別の例として、図１１Ｂは、図７の改善された方法６００を用いて設計され、３要素プラスチックコンプレッサ群３００が得られた、代替撮像レンズ３００の開口絞り（３４５）前部分を仮想投影主光線３８０とともに示す。次に、図１１Ｃは、開口絞り３４５後に位置する広角群のレンズ要素３４０を含む、完全なレンズ系を示す。図１１Ｃはまた、縁部主光線ＮＰ点３９２に向けられた主光線の視野縁部仮想投影３８０を示している。このレンズ３００は図６のものに類似しているが、図１１Ａの例示的レンズ３００と同様に、最大視野は約２４度である。
【0067】
この例示的レンズの設計中に、レンズ設計方法６００が修正された。本質的に、ステップ６５０と６６０の間に中間ステップ６４５が含まれ、そのステップの間に、意図された広角（ＷＡ）群３４０の、最初の３つの前開口絞り広角群レンズ要素は含まれたが（たとえば、図１１Ｂ）、変化することが許容されず、３要素コンプレッサ群３３０の設計はさらに修正された。たとえば、第２または第３のコンプレッサレンズ要素の設計は、ＰＳＡにおけるフロントカラーまたは色差などの色収差を低減させるように変更することができる。３つのプラスチック要素に必要な空間は、１つのガラスレンズ要素および１つのプラスチックレンズ要素だけを含む図１１Ａの前例よりも５ｍｍ大きかった。第１のコンプレッサレンズ要素３３７の前面での、レンズ形状の測定基準であるＲ／＃は、余分のコンプレッサ要素（３３９）を使用することによって、Ｒ／０．５０８（ほぼ半球）からＲ／０．５５に低減された。したがって、ステップ６４５を含むこの修正方法では、コンプレッサ群３３０設計は、入射瞳の収差に対するすべての寄与を考慮する。最終的なレンズ設計最適化のために、次に、得られた３つのコンプレッサレンズ要素が、ＷＡ群３４０全体のレンズ要素のすべてと組み合わされた。
【0068】
得られた図１１Ｃの対物レンズ３００は、１１個のレンズ要素からなる。要素１～３は、プラスチック（Ｅ４８Ｒ、Ｅ４８Ｒ、ＯＫＰＡ２）である。要素５は、非球面および円錐面を有する。要素９～１０は、それぞれ１つの非球面を有する。レンズは、１４．９ｍｍの焦点距離、およびＦ２．８の絞り値を有する。その半視野は２３．８°であり、それは６．５５ｍｍの像半対角線をサポートする。トラック長は１１９．７ｍｍであり、ＬＰスマッジは、イメージセンサまたはイメージプレーン３５０の約２９．２ｍｍ後ろに位置している。
【0069】
図１１Ｄは、図１１Ｃの例示的対物レンズ３００について、近軸入射瞳３９０の近傍の全視野にわたる主光線を示す。この場合、ＬＰスマッジ量は非常に小さく、位置のシフト（光軸１８５の交差）を視野でほとんど示さない。この結果、このレンズの視野内の残留角度視差が、緑色光では０．０３°未満、赤または青色光では０．０７°未満と非常に小さくなる。また、図９Ｂの例と比較すると、近軸（３９０）、中間視野（３９２）、および視野縁部（３９４）ＮＰ点は、そこに微妙なばらつきがあるが、密集している。コンプレッサレンズ群のものを概ね相殺する広角群寄与から利益を再び得た歪みは、撮像視野全体にわたって１．３％未満である。０．７μｍ未満のラテラルカラーは、再びサブピクセルである。赤色光と青色光の間で０．２ｍｍ以下の補正されたフロントカラーは、第１のコンプレッサレンズ上の６．５ｍｍの推定幾何学的ビームサイズと比較して、再び小さい。ＭＴＦによって測定された画像解像度は、２００ｌｐ／ｍｍのすべての視野に対して４０％を超える。撮像視野の縁部における相対照度（ＲＩ）は約７５％である。図１１Ｂのレンズ３００のレンズ要素すべての総重量は、３１１グラムであると推定される。
【0070】
図９Ａ～Ｆおよび図１１Ｂの例示的レンズと比較して、図１１Ａおよび図１１Ｂ～Ｄのレンズでは、総視野の縮小が、コンプレッサレンズ要素群と広角群の両方の設計を容易にした。しかし、イメージセンサのサイズの相対的な増大は、広角群の設計にいくらかの負担を追加する際に、ある程度相殺された。
【0071】
