JP2003262791A - 小さな高さ要求を有するテレセントリック・シングレット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】空間がクリティカルな結像の応用形態に適合
し、広い視野にわたって優れた解像度および小さな「高
さ」を有するレンズを提供する。 【解決手段】単一レンズは、色補正機能を実行する第１
の表面(134)と、主として光線を屈折させる機能を持つ
第２の表面（138）とを有する。第１の表面は、レンズ
の解像度を改善する回折効率改善機構を有する。該レン
ズはまた、像の隅における口径食の量を減らす口径食減
少機構を有する。一実施形態において、回折効率改善機
構は、レンズの回折効率を増加するための、前記第１の
表面の回折部分(144)を含み、該回折部分は凹状の特徴
を有する。一実施形態において、口径食減少機構は、レ
ンズの第１の表面から所定の距離のところに位置付けら
れる開口(114)を含み、該所定の距離は、レンズをテレ
セントリックにする値である。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、光学部品に関し、
より具体的には、空間がクリティカルな応用形態に特に
適した、小さい高さ要件を有するテレセントリック・シ
ングレット（telecentric singlet）に関する。 【０００２】 【従来の技術】あらゆる結像の応用形態において重要な
構成要素は、レンズの設計である。空間が問題とならな
い場合、レンズ設計において、通常２つ以上の別個のレ
ンズが使用される。例えば第１のレンズは、色分解機能
のために使用されることができ、第２のレンズは、光線
を屈折させる機能のために使用されることができる。 【０００３】消費者にとって、レンズを見いだすことが
できる最もなじみ深い応用形態は、カメラおよびビデオ
カメラである。これらの応用形態においては通常、レン
ズアセンブリの大きさに対する制約は存在しない。しか
しながら、カメラが以前には存在しなかった電子デバイ
スにおいて、カメラを設計することに最近興味が持たれ
ている。空間がクリティカルな（space critical）これ
らの応用形態では、レンズアセンブリに対してきわめて
厳しいサイズ制約がある。このサイズ要件は、しばし
ば、開口（aperture）と焦点面（focal plane）との間
の距離で表され、一般的には“高さ（height）”として
知られている。例えば、このような応用形態の一つとし
て、ビデオ会議の機能を持たせるために携帯電話にカメ
ラを統合することが提案されている。このような応用形
態は、携帯電話の平均厚さ未満の「高さ」を必要とし、
容易に理解されうるように、該携帯電話の平均厚さは、
大抵のハンドへルドカメラの応用形態の高さよりもずっ
と小さい。 【０００４】残念ながら、従来技術のレンズ設計は、空
間がクリティカルなこれらの応用形態のサイズ要件の約
２倍の高さを有している。 【０００５】厳しい高さ要件下でレンズシステムを設計
する場合、２個以上のレンズを用いることは一般に不可
能である。単一レンズ設計において、色補正機能を実行
するために回折表面を使用する必要がある。回折表面を
使用することの１つの課題は、回折効率を増加するよう
なやり方で表面を設計することである。回折効率は、所
望の位置にある焦点面に、どの程度良好にレンズが光を
合わせるかに関連する。例えば、非常に効率的なレンズ
は、焦点面に沿った離散点（スポットして知られる）に
入射光線を収束させる。レンズの回折効率が低下する
と、スポットのサイズが増大する。スポットサイズが増
大すると、結果として生じる画像は清澄性を失い、より
ぼやけたものとなる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】残念ながら、従来技術
の単一レンズ設計は低い回折効率を示し、それにより、
ぼやけた画像を生成する。 【０００７】単一レンズ設計における他の課題は、画像
が、該画像の隅に口径食（vignetting、すなわち、影
