JP2013512470A - 光学的画像化装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光チャネル（１１０）を備えて、被写体の少なくとも一部をデジタル画像センサの１領域上へ光学的に画像化するための装置について記述している。光チャネル（１１０）は、第１の基板上へ配置された第１の結像レンズ（１２０）と、第２の基板上へ配置された第２の結像レンズ（１３０）と、第３の基板上へ配置された視野レンズ（１４０）とを含んでいる。第１の結像レンズ（１２０）と第２の結像レンズ（１３０）は同一であって、第１の結像レンズ（１２０）の第１の表面が光チャネル（１１０）の光入射面（１８０）であり、かつ第２の結像レンズ（１３０）の第１の表面が光チャネル（１１０）の光出射面（１８２）であるように配置されている。光チャネル（１１０）の横方向の広がりに対して垂直にかつ視野レンズ（１４０）の横方向の中心を通って延びる軸が光チャネル（１１０）の対称軸（１７０）を形成するように、視野レンズ（１４０）は第１の結像レンズ（１２０）と第２の結像レンズ（１３０）との間に配置されている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明はデジタル画像センサへ被写体を光学的に画像化するための装置に関する。そのような装置は、例えば、デジタル顕微鏡法及び／又はマクロ撮影法において使用することができる。

純粋に光学的に拡大する古典的な顕微鏡は、短いカメラ−被写体間距離において大きい像距離を達成するためには極めて大きい光てこを必要とする。このいわゆる大型の光てこにより鏡筒の長さが長くなり、その結果、顕微鏡構造の長さも長くなる。既知の従来の顕微鏡構造は、２５ｃｍから５０ｃｍまでの範囲の高さをもつ。倍率が高まるにつれて、古典的な顕微鏡の観察可能な被写体視野は狭くなる。古典的な顕微鏡は未だに光学機械的な精密計器であり、修正に多大な労力を要し、それゆえ製造費用が高い。

新しいデジタル画像センサは、その小さいピクセルサイズによって、いま初めて小さい被写体の詳細を写真撮影することを可能にしている。その被写体の詳細は、光学系１：１イメージング、すなわち画像視野＝被写体視野において、又は非常に小さい光学的倍率のみにおいて、ピクセルサイズに依存する。この技術は、デジタルマクロ写真撮影と称されている。この技術の欠点は、対応する対物レンズの構造長さが短くされている場合に被写体サイズが大きいときに、画像視野の縁ではマクロ対物レンズ及び／又は１つのレンズチャネルを介して光が斜に通過することになり、そのため画像視野の縁に極端に強い収差（いわゆる軸外し収差）が生じ、これにより、画像品質が大きく影響されるか、又は高価な修正が必要となることである。

デジタル画像システムの構造高さを低くするために、幾つかの光チャネルを利用するという概念が根強く存在する。このいわゆる配列手法(array approach)は隣接する被写体部分を近傍画像部分へ並列伝送することを可能にする。それは周期的に隣接して配置される等しい対物レンズ及び／又は画像チャネルであって互いに影響し合わないか若しくはほんの僅かしか影響し合わないものによって達成される。その結果、画像伝送は基本的に再び垂直に実行される（個々のチャネル内部における小さい画角は除く。）。すなわち、上述の一チャネルの変形例とは反対に、画像視野の縁における光の斜めの通過は発生せず、被写体視野は画像センササイズ及び／又は使用されるチャネルの数に比例し、かつ構造長さはそれらとは無関係である。この配列手法の欠点は、対物レンズ及び／又は画像チャネルの配列の幾何学的形状に起因して、画像内にアーティファクトが生じる可能性があることにある。このアーティファクトは、配列の周期により、例えば分解能、明るさ又は倍率の変調に繋がることがある。さらなる問題点は異なるチャネル間の光クロストークであり、その防止は極めて重要である。この幾つかのチャネルの利用によって、被写体視野及び画像視野は何れも、チャネルの数により異なる幾つかの部分的な被写体視野及び部分的な画像視野に小分割される。この目的に沿って、上述の配列手法には、被写体視野の繋ぎ目と画像視野の繋ぎ目とを組み合わせる、すなわち部分的な被写体視野と部分的な画像視野とを組み立てる種々の変形例が存在する。

さらに、幾つかのチャネルが像点（ピクセル）の形成に寄与する変形例は、像点の形成に１つのチャネルしか寄与しない変形例とは相違する。前者はより高いレベルの光度を有し、後者はより高い分解能を有する。

要するに、この既知の先行技術において、横に広がった近接する被写体、すなわち画像化システムからの距離が短い被写体、の高レベル画像品質での画像化と、画像化システムの短い構造長さとを組み合わせる概念は存在しない、と言うことができる。

したがって、本発明の１つの目的は、横に広がった近接した被写体の画像化を、画像品質と構造高さとの改善された割合で可能にする概念を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載されている装置によって達成される。

