JP2018200468A - 集光光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物との距離を縮小した、広視野光学系を提供する。【解決手段】光学系１０は、オプティックボリュームを定義する透明レンズ１２と第１反射レンズ１３で構成する。光学系１０は、情景１５またはそれの前のソースからの光を取り込む。情景１５からの光は、オプティックボリューム３７に入る。光は、オプティックボリューム３７に当たると、第１反射レンズ１３に達し、その後オプティックボリューム３７内に取り込まれる。光は、オプティックボリューム３７内部で一定の距離を進み、側面３６に達してオプティックボリューム３７から出て行く。【選択図】図１

Description

本発明は、光捕獲と集光に関し、特に、集光光学系に関する。
従来、光はレンズなどの集光光学を用いて取得している。カメラの場合、イメージセンサーをレンズの後ろに配置することで対象の画像を取得する。レンズは、太陽集光、明視野集光などさまざまな機器構成に利用されている。レンズは便利で至る所に利用されているが、レンズには根本的な欠点がある。視野を広げると、レンズと対象物の距離が増大するので、集光器のサイズを大きくする必要がある。サイズの大きい機器構成は、扱い難く、高価で、可搬性に欠けるという欠点があり、望ましくない。サイズの大きい装置を移動や設置するには、新たな問題や追加費用が発生する。

本発明の目的は、対象物との距離を縮小した、広視野光学系を提供することである。
本発明は、オプティックボリュームを定義する透明レンズ、オプティックボリュームへ採光する第１主面、光が内部反射するオプティックボリュームへの採光を調整する第１反射レンズで構成する光学系によって実現する。

実施の形態において、光がオプティックボリューム内で連続的に内部反射する。
別の実施形態において、透明レンズは、更に第１主面の反対側に配置した第２主面、主面または第２主面の一部に配置した第１反射レンズを構成する。
更に別の実施形態によると、透明レンズは、更にオプティックボリュームへ光を向けるように設定した一つまたは複数の側面から構成される。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、第１主面の幾何学的法線とは異なる方向へ光を向けるように構成される。

更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、第２主面の幾何学的法線とは異なる方向へ光を向けるように構成される。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、調光するための幾何学構造体の配列で構成される。

更に別の実施形態によると、幾何学構造体は、反射方向を選択的に変更するのに適している。
更に別の実施形態によると、幾何学構造体は、幾何学構造体の１つまたは複数の幾何学的な面の動きによって反射方向を選択的に変更するのに適している。

更に別の実施形態によると、幾何学構造体にある一つまたは複数の面は、所望の周波数で振動するようプログラムされている。
更に別の実施形態によると、幾何学構造体にある一つまたは複数の面は、マイクロ流体の作動によって変更される。

更に別の実施形態によると、幾何学構造体の配列は、プリズムである。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、入射光領域を同時に複数の方向に向けるように構成されている。

更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、横方向に変化する屈折率の物質から成る。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、軸方向に変化する屈折率の１つまたは複数のレイヤーから成る。

更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、１つまたは複数の方向に湾曲している。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、第１主面または第２主面の一部分に配置されている。

更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、弾性材料で作られている。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、柔軟材料で作られている。
更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、フィルムである。

更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、第１主面または第２主面の一部分に配置されたレイヤーである。
更に別の実施形態によると、第２主面は、第１主面に平行である。

更に別の実施形態によると、第２主面は、第１主面に対して斜めに配置している。
更に別の実施形態によると、オプティックボリュームは、無垢から成る。

更に別の実施形態によると、オプティックボリュームは、流体から成る。
更に別の実施形態によると、オプティックボリュームの少なくとも一部は、真空である。

更に別の実施形態によると、透明レンズは、柔軟材料で作られている。
更に別の実施形態によると、透明レンズは、伸縮自在である。

更に別の実施形態によると、第１主面、第２主面、および第一反射レンズの少なくとも一部は、反射防止コーティング剤が施されている。
別の実施形態において、光学系は更に第１主面へ所望の角度で光を入射させる第２反射レンズ、オプティックボリュームより低い屈折光を持つレイヤーを介して第１主面に結合した第２主面の一部に配置した第１反射レンズを構成する。

更に別の実施形態によると、光学系は、更にオプティックボリュームを定義する追加透明レンズと内部反射後に透明レンズのオプティックボリュームから発生する光を取り入れるカプラーで構成され、カプラーで方向づけられた光を取り入れる追加透明レンズへ光を当てる。
更に別の実施形態によると、波長選択フィルターが第１反射レンズとオプティックボリュームの間に配置される。

更に別の実施形態によると、光学系は更に結合装置を設けて、第１主面の一部に光を当てる。
更に別の実施形態によると、入射光の第１部分はオプティックボリュームの内部に入光して、入射光の第２部分は通過する。

更に別の実施形態によると、取り外し可能である第１反射レンズを第１主面または第 ２主面に配置する。
更に別の実施形態によると、幾何学構造体は、入射光の第１部分を反射して、入射光の第２部分を通過する。

更に別の実施形態において、透明レンズは、第１主面と第２主面の間で内部反射を通して光を伝搬する三角形状をなす伝搬領域を有する。
更に別の実施形態によると、光学系は、少なくとも前記の透明レンズを有し、情景から入った光の一部を少なくとも１つ前記の別な透明レンズに当てる。

更に別の実施形態によると、透明レンズは、光を複数の視点から取り込み、光を第１反射レンズ上の様々な位置へ当てる。
更に別の実施形態によると、透明レンズは、円筒状の幾何学的な構造である。

