JP2007529785A - レンズ・アレイを使用する結像用装置 - Google Patents

Abstract

光学素子当り２個以上のピクセルを有するアレイ・フォーマットで配置された複数のナノサイズの光学素子から構成される結像装置及び／又はカメラは、異なる点にある各素子が僅かに異なる重複情報を集めるので、各素子が個別にできるものより高い解像度を有する。したがって、このような情報を処理することによって、鮮明な画像を得ることができる。さらにまた、センサ・アレイのセクタからの多重情報を処理して、３Ｄステロ版及びパノラマ結像を得ることができ、情報を互いに連結して、障害物の周りを見ることを可能にし、並びに未知の対象物の全３Ｄ追跡及び／又は計量決定を可能にする。色彩／分光結像を、同サイズのレンズ及びレンズの下の多重波長感知層を利用して達成することができる。しかし、色彩／分光結像及び／又は分光技術を、回折限界以下でさまざまな波長を受け入れるナノスケールのレンズの固有光学特性を利用して達成することができる。

Description

本発明は主として、電磁放射を検出するためのデジタル結像及び写真カメラ技術に関する。

その他の潜在的な分野は、デジタル写真と結像、医療、研究、産業、民間及び軍事上の監視、モニタリング、及び自動感知機能のためのシステムになり得る。検出しようとする電磁放射は、通常の可視光、ＵＶ光、ＩＲ光、及びテラヘルツ放射を含むが、これに限られないすべての種類のものになり得る。

この技術の適用例は下記の通りである。
結像の能力を有する運動検出器
生物学的、医学的、及び外科的結像
細胞及び亜細胞結像
体内埋込み装置
案内及び調査のためのミクロン及びナノサイズの展色剤
航空機、宇宙船又は宇宙ローバー、特に超小型又は極超小型無人飛行体（ＭＵＡＶ、ＮＵＡＶ）などの小型のロボット的制御式輸送手段
宇宙及び天文結像のための超軽量大型アレイ

今日のデジタル・カメラにおいては、感光デバイス（すなわち通常はＣＣＤプレート）が位置付けられた焦平面の上に画像を集束して画定するために、１個（又は複数個）のレンズが常に使用されている。感光デバイスの頂部の上には、個別の感光構成部分にできるだけ多くの光を採取するために、マイクロ・レンズが配置されることもある。

適用分野を広げるために、カメラ及び結像システムをさらにもっと小さくしようとする傾向が進行中である。今日のデジタル・カメラでは、感光デバイス（すなわち通常はＣＣＤプレート）が位置付けられた焦平面の上に画像を集束して画定するために、１個（又は複数個）のミリメートル又はこれより大きなレンズが常に使用されている。感光デバイスの頂部の上には、個別の感光構成部分にできるだけ多くの光を採取するために、マイクロ・レンズが配置されることもある。この構造は比較的大きなレンズ・システムの使用を必要とし、これは、このような装置のコストが高く、並びに装置の実際のサイズが使用されるレンズ・システムによって指図されることを意味する。このことによって、光学式カメラを、顕微手術、監視、調査、及びその他のフィーチャ収束技術のための案内用ミクロンサイズの自律的システムなどのナノデバイスと競合する寸法に収縮することが不可能になる。

結像デバイスは本来、センサよりも複雑であり、したがって、簡単な光検出器を含むさまざまな形のエネルギーを感知するナノサイズ又はミクロンサイズのトランスデューサと比較して固有の問題を提起する。

上に概述した通常のカメラは、結像感度を増加するために集光装置としてピクセル当り単一の大きなレンズ又は最近は１個のレンズを使用し、これは、画像を作り出すことができない光センサとして作用することを意味する。このような結像システムをもっと小さくしようとするとき、多くのピクセル素子のために１個のレンズを有する場合、すぐれた結像能力を得ることが回折限界によって妨げられることになる。こうして、物理的法則が、例えばむしろ低い解像度を有するミリメートルサイズの結像装置における実用性を制限する。従来のカメラ設計を極度に小さな比率に、すなわちナノサイズにさらに縮小する場合には、遠い光波が、開口の物理的サイズよりも大きな波長において遮断されることになる。

