JP4994556B2 - 高明瞭度レンズシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
立体映像システムは、シーンの２次元以上の表現を用いて観察者にシーン（又はオブジェクト）の３次元の表現を提供する。シーンの２次元の表現は、わずかに異なるアングルから取られる。
【０００２】
立体映像システムの目標は、観察者に対してシーンの１つ以上の両眼用ビューを生成することである。全視差ビュー（full-parallax view）は、観察者がリアルなシーンを見る際にそれが存在するように、観察者の動きに関係なく遠近感をシミュレートする。
【０００３】
立体映像システムは、自動立体映像システム及び非自動立体映像システムを含む。非自動立体映像システムは、３次元のビューを見るために、ビューイングめがねのような装置を使用することを観察者に要求するが、自動立体映像システムの３次元効果は、直接的にシステムを見ることにより観察され得る。
【０００４】
Swan Cubeのような初期の立体映像装置は、シーンの２つのビューを同時に提供するためにプリズムの内部全反射（ＴＩＲ）を使用した。プリズムのＴＩＲは、観察者の眼の各々が２つの像の１つを見るように観察者に対してビューを提示することを可能にし、従って、奥行知覚を生成する。プリズム装置は、単一の視野角のみについて遠近感をシミュレートする。
【０００５】
透明プラスチック光学部品の導入後、円筒レンズ（レンズ形のレンズとして知られる）の１次元のアレイを用いた自動立体映像装置が作成された。レンチキュラーレンズのアレイは、合成ストリップイメージの関連したアレイを有する。各レンチキュラーレンズは、レンチキュラーレンズの全ての合成された表示がシーンの３次元のビューを提示するように、ストリップイメージの選択された部分を観察者に提示する。
【０００６】
レンチキュラーレンズを用いる装置は、いくつかの欠点を有する。第１に、レンチキュラーレンズは円筒形であり（即ち、それらは１次元で光パワーを有する）ので、それらは水平視野軸上でのみ視差を生成する。観察者の視野角が水平視野軸から外れる場合、３次元の表現は存在しなくなる。第２に、レンチキュラーレンズは非常に非点収差があり、従って、観察者が３次元の表現の焦点を完全に合わせることができない。第３に、２次元イメージがレンズアレイを介して照明を必要とする場合（即ち、イメージが自己発光せず、あるいはイメージがバック照明を可能にする透明又は半透明材料に印刷されていない）、３次元の表示は、アレイ内の不均一な分散から生じる不均一な明るさを有することになる。
【０００７】
別の自動立体映像システムは球面レンズ（又は非球面レンズ）のアレイを使用する。球面レンズアレイシステムは、マイクロイメージの関連した２次元アレイを有する。各マイクロイメージは、わずかに異なるアングルからキャプチャされたシーンの２次元ビューである。レンチキュラーレンズとは異なり、球面レンズは２次元で光パワーを有し、従って、観察者が水平視野軸から外れているにも関わらずシーンの３次元表現を維持することを可能にする。
【０００８】
各球面レンズは、球面レンズの全ての合成された表示がシーンの３次元ビューを提示するように、対応するマイクロイメージの選択された部分を観察者に提示する。理想的には、レンズアレイの各レンズシステムは単一のマイクロイメージに対応し、観察者がレンズアレイを通してマイクロイメージを見る際に、各レンズシステムが単一の対応するマイクロイメージの選択された部分から単一の色又は色調を伝えるようにする。
【０００９】
球面レンズアレイの欠点には、レンズアレイのレンズが過大な収差、及び複数のマイクロイメージから光を伝える傾向を有することが含まれる。これらの欠点の双方は、イメージ品質を低下させることになる。
【００１０】
レンズの球面（又は非球面）アレイの更なる利点は、３次元ビューイングシステム用のマイクロイメージのアレイをキャプチャする能力である。マイクロイメージのアレイをキャプチャする処理は、合成イメージング（integral imaging）として知られる。球面レンズアレイによりキャプチャされる像は、最初のうちシュードスコピックであるが、第２のアレイを用いてキャプチャされた像の再生によってオルソスコピックとなることができる。
【００１１】
像をキャプチャして再生する際に遭遇する問題は、アレイのレンズシステム間の光学的クロストークである。クロストークにより隣接する像がオーバラップし、マイクロイメージの劣化となる。クロストークに対する解決策は、マイクロイメージを生成する際のシーンの修正からレンズアレイの機械光学的な修正まで変動させることである。レンズアレイの機械光学的な修正には、レンズアレイを構成するレンズシステムの領域を制限するバッフルが含まれる。バッフル付きレンズシステムは、視野が制限されることになる。また、領域が、隣接するレンズシステムの領域にオーバラップしない視野制限システムは、「孤立」していることになる。クロストークに対する解決策は、実施するのにコストがかかる。
