JP2009134305A - 画像キャプチャデバイスに光学的に結合されたレンズシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単、安価で耐久性のあるマルチエレメントレンズシステムを提供する。
【解決手段】本発明のレンズシステムは、ガラス半球（２０５）の平らな面に接着されたガラス微小球（１０５）を含む。好ましいレンズシステムにおいて、ガラス半球（２０５）の厚さは、微小球（１０５）の表面に対して接線方向である透過された光について画像面を形成するように選択される。したがってこのようなレンズシステムで製造されたディジタルカメラにおいて、ガラス微小球（１０５）はディジタル画像キャプチャデバイス（１１０）に直接に取り付けられえる。これら好ましいレンズシステムはフォーカス調整を必要とせず、広い視野を必要とする応用例に適する。
【選択図】図３

Description

この出願は、２００１年７月２０日に出願された米国特許仮出願第６０／３０７，０５８号の優先権を主張し、この仮出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
本発明は、電子画像化の分野に関し、より具体的にはマルチエレメントレンズシステムの製造、組み立て、およびマルチエレメントレンズシステムを画像キャプチャデバイスに光学的に結合する方法に関する。

電子画像化の分野において、ディジタルカメラは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサのようなディジタル画像キャプチャデバイス、およびガラスまたはプラスチック材料からできたレンズを用いて構成される。高品質ディジタルカメラはしばしば、可変開口（絞り）、可変焦点距離（ズーム）および可変焦点を持つレンズシステムを有する。低コストディジタルカメラは一方、固定開口、固定焦点距離および固定焦点を持つレンズシステムをしばしば有する。このようなレンズシステムのコストや、低コストディジタルカメラでこれらを組み立て、焦点調節するコストを下げるために多くの試みがなされてきた。

レンズシステムを直接に画像キャプチャデバイスに光学的に結合するためにさまざまな方法が提案されてきた。レンズシステムを光学的に画像キャプチャデバイスに結合することは、例えば、光学要素を画像キャプチャデバイスに最も近づけて、その画像検出表面上に糊付けすることによって達成されえる。このような一つの方法は、国際特許出願ＷＯ９２／１５０３６に記載され、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。レンズシステムがフィルムに接触できない（フィルムは１回の写真撮影イベント毎に動かされるので）フィルムカメラとは違い、ディジタルカメラはキャプチャデバイスの画像検出表面に接触するレンズシステムで設計されえる。

レンズシステムを画像キャプチャデバイスに接触させることの利点は数多くある。第１に、画像キャプチャデバイスをふつう保護するウィンドウが取り除かれる。このウィンドウを取り除くことは、製造および組み立てコストを下げ、ウィンドウの表面での不要な反射をなくすことによって画質を向上させる。第２に、カメラ全体のサイズが小さくでき、特にその厚さが小さくできるが、これはレンズシステムが画像キャプチャデバイスのより近くにマウントされえるからである。これは、携帯電話、パーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）およびノートパソコンのために作られるカメラモジュールについては特に重要である。これらの製品においては、スペースは貴重であり、全ての要素のサイズを小さくするためにあらゆる努力が払われる。最後に、レンズシステムを画像キャプチャデバイスに光学的に結合することは、カメラが落下されたり、または誤って扱われたりし、レンズシステムが画像キャプチャデバイスに堅固に固定されていない場合に起こりえる、ミスアライメント、デフォーカスおよび他の調節不良を減らす。

残念ながら、レンズシステムを画像キャプチャデバイスに光学的に結合する既存の方法では、レンズシステムの焦点を画像キャプチャデバイス上に合わせるという労力の要るステップはなくならず、かつレンズシステムの複雑さも低減されない。現在の方法では、光学的結合は、レンズを画像キャプチャデバイスに光学的に結合することによっては大幅には簡略化されない。

光学的結合は、カメラの全体的なパフォーマンス要件によって支配される。さまざまなレンズの組み合わせは、視野、開口（ｆ値と呼ばれる）および変調伝達関数（ＭＴＦと呼ばれる）についての特定のシステム要件を満足しえる。典型的には、レンズ要素のある数があるパフォーマンスレベルを達成するために必要である。例えば、もし狭い視野が必要とされるなら（すなわち２０度未満）、単一要素を用いる設計は、要求される開口が大き（すなわち比較的高いｆ値）すぎないなら、そのような要件をふつう満足できる。そのような設計は、国際特許出願ＷＯ９２／１５０３６に記載されるように単一の平凸レンズで作られえる。レンズの複雑さ（およびコスト）は、視野の要件が２０度から５０度に増し、一方で開口が比較的高く維持される（低いｆ値、例えばｆ／３）ときに大幅に増す。

ふつうこのようなレンズは、色収差を補正するために異なるガラス材料の４つから６つの要素から作られる。そのようなレンズの選択は、「Electronic Imaging Components」と題された2000 Edmund Scientific catalogの５０〜５５ページに見られる。要素の数が増すと、レンズシステムの材料コストおよび組み立てコストの両方が増す。