以下、添付の図面に示す実施形態を参照して、更に本発明について説明する

本明細書の一実施形態に係わる模範的な光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光センサーアセンブリ１１との組み合わせた模範的な光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる透明レンズと第１反射レンズの詳細を示す。 は、本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズの幾何学構造体の配列を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる模範的なカプラーを示す。 本明細書の一実施形態に係わる透明レンズを示す。 本明細書の一実施形態に係わる透明レンズを示す。 は、本明細書の一実施形態に係わる湾曲した外形形状を有する透明レンズを示す。 本明細書の一実施形態に係わる様々な視点から光を捕捉する光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズ１３の模範的な例を示す。 本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズを示す。 本明細書の一実施形態に係わる、第１反射レンズのために複数のゾーンを定義するオプティックボリュームを定義する透明レンズの模範的な側面図を示す。 本明細書の一実施形態に係わる透明レンズを示す。 本明細書の一実施形態に係わる、一連の光学シートを空洞のオプティックボリュームに配列した透明レンズを示す。

本明細書の一実施形態に係わる透明レンズを示す。 本明細書の別の実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる図１７の透明レンズの断面図を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる歯科用撮像に関する光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わる、光学系を構成する歯科用撮像装置を示す。 本明細書の一実施形態に係わるゲージイメージングに関する光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わるフラットベッドスキャニング装置における光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わる分光器における光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わる太陽電池パネルの集光システムにおける光学系の応用を示す。 本明細書の別の実施形態に係わる太陽電池パネルの集光システムにおける光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わるユーザー認証システムにおける光学系の応用を示す。 本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズのプリズムの幾何学構造体を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。 本明細書の一実施形態に係わる光学系を示す。

本発明は、透明レンズのオプティックボリューム内に入光した光線にターンを加えた反射レンズの利用の概念に基づく。光線は、終了する前にオプティックボリューム内において連続した内部反射の影響を受ける。

図１は、本発明の一実施形態に係わる光学系１０を示す。光学系１０は、オプティックボリュームを定義する透明レンズ１２と第１反射レンズ１３で構成する。光学系１０は、情景１５またはそれの前のソースからの光を取り込む。情景１５からの光は、オプティックボリューム３７に入る。光は、オプティックボリューム３７に当たると、第１反射レンズ１３に達し、その後オプティックボリューム３７内に取り込まれる。光は、オプティックボリューム３７内部で一定の距離を進み、側面３６に達してオプティックボリューム３７から出て行く。ここでオプティックボリュームとは、透明レンズ１２から出て行く前に光が内部反射の影響を受けるボリュームを指す。側面３６は、第１主面３５または第２主面 ３４に対して斜めに配置する。側面３６は、第１主面３５または第２主面３４に対して垂直な向きに配置する。図１には、光がオプティックボリュームに入り、異なる角度で入射する側面３６に達する情景１５のそれぞれ異なる部分から出る２つの光線が描写されている。

図２は、本明細書の一実施形態に係わる光センサーアセンブリ１１との組み合わせた光学系１０を開示する。図２の例では、光源または情景１５からの光が第２反射レンズ１４に達している。第２反射レンズ１４は、光が所定の角度で第１主面３５に当たるように方向付けしている。例えば、所定の角度でかすめる。図２の例では、第２反射レンズ１４が、オプティックボリュームより低い屈折光を持つレイヤー４８を介して第１主面３５に結合している。第１主面３５は、入光するのに適している。第１主面３５によって取り込まれた光は、オプティックボリューム３７に入る。オプティックボリューム内に入り込んだ光は、第１反射レンズ１３に達する。第１反射レンズ１３は、少なくとも第２主面３４の一部に配置する。第１反射レンズ１３は、第２主面３４と第１主面３５間を進み、側面 ３６に達する光をターンさせる。光は、側面３６を通してオプティックボリューム３７を抜け出し、レンズやセンサーアセンブリ１１に達する回折格子などの第３レンズ３８によって変更される。光センサーアセンブリ１１は、情景１５の異なる部分から集めた光を検出する。これは光学系１０の特徴を保持した区分的な空間的相関関係のためである。少なくとも一部の情景の中から取得した光の空間的相関関係が保持されるが、その光は光センサーアセンブリ１１に達する。いくつかの実施形態にでは、情景全体の空間的相関関係を保持するが、他の実施形態では、必ずしも情景全体が必要でなく、情景のサブセットを保持すれば十分である。光学系１０は、角度関係を保存する賢明な方法も可能である。
これは、ラージエリア情景１５またはソースから集光して、且つ類似するフォトセンサアセンブリ１１にこれを適用した光学系１０の利点を提供する。また情景１５と光学系１０間の距離短縮の利点を提供する。レンズなど従来のシステムは、距離短縮の利点を提供しない。また、レンズが大きくなる欠点もある。本明細書の実施例に記載した光学系１０では、コンパクト、且つ実質的に平坦な構成になる。