本発明の核心となる考えは次のものである。すなわち、被写体の少なくとも一部をデジタル画像センサの画像領域上へ光学的に画像化するための装置であって、２つの結像レンズと１つの視野レンズとを有するものにおいては、光チャネルの横方向の広がりに対して垂直方向に延び視野レンズの横方向の中心を通る軸が光チャネルの対称軸を形成するように、視野レンズが第１の結像レンズと第２の結像レンズとの間に配置されている場合に、画像品質と構造高さとの改善された割合を実現することができる。したがって、２つの結像レンズは形状が同一であり、特に光学特性が同一であって、お互いのその僅かな違いは、例えば製造公差内である。したがって、第１の結像レンズの被写体に面する第１の表面は光チャネルの光入射面を画像化し、第２の結像レンズの画像センサに面する第１の表面は光チャネルの光出射面を形成する。したがって、光チャネルの横方向の広がりは、光チャネルの光入射面の中心と光チャネルの光出射面の中心を通る軸に沿って延び、その軸は光チャネルの主光線も示す。

したがって、本発明の１つの優位点は、光チャネルの対称配置により、被写体の一部と画像センサの一領域との１：１の画像化が可能にされ、これにより、画像品質と装置の構造高さとの割合が向上されることにある。よって、検出可能な最大被写体面積はもはや装置の構造高さに依存せず、画像センサの光学活性面のサイズに依存し、また検出可能な最大被写体面積は画像センサの光学活性面のサイズに比例する。

本発明の実施形態では、幾つかの光チャネルは六角形に分布して配置することができ、光チャネルの検出領域は部分的に、例えば縁同士が重なることが可能である。

したがって、本発明のさらなる優位点は次の事実に存する。すなわち、画像センサの領域上には被写体の一部しか画像化されないことから、撮影されるべき被写体の最大サイズは装置の構造高さではなく使用されるチャネルの数に比例するという事実である。したがって、検出されるべき被写体領域の倍率は光チャネルの数の増加に繋がり、かつ恐らくは画像センサの光学活性領域の拡大にも繋がるが、光チャネルの横方向の広がりの増大又は光学的画像化装置の構造高さの増大には繋がらない。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態をさらに詳しく説明する。

本発明の一実施形態による光学的画像化のための装置を示す概略図である。 同装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態において使用する結像レンズを示す断面図である。 同結像レンズを示す断面図である。 本発明の一実施形態において使用する視野レンズを示す断面図である。 同視野レンズを示す断面図である。 同視野レンズを示す断面図である。 本発明の一実施形態による光学的画像化のための装置を示す概略図である。

以下で図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する前に、諸図を通じて同一の要素には同一又は類似の参照数字が付されること、よってそれらの要素については説明が反復されないことは留意されるものとする。

図１Ａは、本発明の一実施形態による光学的画像化のための装置１００を示す概略図である。本概略図は装置１００のｘｚ平面の断面図を示している。ここでは、装置１００のｙ方向への広がりは描かれていない。装置１００は光チャネル１１０を含んでいる。光チャネルは第１の結像レンズ１２０と第２の結像レンズ１３０とを含んでいる。結像レンズ１２０と１３０は共に形状が同一であり、かつとりわけその光学的動作モードが同一であり、相違があるとしても製造公差内の僅かなものである。視野レンズ１４０は第１の結像レンズ１２０と第２の結像レンズ１３０との中間に配置されている。装置１００によって画像化されるべき被写体は、例えば対物面１５０内に位置決めすることができる。被写体の少なくとも一部は、以後、画像化されるべき被写体領域とも称されるものであるが、装置１００によって生成され、対物面１５０内のその被写体の少なくとも一部の画像化は、例えば像平面１６０内に位置決めすることができる。装置１００の全体、及びしたがって光チャネル１１０も対称軸１７０を中心にして対称であり、対称軸１７０は視野レンズ１４０の中心を通り、かつ光チャネル１１０のｘ方向の横の広がりに対して垂直にｚ方向に延びている。

対物面１５０から到来する光は第１の結像レンズ１２０の第１の表面に入射する。結像レンズ１２０の第１の表面は光チャネル１１０の光入射面１８０でもある。第１の結像レンズ１２０は画像化されるべき被写体領域の縮小された中間像が中間像面１９０内に生じるように入射光を収束させる。中間像面１９０は、ｙｚ平面において対物面１５０と像平面１６０に対しても平行に位置決めされ、かつ視野レンズ１４０の中心、すなわち光チャネル１１０及び装置１００の中心を通って広がる。中間像面１９０内に形成される中間像は、画像化されるべき被写体領域に比べて上下が逆であり、かつ横方向に逆転される。中間像の縮小が画像化されるべき被写体領域に比べて大縮尺であることが好ましい。それは、小さい直径を有する絞りを使用することを可能にし、結果的に疑似光(phantom light)を効果的に抑制することができるからである。装置１００及び／又は光チャネル１１０の対称軸１７０を中心とする対称配置により、対物面１５０から中間像面１９０への入射光の光路は、中間像面１９０から像平面１６０への光の光路へ反映される。中間像面１９０から発する光は第２の結像レンズ１３０に入射し、結像レンズ１３０の第１の表面から像平面１６０上に広げられる。結像レンズ１３０の第１の表面は光チャネル１１０の光出射面１８２でもある。装置１００及び／又は光チャネル１１０の対称性により、検出される画像領域の大きさは、画像化される被写体領域の大きさと同一である。言い替えれば、１：１の画像化が達成される。像平面１６０内には例えばデジタル画像センサを配置することができる。装置１００及び／又は光チャネル１１０の対称性により、またその結果としての１：１の画像化により、画像センサの光活性表面の大きさは被写体領域の検出可能な最大表面の大きさに等しい。この文脈において、光チャネル１１０は、対物面１５０内の検出されるべき被写体の例えば一部を画像センサの一領域へ画像化することができる。