（shadowing））を呈示することである。したがって、
単一レンズ設計が、画像の隅の口径食（すなわち、影）
の量を軽減する機構を有することが望ましい。 【０００８】以上のように、空間がクリティカルな結像
の応用形態に見合うように、広い視野にわたって優れた
解像度および小さな「高さ」を有するシングレット（si
nglet）を設計することが望まれている。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明の１つの側面によ
れば、レンズは、色補正機能（color correction funct
ion）を実行するための第１の表面と、主として光線を
屈折させる機能（ray bending function）を実行するた
めの第２の表面とを含む。第１の表面は、レンズの解像
度を改善する回折効率改善機構を有する。一実施形態に
おいて、回折効率改善機構は、わずかに凹状の特徴を有
する、第１の表面の部分によって実現される。この凹状
の部分は、該表面に対する光線の入射角を減らすことに
よって回折効率を増やす。 【００１０】本発明の重要な側面は、高さ（すなわち、
開口と焦点面との間の距離）が小さく、これによって本
発明のレンズを、空間がクリティカルな結像応用形態に
適したものとする。 【００１１】本発明の他の側面は、口径食減少機構を提
供することである。一実施形態において、口径食減少機
構は、レンズの開口と第１の面との間の距離を、予め決
められた距離に設定することによって実現される。この
距離を該予め決められた距離に設定することによって、
レンズを、本質的にテレセントリック特性にし、これに
より、画像の隅における口径食の量を減らす。レンズの
テレセントリック特性は、主光線を焦点面に対してほぼ
垂直にするように、レンズに対して開口を位置付けるこ
とにより、本発明のレンズ設計によって達成される。シ
ングレット・テレセントリックを製作することによっ
て、本発明のレンズは、画像の隅の口径食すなわち影を
減らす。 【００１２】本発明は、図面において例として図示され
ているが、これは制限を意図するものではなく、また、
これらの図面において同様の参照符号は、類似の要素を
参照する。 【００１３】 【発明の実施の形態】空間がクリティカルな応用形態の
ために小さな高さを有するテレセントリック・シングレ
ットについて説明する。以下の説明において、本発明を
完全に理解するために、説明のため数値上の具体的な詳
細が記述されている。しかしながらこれらの具体的な詳
細を用いることなく本発明を実現できることは、当業者
にとって明らかであろう。他の例において、本発明を不
必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の構造お
よび装置は、ブロック図の形態で示されている。 【００１４】単一レンズシステム１００ 図１は、本発明の一実施形態に従う、単一レンズシステ
ム１００のレイアウトを示す。単一レンズシステム１０
０は、物体平面１０４、カバーガラス１０８、開口１１
４、シングレット１１８、および焦点面１２４を含む。
高さ１２８は、開口１１４と焦点面１２４との間の距離
として定義される。本発明の重要な側面は、単一レンズ
システム１００が小さな「高さ」を有することにより、
単一レンズシステム１００を、空間がクリティカルな応
用形態に組込むことができるという点にある。本発明の
光学系に対する、典型的な高さの値は、６．２ｍｍ（ミ
リメートル）および４．４ｍｍを含む。好ましくは、本
発明の光学系の高さは、約６ｍｍよりも小さい。それに
対し、従来技術のシステムでは、光学系についての典型
的な高さ要件は、本発明のレンズの高さの約２倍であ
る。 【００１５】レンズ１１８は、色補正機能を実行するた
めの第１の表面１３４と、光線を屈折させる機能を実行
するための第２の表面１３８とを含む。第１の表面１３
４は、レンズの回折効率を改善する機構を有する。回折
効率改善機構は、第１の表面１３４に対する光線の入射
角を小さくする、第１の表面１３４の部分１４４によっ
て実現されることができる。部分１４４は、凹状の特徴