非球面要素、特に射出成形されたプラスチック非球面要素を用いることによってレンズ要素の数を減らす多くの試みがなされてきた。プラスチックレンズ要素は、画像領域が非常に大きく（８００ｍｍ²）、空間解像度がかなり低い（２０ｌｐ／ｍｍ）使い捨てフィルムカメラのようなある主の応用例には最適である。しかしこれらは、４ｍｍ²の感光領域および３．２μｍ×３．７２μｍのように小さいピクセルを持つ（例えばSony ICX238AKE）最新の世代のＣＣＤおよびＣＭＯＳキャプチャデバイスとはうまく合わない。ピクセルサイズは、シリコンチップのコストを下げるための努力として意識的に４μｍ×４μｍよりも小さくされてきた。このような小さいピクセルを解像するために、レンズシステムは、１ミリメートル当たり１２５ラインペア（「ｌｐ／ｍｍ」）を超える空間解像度において良好なコントラストを持たなければならない。これはつまりレンズ要素についてのλ／４よりもよい表面品質を意味する。対称的に、プラスチックレンズの業界標準の表面品質はわずか２．５λ（１０倍も悪い）であり、その理由は、OCLI社からのMichael Missigらによる「An Introduction to the Design, Manufacture and Application of Plastic Optics」と題された論文に詳細が記載され、その開示全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。

上述の理由で、低い製造コストのためにプラスチックレンズは魅力的に思えるかもしれないが、これらは小さいピクセルを持つ画像キャプチャデバイスを伴う応用例には適さない。このような応用例については、ガラス、石英、ルチル、ルビー、溶融石英または他のそのような材料のような、より硬質な材料が好ましい。簡潔さのために、このような材料は、その材料が本当のガラスであるか、または結晶構造を持つかに関わらず、ここでは「ガラス」と呼ばれる。そのような材料を用いる従来技術によるマルチエレメントレンズシステムは、許容できるレベルのパフォーマンスを提供できるが、コストが高くついた。

したがって、マルチエレメントガラスレンズシステムを製造し、組み立て、かつ光学的に画像キャプチャデバイスに結合する安価で、簡単で、かつ高信頼性の方法を提供することが望まれる。

本発明のさまざまな実施形態によれば、簡単で耐久性のあるマルチエレメントガラスレンズシステムが提供される。これらのレンズの多くの実施形態はフォーカス機構を必要としない。したがってこのようなレンズシステムは、直接に画像キャプチャデバイスに接着されえる。マルチエレメントガラスレンズシステムを簡単に安価に製造、組み立ておよび光学的に画像キャプチャデバイスに結合する方法がさらに提供される。これらの実施形態のいくつかによれば、画像キャプチャデバイス上にマウントされたレンズアセンブリの全体の寸法が小さくされる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ディジタル画像キャプチャデバイスおよびディジタル画像キャプチャデバイスに結合されたレンズシステムを含む光学システムが提供される。レンズシステムは、ほぼ球面形状で、前記ディジタル画像キャプチャデバイスに第１接着材料によって結合される第１レンズ、および凸表面および実質的に平らな表面を持つ第２レンズであって、前記実質的に平らな表面の少なくとも一部は第２接着材料によって前記第１レンズに結合される第２レンズを備える。

本発明のある局面によれば光学システムを形成する方法が提供される。この方法は、ほぼ球形形状である第１ガラスレンズを、第２ガラスレンズの実質的に平らな表面に付ける第１接着ステップを含む。この方法はまた第１ガラスレンズをディジタル画像キャプチャデバイスに付ける第２接着ステップを含み、第２ガラスレンズは凸表面および前記実質的に平らな表面を備える。

本発明の他の実施形態によれば、レンズシステムが提供され、このレンズシステムは、レンズバレル、ほぼ球形の形状であり、レンズバレルの中に配置された第１レンズ、凸表面および実質的に平らな表面を持つ第２レンズを含み、ここで第１レンズおよび第２レンズの少なくとも一部はレンズバレルの中に配置され、実質的に平らな表面は第１レンズの近傍に配置される。このシステムはさらに、実質的に平らな表面、第１レンズおよびレンズバレルによって定義される体積内に配置された光吸収接着材料をさらに含み、この光吸収接着材料はレンズバレルを透過された光についてアポダイズひとみを作る。
本発明の他の局面は、以下の説明からより完全にわかるであろう。

微小球を含む光学デバイスを示す図である。 画像キャプチャデバイスに接着された微小球および微小球に接着された平凸レンズおよび不透明な開口を示す図である。 画像キャプチャデバイスに接着された微小球および微小球に接着された平凸レンズであって、光吸収接着材料が平凸レンズおよび微小球の間の体積を満たし、それによって開口を形成することを示す図である。 不透明な材料で形成された開口の図である。 平凸レンズおよび微小球の間に配置された光吸収材料の変化する厚さで形成された開口を示す図である。 平凸レンズおよび微小球を通して透過される光についてのレイトレーシング図である。 非アポダイズレンズについての点像分布関数を示す図である。 アポダイズレンズについての点像分布関数を示す図である。 アポダイズおよび非アポダイズレンズについて空間周波数対コントラストをプロットするグラフである。 平らな側面を持つレンズバレル内に配置された平凸レンズおよび微小球を示す図である。 円筒形レンズバレル内に配置された平凸レンズおよび微小球を示す図である。 同じ半径を持つ平凸レンズおよび微小球を通して透過される光についてのレイトレーシング図である。 同じ半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについての例示的なレンズ仕様である。 同じ半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについてのサジタル変調伝達関数のグラフである。 同じ半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについてのタンジェンシャル変調伝達関数のグラフである。 レンズバレル内に配置された等しくない半径を持つ平凸レンズおよび微小球を示す図である。 等しくない半径を持つ平凸レンズおよび微小球を通して透過される光についてのレイトレーシング図である。 等しくない半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについての例示的なレンズ仕様である。 等しくない半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについてのサジタル変調伝達関数のグラフである。 等しくない半径を持つ平凸レンズおよび微小球を含むレンズシステムについてのタンジェンシャル変調伝達関数のグラフである。 光吸収接着材料によって接着された平凸要素および平平要素を含むアポダイズフィルタを示す図である。 光吸収接着材料によって接着された先端が途中で切られた平凸要素および平平要素を含むアポダイズフィルタを示す図である。