さらなる実施形態において、装置１００は、さらなる光チャネル１１０を追加するように設けることができる。それらの追加される光チャネル１１０は互いに同一であるか、又は製造公差内で互いに僅かに相違する。これらの光チャネル１１０は、例えば六角形分布に配置することができ、かつ検出領域で部分的に重ならせることができる。したがって、検出される被写体領域のサイズは装置１００の横方向の広がりには比例せず、使用される光チャネルの数に比例し、検出される被写体領域のサイズの最大値は画像センサの光学活性面によって制限される。より大きい被写体視野を画像化するために、本発明のさらなる実施形態では、像平面１６０内に手動で電気接続される数個の画像センサを配置することができる。画像センサを数個配置することは、装置１００の横方向の広がり、すなわち構造高さに影響を与えず、構造高さは一貫して低く保たれ得る。

したがって、本発明の実施形態は、横に広がった近接した被写体であって、例えば光チャネル１１０の光入射面１８０から対物面１５０までの距離が１０ｍｍ未満であるものを、画像品質と構造高さとの割合に関して既知の画像化システムよりも改善された割合で画像化することを可能にする。

例として、図１Ｂはレンズ間、並びに画像と対物面との間のｘ方向の個々の距離値を示しており、これは例えば図１Ａに示されている装置１００において使用できるようなものである。さらに、ここでも、装置１００の対称性が示されている。図１Ｂに示されている値は単に典型的な値を示すことを目的としたものであり、当然ながら、ここでは、対称軸１７０を中心とする装置１００の対称性を考慮した場合の他の値も可能である。ここで、図１Ｂに示されている装置１００において、対物面１５０内の観察されるべき被写体視野の倍率が光チャネル１１０の数を増やすことにより、また像平面１６０内に位置決めされる画像センサの光学活性面を拡大することによりもたらされ得ること、一方、装置１００のｘ方向における横方向の広がりＬ（図１Ｂにおいて、Ｌは約３．９ｍｍである）は一定に保つことができるということに再度留意されるべきである。図１Ｂに示されている特定の実施形態では、第１の結像レンズ１２０の第１の表面でもある光チャネル１１０の光入射面１８０から対物面１５０までの距離ａ１は１３０３μｍになる。第１の結像レンズ１２０は３４０．９μｍの横方向サイズＬ１を有し、これは第２の結像レンズ１３０の横方向サイズＬ１と同一である。第１の結像レンズ１２０の第２の表面は視野レンズ１４０の第１の表面からの距離１９８．７μｍ（ａ２）を有する。視野レンズ１４０は３８１．４μｍの横方向サイズＬ２を有し、光チャネル１１０及び／又は装置１００の対称軸１７０はこの視野レンズ１４０の中心を通って延びている。第２の結像レンズ１３０は視野レンズ１４０から１９８．７μｍ（ａ２）の距離を有する。像平面１６０と光チャネル１１０の光出射面１８２との間の距離ａ１は、この特定の実施形態では１３０３μｍになる。

図２Ａから図２Ｂは本発明の一実施形態において使用する結像レンズの断面図を示しており、その結像レンズは例えば図１Ａに示されている装置１００の２つの結像レンズ１２０、１３０のうちの一方とすることができる。両結像レンズ１２０と１３０は同一であることから、以下の説明は第１の結像レンズ１２０についてのみ行なうが、内容は第２の結像レンズ１３０に関しても当て嵌まる。

図２Ａに示されている第１の結像レンズ１２０は、凸状の曲りをもつ第１のレンズ表面２１０をもっている。したがって、この第１のレンズ表面２１０は、第１の結像レンズ１２０について先の実施形態において記述された第２の表面を形成している。図２Ａに示されている特定の実施形態では、第１のレンズ表面２１０は２４１．３μｍの半径と、ｋパラメータ（テーパ）０と、３８．０μｍのライズ(rise)（矢印高さ(arrow height)）と、４３．９μｍのベースパラメータ(base parameter)とをもっている。凸状の曲りをもつ第２のレンズ表面２２０は第１のレンズ表面２１０に隣接して配置されている。図２Ａに示されている特定の実施形態では、第２のレンズ表面２２０は１５２．５μｍの半径と、ｋパラメータ（テーパ）０と、７２．８μｍのライズと、１４．３μｍのベースパラメータとをもっている。レンズ本体２３０は第２のレンズ表面２２０に隣接して配置されている。図２Ａに示されている特定の実施形態において、レンズ本体２３０は２２８．２μｍの横方向の広がりｔ１１をもっている。レンズ本体２３０はそれに隣接して配置された第３のレンズ表面２４０をもち、第３のレンズ表面２４０の凸状の曲りは第１のレンズ表面２１０及び第２のレンズ表面２２０の凸状の曲りとは逆に構成されている。したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示されている実施形態において、第３のレンズ表面２４０は第１の結像レンズ１２０の第１の表面、よってまた光チャネル１１０の光入射面１８０を形成し、さらに第２の結像レンズ１３０の第１の表面、よってまた光チャネル１１０の光出射面１８２を形成する。