図２は、情景からフォトセンサアセンブリ１１への光の伝搬を光線３９と光線４０で例証する。第１反射レンズ１３に達した光線３９と光線４０は、オプティックボリューム３７に反射して戻ってきた時に角度が変わる。光線３９と光線４０は、伝搬を続け、反対側の面、つまり第１主面３５に到達する。第１主面３５において、光線３９と光線４０は、反射して戻ってくるが、同時にエントリ原点からオプティックボリューム３７に移動する。このプロセスは、光線３９と光線４０の光線が第１反射レンズ１３に到達するまで繰り返す。側面３６に近接する光線３９は、オプティックボリューム３７において光線４０より少ない回数反射する。従って、光線４０は、光線３９より角度の変更が大きいというである。この方法では、空間的相関係数が角度関係に変換され、保持される。光線３９と光線４０は、第１反射レンズ１３に達すると、それ以上角度の変更が起こらず、オプティックボリューム３７の出口である側面３６の方向に内部で反射を繰り返す。したがって、光線３９と光線４０は、オプティックボリューム３７内で継続的に反射を起こす。オプティックボリューム３７において、第１反射レンズ１３で起こった反射の角度は変わるが、第１反射レンズ１３のある部分を過ぎた反射の角度は変わらない。第３レンズ３８は、光線３９と光線４０の角拡散を光センサーアセンブリ１１へ移動させる。これによって、光センサーアセンブリ１１の複数ピクセルが、様々な角度を持つ光線３９と光線４０によって点灯する。従って、空間的相関関係または、ソースまたは情景１５からの光線３９と光線４０は、光センサーアセンブリ１１に保持される。

図３は、本明細書の一実施形態に係わる透明レンズ１２と第１反射レンズの詳細を示す。実施形態によると、第１反射レンズ１３は、調光するための幾何学構造体１０５の配列で構成される。図３の例では、幾何学構造体１０５としてプリズムの配列を示している。第１主面３５に入光し、第１反射レンズ１３に到達した光線１０６は、幾何学構造体１０５に引き続き入光して、ある角度を加えた光線１０４として反射する。ただし、第１反射レンズ１３を抜けると、光の反射は、第２主面３４と第１主面３５の外形形状によって決まるが、光線１０３と１０２で例証するように第１反射レンズ１３によるターン角の追加は被らない。一実施形態によると、第１反射レンズ１３をガラス窓などの既存の透明レンズ１２に固定または接着する。別の実施形態によると、第１反射レンズ１３をエンボス加工、切断、または機械加工を施して透明レンズ１２に加工している。透明レンズ１２は、棚ガラス、アクリル、その他の透明な素材などを利用して実現可能である。透明レンズ１２において、第１主面と第２主面３４は互いに平行に配置する。これによって、光学系のコストが下がり、輸送や据付け作業が容易になる。一方、透明レンズは、装置をつかっても実現できる。この場合、第１主面と第２主面は、互いに平行にならない。

図４は、本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズの幾何学構造体の配列を示す。
図４の例では、幾何学構造体１０５として台形構造体の配列を示している。光線１４０と光線１４３は、ある角度を加えた台形構造体により反射する。別の実施形態によると、第１反射レンズ１３は、屈折率が変化する材料、横方向に変化する外形形状、横方向に屈折率分布が変化する材料から構成することも可能である。更に別の実施形態によると、第１反射レンズは、様々な屈折率を持つ薄膜層で構成することが可能である。更に各層は、横方向に屈折率が変化する材料で構成できる。

図５は、一実施形態に従い透明レンズ２０やカプラー１９を追加することで、光システム１０を更に小型化できることを示している。追加した透明レンズ２０は、オプティックボリューム３７ｂを定義する。透明レンズ１２と追加した透明レンズ２０によって定義されたオプティックボリューム３７ａと追加したオプティックボリューム３７ｂは、オプティックボリューム３７を定義する。図５で説明している通り、透明レンズ１２は、第１反射レンズ１３を構成する。情景１５からの光線３９は、オプティックボリューム３７に入り、続いてカプラー１９の方向に伝搬する。カプラー１９は、透明レンズ１２から追加した透明レンズ２０へ光の方向を変える。追加した透明レンズ２０は、レンズ３８の方向へ伝搬するよう光の方向を変える。本実施形態は、トレードオフが有利な場合、要素から設置の省スペース化に至るまで全体的なコンパクト化の利点を提供する。例えば、機械視覚や工業オートメーションに利用する近接型撮像の分野では、光学系のサイズはスペースの制限を受ける。

図６は、本明細書の一実施形態に係わる模範的なカプラーを示す。
図６の例では、カプラー１９は、光の向きを変えた後に反転させるプリズム一対の２１ａと２２ｂで構成する。図７は、一実施形態に従い、透明レンズ１２の部分１２ａは楔形の外形形状を構成する。部分１２ａの楔形は、第１反射レンズ１３と結合する光線３９をターンするのに使う。第１反射レンズ１３は、光線３９をターンさせ、且つ出口の臨界角を減らす。また楔形の形状を変えることで柔軟に角度を調整可能である。実施の形態において、部分１２ａの楔形形状は、図８に示すように反対方向に行くに従って細くなる可能性がある。

図９に示すように、一実施形態に係わり、透明レンズ１２は、湾曲幾何学構造を有する。図９で説明している通り、情景１５からの光線３９と光線４０はオプティックボリューム３７の湾曲幾何学構造に達して、続いて第１反射レンズ１３に達する。図９で説明している通り、第１反射レンズ１３は、光線３９と光線４０の向きを変え、側面３６とカップリングレンズ３８へ伝搬させる。オプティックボリューム３７を出た光は、センサーアセンブリ１１に達するように条件づけられている。一実施形態において、第１反射レンズ１３は、凹面からの光を受け取るためにオプティックボリューム３７の凸面に配置する。第１反射レンズ１３の位置を凸面から凹面に変更することで逆の構成を実現できる。この場合、画像は凸面で実行する。透明なオプティックボリュームが湾曲の幾何学構造を有する光学系は、ボトルのラベル、指紋認証のためのドアハンドルなど曲面のある物をスキャンするのに利用する。