マルチエレメントガラスレンズシステムは、画像キャプチャデバイスと用いる理想的なペアである。しかし製造、組み立ておよびそのようなレンズシステムを画像キャプチャデバイスに結合する従来技術の方法は、複雑でかなり高価であり、レンズシステムが画像キャプチャデバイスよりも高くつくことさえある。

本発明のいくつかの実施形態は、ガラス微小球を画像キャプチャデバイス上に直接にマウントすることによってレンズの製造コストを低減する。ここで用いられる「微小球」とは、およそ０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲の直径を持つガラス球体である。好ましい微小球は、およそ１〜３ｍｍの範囲である。

ガラス微小球は、プラスチックレンズに比べて、収縮の問題がなく、したがってモールドされたプラスチックよりもより高い表面品質（すなわち＜λ／２）を維持できるという利点を持つ。さらにたいていのガラス光学要素とは異なり、このような微小球は大半が自動化された大量生産技術を用いて安価に製造されえる。したがって本発明を用いれば、高品質な光学画像化が非常に安価で達成されえる。

その最も簡単な形状において、本発明のレンズは、画像キャプチャデバイス上にマウントされたガラス微小球を備える。いくつかの実施形態においては、ガラス微小球は画像キャプチャデバイスに直接には接触しない。例えば図１は、光学デバイス１００を示し、ここで微小球１０５は、ディジタル画像キャプチャデバイス１１０からスペーサ１１５だけ離れている。ある実施形態においては、微小球１０５を受けるスペーサ１１５の一部は凹面である。微小球１０５は、接着剤１２０によってスペーサ１１５に取り付けられ、この接着剤はエポキシ、サーモプラスチック、ゲル、または他の適切な接着材料でありえる。ハウジング１２５はレンズ１３０を支持する。マウント１３５は、ハウジング１２５およびスペーサ１１５を連結する。ある実施形態においては、ハウジング１２５、マウント１３５およびスペーサ１１５はプラスチックまたはサーモプラスチックである。

スペーサ１１５は、微小球１０５の焦点面をディジタル画像キャプチャデバイス１１０の平面に持ってくる。スペーサ１１５の厚さ「ｅ」は、光学デバイス１００の焦点を決定する。ある実施形態において、ｅは、微小球１０５の直径「ｄ」のおよそ半分である。スペーサ１１５および接着剤１２０の屈折率「ｎ」が微小球１０５の率と同じである実施形態においては、光学デバイス１００は、単一の平凸要素と等価であり、無限共役比についてのスペーサの厚さは、ｄ×（２−ｎ）／（２ｎ−２）に等しい。ｎ＝１．５ならｅ＝ｄ／２である。この設計は、単一要素のレンズシステムと等価である。

他の実施形態において、微小球１０５、接着剤１２０およびスペーサ１１５の屈折率は異なる。この設計は、３要素レンズシステムと等価である。この種のシステムは、トリプレットとして知られるが、それぞれの要素間に空隙が存在しないからである。第１要素は微小球１０５（両凸要素）であり、第２要素は接着剤１２０（メニスカス要素）であり、第３要素はスペーサ１１５（平凸または平凹要素）である。

他の実施形態において、スペーサ１１５には穴が設けられ、接着剤１２０が画像キャプチャデバイス１１０の感光領域に届くことを可能にする。この実施形態において、光学設計は、微小球１０５（両凸要素）および接着剤１２０（平平（plano-plano）または平凹要素）を備える２要素システムに簡素化される。この実施形態は、先に説明された実施形態よりも好ましく、それはスペーサ１１５がプラスチック材料で形成されるとき、スペーサ１１５の表面品質はよく制御されないかもしれないが、微小球１０５の表面品質は非常によく制御されえるからである。

図１に示される光学設計には２つの制限がある。それらのうちの第１は、スペーサ１１５の厚さが正確に制御できないならフォーカス調整が必要になりえることである。第２に、光学デバイス１００は、バーコードリーダのような狭い視野の応用例（すなわち２０度以下）にしか適さない。光学デバイス１００は、より広い視野が必要な（すなわち５０度以上）携帯電話カメラまたはノートパソコンカメラのような応用例には必要とされるパフォーマンスを提供しない。