【００１２】
【発明の概要】
本発明のレンズシステムの態様は、光パワーを有する３つの光学的な境界からなる高明瞭度レンズシステムである。レンズシステムは、曲率半径Ｒを有する第１の境界と、第１の面から実質的に距離Ｒに位置する第２の境界と、第２の境界から少なくとも0.05Ｒに位置する第３の面とからなる。
【００１３】
本発明のレンズシステムの別の態様は、「光学的に視野が制限されている」レンズシステムを有するレンズアレイである。光学的に視野が制限されたシステムは、システムの視野のエッジがシステムのレンズ材料の光学的特性により決定されているシステムである。従って、本発明において、レンズの視野内の光は、実質的にレンズにより伝えられ、視野のエッジよりも大きい視野角の光は、内部全反射を用いてレンズシステムの表面により実質的に反射される。
【００１４】
共役点を有するレンズシステムは、曲率半径Ｒを有する第１の凸形の面からなる。システムは、第１の材料を介して第１の凸形の面に光学的に結合された第１の凹形の面を更に含み、第１の凹形の面は第１の凸形の面からほぼＲに等しい距離に配置される。システムは、第１の材料よりも低い屈折率を有する材料を介して第１の凹形の面に光学的に結合された第２の凸形の面を更に含み、第２の凸形の面は第１の凹形の面から少なくとも0.05Ｒに等しい距離に配置される。
【００１５】
レンズアレイは複数のレンズシステムからなり、レンズシステムは、曲率半径Ｒを有する第１の凸形の面と、第１の材料を介して第１の凸形の面に光学的に結合された第１の凹形の面とからなり、第１の凹形の面は第１の凸形の面からほぼＲに等しい距離に配置される。レンズアレイは、第１の材料よりも低い屈折率を有する材料を介して第１の凹形の面に光学的に結合された第２の凸形の面を更に含み、第２の凸形の面は第１の凹形の面から少なくとも0.05Ｒに等しい距離に配置される。
【００１６】
本発明の別の態様は再生システムであり、その再生システムは、第１の複数のレンズシステムからなる第１のレンズアレイと、第２の複数のレンズからなる第２のレンズアレイとからなり、第１のレンズアレイは物体平面を有し、第１の複数のレンズシステムの各々は、光軸を有し、第２のレンズアレイは像平面を有し、第２の複数のレンズの各々は光軸を有し、第２のレンズアレイは第１のレンズアレイの１つのレンズシステムに光学的に結合される。第１の複数のレンズのレンズシステムの少なくとも１つのレンズシステム、又は第２の複数のレンズの１つのレンズシステムは、像平面と物体平面の一方に対して光学的に視野が制限された面である。
【００１７】
物体の複数のマイクロイメージをキャプチャするためのマイクロイメージキャプチャシステムは、感光性媒体からなる。システムは感光性媒体に光学的に結合されたレンズアレイからなり、レンズアレイは曲率半径Ｒを有する第１の凸形の面を含む。システムは、第１の材料を介して第１の凸形の面に光学的に結合された第１の凹形の面と、第１の材料より低い屈折率を有する材料を介して第１の凹形の面に光学的に結合された第２の凸形の面とを更に含み、第１の凹形の面は、第１の凸形の面からほぼＲに等しい距離に配置され、第２の凸形の面は第１の凹形の面から少なくとも0.05Ｒに等しい距離に配置される。
【００１８】
３次元表現を生成するための３次元ビューイングシステムは、複数のマイクロイメージと、該複数のマイクロイメージに光学的に結合されたレンズアレイとからなる。レンズアレイは、曲率半径Ｒを有する第１の凸形の面、及び第１の材料を介して第１の凸形の面に光学的に結合された第１の凹形の面を有するレンズからなり、第１の凹形の面は第１の凸形の面からほぼＲに等しい距離に配置される。レンズは、第１の材料より低い屈折率を有する材料を介して第１の凹形面に光学的に結合された第２の凸形の面を更に有し、第２の凸形の面は、第１の凹形の面から少なくとも0.05Ｒに等しい距離に配置される。
【００１９】
光学システムは、レンズシステムと、該レンズシステムに光学的に結合されたフォトエレメント（photic element）からなる。レンズシステムは、第１の軸に関して対称であり、第１の軸に沿った寸法Ｘ、及び第２の軸に沿った寸法Ｙを有する第１の領域と、第１の領域と連続して第２の軸に関して対称であり、第１の軸に沿った寸法Ａ、及び第２の軸に沿った寸法Ｂを有する第２の領域とからなり、寸法Ａは寸法Ｘよりも小さい。
【００２０】
物点からの光を伝達するためのレンズシステムは、第１の面、臨界角を有する第２の面、及び第１の屈折率を有するレンズと、第２の面に隣接し、第１の屈折率より低い屈折率を有する領域とからなる。物点から発する各光線は、実質的に臨界角で第２の表面に当たる。