図１０は、一実施形態に従い、複数のイメージセンサーを使い様々な視点からの光を取得する。図１０の例で示すように、光学系１０は、光センサーアセンブリ１１と情景１５の様々な視点からの光を取得するために追加した光センサーアセンブリ１０１で構成される。光線３９と光線４０で示されているように、特定位置から発光する異なる光線は、第１反射レンズ１３のそれぞれ異なる位置に到達する。第３レンズ３８と１０７は、異なる視点から来る光線３９、４０をそれぞれ取得するために光センサーアセンブリ１１や追加の光センサーアセンブリ１０１上で光の方向を変えるために提供されている。光センサーアセンブリ１１と追加の光センサーアセンブリ１０１の２つの撮像センサーを使えば、ステレオ経由で３Ｄイメージを取得することが可能である。３つ以上のイメージセンサーを使えば、光照射野を取得することができる。このような機器は、ゴニオメーターとしても機能する。

図１１は、本明細書の一実施形態に係わる第１反射レンズ１３の模範的な例を示す。図１１で示すとおり、複数のプリズム構造または台形構造をお互い隣接させて配置させているが、反射レンズ１３の幾何学構造体１０５で示すように横方向に湾曲させている。
図１１の例で示すように、曲率により、情景の複数ビューやアスペクト比、歪みなどのパラメーターを取得パラメータをより精度よく取得する方法を得る。図１１の例は、湾曲幾何学構造１０５は、入射光線３９をターンさせ、複数の異なる平面に入射する。
別の実施形態に従い、図１２に示すように、第１反射レンズ１３の幾何学構造体１０５として、複数のプリズムまたは台形構造体がお互い隣接させて、横方向に湾曲させて配置している。実施形態によると、第１反射レンズ１３は、１つまたは複数の第２ターン１１６を構成する。これにより対象を取り巻くさまざまな方向からの撮像対象を提供する。データを読込、３次元表面画像やパノラマ画像を形成する。

図１３は、図１１や図１２の第１反射レンズ１３のためにオプティックボリューム３７が複数のゾーンを定義した透明レンズの模範的な側面図を示す。示すように、オプティックボリューム３７は、ゾーン１２３と１２４の二つを定義している。光線３９はそれぞれ異なる角度で対象物に到達する。これにより対象を取り巻くさまざまな方向からの撮像対象を提供する。データを読込、３次元表面画像やパノラマ画像を形成する。

図１４は、本明細書の一実施形態に係わる透明レンズを示す。図１４の例で示す通り、透明レンズ１２で定義されるオプティックボリューム３７は、空洞になっている。空洞のオプティックボリューム３７は、光学系の追加レイヤーを備えている。レンズ１０４の追加レイヤーは、透明レンズ１２の内部平面のいずれか、または内部平面の両方に配置されている。レンズ１０４は、反射レンズである。

図１５は、一連の光学シート１０４を空洞のオプティックボリューム３７に配列した一実施形態を示す。例えば、構造部材は、光学シート１０４を所定の位置に設けるのに使用する。このような実施形態は、柔軟性やストレッチ機能も考慮している。別の実施形態によると、内部平面のうち１面または２面は反射防止コーティング剤が施されている。
別の実施形態では、図１６で説明している通り、透明レンズ１２は、３つの光学を構成している。光は、第１光学平面１００２に入り、反射レンズ１００３により方向が変わり、透明レンズ１２へ抜け出す第３面に到達するまで平面１００２と１００１の間に入り込む。図１６の例において、透明レンズ１２へ抜ける光は、光センサーアセンブリ１１へ入射する。図１６に見られるように、平面のうち一つの一部には、２つの平面間の反射する光が反射の相対角度を変化させないような多角形構造を設けている。但し、別部分１００３において、角度が増加または減少している。この構造体１００３の断面は四角形である。

図１７は、本明細書の別の実施形態に係わる光学系１０を示す。図１７の例において、透明レンズ１２は円筒構造から成るオプティックボリュームを定義している。一実施形態によると、空洞のオプティックボリューム３７は、内部平面のうち一面に複数の光学系の追加レイヤーを備えている。第１反射レンズ１３は、第２主面３４上に配置されている。第２反射レンズ１４は、オプティックボリューム３７より低い屈折光を持つレイヤー４８を介して第１主面３５に結合している。図１８は、本明細書の一実施形態に係わる図１７の透明レンズの断面図を示す。図１８は、第１反射レンズ１３、レイヤー４８を介して透明レンズ１２に結合したオプティックボリューム３７と第２反射レンズ１４を示す。

図１９は、本明細書の別の実施形態に係わる光学系１０を示す。図１９の例では、第１反射レンズ１３は、透明レンズ１２の部分に沿ってお互い隣接するように幾何学構造体１０５の配列を設けている。図１９は、波長選択フィルターを介して透明レンズ１２に結合した第１反射レンズ１３を示している。図１９の例では、ブラッググレーティングなどの光学フィルター７５３が波長選択フィルターとして示されている。光学フィルター７５３に入射する光線１０６は、光の波長によって振る舞いが異なる。ブラッググレーティングが設定されていて、特定波長の光線が、例えば光線７５１が光線７５２として反射するように、特定角度でブラッググレーティングに反射する。一方では、その他の波長の光線がブラッググレーティングを介して伝搬して、例えば光線１０６が光線１０４として異なる角度で反射するように、プリズム構造体で反射する。違うブラッググレーティングは、７５３と７５４などのような光の異なる波長に敏感なさまざまな場所に配置可能である。

別の実施形態によると、図２０に示すように、対象情景１５からの光線３９と４０は、第２反射レンズ１４を介してオプティックボリューム３７に入り、第１反射レンズ１３に到達し、続いて光学センサーアセンブリ１１に向かって光を反射するリダイレクト光８０２に達するまでオプティックボリューム３７へ入射する。リダイレクト光８０２は、光線３９と４０が適切な角度で光学センサーアセンブリ１１に向うようにコンディションを調整する。このような実施形態の利点として、光学センサーアセンブリ１１、リダイレクト光８０２、第１反射レンズ１３、第２反射レンズ１４が、ガラス窓やテーブルなどの既存の透明レンズ１２へ適用できること、且つ集光のための光学系として機能することである。