本発明の他の実施形態によれば、上述の制限を緩和する光学的な組み合わせが提供される。この光学設計は、携帯電話カメラのような応用例（すなわち５０度の視野）についてフォーカス調整を必要とせず、適切なパフォーマンスを提供する。この新規な光学設計は、平凸レンズおよび画像キャプチャデバイスの間にマウントされた微小球からなる。図２に示されるように、微小球１０５は、画像キャプチャデバイス１１０に直接に接触してマウントされ、それらを互いに保持する接着剤１２０の薄い層以外にそれらの間にスペーサはない。画像キャプチャデバイス１１０は、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ撮像素子のような任意の種類の画像キャプチャデバイスでありえる。平凸レンズ２０５は、微小球１０５に接触して（画像キャプチャデバイス１１０の反対側に）マウントされ、それらを互いに保持する接着剤２１０の薄い層以外にそれらの間にやはりスペーサはない。平凸レンズ２０５は、実質的に平面な側２０６および凸な側２０７を含む。

接着剤２１０の最も薄い部分の典型的な厚さは、５μｍ未満である。接着剤２１０は、エポキシ、サーモプラスチック、ゲル、または他の適切な接着材料でありえる。

所望のフォーカスは、その製造公差と共に、平凸レンズ２０５の適切な厚さを特定することによって達成される。微小球１０５および平凸レンズ２０５の両方とも好ましくは、上で定義された広義の「ガラス」に含まれるガラスでできている。

平凸レンズ２０５はガラス微小球からできており、その厚さがその元々の直径のおよそ半分であるように研削されている。平凸レンズ２０５の正確な厚さは、光学系のフォーカスを決定する。平凸レンズ２０５の厚さは、微小球１０５の表面が接触している画像キャプチャデバイス１１０の平面上に光学系の画像面を持ってくるように計算される。この効果は図６に示される。点６０５は、光学系の近軸焦点である。点６０５は、微小球１０５の表面上、または表面から選択された距離に位置しえる。この距離は、例えば、微小球１０５の表面および画像キャプチャデバイス１１０の能動部の間の距離に対応するように選択されえる。

結果として生じる光学系は、４要素ガラスレンズであり、ここで画像平面は微小球１０５の表面の接平面である。第１要素は平凸レンズ２０５であり、第２要素は接着剤２１０（平凹要素）であり、第３要素は微小球１０５（両凸要素）であり、最後の要素は接着剤１２０（平凹要素）である。最近の光学シミュレーションソフトウェアプログラムを用いれば、必要とされるパフォーマンスレベルを達成するために、この複雑な４要素ガラスレンズを最適化することが可能である。

ある実施形態によれば、平凸レンズ２０５および微小球１０５に選ばれるガラス材料は、さまざまな要素を接着するのに用いられる接着剤の率よりも低い屈折率を持つ。ガラスおよび接着剤の間の屈折率の差は、像面湾曲の適切な補正を可能にし、これは光学系の広い視野を可能にする。ガラス／エポキシの組み合わせの例は、Ablestick Ablelux A4021Tエポキシ（〜１．６）の屈折率よりも低い屈折率（〜１．５）を持つSchott BK7ガラスである。他の例は、Gargille Lab Meltmountサーモプラスチック（１．５３〜１．７０４）の屈折率よりも低い屈折率（〜１．４８）を持つSchott FK51ガラスである。

ある実施形態においては、不要な赤外放射を阻止するために色つきガラスが用いられる。ある実施形態において平凸レンズ２０５は赤外放射を低減するためにSchott BG39またはBG38から製造される。逆に赤外放射は、平凸レンズ２０５の平面の表面をホットミラー（すなわち赤外放射を反射するフィルタ）として知られる誘電体コーティングで覆うことによって阻止できる。ガラスおよび接着剤の間の分散の違い（アッベ数）も色収差の適切な補正を可能にする。これはカラーカメラの応用例（白色光条件）については長所となる特徴である。

一般に言って、４要素ガラスレンズは、単一要素または２要素のレンズよりも、より効率的に収差を補正することができ、よってより高い光学パフォーマンスを得られる。このような収差の補正は、さまざまな要素の形状、屈折率および分散を最適化することによってなされる。ある実施形態の設計において重要な局面は、光学系におけるひとみの位置である。ある実施形態によれば、ひとみは平凸レンズ２０５および微小球１０５の間に位置する。他の実施形態によれば、ひとみは微小球１０５上に位置する。最適な開口はｆ／３であり、これは２．５ｍｍの微小球の場合、ひとみの直径が０．５ｍｍに対応する。

高精度な微小球および半球を製造するのは非常に容易で非常に安価である。例えば、がら研磨（tumbling）プロセスが微小球１０５を形成するために用いられえ、研削または同様のプロセスが平凸レンズ２０５の半球バージョンを形成するのに用いられえる。しかし微小球および半球を保持できるレンズバレルを製造し、それら２つの間の正しい開口を提供するのは難しく高価である。デルリンでできたそのようなバレルを製造するための多くの試みがなされてきたが、開口があまりに薄く（微小球および半球の間に合うようにするため）それは透明になり容易に壊れる。またアルミからできたそのようなバレルを製造するための多くの試みがなされてきたが、材料は反射するものであり、光学系中に不要な反射を導入してしまう。

本発明のいくつかの実施形態によれば図３に示されるように、平凸レンズ２０５および微小球１０５の間の接着剤２１０の光吸収タイプを用いて小さく薄い開口が提供される。図３に示される実施形態によれば、微小球１０５および平凸レンズ２０５は同じ半径を持つ。接着剤２１０の厚さが増すにつれ、接着剤２１０を通る光の透過も低下する。したがって接着剤２１０中の光吸収材料の量は、光学系の有効口径を決定する。接着剤２１０中の光吸収材料の適切な量は、後述のように完全にアポダイズされた（apodized）ひとみを作る。