図２Ａに示されている特定の実施形態では、第３のレンズ表面２４０は３４３．２μｍの半径と、ｋパラメータ（テーパ）−８．２８と、２０．３μｍのライズと、１４．５μｍのベースパラメータとを有する。第１の結像レンズ１２０は、好ましくは円筒体とすることができ、図２Ａに示されている特定の実施形態においては２６０μｍの直径Ｒを有する。

図２Ａに示されているレンズ１２０の特定の実施形態では、第１のレンズ表面２１０は高い屈折率（波長５８８ｎｍでｎ＝１．６３）及び低いアッベ数(Abbe number)（波長５８８ｎｍでＶ＝２６）を有する高分子材料からできており、第２のレンズ表面２２０は低い屈折率（波長５８８ｎｍでｎ＝１．５２）及び高いアッベ数（波長５８８ｎｍでＶ＝５２）を有する高分子材料からできており、レンズ本体２３０は（波長５８８ｎｍで）屈折率ｎ＝１．５２及びアッベ数Ｖ＝５６を有するガラス材料からできており、また第３のレンズ表面２４０は低い屈折率（波長５８８ｎｍでｎ＝１．５２）及び高いアッベ数（波長５８８ｎｍでＶ＝５２）を有する高分子材料からできている。異なる分散特性を有する２つの異なる材料を使用していることにより、一方が他方の上に配置される２つのレンズ表面２１０及び２２０は長手方向の色の欠点（収差）の補正を可能にする色消しレンズを形成している。

図２Ｂは、図２Ａに描かれている結像レンズ１２０のための絞り装置の１つの可能性を示している。図２Ｂに示されている絞り装置は第１の絞り２６０と第２の絞り２５０を含んでいる。第１の絞り２６０は第２のレンズ表面２２０から９．１μｍの距離ｔ１２（図２Ａ参照）をもってレンズ本体３２０内に配置されており、第２の絞り２５０は第３のレンズ表面２４０からの９．１μｍの距離ｔ１２（図２Ａ参照）をもってレンズ本体３２０内に配置されている。２つのレンズ２５０及び２６０は大きさが同一である。図２Ｂに示されている特定の実施形態では、絞り２５０と２６０の双方は２３２μｍの開口直径ｄ１をもっている。

絞り２５０、２６０は、結像レンズ１２０が使用される光チャネル１１０においてベイリンググレア(veiling glare)を抑制する働きをすることができる。

図３Ａから図３Ｃは本発明の一実施形態において使用するための視野レンズ１４０を示す断面図であり、例えば図１Ａに示された装置１００における視野レンズ１４０とすることができる。

図３Ａに示されている視野レンズ１４０は、凸状の曲りをもつ第１のレンズ表面３１０を備えている。第１のレンズ表面３１０に隣接してレンズ本体３２０が配置されている。レンズ本体３２０はレンズ本体３２０に隣接して配置された第２のレンズ表面３３０を備えている。第２のレンズ表面３３０は第１のレンズ表面３１０と同一であり、第１のレンズ表面３１０の凸状の曲りとは逆の凸状の曲りをもっている。図３Ａに示されている特定の実施形態では、第１のレンズ表面３１０及び第２のレンズ表面３３０は２７０．９μｍの半径と、ｋパラメータ（テーパ）０と、１９．１μｍのライズと、３０．１μｍのベースパラメータとを有する。視野レンズ１４０は好ましくは円筒体であり、図３Ａに示されている特定の実施形態においては２００μｍの直径ｄ２を有する。視野レンズ１４０はｚ方向の対称軸３４０を中心として対称性であり、対称軸３４０は視野レンズ１４０の横方向の中心を通って延び、かつ視野レンズ１４０の横方向の中心を通るｘ方向の回転軸３５０に対して垂直である。

図３Ｂは、図３Ａに描かれている視野レンズ１４０を示している。図３Ｂに示されている視野レンズ１４０の特定の実施形態では、第１のレンズ表面３１０及び第２のレンズ表面３３０は低い屈折率（波長５８８ｎｍでｎ＝１．５２）及び高いアッベ数（波長５８８ｎｍでＶ＝５２）を有する高分子材料からなり、レンズ本体３２０は（波長５８８ｎｍで）屈折率ｎ＝１．５２及びアッベ数Ｖ＝５６を有するガラス材料からなる。