更に別の実施形態によると、図２１に示すように、光学系１０は、カスケードに配置した複数の透明レンズ１２ａ、１２ｂを構成する。例えば、複数の透明レンズ１２ａ、１２ｂは、上下に積層するように配置する。図２１に示すように、透明レンズ１２ａおよび１２ｂは、特定範囲の角度を持つ入射光９９１は第１反射レンズ１２ａへ入り、出口面３６へ伝搬する。一方、別な範囲の角度を持つ入射光９９０の場合、第１反射レンズ１２ａによって伝搬され、第２反射レンズ１２ｂへ移動して、続いて出口面３６へ向かう。透明レンズ１２ａや１２ｂなどは、カスケードに配置される。各透明レンズは、第１反射レンズを一つ設けている。

図２２は、本明細書の別の実施形態に係わる光学系１０を示す。図２２に示すように、対象情景１５からの光線は、第２反射レンズ１４に投射され、方向を変え第１反射レンズ１３へ投射して、続いて反射面１２０２へ到達する。いくつかの実施形態において、反射面１２０２は横方向に湾曲している。反射面１２０２は、光センサーアセンブリ１１に対して光を反射する。

図２３は、一実施形態に従い、透明レンズ１２の伝搬領域１４０２は、横方向にカットされており三角形状をしている。これにより材料使用量と重量の削減ができる。ここで、「伝搬領域」を透明レンズ１２の部分として定義している。光線が内部反射しながら伝搬するが、第１反射レンズによるターンを受けていない。伝搬領域１４０２において、光線は、内部反射しながら伝搬して、第１主面３４と第２主面３５の間に入射する。一実施形態によると、図２４に示すように、伝搬領域１４０２は、オプティックボリューム３７の面に対して傾斜させることができる。別の実施形態に従い、図２５に示すように、第１反射レンズ１３を構成する透明レンズ１２の部分１４０４は、楔形の形状を成している。別の形態において、伝搬領域１４０２は、図２４に示すように三角形状をなしている。対象情景の照明は、図２６に示すように面３６に配置するようにスケーリングされた光学を使用して実現することができる。照明光１６０１は、光をソース１６０２年から平面３６に向けるように配置する。この光は、第１反射レンズ１３経由でオプティックボリューム３７の光のボリュームを終了します。この照明パターンは、均一の反射ターゲットから得られた照明がセンサーアセンブリ１１で均一になるように最適化されている。

一実施形態によると、透明レンズ１２の出口から得られた照明は、コウモリの羽のような形状になる。
記載の実施形態は、情景やソースの広い領域から集光、且つ小規模な光センサーアセンブリが特徴の光学系を提供する。また、情景と光学系間の距離短縮の利点を提供する。レンズなど従来のシステムは、距離短縮の利点を提供しない。また、従来のシステムはサイズが大きくなる欠点もある。本明細書の実施例に記載した光学系では、コンパクトで、且つ実質的に平坦な構成になる。更に、光学系は、透明レンズの２つの主面はお互いに並列に配置した平面型の透明レンズを使い開発できる。第１反射レンズは、透明レンズ２主面のうちいずれかに配置できる。この方法で光学系の製造を容易にできる。

本明細書の実施例に記載した光学系では、２次元カメラを使って光分布を測定することができる。例えば、光センサーアセンブリには、イメージセンサーまたはフォトダイオードの配列が利用できる。第２レンズは、角度分布からの入射光を空間分布上の個々のピクセルに転送する。ピクセルは、読み出しされ、情景の画像を取得する。例えば、このようなシステムは、Ｘ線イメージング、診断とポイントオブケア、歯科画像、生体イメージング、メーターやゲージのイメージング、ドキュメントスキャナー、ボアスコープイメージング、および照明器具に利用できる。例えば、Ｘ線イメージングの場合、ＣＭＯＳセンサーの解像度が高いので、蛍光を発するシンチレータから成る透視チェーンを使い、続いてカメラを使い蛍光性を撮像することが奨励されている。従来のカメラを使用すると、大きくて扱いにくくなる。本明細書の実施例に記載した光学系は、コンパクトな透視連鎖を考慮している。診断とポイントオブケアシステムの両方において、半自動または全自動システムは、材料サンプルから光を取得する。サンプルを光デバイスの前に置く。各サンプルは光を反射またはある特定の波長の光を発する。複数の光センサーアセンブリを使うことができるが、それぞれ所望する波長を分離する１つの光学フィルターを備えている。各光センサーアセンブリは、特定のサンプルの光を識別できる。複数の光センサーアセンブリの測定値を結合するには、各サンプルスペクトルを解析して、病状や条件を識別することができる。このような設計は、スループットを向上させ、デバイスの機械的な複雑さを緩和させる。

歯科用画像の場合、図２７で示すように、センサーに光を転送する代わりに、光を別のラージエリア４３へ入れて、光学デバイスや目に適応させる。図２８に示すように、光カプラー４４は、デバイスの方端を回転させ、視野を回転させることができる。この場合、上下の歯のさまざまな視野を取得する。ここでは、取得できる領域は、図２７の第３反射レンズ４２と図２７の第４反射レンズ４１から成る。
バイオメトリックリーダーの場合、光学系は手の形状、指紋、顔、虹彩画像を読み込んで、確認するのに使用できる。この概念を使って１つまたは複数の前述の生体画像の取得と確認を行う単体デバイスを構築できる。キーパッドを光デバイスの複数面のうち一面に印刷、または投影できる。総内面反射の概念を使うことで、キーの位置を検出できる。したがって、この方法でユーザーと対話ができる。