本発明による結像装置は、部分的又は完全に放射を透過する層の上に支持されるサブミクロン、ナノメートル・スケールの複数の光学素子から構成され、この層は放射感受層の頂部に位置し、この放射感受層は、各光学素子の下に放射によって個別に影響される少なくとも２個の放射採取素子が存在するようにパターン化されている。個別の光学素子の材料は、これらをレンズとして機能させる性質を有する。部分的又は完全に放射を透過する層は、均質性材料又は異質性材料、例えばファイバ、スペーサ、又は流体、又はこれらの組合せから構成される層から構成してもよく、この材料はその体積、間隔、曲率の変化や、その他の形状変化、又は化学作用に対して可鍛性を有する。集束、光濾過、光学的修正、又はズーミングの機能を、流体的毛管力、分子再配列、又は化学作用、並びにナノサイズのレバー又はファイバによって達成し、光学システムのサイズ又は屈折特性を調節することができる。光学素子もまた、光学素子を通過する間にさまざまな波長の放射を操作することを可能にする屈折性材料のさまざまな層から構成してもよく、レンズ材料の適切な選択によるこのような放射制御技術に従って色収差効果などを補償する。個別の光学素子とシステムの材料と可鍛性は、これらに集束、ズーミング、光濾過、及び光学的収差補正の能力を与える１つ又は複数の性質を有する。

本発明による結像装置において、放射採取素子が電子信号を生成する光電デバイスとして働くことは好ましい。生成されるこのような電子信号は、電子的読取りを可能にする電子デジタル処理によってモニタリングされ及び／又は操作されることが好ましい。上述のような情報を重複する画像強化処理アルゴリズムによって、物理的（幾何学的）に又は電子的に定義されたセンサ・アレイすなわち「複数のセクタ」から、高解像度の画像を得ることができる。個別レンズ又はレンズ群の各々は僅かに異なる空間的視点を有することになるので、電子的又は幾何学的に定義された複数のセンサ・アレイ・セクタ、例えば左及び右セクタからの複数の情報を処理して、３Ｄ又はステロ版画像を得ることができる。

本発明はまた、通常の視力ではやっと見える寸法で作ることができるか、又は大きい、ミクロサイズ、又はナノサイズのデバイス、例えばクレジット・カード、ボタン、ピン、医療用デバイスなどの中に組み込まれた１つ又は複数のシャッタ層と組み合わせた上記の結像装置を含むデジタル・カメラも含む。

上述のような結像装置及び／又はカメラのすべての機能素子を、さまざまな種類の材料から作ることができ、ある実施では可とう性の材料から作ることができる。光学素子を可とう性テープの上のように円筒状に又は球状に配置して、広角視野を得ることもできる。これは、情報のステッチングと組み合わせた２次元様式でセンサ・アレイを湾曲させることによって広角視野の検出のために使用可能であり、これによって３６０度のパノラマ結像を生成する。

本発明による結像装置を、情報のステッチングと組み合わせた３次元様式にセンサ・アレイを球状化することによって広角視野の検出のために使用することができ、これによって全３次元における完全３６０度の「魚眼」結像能力を作り出す。画像処理によって、写真では「魚眼」として知られている映像、すなわち円形、直線的、又はその他の平坦マップ映像を生成することができる。

ある実施例では、色彩結像及び分光結像を、同サイズの複数のレンズを利用し、レンズの下で多重波長検知層を使用することによって得ることができる。

上述のような結像装置及び／又はカメラを、レンズの直径をナノメートル・レベルで制御することによってナノスケールのレンズの光学的特性を利用して、分光結像及び／又は分光技術のために使用することができ、これによって、回折限界以下でさまざまな波長を受け入れるが、これに関して下記の２つの例を説明するが、これに限られるものではない。
Ａ）ある構成では、漸進的に増減する直径を有する段階的サイズのレンズを、増分的に大きくなるレンズの累積成分を除去する、例えば最小直径のレンズはＵＶ光波のみを受け入れることができ、最大直径のレンズはＩＲ放射までのすべての波長を受け入れるようにした累積成分を除去するための処理を利用して、使用することができる。
Ｂ）別の構成では、色彩結像を、２個、３個、又はそれ以上のレンズの限定されたセットの直径をナノメートル・レベルで制御することによって達成することができる。さまざまな直径のレンズを利用して個別の波長を検出することができ、続いてこれらの波長は、標準色（例えばＲＧＢ、ＣＭＹＫ）又は擬色処理のために必要なカラー・コードを生成するために付加的に組み合わせられる。

上述のような電子読出し信号を、さらに埋め込まれた処理記憶回路へ送ることによって、又は観察、記憶、及び／又は再送／再放送することができる情報のための情報をそれ自体の中に記憶する個別の離れたデバイスに情報を送るために、多くの異なる方法で電子的に処理することもできる。