図３Ｃは図３Ａ及び図３Ｂに描かれている視野レンズ１４０が絞り装置を有するものとして示している。絞り装置は、例えば視野レンズ１４０が使用される光チャネル１１０の口径を決定するためのものである。絞り装置は、第１の絞り３６０、第２の絞り３７０及び第３の絞り３８０を含む。視野レンズ１４０の対称性により、第１の絞り３６０と第３の絞り３８０はレンズ本体３２０において対称軸３４０から１４５μｍという同じ距離ｔ２に配置され、第１の絞り３６０は第１のレンズ表面３１０に隣接し、第３の絞り３８０は第２のレンズ表面３３０に隣接して配置されている。第２の絞り３７０は視野レンズ１４０の横方向の中心に配置され、すなわち、対称軸３４０上に延びている。この視野レンズ１４０を用いる場合、本発明の一実施形態では、第２の絞り３７０は光チャネル１１０の中間画像の最大サイズを決定することができる。図３Ｃに示されている視野レンズ１４０の特定の実施形態において、第１の絞り３６０と第３の絞り３８０は１４４μｍという開口直径ｄ２１を有する。第３の絞り３７０は、例えば視野レンズ１４０の口径を予め画定するものであるが、好ましくは六角形の開口を有する。絞り３７０の開口の外円直径ｄ２２は、図３Ｃに示されている特定の実施形態において、例えば８４．５μｍ、８３．５μｍ又は８５．５μｍとすることができる。視野レンズ１４０が一実施形態による装置において使用される場合、絞り３７０は、例えば、それが使用される光チャネル１１０の視野絞り及び／又は開口絞りを表すことができ、よって、光チャネル１１０の被写体視野の検知領域を画定することができる。

第１の絞り３６０と第３の絞り３８０は、図３Ｃに示されている特定の実施形態において、例えば黒い吸収性高分子材料で形成することができる。

図３Ｃに示されている実施形態において、第２の絞り３７０は、例えば金属で形成することができる。

図４Ａは本発明の一実施形態による装置４００を示す。装置４００は照明手段４１０、例えばＬＥＤ背景照明を含む。照明手段４１０の発光面に隣接してテストパターン４２０が配置されている。テストパターンには１．３ｍｍの距離ａ１をもってマイクロレンズ配列１２０’が隣接している。マイクロレンズ配列１２０’は第１の結像レンズ１２０を複数個含んでおり、それらの第１の結像レンズ１２０は例えば図２Ａから図２Ｂで述べられたようなものである。第１のマイクロレンズ配列１２０’から約２００μｍの距離ａ２に第２のマイクロレンズ配列１４０’が配置されている。第２のマイクロレンズ配列１４０’は視野レンズ１４０を複数個含んでおり、それらの視野レンズ１４０は例えば図３Ａから図３Ｃで述べられたようなものである。第２のマイクロレンズ配列１４０’から約２００μｍの距離ａ２に第３のマイクロレンズ配列１３０’が配置されている。第３のマイクロレンズ配列１３０’は第２の結像レンズ１３０を複数個含んでおり、それらの結像レンズ１３０は例えば図２Ａから図２Ｂで述べられたようなものである。したがって、マイクロレンズ配列１３０’はマイクロレンズ配列１２０’と同一であるが、ｘ方向に関して反対向きに配置されている。第３のマイクロレンズ配列１３０’に隣接して、第３のマイクロレンズ配列１３０’から約１．３ｍｍの距離ａ１にデジタル画像センサ４３０が配置されている。デジタル画像センサ４３０は、第３のマイクロレンズ配列１３０’に面する表面上に、デジタル画像センサ４３０を保護するためのカバーガラスを有してもよい。第１のマイクロレンズ配列１２０’、第２のマイクロレンズ配列１４０’及び第３のマイクロレンズ配列１３０’は、第１のマイクロレンズ配列１２０’のうちの１つの結像レンズ１２０、第２のマイクロレンズ配列１４０’のうちの１つの視野レンズ１４０、及び第３のマイクロレンズ配列１３０’のうちの１つの結像レンズ１３０が各々１つの光チャネル１１０を形成するように配置されている。装置４００及び／又は光チャネル１１０は、装置４００及び／又は光チャネル１１０の対称軸１７０を中心にして対称である。画像センサ４３０は例えば６．５５ｍｍ×４．９２ｍｍの大きさをもち、光チャネル１１０とともに、画像化可能な最大被写体領域の大きさを予め画定する。さらに、画像センサ４３０は個々の画素を備えており、その画素は直径が例えば３．２μｍであり、したがって、これが被写体視野の最小の描写可能な細部に対応する。装置４００の対称性により、テストパターン４２０又はその少なくとも一部は画像センサ４３０へ１：１で画像化される。すなわち、テストパターン４２０は拡大も縮小もされない。照明手段４１０はテストパターン４２０を照明する働きをする。

これまでに述べた実施形態において言及された長さ及び材料は何れも、単に例示的な値及び材料を表すものであり、よって如何なる場合も限定するものとして解釈されるべきでないことに留意されるべきである。

本発明の実施形態における１：１画像化は被写体と画像空間との対称性を可能にするものであり、それを利用することにより実施形態において光学装置は対称性であり得るが、これはまれなことである。中間像面を中心とする絶対対称性は、設計上完全に活用されており、また好ましいことである。これは可能な基板及び空隙にレンズと開口がどのように分布しているかに関わらず言えることである。そして、その絶対対称性は、コマ収差、歪及び横方向の色の欠陥を本質的に補正することを可能にする。本質的な補正は、これまでのところ、光学装置のシステム開口を中心とする対称性についてのみ知られていることに留意すべきである。しかしながら、本発明の実施形態は、中間像面を中心とする対称性に関しても類似のプラス効果を達成することができる。非点収差をより小さくすることは、より薄い基板を使用することによって達成することができる。