完全にアポダイズされたひとみとは、透過Ｔがその半径ｘに沿ってガウス曲線のように変化するひとみであり、すなわちＴ＝ｅｘｐ（−αｘ²）である。光吸収材料を通る透過Ｔは方程式Ｔ＝ｅｘｐ（−αｄ）で与えられることがよく知られ、ここでαは吸収係数であり、ｄは光吸収材料の厚さである。

図３に示される実施形態によれば、光吸収材料の厚さは接着剤２１０の厚さであり、これは平凸レンズ２０５の平面側および微小球１０５の間の距離である。この距離はｄ＝ｘ²で与えられ、したがって透過Ｔ＝ｅｘｐ（−αｘ²）である。平凸レンズ２０５および微小球１０５の間の接触の点において、接着剤２１０の厚さは典型的には５μｍ未満であり、接着剤２１０の透過は１００％に近い。開口の中心から０．２５ｍｍ離れた点において、接着剤２１０の厚さは５０μｍであり、エポキシの透過は１０％未満である。もし微小球１０５の直径がおよそ２．５ｍｍなら、結果として生じるアポダイズされたひとみの有効開口はおよそ０．５ｍｍである。

この新規なアポダイズの手法は、多くの利点を提供し、そのうちのいくつかが以下に挙げられる。第１に最も重要なのは、レンズ開口の製造および組み立てプロセスを大幅に簡略化することである。小さな部品を正確な開口に加工またはモールドする必要がなく、アライメントも必要ないが、これは接着剤２１０によって形成された開口がレンズの光軸（平凸レンズ２０５および微小球１０５の間の接触点）とセルフアラインするからである。光吸収接着剤もまた迷光を吸収し、バッフルレンズバレルの必要をなくす。さらにアポダイズは、フォーカスの深さおよびレンズのフィールドの深さの両方を伸ばす。

このアポダイズ手法は、もし異なる波長について異なる吸収係数を持つ光吸収材料を選べば、異なる波長について異なる有効レンズ開口を可能にする。例えば緑色光についてはｆ／４の開口を（輝度チャネルのためにフィールドの深さを最大限にするために）、青色または赤色光についてはｆ／２の開口を（クロミナンスチャネルのために信号取り込みを最大限にするために）持つレンズを作りえる。

アポダイズされたひとみを持つもう一つの利点は、輝点の周囲のリングおよびハローのような回折効果によって生じた不要なアーティファクトを低減する能力があることである。従来の開口を持つ回折限界レンズを通した輝点の画像は、リングおよびハローを示す。これらのリングおよびハローは、開口を通した光の回折によって生じる。図４に示されるような円形開口は、エアリーディスク（図７参照）として知られる回折パターンを発生し、このエアリーディスクは、中心の円形スポットと徐々に輝度が下がる複数のリングとからなる。対称的に、図５に示されるようなガウス型開口によって作られる回折パターンは、図８に示されるようなガウシアンスポット（すなわち問題のあるリングおよびハローがないベル形状のスポット）である。数学的な説明は、ガウス関数のフーリエ変換がガウス関数であることとなる。

ガウス型開口を持つレンズの多くの応用例のうちの一つは、夜間運転の補助として用いられるカメラである。この応用例においてカメラは、対向車のヘッドライトによって目が眩まされることなく道路上のマーキングを発見できなければならない。アポダイズされたレンズは、ヘッドライトによって生じるグレアを低減するのに役立つ。このアポダイズ手法は、従来の開口に対してさらに他の利点をもたらす。すなわちこれは、低い空間周波数において画像のコントラストを増し、高い空間周波数において画像のコントラストを減らすので、よってモアレ効果を低減する。

この利点は、アポダイズレンズと従来のレンズとの回折限界ＭＴＦを比較することによってよく表される。図９に示されるように、アポダイズレンズの回折限界ＭＴＦは、低い空間周波数においては従来のレンズのそれよりも高いが、高い空間周波数においてはより低い。これは不要なエイリアシングアーティファクト（モアレ効果）を低減する点では特に有用な特徴である。従来のレンズは、ディジタルカメラのようなサンプリングされたシステムについては、ＭＴＦおよびエイリアシングの間の難しいトレードオフの問題を生む。すなわち画像コントラストを増すためにＭＴＦがナイキスト周波数（すなわちサンプリング周波数の半分）より下で最大化されると、ナイキスト周波数より上でも最大化され、よって問題になるエイリアシングアーティファクトを発生する。高価で面倒な光学要素（複屈折光学ローパスフィルタのような）がそのようなアーティファクトを低減するために追加されなければならない。対称的に、アポダイズレンズは、低い空間周波数においては高いＭＴＦで、高い空間周波数においては比較的低いＭＴＦで最適化されえる。

このアポダイズ手法は、さらに他の利点を従来の開口に対してもたらす。すなわちこれは、フォーカスの深さおよびフィールドの深さを増すのを手伝う。これは、近くの対象物も無限遠の対象物も画像化しなければならない固定フォーカスを持つ光学系においては特に重要である。このアポダイズ手法は、上述のものと大きく異なる寸法および目的を持つ系を含む任意の光学系に拡張されえる。