ある実施例では、複数のカメラを空間に分散させて有線又は無線によって互いに及び／又は中央処理装置に接続して、複数の情報の検索を可能にすることもできる。この情報を、大型電波望遠鏡アレイなどの干渉計技術によって集め、障害物の周りを見る複数の視点を作り出すことができる。これはまた、完全３次元能力、並びに未知の対象物の真の３次元計量決定を行う「測定ステーション」を可能にする追跡デバイスとしても使用可能である。

異常に小さな結像システム／カメラは、層化素子の製造がテープなどの平坦で可とう性のベースに適用できるナノ製造及び画像処理を通じて高い解像度を有することを特徴とする。

ナノサイズの光学素子当り２ピクセル以上を有するアレイ・フォーマットで配列されたナノ／マクロサイズの光学素子は、光センサではなくそれ自体結像デバイスとなる（図１を参照）。

各素子が異なる位置にあって僅かに異なる重なった情報を集め、このような情報を補間法及び／又は干渉計技法によって処理するアレイが使用されるので、これらの複数素子の各々が個別になし得るよりもはるかに高い解像度で、また大きな開口と焦点距離の単一レンズを使用せず画像を得ることができる。大抵の条件の下で、集束は極端な被写界深度のために必要にはならないが、後で概述するように、又は使用するプログラム・アルゴリズムによって制御してもよい。

レンズ／ピクセル群の各々は僅かに異なる空間的視点を有することになるので、電子的又は幾何学的に定義された複数のセンサ・アレイ・セクタ、例えば左及び右セクタからの複数の情報を処理して、３Ｄ又はステロ版画像を得ることができる。

情報のステッチングと組み合わせた２次元様式で、例えば可とう性テープの上でセンサ・アレイを湾曲させることによって、広角視野の検出を達成することができ、３６０度までのパノラマ結像能力を達成することができる。

センサ・アレイを３次元様式で球状化し（図２を参照）、ステッチングによって情報を共に組み合わせることによって、広角視野の検出のための全３次元における完全３６０度の「魚眼」結像能力が得られる。次いで画像を処理して、魚眼、直線的、又はその他のマップ映像方式のいずれも生成することができる。

さらにまた、複数のカメラを空間に分散させて有線又は無線によって互いに及び／又は中央処理装置に接続して（図３を参照）、複数センサ又はセンサ・アレイからの情報の検索を可能にすることもできる。この情報を、大型電波望遠鏡アレイなどにおける干渉計技術によって集め、障害物の周りを見る複数の視点を作り出すことができる。これはまた、完全３次元能力、並びに未知の対象物の真の３次元計量決定を行う「測定ステーション」を可能にする追跡デバイスとしても使用可能である。

大抵の従来の光学システムでは、色彩結像及び分光結像を、同サイズの複数のレンズを利用し、レンズの下で多重波長検知層を使用することによって達成することができる。

さらにまた、分光結像及び／又は分光技術を、レンズの直径をナノメートル・レベルで制御することによってナノスケールのレンズの固有の光学的特性を利用して達成することができ、これによって、回折限界以下でさまざまな波長を受け入れるが、これに関して下記の２つの例を説明するが、これに限られるものではない。
Ａ）ある構成では、分光技術を下記の方法で達成することができる。漸進的に増減する直径を有する段階的サイズのレンズを、増分的に大きくなるレンズのより長い波長累積成分を除去する、例えば最小直径のレンズはＵＶ光波のみを受け入れることができ、最大直径のレンズはＩＲ放射までのすべての波長を受け入れるようにした累積構成部分を除去するための処理アルゴリズムを利用して、使用することができる。
Ｂ）別の構成では、色彩結像を、２個、３個、又はそれ以上のレンズの限定されたセットの直径をナノメートル・レベルで制御することによって達成することができる。さまざまな直径のレンズを利用して個別の波長を検出することができ、続いてこれらの波長は、標準色結像（例えばＲＧＢ、ＣＭＹＫ）のために必要なカラー・コードを生成するために、又は実施例Ａにおけるものと類似の処理によって分光結像又は擬色処理を生成するために、付加的に組み合わせられる。

光学素子の形状を、様々な種類のリソグラフィ法などの通常の半導体処理法を使用して実現してもよく、例えば写真製版、ＵＶリソグラフィ、ＥＵＶリソグラフィ、電子線リソグラフィ、ナノプリント・リソグラフィ、イオンビーム・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、並びにさまざまな種類のエンボス・リソグラフィが使用できるが、これに限られるものではない。