（例えば、わずかに凹状の特徴）を有するのが好まし
い。第１の表面１３４は、本質的に、回折性を持ち、か
つ非球面であるのが好ましく、第２の表面１３８は、本
質的に、非球面であるのが好ましい。 【００１６】口径食減少機構 本発明のシングレット設計の１つの側面は、シングレッ
トのテレセントリック特性にある。本発明の設計は、主
光線１５４が焦点面１２４に対して概ね垂直になるよう
に、レンズに対して開口を位置づける。開口１１４と、
レンズ１１８の第１の表面１３４との間の距離１５８
は、画像の隅における口径食の量を減らすためにレンズ
１１８を概ねテレセントリック特性にするように、予め
決められた距離に設定される。 【００１７】回折レンズすなわち回折光学部品が、光の
波面を制御するのに回折を使用する要素であることに注
意されたい。回折光学要素は、ガラスまたはプラスチッ
クから製作されることができ、後に詳細に説明するよう
に設計される多数の細かい溝を含む。回折は、像形成処
理において使用される。本発明の回折レンズは、ゾーン
プレート（zone plate）、ホログラフィック・レンズ
（holographic lenses）、バイナリ・オプティクス（bi
nary optics）、またはこれらの組み合わせを含むが、
これらに限定されない回折光学部品によって実現される
ことができる。 【００１８】シングレット・テレセントリックを製作す
ることによって、本発明のレンズ１１８は、画像の隅の
口径食すなわち影を減らす。テレセントリック・システ
ムは、入射瞳（entrance pupil）および／または射出瞳
(exit pupil)が無限遠に配置されるシステムである。テ
レセントリック。システムが、非テレセントリック・シ
ステムよりも良好な照度を有することに注意されたい。 【００１９】レンズ１１８の設計 一般的な光学球面（平らな表面および円錐形の表面を含
む）は、よく知られており、以下の式によって記述され
ることができる： 【数１】 【００２０】上の式において、“ｃ”は、半径の逆数の
曲率を示し、“ｒ”は、レンズユニットにおける半径方
向の座標であり、“ｋ”は、円錐定数（conic constan
t）である。円錐定数 “ｋ”は、双曲線については−１
より小さく、放物線については−１であり、楕円につい
ては−１と０の間にあり、球については０であり、楕円
体については１より大きい。平面は、無限大の曲率半径
を有する球についての特別な場合である。 【００２１】第１の表面１３４および第２の表面１３８
が、回転対称の多項式非球面であるのが好ましい。これ
らの非球面は、表面の非球面特性を記述するのに、半径
方向座標の偶数の累乗だけを使用する偶数の非球面モデ
ルを利用して設計することができる。非球面を、表面の
非球面特性を記述するのに、半径方向座標の奇数の累乗
だけを使用する奇数の非球面モデルを利用して設計する
こともできることは、当業者にとって明らかであろう。 【００２２】非球面についての表面のサグ（surface sa
g、ずれた表面）は、次の式によって記述することがで
きる。 【００２３】 【数２】 【００２４】ここで、“ｃ”は、半径の逆数の曲率（基
準曲率半径とも呼ばれる）であり、“ｒ”は、レンズユ
ニットにおける半径方向座標であり、“ｋ”は、上記の
ような円錐表面の種類を定義する円錐定数である。定数
ａ１、ａ２・・ａｎを求める１つの方法を説明する。 【００２５】レンズのための最も簡単な光学表面が球面
であることに注意されたい。しかしながら、良好な像を
得るためにすべての収差を補正するのに、球面だけで
は、不十分であり、また不適当なことが多い。この点に
つき、非球面定数（aspheric constants）が、基本球面
に一度に１つ加えられる。一度加えられると、その結果
生じる表面の像品質が調べられる。非球面定数を加え、
その結果生じる表面の結像品質を調べるステップを繰返
しすなわち反復することによって、非球面定数の数およ
び特定の値が得られる。 【００２６】第１の表面１３４および第２の表面１３８
は、上記の式を使用することによって設計されるのが好