しかし、大まかに言えば、図７の改善されたレンズ設計方法６００を適用することが、低視差カメラレンズまたは対物レンズの従来のレンズ設計方法と比べて大幅なレンズ性能向上を可能にした。メニスカスレンズ形状は、入射瞳またはＬＰスマッジをセンサ面の後ろに配置するために使用され、残留視差を制限する。特に、外側コンプレッサレンズ要素のメニスカス形状をより正確に制御することが、入射瞳またはＬＰスマッジにおける、またはその近くの入射瞳球面収差（ＰＳＡ）を直接減少させることによって、視差を抑制する（図４Ｃおよび図８Ｂ参照）。ＰＳＡは、レンズ設計ソフトウェアで、ＬＰスマッジ（たとえば、低視差量１８８）内の面を横切る主光線の平均ＲＭＳ横方向逸脱もしくは半径、または横誤差（ＬＰスマッジ半径）対視野含めて、さまざまな方法で推定することができる。例として、図９Ａ～Ｆの低視差撮像レンズ３００では、ＬＰスマッジ内のＲＭＳ横方向主光線誤差として測定された１２個の視野の平均ＰＳＡは、わずか０．１８ｍｍであった。別の例として、図１１Ｂ～Ｄの低視差撮像レンズ３００では、視野にわたって平均された推定ＰＳＡは、わずか０．０２３ｍｍであった。良好な設計目標値は、約２０～４０度の半ＦＯＶを撮像するように設計されたレンズでは、視野にわたる平均ＰＳＡが、ＬＰスマッジ内のＲＭＳ横方向主光線誤差として測定されたときに、０．３０ｍｍ以下になっていることである。
【0072】
加えて、従来の低視差レンズと比較して、図７の改善されたレンズ設計方法６００を適用することが、フロントカラーアーチファクトを著しく減少させた。特に、両方の例示的レンズはそれを、従来の低視差レンズ設計で一般的に見られた０．５～０．６ｍｍの値と比較して、０．２ｍｍ以下のフロントカラーに減少させた。さらに、これらの改善された結果は、低屈折率（たとえば、ｎ（ｖｉｓ）から１．６０以下）クラウンガラスを使用しながら、少なくとも第１のコンプレッサレンズ要素３３７が、高屈折率フリントガラスまたはＡＬＯＮなどの特殊材料を必要としないで５５以上のアッベ数またはｖ数によって得られた。あるいは、第１のコンプレッサレンズ要素は、関連するクラウン／フリント境界線近くに（クラウンは５０以上のｖナンバーを有する）、４０以上のｖ数範囲の分散を有する、中から高の間の屈折率ガラス（１．６以上１．８以下のｎ）とすることができる。
【0073】
図９Ａ～Ｆのものを含むいくつかの新たなレンズ設計では、第１のコンプレッサレンズ要素は、低屈折率（ｎ（ｖｉｓ）約１．５５）プラスチッククラウン（Ｅ４８Ｒ）である。低屈折率クラウンガラスまたは光学プラスチックの使用は、その低い分散によって、高屈折率フリントガラスを使用するのと比較して、フロントカラーを低減させるのに大いに役立つ。その場合、フロントカラーは、適切な光学材料（分散）選択とともに、第２の、場合によっては第３のコンプレッサレンズ要素を追加することによって、さらに抑制することができる。加えて、低屈折率クラウン材料（たとえば、ＢＫ－７）の使用は、（通常は）大きいコンプレッサレンズ要素に、特に第１のコンプレッサレンズ要素に、その多角形の縁部形状とともに高屈折率フリントガラスを使用することに対して、コストを大幅に改善することができる。また、１つまたは複数のコンプレッサレンズ要素に低屈折率のプラスチックを使用することが、レンズ要素重量、ならびにレンズ系重量およびコストを劇的にすることもできる。これらの低視差レンズ３００では、第２および第３のコンプレッサレンズが、フロントカラー補正を助けるために通常必要とされる。しかし、提示された例は、コンプレッサレンズ要素群３３０内に２つまたは３つのレンズ要素を有していたが、１つのレンズ要素だけを有する、または４つ以上のレンズ要素を有する低視差レンズ系３００もまた、改善された設計方法６００を用いて開発することができる。
【0074】
また、前述のように、図７の改善されたレンズ設計方法６００によって可能にされる残留視差誤差および残留フロントカラーの低減はまた、カメラチャネルおよびマルチカメラデバイス設計を別に改善することもできる。たとえば、改善は、拡張ＦＯＶ ２１５がどれだけコアＦＯＶ ２０５を越えて与えられるかの量を低減させることができ、それによって光学機械設計が継ぎ目幅を縮小し、コンプレッサレンズの多角形縁部近くの差色ケラレを回避する助けになる。