さらなる実施形態は、球面収差を補正するための非球面を含むことができる。これは、２つの結像レンズ又は視野レンズのうちの少なくとも１つが非球面レンズとして形成されることを意味する。さらに、長手方向の色の欠陥の補正は、図２Ａから図２Ｂにおける結像レンズ１２０によって示されているように、色消しレンズを実現するための異なる分散特性を有する材料を組み合わせることによって達成することができる。

本発明のさらなる実施形態において、幾つかの光チャネルは、中間像面内に視野絞りが六角形状である六角形配置で配置することができ、それにより、充填率を最大化し、結果として輝度を最大にすることができる。

本発明のさらなる実施形態では、多くの絞りを使用することと中間像縮小率を大きくすることにより、したがって、チャネル距離に対して小さい絞り直径を使用することにより、疑似光を効果的に抑制することができる。

例示されたこれらの実施形態では、レンズと平面の距離、したがってこれらの実施形態の横方向の広がりも一定であったが、本発明のさらなる実施形態は距離を可変にすることができる。これは、例えば、全ての又は幾つかの空隙内へ作動要素を入れることによって達成することができる。言い替えれば、対物面と第１の結像レンズとの間の距離、第１の結像レンズと視野レンズとの間の距離、視野レンズと第２の結像レンズとの間の距離、及び第２の結像レンズと像平面との間の距離を変えてもよいということである。これは、高さプロファイル及び／又は位相プロファイルを撮影すること（所謂「小規模なｚ走査」(small z scan)）を可能にする。Ｆナンバーが十分に小さければ、限られた焦点深度範囲しかなくなるので、その瞬間に鮮明に画像化されている被写体距離に関する情報をアクチュエータの位置から得ることができる。これは３Ｄ画像の撮影を可能にする。その３Ｄ画像は、２Ｄ横方向分解能と、その光景が位置する高さに関する情報からなる。装置の対称性を達成するためには、被写体の距離、第１の結像レンズから中間像面までの距離、中間像面から第２の結像レンズまでの距離、及び画像の距離が変えられるべきであり、好ましくは同時に変えられるべきである。しかしながら、第１の結像レンズから中間像面までの距離と中間像面から第２の結像レンズまでの距離は、より小規模にかつ反対方向へ一緒に変えて、同時に画像化が鮮明さを保ち、かつ被写体及び／又は画像の接合が維持されるようにすべきである。言い替えれば、全体的な焦点合わせだけでなく中間像の焦点合わせも維持されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、３Ｄ顕微鏡法を可能にし得る。

レンズ及び／又は平面の互いに対する相対距離を変えることは、例えば、空隙内に配置された圧電素子又はＭＥＭＳ素子によって達成することができる。

図４に示されているような特定の実施形態の一変形例は、僅か４つの基板及び／又は３つの要素へのレンズ分布を含み、光補正状態を達成するために必要な最小限の技術的労力を表しているが、当然ながら、装置全体及び／又は光チャネルの対称性を考慮しつつ、より多くのレンズ及び／又は基板を使用することも可能である。配列手法の使用、すなわち図４に示されたようなマイクロレンズ配列の使用とウェーハレベルの製造技術は、本発明の実施形態においてほぼあらゆる横方向拡張性を提供し得る。

さらに、複数の光チャネルを有する実施形態では、１：１の画像化は被写体側と画像側の接合を達成するために好適であると言うことができる。

縮小される場合もある。それに対し、拡大の場合はマイクロレンズ配列による画像化のときに被写体細部が失われる可能性がある。というのは、情報を失うことなく画像がチャネル距離より大きくなることはできないからである。特に、このことが当てはまるのは、ｙｚ平面、すなわち画像化装置の光路に対して垂直な平面、において何も移動されない／され得ない場合、すなわち走査が実行されない場合である。しかしながら、ｙｚ平面において走査が実行される場合でも、画像化される被写体領域はやはりチャネル距離より小さくすることができる。

したがって、実施形態は、チャネル距離より小さい被写体領域を走査するようにｙｚ平面における走査をすることができる。言い替えれば、走査ギャップは実施形態におけるｙｚ平面での移動によって回避することができる。

したがって、少なくとも１つの被写体視野接合を達成することが１つの目的である。最良の場合は画像視野接合も同時に達成することであるが、個々のチャネル内で画像が鮮明であることが同時に要請されるので、これは、製造公差及び組立て公差に困難な要件を課す。

本発明の実施形態では、幾つかの光チャネルの画像接合部には最も小さい領域のみが存在し、それらの領域には隣接する２つのチャネルが同時に寄与していることが好ましい。すなわち、これらの光チャネルはそれぞれの検知領域において僅かだけ重なることが好ましい。個々の被写体視野の接合を達成しようとするならば冗長性が許容され得る。というのは、走査ギャップが存在しない限り、かつ／又は被写体視野からの情報が失われない限り、この冗長性が使用でき、又は電子的に補正できるからである。

僅かに縮小される画像化、すなわち、被写体視野のみの接合の場合、複数の部分的な画像が生じ、それらは幾何学的に互いから分離され、かつ電子的に組立てることができる。

本発明の実施形態では、像平面に種々のデジタル画像センサを配置することができる。それらは例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳ、画像センサ又は高分子フォトダイオードであり、これらは実際に二次元的である。本発明の実施形態は全体的ウェーハを包含するように拡張することができ、大きさでいえば例えば４インチ、６インチ又は８インチである。