ましい。第１の表面１３４の回折特性を、異なる回折溝
深さ値、および回折溝幅値を使用することによって達成
することができることに注意されたい。この点につき、
異なる回折溝深さ値、異なる回折溝幅値、およびこれら
の値の異なる組み合わせが、設計において実現される。
一度実現されると、結果として生じる表面の結像品質が
調べられる。溝深さ値、溝幅値、およびそれらの組み合
わせを変化させ、結果として生じる表面の結像品質を調
べるステップを繰返しすなわち反復することによって、
最終的なレンズの設計が得られる。 【００２７】回折効率改善機構 最小の高さに関して厳しい要件を有するレンズシステム
を設計する場合に遭遇する１つの困難は、設計者が、単
一レンズを使用することを強制されることにある。前述
したように、単一レンズ設計において、回折表面は、色
補正を行なうのに必要とされる。回折表面を設計する１
つの困難は、あらゆるレンズが、異なる色の光を分割し
て、異なる色の光を焦点面上の異なる位置に集束させる
プリズムのように作用する傾向があることである。した
がって、焦点面上の同じ位置に異なる色の光線を集束さ
せる機構が必要とされる。 【００２８】例えば、大抵の光学システムは、多色の白
色光を使用し、その屈折率が波長とともに変化するガラ
スを含む。これらのシステムにおいて、単一の物点（ob
jectpoint）に対して、それぞれが異なる波長を用いる
いくつかのスポットが生成される。これらのシステム
は、鮮明な像を生成するよう異なる波長の光線を同じ点
に向けるために、異なる屈折率および表面曲率を有する
１つまたは複数の光学要素を追加することによって設計
される。この実施形態においては、本発明のレンズは、
色補正を行なう回折表面を含む。 【００２９】本発明は、レンズの解像度を増やすため
に、焦点面上の同じ位置に、異なる色の光線を集束させ
るための部分１４４を備える第１の表面１３４を使用す
る。 【００３０】本発明の１つの側面によれば、レンズ１１
８は、色補正機能を実行するための第１の表面１３４、
および光線を屈折させる機能を実行するための第２の表
面１３８を含む。第１の表面１３４は、該表面に対して
光線の入射角を減らすことによって回折効率を増やす、
わずかに凹状の特徴を有する部分１４４を持つ。 【００３１】レンズ１１８のスポットダイヤグラム 図２は、図１のシングレットのスポットダイヤグラムで
ある。スポットダイヤグラムは、幾何学的な点広がり関
数（ＰＳＦ；point spread function）に類似してい
る。回折効果は無視されていることに注意されたい。ス
ポットダイヤグラムは、星のような、物点に対応する幾
何学的な像のぼけ（blur）を示す。スポットダイヤグラ
ムは、収差の効果を調べ、検査するのに使用される。 【００３２】スポットダイヤグラムは、複数の単色の光
線（例えば、円錐状の光線）を放出する単一の物点から
始めることによって作られる。これらの光線は、入射瞳
を均一に満たすように方向づけられる。その後、これら
の光線は、レンズを介して像表面上へと、三角法を使用
することによって追跡される。光線が像表面を貫通する
点の集合体が、スポットダイヤグラムである。換言すれ
ば、光線が光子の軌道であり、かつ単一の単色の物点が
入射瞳を均一に照明する場合、スポットダイヤグラム
は、像表面上における光子の衝突点のマップである。回
折効果が、スポットダイヤグラムにおいては考慮されな
いことに注意されたい。 【００３３】物体角度（ＯＢＪ）は、光が第１の表面１
３４に入る、光軸に対する角度を規定する。物体角度
は、度（degree）で表現される。ＩＭＡパラメータは、
焦点面の中心から焦点面上におけるスポットの位置まで
の距離をミリメートルで規定する。このスポットダイヤ
グラムは、１から１２まで番号を付けられた１２のフィ
ールドを示しており、これらのフィールドは、図１にお
いて、物体平面１０４から伸長し、開口１１４を通るほ
ぼ平行な３つの光線グループとして示される光線のセッ
トに対応する。それぞれのフィールドは、マイクロメー
トル（ミクロン）で表現される平方二乗平均（ＲＭＳ）