放射感受層の中に形成された放射感受素子もまた、上記の光学素子について論じた標準的な半導体処理技術を使用して製造することができる。

上記のレンズは、ある実施例ではナノインプリント・リソグラフィを使用して（しかしこれに限定されない）実現されることが好ましく、この場合、レンズの意図する形状の逆形状を含む事前パターン化された形態スタンプを使用して、ガラス転位温度以上で溶融していることが多いポリマー層の中にスタンプの機械的インデントによって、ポリマー層の中に凹状構造を形成する。レジストへのインデントの後に冷却サイクルが続き、レジストを硬化させ、次いでスタンプを取り除く。このＮＩＬ法は、平坦基板と湾曲基板の両方に適用することができる。

ある形では、個別の素子の中に形成されるこの記載された放射感受層は、多くのデジタル結像デバイスで見られるようなＣＣＤプレートである。しかし本発明は、このようなＣＣＤプレートの使用に限定されるものではない。別の感受層として（しかしこれに限定されるものではない）、紙の電子技術と呼ばれる技術に類似の紙の中に作られたポリマー電子装置又は放射検出器の技術で知られているような、ポリマー放射感受検出器を使用することができる。

カメラの基本的実施例の概略拡大断面図であり、さまざまな層の説明は下記の通りである。 １．保護（及び／又は可変密度濾過）クラッディング ２．この場合トリプレット光学設計を示す、レンズ・アレイ・システム ３．光バッフルと共に示す、部分又は完全透過性間隔層及び／又は集束層 ４．センサ・アレイ ５．接続回路層 ６．画像のための画像組立て層 ７．処理層 ８．光透過と集束のための制御プロセッサ ９．電源回路又はバッテリ （注記：層１、５〜９は可能と思われる構成の例として入れただけであるが、層２〜４は本特許に記載される必須の要素を示す） 極端に小さなＭＵＡＶ又はＮＵＡＶにおいて使用されるような広角被写域を有する球状又は半球状アレイの変形の概略図である。 ミッション・クリティカル監視のために（干渉計技術的に）有用な複数望遠鏡アレイなどの事実上不可視のアレイ機能を生成するために、個別のレンズ・ピクセル素子又は素子の群を分離する変形実施例の概略図である。 ナノレンズの回折限界を説明する図である。波長５６０が例えば５６０ｎｍ（緑）であり、焦点距離を９０マイクロメートルと想定する場合には、（定数を１．２２として）レンズの直径は、 Ｄ＝１．２２λΦ／ρ＝１．２２＊０．５６０＊９０／９＝６．８３マイクロメートルによって決定される。

Claims (18)