アポダイズ手法は、例えば、アポダイズフィルタ（apodization filter）（光学的パワーなし）を構築し、それを従来の開口の代わりに置くことによって実現されえる。図２１を参照し、このようなアポダイズフィルタは、同じ屈折率を持つ光吸収接着剤２１１５を用いて平平要素２１０５を同じ屈折率を持つ平凸要素２１１０にマウントすることによって構成された平平（plano-plano）要素２１００でありえる。平平要素２１００は、光線２１２０が偏向なしに透過することを可能にするアポダイズフィルタを提供する。

平凸要素の形状を変化させることによって、ガウス型放射透過曲線（Gaussian radial transmission curve）とは異なる他のアポダイズ特性を達成することが可能である。一つのそのような例は図２２に示される。平平要素２２００は、同じ屈折率を持つ接着剤２１１５を用いて同じ屈折率を持つ先が切り取られた平凸要素２２１０に平平要素２１０５をマウントすることによって構成される。上述のように、平平要素２２００は、光線２２００が偏向なく透過するアポダイズフィルタを提供する。

本発明のある実施形態によれば、１６０ｌｐ／ｍｍに至るまで５３°の視野にわたり高い画像コントラストを達成する以下のレンズ仕様が提案される。この実施形態において半球の直径は、図１０および１１に示されるように微小球の直径と等しいように恣意的に設定される。この制限は、レンズ組み立てを簡略化するために主に課せられるものである。同じ半径の平凸レンズ２０５および微小球１０５があれば、図１０および１１に示されるように平らなまたはカーブが付けられた側面を持つストレートレンズバレルが用いられえる。レンズバレル１０１０は、多角形断面を持ち、この例では正方形である。しかしレンズバレル１０１０の断面は、任意の都合のよい多角形形状に形成されえる。

四角形の断面を持つレンズバレル１０１０を形成することは、多くの理由で望ましい。それらの第１として、画像キャプチャデバイス上のレンズバレルの底面の形状も正方形であり、したがってその正方形または四角形の画像化領域（視野の隅）に入り込まない。正方形の断面のバレルはまた、半球および微小球の間に導入された過剰なエポキシまたはサーモプラスチック材料が製造プロセス中に染み出すことを可能にする。好ましくは平凸レンズ２０５および微小球１０５は、レンズバレル１０１０または１１１０にきっちり嵌り、互いにアラインされる。

いくつかの実施形態において、平凸レンズ２０５および／または微小球１０５は、レンズバレル１０１０の平らな側面に隣接してしっかりと嵌るように平らなエッジを持つように研削または他の方法で形成されえる。しかし好ましい実施形態においては、微小球１０５の平らなエッジのものでさえ実質的には球形である。

等しい半径を持つ平凸レンズ２０５および微小球１０５についての例示的なレイトレーシングシミュレーションが図１２に示され、対応するレンズの仕様が図１３に与えられる。この例では平凸レンズ２０５はＦＫ５１ガラスででき、その直径は２ｍｍで、その厚さは１．１５９７ｍｍである。微小球１０５は溶融石英ででき、その直径は２ｍｍである。ここで接着剤１２０は屈折率１．５３９および分散数４５を持つCargille Lab Meltmountである。このようなサーモプラスチック材料はこの応用例には理想的であり、それは６５℃より上で流体であり、６５℃より下では永久的なマウントを形成するように硬化するからである。マウントプロセスは瞬時で（オーブン時間なし）可逆であり、高品質の光学結合を提供する。

このようなレンズシステムのＭＴＦが図１４および１５に示される。図１４はサジタルＭＴＦを示す。曲線１４０５は理想の回折限界の場合を表す。曲線１４１０、１４１５、１４２０および１４２５は、レンズシステムの光軸からそれぞれ０度、２６度、４０度および５３度におけるＭＴＦを表す。ここでレンズシステムは、全体にわたって許容できるパフォーマンスを提供するために、中央にフォーカスされてもいなく、視野の端部でフォーカスされてもいない。０および５０サイクル毎ｍｍの間のクリチカルな部分において、レンズシステムは許容されるパフォーマンスをこの角度範囲で提供する。

図１５は、タンジェンシャルＭＴＦを示す。曲線１５０５は回折限界の場合を表す。曲線１５１０、１５１５、１５２０および１５２５は、レンズシステムの光軸からそれぞれ０度、２６度、４０度および５３度におけるＭＴＦを表す。再び、０および５０サイクル毎ｍｍの間のクリチカルな部分において、レンズシステムは許容されるパフォーマンスをこの角度範囲で提供する。

他の具体的な実施形態によれば、１６０ｌｐ／ｍｍに至るまで５３°の視野にわたりより高い画像コントラストを達成する以下のレンズ仕様が提案される。この実施形態において、平凸レンズ２０５の半径は微小球１０５の半径と等しくは設定されない。この制限はさらにレンズパフォーマンスを最適化するために除かれる。異なる半径を持つ平凸レンズ２０５および微小球１０５には、図１６に示されるレンズバレル１６０５のような円錐または錐体レンズバレルが使用されえる。好ましくは平凸レンズ２０５および微小球は、レンズバレル１６０５にきっちりと嵌り、よって互いにアラインされ、レンズシステム１６００を形成する。