の半径（ＲＭＳ ＲＡＤＩＵＳ）、および幾何学的半径
（ＧＥＯ ＲＡＤＩＵＳ）を有する。ラベルＯＢＪは物
体平面を示し、ラベルＩＭＡは結像面を示す。 【００３４】図２によれば、スポットダイヤグラムは、
図１のレンズ１１８が、広い視野にわたって優れた解像
度を有することを示す。例えば、約１１０度の全視野角
（full of field of view）について、スポットサイズ
が約５マイクロメートル（約５ミクロン）より小さい。
このケースでは、結像面（ＩＭＡ）にわたって、結像ス
ポット半径がきわめて均一であり、約５マイクロメート
ルである。それに対し、従来の技術のレンズは、約７０
度の全視野角にわたってしか、同様のスポットサイズを
示さない。 【００３５】解像度 図３は、図１のシングレットの解像度の尺度である多色
回折変調伝達関数（polychromatic diffraction modula
tion transfer function）を示す。垂直軸は、光学伝達
関数（ＯＦＴ）の絶対値（modulus）を表わしており、
水平軸は、サイクル／ミリメートルの空間周波数を表わ
す。図３は、レンズの一実施形態の変調伝達関数（modu
lation transfer function）を示すグラフである。この
グラフは、レンズが、センサ領域にわたり、１００線対
／ｍｍにおける１５％よりも良好な変調を生成すること
を示す。 【００３６】解像度は、光学系が分解することができる
最善の機能に関連する。デジタル結像の応用形態におい
て、結像センサにおけるピクセルの数は、典型的に、シ
ステムの解像度を規定する。光学系（例えば、レンズ）
は、鮮明な像を生成するために、それぞれのピクセルを
分解する必要がある。システムのスポットサイズが大き
すぎると、画像はぼやけてくる。本発明のレンズは、ピ
クセルの寸法より小さい、またはピクセルの寸法に等し
いスポットサイズを生成する。図２に示されるように、
本発明のレンズは、５マイクロメートル×５マイクロメ
ートルの正方形の領域よりも小さな寸法を有するスポッ
トサイズを生成することができる。 【００３７】典型的なデジタル画像捕捉装置 図４は、典型的な、本発明のシングレット４１０を実現
することができるデジタル画像捕捉装置４００を示す。
デジタル画像捕捉装置４００は、物体平面４２４に配置
される物体４２０（例えば、木）を捕捉するのに使用さ
れることができる。デジタル画像捕捉装置４００は、結
像面４３４に配置される撮像センサ（例えば、センサ集
積回路）４３０を含む。デジタル画像捕捉装置４００
は、また、捕捉された画像に対して画像処理を行なうた
めに、撮像センサ４３０に結合された撮像電子回路４４
０を含む。本発明のレンズ４１０を、示されるように、
デジタル画像捕捉装置４００内に実現することができ
る。高さ４６０が小さい（すなわち、開口と結像面との
間の距離が、２つまたはそれ以上のレンズを使用する従
来技術の光学系と比較して著しく減少している）ことに
注意されたい。 【００３８】本発明の単一レンズは小さな高さを有する
ので、本発明の光学系は、空間がクリティカルな応用形
態での使用にとりわけ適している。これらの空間がクリ
ティカルな応用形態は、携帯電話および携帯用情報端末
（ＰＤＡ）のような小さなパッケージング要件を持つ電
子デバイスを含むことができる。 【００３９】本発明の一実施形態において、単一レンズ
設計（シングレット）は、画像の隅の口径食すなわち影
を減らす機構を有する。本発明のシングレットは、高い
回折効率を備えた回折表面を有し、広い視野にわたって
小さなスポットサイズおよび優れた解像度を提供する。 【００４０】一実施形態において、本発明のレンズは、
１１０度の全対角線視野角にわたって、５マイクロメー
トルより小さな、設計されたピクセル（スポット）サイ
ズを有するｆ２．８の広い視野角のテレセントリックの
単一レンズ設計である。レンズをテレセントリックにす
ることによって、センサは、カラーフィルタの影響を受
けない。レンズの前面は、曲率が主として光線の屈折を
実行し、回折表面が迷光を減らしてこの問題を最小にす