高分子フォトダイオード視野を使用すれば本発明の実施形態による装置の製造コストをさらに低減することができる。これは、ＣＭＯＳやＣＣＤを使用すれば現時点ではまだコスト問題を引き起こすからである。したがって、高分子フォトダイオード視野を用いる場合、１：１の画像化によって生じる画像領域の大きさは、長期的には何ら問題を引き起こさない。

本発明のさらなる実施形態はシェーディング補正を実行することができる。シェーディング補正は、例えば配列形状によるアーティファクトとしての輝度変調をソフトウェアによって、すなわち例えば表（いわゆるルックアップ表）を介して較正するために行うものである。

さらに、実施形態では、露光時間の間に又は好ましくはかなり頻繁に、少なくとも１つのチャネル周期分又は好ましくは幾つかのチャネル周期分だけ光学装置を移動させることができる。この移動は、装置の配列形状から生じるアーティファクトを補正できるようにするためであり、又は画像処理（シェーディング補正）なしにチャネルの欠陥を補正できるようにするためであり、又は、隣接する２つのチャネルによって同時に送られる被写体の点の干渉している被写体を平均化するためである。この移動は、例えば、圧電ベンダ、圧電スタック、機械的に平行移動される圧電スタック、コイル又は電気アクチュエータによって行うことができる。

本発明の実施形態において使用されるデジタル画像センサは、好ましくは、１ｍｍ当たり２００〜３００ラインペアより優れた分解能をもつものを使用することができる。これらの分解能は２．５〜１．６７μｍのピクセルサイズに相当する。これらのサイズの場合、分解能の能力を支配するのは、ピクセルサイズや光学収差ではなく回折限界である。Ｆナンバー（Ｆ／＃）を減らすことにより、システムの輝度だけでなく回折限界もさらによくすることができるが、光学収差の比率は不釣り合いに高まる。

本発明の実施形態は、極めて短い構造長さによって特徴づけられる。例えば、被写体と画像との間の距離は１ｃｍを遙かに下回ることができる。さらに、観察可能な被写体表面は画像センサの表面、及び／又は被写体視野内で使用されるチャネルの数に比例し、その結果、表面積は１ｃｍ²より遙かに広くなり、あるいは７ｃｍ²をも超えて広がることさえある。さらに、最小の観察被写体は使用されるデジタル画像センサのピクセルサイズによってのみ制限されることがある。ピクセルサイズは５μｍより遙かに小さく、あるいは例えば２μｍより遙かに小さい。その結果、複数の光チャネルを使用することにより常に収差を最小化する光学的な手法によって高分解能が可能になる。その手法は、本発明の実施形態において使用することができる。

実施形態における高分子の利用、例えばＯＲＭＯＣＥＲ−オン−ガラス技術は、リフローはんだ付けに基づく製造を可能にし、ガラス基板上の絞り配列に極めてよく適合し、また既に成形されている構造体を例えば図２Ａから図２Ｂにおいて述べたような結像レンズ１２０による色消し法用に変換することに極めてよく適合する。

さらに、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、ウェーハレベルで組立てることができることから、低コストで製造することができる。さらに、留意すべきこととして、本発明の実施形態は、横方向の個々の要素としてではなく、配列単位で製造することができること、その結果、それに続く、費用がかかると思われる個々の要素の組立てをしなくてもすむということを挙げることができる。

実施形態は、例えば、デジタル顕微鏡法、マクロ撮影法、医療技術、蛍光顕微鏡法又はインキュベータ監視において適用することができる。

Claims (13)