メーターやゲージのイメージングの場合、図２９に示すとおり、光学系１０をゲージ３０１の前に置き、画像取得により読み取る（リモートモニタリング、継続的なモニタリングシナリオ）。ただし、カメラを配置すると、人によりゲージの視野が制限される。これは、透明レンズを使うことで回避できる。透明レンズは、光の一部をゲージの軸外に配置したカメラ３０３の方向に向ける。これによって画像取得、またはユーザー３０４がゲージを見ることができる。

図３０は、本明細書の一実施形態に係わるドキュメントスキャナーを示す。フラットベッドスキャナデバイスは、物体３３１を照らす光ソース３３２を備えている。例えば、オブジェクト３３２は、紙のシートを使用できる。前述の実装形態に示すとおり、反射した光は、オプティックボリューム３７に入射して、第１反射レンズ１３によって方向が変わり、センサーアセンブリ１１に達する。モーションステージ３３３は、光センサーアセンブリ１１の動きを考慮にいれて、視野の拡大や画像を取得して、高解像度画像の再構築を可能にした。モーションステージには、モーターまたは圧電デバイスを使用できる。このような構成によって、自動スキャンデバイスの高速スキャンや高スループットを可能にした。
ボアスコープイメージングの場合、光学系は、ボアスコープイメージングに使用され、従来のボアスコープイメージングシステムより素早い画像取得や簡単なモーションステージングを可能にした。

照明器具の場合、透明レンズは薄くて柔軟な素材を使用して製作されるので、ユビキタスカメラとして大きい平面に適用できる。例えば、部屋の天井に沿って配置した薄型のレンズは、占有センサーに使用できる画像データを提供できる。
光学系は、３次元カメラにも使用できる。２つ以上のイメージセンサーは、複数の視野から画像を取得するために、光センサーアセンブリの近くに設置する。視野はステレオコンポーネント画像と組み合わせ、情景の３次元画像が得られる。更に別の実施形態によると、光センサーは、空間分布だけでなく、飛行情報の時間も取得できる。センサーは、光線の到着時刻を取得できる。光学系と連結したこの情報によって、情景内の各ポイントからの光の飛行時間を取得できる。この飛行情報の時間は、深度マップを作成するのに使用できる。別の実施形態では、ある平面に反射した構造化された光の収集して、対象物の３次元画像を取得できる。

さらに、光学系は、視野イメージングに使用できる。ピクセルの異なるグループは、対象物の視野データを再構成するのに使うことができる。光学系は、分析計にも使用できる。レンズから離して、グレーチングを光センサーアセンブリと光センサーアセンブリの間に設置することで、スペクトルデータを測定値から解読できる。図３１に示すように、光学系１０にいくつかブラッググレーティング７５３や異なる波長伝送および反射値７５４を追加する。異なるスペクトルを含む対象からの光は、光学系１０の入力平面に入射して、波長により異なる場所で反射すると見られている。この方法では、光源を結合できる。光学系１０は、光濃縮装置として使える。光学系１０は、太陽電池やエネルギーに光を集中するのに使うことができる。図３２に示すように、光学系１０は、集光太陽電池パネルなどの集光システムに利用され、集光の有効面積を増加させる。光学系１０ａ、１０ｂは、太陽電池パネル９７０の近くに配置する。光線９７５に示すように、太陽光は、太陽電池パネル９７０に直接到達する。光線９７３と９７４は光線光デバイスに到達し、太陽電池パネルに与えられる、それによりスループットの向上できる。

図３３は、光学系１０ａおよび１０ｂは、または太陽光集積システム９７６の光学系１０ａに到達する太陽光線が光学系１０ｂを通過して、別のデバイス９７７の太陽電池パネルに到達する。これによって、電力生産を最大化できる。これは、機械的にターニングフィルムパラメーターを変えることで実現できる。

一実施形態によると、光学系をウェアラブルグラスなどウェアラブルガジェットに利用できる。光学系の構成が柔軟であれば、人間用のウェアラブルガジェットに利用可能性である。追加機能として、デバイスで虹彩や網膜を観察する、また認証するための画像を取得することが可能である。光学系は、また認証目的でユーザー認証カードとしても使える。図３４に示すように、光学系１０は、スリムな身分証明書として構成され、リーダーが主要なレンズへ光を方向付けして、指紋の部分を照らす。指からの光は、反射して、指紋画像を読み込んだリーダー１１１０に戻ってくる。ユーザー認証は、磁気またはＲＦカードの追加の読み取りによって処理する。リーダー上に指を置いた状態で磁気カードの読み取りを行うことで、一度の磁気カード読み取りで複合認証を可能にする。

幾何学構造体の一実施形態を図３５の６０１に示している。プリズムは、基本面６０４、リーディングエッジ面６０２、レーリングエッジ面６０３に囲まれた構造になっている。また、面６０４は、第２主面３４の部分である可能性がある。透明オプティックボリューム３７から生じる光線６０５は、面６０４を通過し、面６０２で反射して光線６０６として戻ってくる。面６０２での反射によって、光線の方向が変わる。本質的には、面３４や３５で反射した光線は、このようなターンは被らない。