レンズシステム１６００についてのある例示的なレイトレーシングシミュレーションが図１７に示され、対応するレンズの仕様が図１８に与えられる。この例では平凸レンズ２０５はＦＫ５１ガラスででき、その半径は０．８７９ｍｍで、その厚さは０．９０７ｍｍである。微小球１０５は溶融石英ででき、その直径は２ｍｍである。この実施形態では、屈折率１．５８２および分散数３３を持つCargille Lab Meltmountが接着剤１２０および２１０のために用いられる。このようなレンズシステムのＭＴＦは図１９および２０に示される。

図１９はレンズシステム１６００のこの実施形態についてのサジタルＭＴＦを示す。曲線１９０５は回折限界の場合を表す。曲線１９１０、１９１５、１９２０および１９２５は、レンズシステムの光軸からそれぞれ０度、２６度、４０度および５３度におけるＭＴＦを表す。前と同じように、レンズシステムは、全体にわたって許容できるパフォーマンスを提供するために、中央にフォーカスされてもいなく、視野の端部でフォーカスされてもいない。０および５０サイクル毎ｍｍの間のクリチカルな部分において、レンズシステムは許容されるパフォーマンスをこの角度範囲で提供する。

図２０は、レンズシステム１６００のこの実施形態についてのタンジェンシャルＭＴＦを示す。曲線２００５は回折限界の場合を表す。曲線２０１０、２０１５、２０２０および２０２５は、レンズシステムの光軸からそれぞれ０度、２６度、４０度および５３度におけるＭＴＦを表す。再び、０および５０サイクル毎ｍｍの間のクリチカルな部分において、レンズシステムは許容されるパフォーマンスをこの角度範囲で提供する。

アポダイズひとみを作るために、サーモプラスチック材料またはエポキシに溶ける光吸収染料の多数が利用可能である。例えばCiba Orasol Blackはよい候補であるが、これは多くの材料に非常に溶けやすく、青色よりも緑色をわずかにより多く吸収するからである。赤外吸収染料もまた利用可能で、色付きガラスまたは誘電体コーティングの代わりに不要な赤外放射を除去するのに使用されえる。

微小レンズは、入射光をそれぞれの能動領域上でフォーカスさせるために、しばしば画像キャプチャデバイスのピクセル上に構成される。微小レンズの設計は、画像キャプチャデバイスおよび外部媒体（空気）の間の屈折率ステップに依存する。したがって本発明の他の実施形態においては、画像キャプチャデバイスに最も近いレンズ要素は、その画像化領域と直接には接触しないが、その非常に短い距離（すなわち１０ｍｍまたは２０ｍｍ）だけそれらの間に空隙を挟んでいる。このレンズ要素および画像キャプチャデバイスの画像化領域の間にシムを配置することは空隙を作る。この実施形態において画像キャプチャデバイスに最も近いレンズ要素（平凸エポキシまたはサーモプラスチック層）は、画像キャプチャデバイスに組み立てられる前にモールドされる。空隙の目的は、画像キャプチャデバイスおよび外部媒体の間の屈折率ステップを維持し、よって画像キャプチャデバイス上に配置された微小レンズを効率的に機能させることである。

さらに他の実施形態によれば、さらにフィールドの深さを伸ばすために、位相マスクが平凸レンズ２０５および微小球１０５の間に導入される。位相マスクの目的は、フィールドの深さにわたって対象物の位置について大幅に変化させることなく、よく制御された画像のボケを導入することである。それから線形畳み込みで画像を処理することによってこのようなボケを電子的に補正することが可能となる。

さらに他の実施形態によれば、接着剤１２０または接着剤２１０はエポキシまたはサーモプラスチックの代わりにゲルである。ゲルの目的は、さまざまな要素の間の動きを許容し、よってフォーカス調整を可能にすることである。

本発明はその具体的な実施形態を参照して特に示され説明されてきたが、開示された実施形態の形態および詳細の変更が本発明の精神または範囲から逸脱することなくなされえることが当業者には理解されよう。さらに本発明のさまざまな利点、局面、および目的がここでさまざまな実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の範囲はそのような利点、局面、および目的を参照して限定されるべきではないことが理解されよう。

Claims (32)