1. デジタル画像センサの１領域上へ被写体の少なくとも一部を光学的に画像化するための装置であって、
   第１の基板上へ配置される第１の結像レンズ（１２０）と、第２の基板上へ配置される第２の結像レンズ（１３０）と、第３の基板上へ配置される視野レンズ（１４０）とを含む光チャネル（１１０）を備え、
   前記第１の結像レンズ（１２０）と前記第２の結像レンズ（１３０）は同一であり、
   前記第１の結像レンズ（１２０）及び前記第２の結像レンズ（１３０）は、前記第１の結像レンズ（１２０）の第１の表面（２４０）が前記光チャネル（１１０）の光入射面（１８０）であり、かつ前記第２の結像レンズ（１３０）の第１の表面（２４０）が前記光チャネル（１１０）の光出射面（１８２）であるように配置され、
   前記光チャネル（１１０）の横方向の広がりに対して垂直に、かつ前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心を通って延びる軸が前記光チャネル（１１０）の対称軸（１７０）を形成するように、前記視野レンズ（１４０）は前記第１の結像レンズ（１２０）と前記第２の結像レンズ（１３０）との間に配置され、かつ、
   前記レンズ（１２０，１３０，１４０）のうちの少なくとも１つは、前記レンズ（１２０，１３０，１４０）のレンズ本体（２３０；３２０）内部に配置された少なくとも１つの絞り（２５０，２６０；３６０，３７０，３８０）を備えている装置。
2. 被写体の画像化されるべき部分は前記光チャネル（１１０）の対物面（１５０）内に位置決めされ、かつデジタル画像センサ（４３０）で前記被写体の前記部分が画像化される領域は前記光チャネル（１１０）の像平面（１６０）内に位置決めされ、
   前記光チャネル（１１０）の前記対物面（１５０）の広がりは、前記光チャネル（１１０）の前記像平面（１６０）の広がりと同一である請求項１に記載の装置。
3. 前記視野レンズ（１４０）に面する前記第１の結像レンズ（１２０）の第２の表面（２１０）及び前記視野レンズ（１４０）に面する前記第２の結像レンズ（１３０）の第２の表面（２１０）は、長手方向の色の欠陥を減らすように色消しレンズとして形成されており、かつ／又は球面収差を減らすように非球面である請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記光チャネル（１１０）の中間像面（１９０）から前記光チャネル（１１０）の前記対物面（１５０）までの横方向距離が可変であり、かつ前記光チャネル（１１０）の前記中間像面（１９０）から前記光チャネル（１１０）の前記像平面（１６０）までの横方向距離が可変であり、かつ、
   前記光チャネル（１１０）の前記中間像面（１９０）は、前記対物面（１５０）に平行に、かつ前記光チャネル（１１０）の前記像平面（１６０）に平行に、かつ前記視野ライン（１４０）の横方向の中心を通って延びている請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記中間像面（１９０）から前記対物面（１５０）までの距離が変化すると前記光チャネル（１１０）の画像化の縮尺を保ちながら前記中間像面（１９０）から前記像平面（１６０）までの距離が一方向に変化するように、前記第２の結像レンズ（１３０）と前記像平面（１６０）との間の距離だけでなく、前記中間像面（１９０）から前記第１の結像レンズ（１２０）までの前記距離と前記中間像面から前記第２の結像レンズ（１３０）までの前記距離も変えるように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備えている請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の結像レンズ（１２０）と前記第２の結像レンズ（１３０）は、透明性が局部的に変わっている２つの絞り（２５０、２６０）をそれぞれ含んでおり、
   前記第１の結像レンズ（１２０）の前記２つの絞り（２５０、２６０）は、前記第１の結像レンズ（１２０）の前記第１の表面（２４０）と前記第１の結像レンズ（１２０）の前記第２の表面（２１０）との間に横方向に前後して配置され、かつ、
   前記第２の結像レンズ（１３０）の前記２つの絞り（２５０、２６０）は、前記第２の結像レンズ（１３０）の前記第１の表面（２４０）と前記第２の結像レンズ（１３０）の前記第２の表面（２１０）との間に横方向に前後して配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記視野レンズ（１４０）は絞り（３７０）を含み、
   前記絞り（３７０）は前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心に配置され、かつ前記光チャネル（１１０）の前記対称軸（１７０）は前記視野レンズ（１４０）の対称軸を形成している請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記視野レンズ（１４０）の前記絞り（３７０）は六角形の開口を備え、かつ前記光チャネル（１１０）の開口絞りとして構成されている請求項７に記載の装置。
9. 前記視野レンズ（１４０）は複数の絞り（３６０、３８０）を備え、
   前記複数の絞り（３６０、３８０）のうちの第１の絞り（３６０）は、前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心に配置されている前記絞り（３７０）の前方に横方向に配置され、
   前記複数の絞り（３６０、３８０）のうちの第２の絞り（３８０）は、前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心に配置されている前記絞り（３７０）の後方に横方向に配置され、かつ、
   前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心に配置されている前記絞り（３７０）から前記複数の絞り（３６０、３８０）のうちの前記第１の絞り（３６０）までの横方向距離は、前記視野レンズ（１４０）の横方向の中心に配置されている前記絞り（３７０）から前記複数の絞り（３６０、３８０）のうちの前記第２の絞り（３８０）までの横方向距離と同一である請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記像平面（１６０）内に配置されているデジタル画像センサ（４３０）を備えている請求項２から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記光チャネル（１１０）の前記対物面（１５０）内にある被写体の一部で、画像化されるべきものが変位するように、前記光チャネル（１１０）を前記光チャネル（１１０）の横方向の広がりに対して垂直に移動させるように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備えている請求項２から１０にいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１の光チャネル（１１０）と同一である少なくとも１つのさらなる光チャネルを備え、それらの光チャネル（１１０）は、それらの光チャネル（１１０）の検知領域が部分的に重なるように六角形分布に配置されている請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記第１の光チャネル（１１０）の前記第１の結像レンズ（１２０）と前記少なくとも１つのさらなる光チャネルの第１の結像レンズ（１２０）は第１の共用キャリア基板上に配置され、かつ第１の結像レンズ群（１２０）の視野（１２０’）を形成しており、
    前記第１の光チャネル（１１０）の前記第２の結像レンズ（１３０）と前記少なくとも１つのさらなる光チャネルの第２の結像レンズ（１３０）は第２の共用キャリア基板上に配置され、かつ第２の結像レンズ群（１３０）の視野（１３０’）を形成しており、かつ、
    前記第１の光チャネル（１１０）の前記視野レンズ（１４０）と前記少なくとも１つのさらなる光チャネルの視野レンズ（１４０）は第３の共用キャリア基板上に配置され、かつ視野レンズ群（１４０）の視野（１４０’）を形成している請求項１２に記載の装置。

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