図３５で示すとおり、光線６０５の入射角度６１１と反射角度６１２は、面法線６１０の測定値と同じである。ただし、面３４の面法線６１５を測定すると、角度６１４は面法線６０９で反射する光線６０６に対する角度６１３と異なる。この角度の変更は、幾何学構造体によって簡易化でき、光線６０５をオプティックボリューム３７へ抜けるように条件付けする。
リーディングエッジ面の角度６０８は、小さく、光線６０５の方向に小さなターンを加える。一実施形態では、角度６０８は、１０度未満である。別な実施形態では、角度は、３度未満である。更に別な実施形態では、角度は１度未満である。
角度６０８は比較的少ない実施形態では、光線６０５は、オプティックボリューム３７へ抜ける条件として、より多い回数の反射が必要である。つまり、面３４と３５の間の距離を短縮して、スキャン用のスリムな光学デバイスを可能にできる。

プリズム６０７の第２角度は、所定値未満である。これは光線６０６と面６０３との衝突を回避でき、光線や空間構造の損失を防ぐことが可能である。光線は、プリズム構造間で複数の相互作用を受ける可能性がある。各相互作用は結果として、追加ターンがある。第２角度６０７が選択され、それぞれのプリズムにおいて反射光線とプリズム面６０３との衝突を防ぐ。臨界角は、全内部反射が発生する入射角として定義される。一実施形態では、プリズム６０７の第２角度との差は、９０度以内である。更に一実施形態では、プリズム６０７の第２角度は、９０度以内で、臨界角の合計である。反射回数の積は、光線６０５とプリズム角度６０８の２倍の条件で決まる。

図３６は、面３４の方端から入る光線のパスを示している。光線が入ると、オプティックボリューム３７内において１つまたは複数の反射を受ける。多重反射が発生したとき、連続的に角度が変更され、反射のポイント間の距離が増加する。エントリーポイントと最初の反射の間の距離は、Ｄ０である。最初と２番目の反射の間の距離はＤ１である。これらの距離は、次式によって決まる。

Ｄ_０＝ｈ ｔａｎ（ｔ_ｃ）
Ｄ_１＝ ２ｈ ｔａｎ（ｔ_ｃ＋ｒ）
Ｄ_Ｎ＝２ｈ ｔａｎ（ｔ_ｃ＋Ｎｒ）
ここで、ｒは各反射で与えられたターンの角度、Ｎは反射レンズで起こった反射の合計数を示す。
光Ｌを受光する領域の長さは、距離Ｄ０＋Ｄ１＋…＋ＤＮの合計である。
図３７に示すように、伝搬領域の長さは、光を受ける適応領域を抜ける光線７１０による更なるターンによって減少する。伝搬領域内で減少した反射は、伝搬領域の長さを減少させる可能性がある。一実施形態では、伝搬領域の半対面は、銀メッキが施されている。これによって、臨界を越えもオプティックボリュームへ抜けるのを防いでいる。伝搬領域の反対側面は、ブラッグ回折格子、フォトニック結晶、または最適なミラーでコーティングすることができ、反射の効率化を向上させている。

図３８は、レンズの一体形の部品、１つの光センサー、レンズ、カメラを使用して複数の角度から情景や対象物のイメージングをする内容を示しています。異なる方向から来る同じまたは別の情景からの光は、分派面積７０５に入射して、反射レンズ７００を介してレンズの伝搬領域にはいる。光は、反射レンズ７００によって方向が変わり、メインのオプティックボリュームへ到達する。この反射レンズ７００は、第１反射レンズ１３の形状を成している場合がある。したがって、２つの異なる方向から入る光は、オプティックボリュームへ入り、メインオプティックボリュームと結合して、光センサーアセンブリに伝搬する。食品の品質管理のようにオブジェクトの正面図とともに側面図を示した構成になっている。

本発明は、ある好ましい実施形態を参照して詳細に説明したが、それは本発明がそれらの正確な実施形態に限定するものではない。むしろ、発明を実施するため現在の最良の形態を説明する本開示の観点から多くの修正やバリエーションであれば自分たち、範囲及び本発明の趣旨から逸脱することがなく当業者のものとする従って、本発明の範囲は、上述の説明ではなく次の主張によって示される。すべての変更、修正、意味とクレームの等価性の範囲内のバリエーションは、そのスコープ内で考慮される。

Claims (48)