1. 部分的又は完全に放射を透過する層（３）の上に支持されるサブミクロン、ナノメートル・スケールの複数の光学素子（２）から構成された結像装置であって、この層は放射感受層（４）の頂部に位置し、この放射感受層は、各光学素子の下に放射によって個別に影響される少なくとも２個の放射採取素子が存在するようにパターン化されている結像装置。
2. 前記の個別の光学素子の材料がこれらをレンズとして機能させる性質を有する請求項１に記載の結像装置。
3. 前記の部分的又は完全に放射を透過する層（２又は３）が、均質性材料又は異質性材料、例えばファイバ、スペーサ、又は流体、又はこれらの組合せからなる層から構成してもよく、この材料はその体積、間隔、曲率の変化や、その他の形状変化、又は化学作用に対して可鍛性を有する請求項１又は２に記載の結像装置。
4. 集束、光濾過、光学的修正、又はズーミングの機能を、流体的毛管力、分子再配列、又は化学作用、並びにナノサイズのレバー又はファイバによって達成し、光学システムのサイズ又は屈折特性を調節することができる請求項２又は３に記載の結像装置。
5. 前記光学素子もまた、光学素子を通過する間にさまざまな波長の放射を操作することを可能にする屈折性材料のさまざまな層から構成してもよく、レンズ材料の適切な選択によるこのような放射制御技術に従って色収差効果などを補償し、個別の光学素子とシステムの材料と可鍛性は、請求項４によって、これらに集束、ズーミング、光濾過、及び光学的収差補正の能力を与える１つ又は複数の性質を有する請求項１から４までのいずれか一項に記載の結像装置。
6. 前記放射採取素子が電子信号を生成する光電デバイスとして働く請求項１から５までのいずれか一項に記載の結像装置。
7. 前記電子信号が、電子的読取りを可能にする電子デジタル処理によってモニタリングされ及び／又は操作される請求項１から６までのいずれか一項に記載の結像装置。
8. 情報を重複する画像強化処理アルゴリズムによって、物理的（幾何学的）に又は電子的に定義されたセンサ・アレイすなわち「複数のセクタ」から、高解像度の画像を得ることができる請求項１から７までのいずれか一項に記載の結像装置。
9. 個別レンズ又はレンズ群の各々は僅かに異なる空間的視点を有することになるので、電子的又は幾何学的に定義された複数のセンサ・アレイ・セクタ、例えば左及び右セクタからの複数の情報を処理して、３Ｄ又はステロ版画像を得ることができる請求項１から８までのいずれか一項に記載の結像装置。
10. 通常の視力ではやっと見える寸法で作ることができるか、又は大きい、ミクロサイズ、又はナノサイズのデバイス、例えばクレジット・カード、ボタン、ピン、医療用デバイスなどの中に組み込まれた１つ又は複数のシャッタ層（１〜４、特に１又は４）と組み合わせた請求項１から７までのいずれか一項に記載の結像装置を含むデジタル・カメラ。
11. さまざまな種類の材料から作ることができ、ある実施では可とう性の材料から作ることができる請求項１から８までのいずれか一項に記載の結像装置及び／又はカメラのすべての機能素子。
12. 前記の光学素子を可とう性テープの上のように円筒状に又は球状に配置して、広角視野を得ることもできる請求項１に記載の結像装置。
13. 情報のステッチングと組み合わせた２次元様式でセンサ・アレイを湾曲させることによって広角視野の検出のために、同じ情報が使用可能であり、これによって３６０度のパノラマ結像を生成する請求項１から１０までのいずれか一項に記載の結像装置。
14. 情報のステッチングと組み合わせた３次元様式にセンサ・アレイを球状化することによって広角視野の検出のために使用することができ、これによって全３次元における完全３６０度の「魚眼」結像能力を作り出し、画像処理によって、写真では「魚眼」として知られている映像、すなわち円形、直線的、又はその他の平坦マップ映像を生成することができる請求項１から１０までのいずれか一項に記載の結像装置。
15. 色彩結像及び分光結像を、同サイズの複数のレンズを利用し、レンズの下で多重波長検知層を使用することによって得ることができる請求項１から１４までのいずれか一項に記載の結像装置及び／又はカメラの一構成。
16. レンズの直径をナノメートル・レベルで制御することによってナノスケールのレンズの光学的特性を利用して、分光結像及び／又は分光技術のために使用することができ、これによって、回折限界以下でさまざまな波長を受け入れるが、これに関して下記の２つの例を説明するが、これに限られるものではなく、
    Ａ）ある構成では、漸進的に増減する直径を有する段階的サイズのレンズを、増分的に大きくなるレンズの累積成分を除去する、例えば最小直径のレンズはＵＶ光波のみを受け入れることができ、最大直径のレンズはＩＲ放射までのすべての波長を受け入れるようにした累積成分を除去するための処理を利用して、使用することができ、
    Ｂ）別の構成では、色彩結像を、２個、３個、又はそれ以上のレンズの限定されたセットの直径をナノメートル・レベルで制御することによって達成することができ、さまざまな直径のレンズを利用して個別の波長を検出することができ、続いてこれらの波長は、標準色（例えばＲＧＢ、ＣＭＹＫ）又は擬色処理のために必要なカラー・コードを生成するために付加的に組み合わせられる、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の結像装置及び／又はカメラ。
17. 電子読出し信号を、さらに埋め込まれた処理記憶回路（５〜９）へ送ることによって、又は観察、記憶、及び／又は再送／再放送することができる情報のための情報をそれ自体の中に記憶する個別の離れたデバイスに情報を送るために、多くの異なる方法で電子的に処理することもできる請求項６から９まで及び１２から１６までのいずれか一項に記載の結像装置。
18. 空間に分散した複数のカメラであって、有線又は無線によって互いに及び／又は中央処理装置に接続されて、複数の情報の検索を可能にすることもでき、この情報を、大型電波望遠鏡アレイなどの干渉計技術によって集め、障害物の周りを見る複数の視点を作り出すことができ、これはまた、全３次元能力、並びに未知の対象物の真の３次元計量決定を行う「測定ステーション」を可能にする追跡デバイスとしても使用可能である複数のカメラ。

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