【0075】
しかし、前記のように、視差（たとえば、ＰＳＡ）およびフロントカラーを低減させる上で、コンプレッサ群レンズ要素、特に、その第１のレンズ要素は、画像歪みに対して大きい正の寄与をする。その場合、レンズの残り、特に広角レンズ群は、負の歪み寄与を実質的に相殺することを担っている。
【0076】
前述のように、改善された低視差撮像レンズ系（３００）は、図７の改善された方法６００を用いて設計され、この方法では、コンプレッサレンズ群３３０の予備設計が、無収差の入射瞳でもある一時的な開口絞りに向かう光線に対して最適化することによって、別個に得られる。コンプレッサレンズ群３３０の初期設計が得られた後、広角群を含むレンズ３００全体を設計し、最適化することができる。この改善された方法の利点は、コンプレッサレンズ要素群３３０が、他の設計目標でそれに負担をかけたり、過剰に負担をかけたりすることなく、それがすべきことをするように、視差およびフロントカラーを抑制するように、設計されることである。そうして、レンズ３００全体が設計されると、広角群３４０は、コンプレッサ群３３０が台無しにした一次属性または収差は何でも、ある程度修正しなければならない。特定の例として、コンプレッサ群３３０、特に第１のコンプレッサレンズ要素３３７の歪みに対する表面寄与は通常、大きい正の歪みを与える。コンプレッサが、ＰＳＡを最小化し視差を抑制するために、他の収差を考慮せずに形状を変えることを許容されると、それはメニスカス形状を呈する。意図した像面の後ろの入射瞳の位置は、この形状を推進する鍵である。第２およびまたは第３のコンプレッサレンズ要素（３３８および３３９）の追加は、フロントカラーを低減させるが、歪みにはほとんど影響を及ぼさない。それらの歪み収差面の寄与によって測定されると、次に、広角群３４０は、意図された視野にわたって正味で小さい残留歪みになるように、反対符号のほぼ同等の大きい歪みをもたらす。
【0077】
図７の改善されたレンズ設計方法６００はまた、ラテラルカラーに対して以前よりも精密な制御を可能にすることもできる。視差およびフロントカラーを抑制するようにコンプレッサレンズ要素群を別個に最適化すること（ステップ６１０～６４０）による、コンプレッサレンズ要素群の改善されたターゲティングによって、また、より多くの情報を与えられた材料選択によって、フロントカラーとラテラルカラーの両方をより低いレベルにすることができる。特に、ラテラルカラーに対するコンプレッサ群の表面寄与は、以前に見ているよりも低い。第二に、コンプレッサ群が凍結している間に広角群が設計され最適化されると（ステップ６６０）、広角群３４０は、コンプレッサレンズ要素群３３０のラテラルカラー寄与をより正確に相殺することができ、その結果、従来の設計方法で見られたよりも最終ラテラルカラーが低くなる。全体として、コンプレッサ群３００は大きい正のラテラルカラー面寄与に寄与し、広角群３４０は大きい負のラテラルカラー面寄与に寄与し、組み合わせでは、それらが合わさって、無視できる総ラテラルカラーにすることができる。以前と比較して、低いフロントカラーに最適化することは、もはや高いラテラルカラーを引き起こすトレードオフではない。もちろん、この結果として生じる、低から無視できるまでの間のラテラルカラーは、次に、広角レンズ群３４０の設計を完成させながら、より正常なレベルにトレードオフすることができ、他のレンズ収差の低減に有益である。
【0078】
分離型コンプレッサ群３３０が広角群レンズ群３４０に取り付けられるステップ６５０は、少し扱いにくい可能性があることに留意されたい。レンズ要素パワー、レンズ要素間隔、および主光線角度が変化している、または異なっているとき、２つの群は、互いにすぐ適切に整列または嵌合しないことがある。その場合、レンズ設計ソフトウェア（たとえば、Ｃｏｄｅ ＶまたはＺｅｍａｘ）で利用可能ないくつかの標準的なレンズ設計策が、全体的な最適化を開始する前に、２つのレンズ群を一致させるために使用され得る。
【0079】