るよう色補正を行なうように設計されている。このよう
な単一レンズ設計は、デジタル結像の応用形態（例え
ば、ＣＩＦデジタル結像の応用形態）および厳しい空間
要件を有する他の応用形態に良好に適している。 【００４１】上記の説明において、本発明は、その特定
の実施形態に関して説明した。しかしながら、本発明の
広い範囲から離れることなく、これに種々の変更および
変形を施すことができることは明白であろう。したがっ
て明細書および図面は、限定の意味ではなく、例示のた
めと考えられるべきである。 【００４２】本願発明は、以下の実施態様を含む。 （１）ａ）主として色補正機能を実行するための第１の
表面（１３４）であって、回折効率改善機構を含む第１
の表面と、ｂ）主として光線を屈折させる機能を実行す
るための第２の表面（１３８）と、を備える、レンズ
（１１８）。 （２）前記回折効率改善機構は、前記レンズの回折効率
を増加するための、前記第１の表面の回折部分（１４
４）を含み、前記回折部分は、凹状の特徴を有する、上
記（１）に記載のレンズ。 （３）前記第１の表面の前記回折部分（１４４）は、該
第１の表面に対して少なくとも１つの光線の入射角を減
らすことにより、前記レンズの前記回折効率を増加す
る、上記（１）に記載のレンズ。 （４）前記レンズは、約１１０度の全視野角に対して、
約５マイクロメートルよりも小さなスポットサイズを有
する、上記（１）に記載のレンズ。 （５）ｃ）開口（１１４）と、 ｄ）焦点面（１２４）と、をさらに含み、前記開口（１
１４）と前記焦点面（１２４）との間の距離が、約６ミ
リメートルよりも小さい、上記（１）に記載のレンズ。 【００４３】（６）画像の隅における影を減少する口径
食減少機構をさらに含む、上記（１）に記載のレンズ。 （７）前記口径食減少機構は、 ａ）前記レンズの前記第１の表面（１３４）から所定の
距離のところに位置付けられる開口（１１４）を含み、
前記所定の距離（１５８）は、レンズをテレセントリッ
クにする値である、上記（６）に記載のレンズ。 （８）前記口径食減少機構は、 ａ）前記レンズの前記第１の表面から所定の距離のとこ
ろに位置付けられる開口（１１４）を含み、前記所定の
距離（１５８）は、主光線を前記焦点面に対してほぼ垂
直にする距離である、上記（６）に記載のレンズ。 （９）前記第１の表面は、非球面であり、かつ回折性で
ある、上記（１）に記載のレンズ。 （１０）前記第２の表面は、ほぼ非球面である、上記
（１）に記載のレンズ。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施形態に従う、シングレットのレ
イアウトを示す図。 【図２】図１のシングレットのスポット図形を示す図。 【図３】図１のシングレットの解像度の尺度である多色
回折変調伝達関数を示す図。 【図４】本発明のシングレットを実現することができ
る、典型的なデジタル画像捕捉装置を示す図。 【符号の説明】 １００ 単一レンズシステム １０４ 物体平面 １１４ 開口 １１８ レンズ １２４ 焦点面 １３４ 第１の表面 １３８ 第２の表面、 １４４ 回折部分 １５８ レンズの第１の表面からの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グオリン・マ アメリカ合衆国95035カリフォルニア州ミ ルピタス、ヨセミテ・ドライヴ 2169 (72)発明者 デイヴ・ピトウ アメリカ合衆国95127カリフォルニア州サ ン・ノゼ、ヒドゥン・ヴァリー・レーン 4116 Ｆターム(参考） 2H087 KA01 LA01 NA02 NA14 PA01 PA17 PB01 RA05 RA42 RA44 RA46 UA01

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】ａ）主として色補正機能を実行するための
   第１の表面（１３４）であって、回折効率改善機構を含
   む第１の表面と、 ｂ）主として光線を屈折させる機能を実行するための第
   ２の表面（１３８）と、を備える、レンズ（１１８）。