1. ディジタル画像キャプチャデバイス、および
   前記ディジタル画像キャプチャデバイスに結合されたレンズシステム
   を備える光学システムであって、前記レンズシステムは、
   ほぼ球面形状で、前記ディジタル画像キャプチャデバイスに第１接着材料によって結合される第１レンズ、および
   凸表面および実質的に平らな表面を持つ第２レンズであって、前記実質的に平らな表面の少なくとも一部は第２接着材料によって前記第１レンズに結合される第２レンズ
   を備える、光学システム。
2. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第１レンズは前記ディジタル画像キャプチャデバイスに直接に接触する光学システム。
3. 請求項１に記載の光学システムであって、前記実質的に平らな表面は前記第１レンズと直接に接触する光学システム。
4. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２レンズの厚さは、前記レンズシステムによって透過された光を前記ディジタル画像キャプチャデバイス上にフォーカスさせるよう選択される光学システム。
5. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２レンズの厚さは、前記レンズシステムによって透過された光の近軸焦点が前記第１レンズの表面近傍に位置するよう選択される光学システム。
6. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２レンズはほぼ半球形状である光学システム。
7. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第１レンズは、真のガラス、石英、ルチル、ルビーおよび溶融石英からなるグループから選択された材料で形成される光学システム。
8. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２レンズは、真のガラス、石英、ルチル、ルビーおよび溶融石英からなるグループから選択された材料で形成される光学システム。
9. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第１接着剤は実質的に透明である光学システム。
10. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２接着材料は実質的に透明である光学システム。
11. 請求項１に記載の光学システムであって、
    前記第１レンズは第１屈折率を有し、
    前記第２レンズは第２屈折率を有し、
    前記第１接着材料は第３屈折率を有し、
    前記第２接着材料は第４屈折率を有し、
    前記第１および第２屈折率のそれぞれは、前記第３または第４屈折率のいずれかよりは小さい光学システム。
12. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第２接着材料は光吸収材料を含む光学システム。
13. 請求項１に記載の光学システムであって、前記レンズシステムは前記第１レンズおよび前記ディジタル画像キャプチャデバイスの間に配置されたスペーサをさらに備え、前記スペーサは前記レンズシステムによって透過された光が前記ディジタル画像キャプチャデバイス上にフォーカスさせる光学システム。
14. 請求項５に記載の光学システムであって、前記第１レンズは第１半径を有し、前記第２レンズは第２半径を有し、前記第１半径は前記第２半径にほぼ等しい光学システム。
15. 請求項５に記載の光学システムであって、前記第１レンズは第１直径を有し、前記第２レンズは第２直径を有し、前記第１直径は前記第２直径のほぼ２倍である光学システム。
16. 請求項１２に記載の光学システムであって、前記第２接着材料はアポダイズひとみを作る光学システム。
17. 請求項１２に記載の光学システムであって、前記レンズシステムは、その中に前記第１レンズおよび前記第２レンズの少なくとも一部が配置されるレンズバレルをさらに備え、
    前記第２接着材料は、前記第１レンズ、前記実質的に平らな表面および前記レンズバレルによって定義される体積の実質的に全てを占める光学システム。
18. 請求項１２に記載の光学システムであって、前記光吸収材料は光の異なる波長に応じて変化する吸収係数を有する光学システム。
19. 請求項１３に記載の光学システムであって、前記スペーサの厚さは前記第１レンズの直径のほぼ半分である光学システム。
20. 光学システムを形成する方法であって、
    ほぼ球形形状である第１ガラスレンズを、第２ガラスレンズの実質的に平らな表面に付ける第１接着ステップであって、前記第２ガラスレンズは凸表面および前記実質的に平らな表面を備える、第１接着ステップ、および
    前記第１ガラスレンズをディジタル画像キャプチャデバイスに付ける第２接着ステップ
    を含む方法。
21. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１接着ステップは、前記実質的に平らな表面を前記第１ガラスレンズに直接に接触するよう配置するステップを含む方法。
22. 請求項２０に記載の方法であって、前記第２接着ステップは、前記第１ガラスレンズを前記ディジタル画像キャプチャデバイスに直接に接触するよう配置するステップを含む方法。
23. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１ガラスレンズおよび前記第２ガラスレンズによって透過された光を前記ディジタル画像キャプチャデバイス上でフォーカスさせるよう前記第２ガラスレンズの厚さを選択するステップをさらに含む方法。
24. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１ガラスレンズおよび前記第２ガラスレンズによって透過された光の近軸焦点が前記第１ガラスレンズの表面近傍に位置するよう前記第２レンズの厚さを選択するステップをさらに含む方法。
25. 請求項２０に記載の方法であって、前記第２ガラスレンズはほぼ半球形状である方法。
26. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１接着ステップは、光吸収接着材料を用いて前記実質的に平らな表面を前記第１レンズに接着することによって、前記光学システムによって透過された光についてアポダイズひとみを作ることを含む方法。
27. 請求項２０に記載の方法であって、実質的に球形のレンズを研削することによって前記第２ガラスレンズを形成するステップをさらに含む方法。
28. 請求項２０に記載の方法であって、前記第１ガラスレンズをがら研磨プロセスによって形成するステップをさらに含む方法。
29. 請求項２６に記載の方法であって、前記第１接着ステップは、
    少なくとも前記第１レンズの一部および前記第２レンズの一部をレンズバレル内に配置すること、および
    前記光吸収接着材料を前記第１レンズ、前記実質的に平らな表面および前記レンズバレルによって定義される体積の実質的に全てに配置すること
    をさらに含む方法。
30. アポダイズフィルタであって、
    第１屈折率を有する平平要素、
    凸表面および実質的に平らな表面を備える平凸要素であって、前記凸表面は前記平平要素の近傍に配置される、平凸要素、および
    前記凸表面および前記平平要素によって定義される体積内に配置された光吸収接着材料であって、前記光吸収接着材料は、前記アポダイズフィルタを透過された光についてアポダイズひとみを作る、光吸収接着材料
    を備えるアポダイズフィルタ。
31. 請求項３０に記載のアポダイズフィルタであって、光の透過Ｔは、前記平凸要素の半径ｘに沿って実質的にＴ＝ｅｘｐ（−αｘ²）で変化し、ここでαは前記光吸収接着材料の吸収係数であるアポダイズフィルタ。
32. 請求項３０に記載のアポダイズフィルタであって、前記平凸要素は途中で先端が切断されているアポダイズフィルタ。

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