比較して、レンズを設計する従来の方法を始める場合、意図された機能的特徴の全部または大部分は最初から同時に存在しており、そこに分布しているレンズ要素によって表される。低視差レンズ系を設計する場合、これは、始まりのレンズ設計には、少なくともいくつかのコンプレッサレンズ要素（群３３０）と、開口絞り３４５前後の両方に設けられている広角群３４０のレンズ要素とが最初から含まれていることを意味する。しかし、従来の方法は、正しいタイプのレンズ要素をレンズ内の名目上正しい位置に有することはできても、それは、コンプレッサ群が、それがすべきことをするのを確実なものにはしない。本質的に、最適化メリット関数には平等な取り扱いが多すぎて、満足のいく結果があまり得られない。不適切な種類の競合が、コンプレッサレンズ要素群と広角レンズ要素群の間に設定される可能性がある。
【0080】
図７の部分的に順次的な設計方法６００の代替形態として、より古典的なレンズ設計手法または方法が、同等の結果を達成するように適合することができる。その代わりに、コンプレッサレンズ要素（群３３０）と、開口絞り３４５前後両方に設けられる広角群３４０のレンズ要素とを含むレンズ全体を一緒に保持し、同時に最適化することができる。しかし、この場合は、レンズ設計メリット関数は、視差およびフロントカラー制御が対象とされるいくつかのコンプレッサ群制約を含むようにしか修正することができない。これらの制約は、Ｃｏｄｅ ＶまたはＺｅｍａｘメリット関数のオペランドおよび重み付け係数を使用して有効にすることができ、これらのオペランドおよび重み付け係数は、コンプレッサレンズ要素、および／または収差に対するそれらの表面寄与、またはそれらの集合体のみに影響を及ぼし、広角群レンズ要素には影響を及ぼさない。この代替レンズ設計方法はまた、レンズ設計の異なる段階中に異なる重み付けを使用することもでき、または２つの最適化スクリプトを有することもでき、１つは、最初のコンプレッサ群の最適化段階中に適用され、２つ目は、その後に、像面の画質を対象とするレンズ全体の最適化中に適用される。最適化スクリプトにはまた、標準的なレンズ収差のほとんどに対処するために、コンプレッサレンズ要素に対し、その他のレンズ要素に対するのとは異なる重み付けがあり得る。低視差、低フロントカラーの対物レンズの設計は、図７の部分的に順次的な設計方法６００と同等である、これらの代替方法によって生み出すことができる。
【0081】
図１１Ｂ～Ｄの例示的対物レンズ３００の設計はまた、異なるサイズ、重量、性能、およびコスト（ＳＷａＰ－Ｃ）期待が存在する様々な適用例に対応するように修正されている。たとえば、図１１Ｃの対物レンズ３００が１１９．７ｍｍのトラック長および１４．９ｍｍの焦点距離を有する場合に、類似の、やはり製造可能な、ずっと小さいレンズが図１１Ｃから、ただし９．３ｍｍのトラック長および１．１２ｍｍの焦点距離で得られた。両方のレンズが同じｆ／＃および波長で機能する。この第２のレンズは本質的に、始まりのレンズと同じ設計形態であるが、小さくなる焦点距離とともに幾何収差がすべて縮小すると、レンズ要素数は低減させることができる。レンズサイズが、携帯電話に使用されているものと名目上同程度のプラスチックレンズ要素が実施可能になる領域にまで小さくなると、レンズ形状のより大きい自由度が、非球面プロファイルまたは自由形式プロファイルを使用することを含めて、実現可能になる。このような変化はまた、レンズがより少ないレンズ要素を用いて設計されることも可能にする。
【0082】
フロントカラーまたは残留視差を改善するために、前に論じられた、図７の部分的に順次的な設計方法６００、またはその変形形態もしくは等価物を適用することによるラテラルカラーの改善からも明らかなように、この新たな手法は、他の補完的な改善を実現または可能にすることができる。最も単純には、そうして他のレンズ収差の大きさを低減させることが容易になり得る。また、前記のように、本タイプの低視差レンズでは、外側コンプレッサレンズ要素３３７、およびその多角形の縁部は、本質的に、ソフトフォーカスまたは焦点の合っていない視野絞りとして機能し、この縁部は、有限のビーム幅、視差変動、および残留フロントカラーによって拡大される。したがって、図７の部分的に順次的な設計方法６００、または上述の代替方法などの変形形態もしくは等価物を適用することによって、フロントカラーおよび残留視差を低減させることができ、このことはまた、焦点の合っていない視野絞りをより鮮鋭にするのに役立つ。これは、機械設計と、画像クロッピングステップおよびタイリングステップとの両方に役立つことができる。加えて、レンズ系はまた、コンプレッサ要素の多角形縁部と位置合わせされた多角形形状の開口部を有するプレートなどの、機械的視野絞りを含むこともできる。