1. 光学システムであって：
   オプティックボリュームを定義する透明な光学レンズであって、オプティックボリューム内に光を受け入れることに適合した第1主面レンズを含む前記透明な光学レンズと、オプティックボリュームの内部で内部的に反射するように、オプティックボリュームに受け入れられた光を屈折させるための第1屈折レンズとを含む、前記光学システム。
2. オプティックボリューム内部において光が連続的に反射する、請求項1に記載の光学システム。
3. 透明光学レンズが、第1主面の反対側にある第２主面、第1主面の一部上に配置されている第1屈折レンズ、および第２主面をさらに含む、請求項1に記載の光学システム。
4. 透明光学レンズが、オプティックボリュームの外からの光を方向付けるように設計された1つ以上の側面をさらに含む、請求項1に記載の光学システム。
5. 第1屈折レンズが、第1主面の幾何学的法線方向とは異なる方向に光を屈折させるように構成されている、請求項1に記載の光学システム。
6. 第1屈折レンズが、第２主面の幾何学的法線方向とは異なる方向に光を屈折させるように構成されている、請求項1に記載の光学システム。
7. 第1屈折レンズが、光を屈折させる幾何学的構造の配列を含む、請求項1に記載の光学システム。
8. 幾何学的構造が、反射の方向を選択的に変更するように構成されている、請求項6に記載の光学システム。
9. 幾何学的な構造が、該幾何学的構造の1つ以上の幾何学的面の動きを介して反射の方向を選択的に変更するように構成されている、請求項８に記載の光学システム。
10. 幾何学的構造の1つ以上の面が、望ましい周波数で振動するようにプログラムされている、請求項8に記載の光学システム。
11. 幾何学的構造の1つ以上の面が、微少流体作動によって変更される、請求項８に記載の光学システム。
12. 幾何学的な構造の配列が、角柱形もしくは台形をしている、請求項7に記載の光学システム。
13. 第1屈折レンズが、入射光の部分を同時に一方向以上の方向に方向付けることが可能となるように構成されている、請求項1に記載の光学システム。
14. 第1屈折レンズが、横方向に変化する屈折率をもつ素材から成る、請求項1に記載の光学システム。
15. 第1屈折レンズが、軸方向に変化する屈折率をもつ素材から成る、請求項1に記載の光学システム。
16. 第1屈折レンズが、一以上の方向に曲がっている、請求項1に記載の光学システム。
17. 第1屈折レンズが、第1主面及び第２主面のうち一方の一部上に配置されている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光学システム。
18. 第1屈折レンズが、弾性材料により形成されている、請求項１７に記載の光学システム。
19. 第1屈折レンズが、柔軟材料により形成されている、請求項１７に記載の光学システム。
20. 第1屈折レンズが、フィルムである、請求項１７に記載の光学システム。
21. 第1屈折レンズが、第1主面および第２主面どちらか一方の一部上形成された層である、請求項２〜２０のいずれか一項に記載の光学システム。
22. 第２主面が、第1主面と平行である、請求項２〜２１のいずれか一項に記載の光学システム。
23. 第２主面が、第1主面に対して一定の角度をなす、請求項２〜２１のいずれか一項に記載の光学システム。
24. オプティックボリュームが、固体である、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
25. オプティックボリュームが、液体である、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
26. 少なくとも一部のオプティックボリュームが、真空により形成される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
27. 透明レンズが、柔軟性をもつ、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
28. 透明レンズが、伸縮性をもつ、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
29. 第１主面、第２主面、及び第１屈折レンズの少なくともひとつが、反射防止コーティングで覆われている、請求項２〜２３のいずれか一項に記載の光学システム。
30. 第1主面上に望ましい角度で光を方向づけるための第２屈折レンズをさらに含み、該第２屈折レンズは第1主面とオプティックボリュームよりも反射率が低い層によって連結されている、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の光学システム。
31. 追加のオプティックボリュームを定義する追加の透明光学レンズと、内部反射後に透明光学レンズのオプティックボリュームから出る光を受けて該追加の透明レンズに向けて光を方向づけるように構成されたカプラーとをさらに含み、該追加の透明光学レンズは、カプラーによって方向づけられた光を受け入れるように構成される、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光学システム。
32. 波長選択フィルターが第1屈折レンズとオプティックボリュームの間に置かれている、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の光学システム。
33. 第1主面または第２主面のどちらかの一部上に光を方向付けるカプリングデバイスをさらに含む、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の光学システム。
34. 入射光の第1の部分がオプティックボリュームの内部に受け入れられ、入射光の第２の部分が透過する、請求項１〜３３のいずれか一項に記載の光学システム。
35. 第1屈折レンズが、第1面もしくは第２面のいずれかに、取り外し可能に取り付けられている、請求項２〜３３のいずれか一項に記載の光学システム。
36. 幾何学的構造が入射光の第1の部分を反射し、入射光の第２の部分を透過させるように適合されたものである、請求項６に記載の光学システム。
37. 透明レンズが、三角形の幾何学的側面形を有する伝播領域を含み、伝播領域内において第１主面と第２主面間の内部反射を通じて光が伝播される、請求項１〜３６のいずれか一項に記載の光学システム。
38. 複数の、互いに上下に重なった透明光学レンズをさらに含み、該透明光学レンズ少なくとも１つが、情景から入った光の一部を、少なくとも１つの他の透明光学レンズに方向づけるように構成されている、請求項１〜３７のいずれか一項に記載の光学システム。
39. 透明光学レンズが、複数の異なった視点からの光を受け入れ、その光を異なる視点に対応した第1屈折レンズの異なる位置に方向づけるように構成された、請求項１〜３８のいずれか一項に記載の光学システム。
40. 透明レンズが、筒状の幾何学的構造を含む、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の光学システム。
41. プリズムが、底面、前縁面、後縁面をさらに含み、プリズムの第１角が前縁面と底面の間にできる角度によって定義づけられ、プリズムの第２角が後縁面と底面の間にできる角度によって定義づけられている、請求項１２に記載の光学システム。
42. プリズムの第1角の値が臨界角の値の半分以下である、請求項４１に記載の光学システム。
43. プリズムの第２角の値が（９０−臨界角）の値よりも小さい、請求項４１に記載の光学システム。
44. プリズムの第２角の値が（９０−臨界角 − ２^*プリズムの第1角^*反射の数）の値よりも小さい、請求項４１に記載の光学システム。
45. カプラーが、第２オプティックボリューム内の光線の相互作用数が増加するように光を屈折させる、請求項３１に記載の光学システム。
46. カプラーが反射機である、請求項３１に記載の光学システム。
47. 対象物の追加的な寸法を取得するためのオプティックボリュームに追加的な光線を受け入れるように構成された派生的な領域をさらに含み、該派生的な領域は、追加的な光線を、屈折レンズによってあらかじめ定めた方法でオプティックボリュームに到達させることを可能にされたものである、請求項1に記載の光学システム。
48. 第１主面または第２主面の一部が、ブラッググレーティング、フォトニック結晶、または完全鏡により被覆されている、請求項３に記載の光学システム。