【0083】
本タイプの低視差低フロントカラーレンズ３００はまた、イメージングリレーレンズ系と対にすることもできる。このイメージングリレーは、より大きいイメージセンサと、二次イメージセンサまたは光学センサを備えたビームスプリッタと、ズーミング光学部品との使用を可能にすることができる。あるいは、改善された対物レンズ３００は、コヒーレントファイバ束を使用する光ファイバリレーと対にすることもできる。これらの改善されたレンズ３００はまた、球面系および半球面系、半球面総視野よりも小さい視野を撮像する円錐系、または、たとえば水平方向に広く垂直方向に狭い視野を撮像する環状系（たとえば、ハロー系またはバイザ系）を含む、様々な構成のマルチカメラパノラマキャプチャデバイスに使用することもできる。設計要件に応じて、系幾何形状は、八面体、十二面体、二十面体とすることができ、またはより複雑なゴールドバーグ多面体の形状およびパターンを利用することができるが、五角形および六角形のファセット付き多面体が、それらはカメラチャネルの製造を容易にするので、一般的に好まれる。いくつかの適用例幾何形状では、正方形または長方形を外側レンズ要素に含むカメラチャンネルが有用であり得る。マルチカメラデバイスもまた製造することができ、この場合、外側コンプレッサレンズ要素が隣接するように一体化され、ファセットされたドームまたは部分ドームを形成する。ファセットされたドーム系では、継ぎ目幅をたとえば２ｍｍ以下に、好ましくは０．５ｍｍ以下に縮小することがより容易であり得る。レンズチャネルアライメント公差に応じて、次いで、拡張ＦＯＶ ２１５もまた縮小することができる。
【0084】
この議論では、広帯域可視光、または人間が知覚可能な適用例に使用するための、改善されたマルチカメライメージキャプチャデバイスおよび関連する対物レンズ３００の設計を強調したが、これらのデバイスはまた、狭帯域可視適用例（スペクトルフィルタを使用して修正）、またはマルチスペクトル、紫外（ＵＶ）もしくは赤外（ＩＲ）の光学撮像適用例向けに設計することもできる。赤外では、改善された低視差および低フロントカラーレンズは、短波（ＳＷＩＲ）、中波（ＭＷＩＲ）、または長波（ＬＷＩＲ）スペクトル向けに設計することができる。このような場合、画像スペクトル帯域幅は数ミクロンまで広がり得る。利用可能な材料は異なるスペクトルで変化するので、容易な、またはより困難な設計の態様が変わる可能性がある。それにもかかわらず、改善された設計方法を使用すると、これらのスペクトル帯域における残留フロントカラーもまた、幅で０．１ｍｍ以下に低減させることができる。偏光子または偏光子アレイもまた使用することができる。加えて、撮像カメラ３００は、すべて屈折設計を使用しているとして説明されたが、光学設計はまた、反射型またはカタディオプトリック型とすることもでき、また、屈折性と反射性の光学要素の組み合わせを使用することもできる。本手法のカメラレンズ３００は、屈折性、勾配屈折率、ガラスまたは光学ポリマー、反射性、非球面または自由形状、キノホルム、フレネル、回折性またはホログラフィック、およびサブ波長またはメタサーフェスの光学特性からなる、またはそれを含む、光学要素を用いて設計できることもまた理解されたい。これらのレンズ系はまた、無色もしくはアポクロマート色補正で、または熱デフォーカス感度抑圧で設計することもできる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【国際調査報告】