【００２１】
本発明の好適な非制限的な実施形態は、添付図面に関連して一例として説明される。
【００２２】
［発明の詳細な説明］
以下の説明の全体を通して、共通の参照番号を有する要素は共通の機能を有する。
【００２３】
本発明は、レンズアレイの収差を低減できる特徴を含む。図１Ａと図１Ｂは、未補正レンズシステムの収差を示すレンズエレメントの側断面図である。図１Ａの未補正エレメントＵ１においては、焦点の欠陥が主として球面収差に起因している。周辺部の光線が、レンズの軸の近くで入射する光線に比べて短い焦点で集束している。図１Ｂの未補正エレメントＵ２においては、円筒レンズエレメントにおいて焦点の欠陥が非点収差によって更に悪化されているように見える。Ｕ２の表示像平面（display image plane）ＩＰＤ上のグラフィック要素は、全ての方向において放射する放射点ＰＲとして仮定され得る。図１Ｂの左側に示されるような円筒レンズの縦軸上の光線トレースは、右側に示された横軸上の光線トレースとは異なる幾何学的形状を生じる。組み合わせられた幾何学的形状は、非点収差の円筒形波面ＣＷを生じる。本発明内のシステムは、回転対称マイクロレンズアレイの使用を提案し、そのマイクロレンズアレイは、本質的に非点収差が無く、焦点の残った欠陥を著しく低減できる非球面の表面を含む。
【００２４】
本発明によるレンズシステムは、システムの用途に依存する焦点システム又は無限焦点システムとして動作するように設計され得る。焦点システムは、無限物体平面及び仮想物体平面を含む。図２Ａ〜図２Ｄは、本発明と共に用いるための適切な種々の焦点状態の略図である。
【００２５】
図２Ａは、本発明によるレンズシステム２００の断面図である。レンズシステム２００は、像平面２０２を有する。像点２０４は像平面２０２上に位置する。レンズシステム２００は焦点システムであり、像点２０４からの光を有限の物点２０６まで集束する。有限の物点２０６を有する視野制限レンズシステムは、電気通信装置又は以下に説明されるような再生システム等の装置において有用である。
【００２６】
図２Ｂは、本発明によるレンズシステム２１０の断面図である。レンズシステム２１０は、像平面２１２を有する。像点２１４は像平面２１２上に位置する。レンズシステム２１０は、無限焦点システムであり、像点２１４からの光を無限の物体平面まで集束する。無限の物体平面を有するレンズシステムは、人間によって見られるべき装置において、又は光通信において有用である。しかしながら、観察者の瞳の直径Ｄより小さい外面寸法を有するコリメーティングレンズシステムのアレイを見る場合、観察者の瞳は、隣接するコリメートされたレンズシステムなどの周囲の光源がレンズ２１０の出力を集束させるための観察者の能力を低下させるように満たされないかもしれない。直径Ｄは瞳孔直径と呼ばれる。
【００２７】
図２Ｃは、本発明によるレンズシステム２２０の断面図である。像点２２４は像平面２２２上に位置する。レンズシステム２２０は無限焦点システムであり、像点２２４からの光を仮想像点２２６まで発散する。レンズシステム２２０からの光を受け取る観察者は、レンズシステム２２０の背後から発生するように思われる点を見るであろう。
【００２８】
仮想物点を有するレンズシステムは、人間によって見られるように設計された装置において有用である。特に、瞳孔直径Ｄより小さい外面寸法を有するレンズシステムにおいて、レンズシステムは、観察者の瞳を満たすように設計され得る。人間によって見られるべきシステムにおいて、瞳孔直径Ｄは、予想される視距離Ｓで人間の眼の瞳孔の直径にほぼ等しいことが好ましい。
【００２９】
図２Ｄは、本発明によるレンズシステム２３０の断面図である。レンズシステム２３０は像平面２３２を有する。像点２３４は像平面２３２上に位置する。レンズシステム２３０は焦点システムであり、像点２３４からの光を有限の物点２３６まで集束する。レンズシステム２３０からの光を受け取る観察者は、レンズシステム２３０の前面で発生するように思われる点を見るであろう。
【００３０】
物点２３６はレンズシステム２３０からの距離Ｔに位置する。レンズシステム２３０は、レンズシステム２３０からの距離Ｓの観察者によって見られるように設計され（ＳはＴより大きい）、光が距離Ｓの観察者の瞳を満たすようにしている。レンズシステム２３０を見る観察者は、レンズシステム２３０の前面で発生するように思われる像を受け取るであろう。
【００３１】
図２Ｃ〜図２Ｄに関連して説明された特徴は、人間によって見られるべきシステムの品質を改善するために、本発明のアレイシステムに適用される。
【００３２】
明細書の全体を通して、以下の定義を適用する。用語「物体平面」と「像平面」は、レンズシステム又はレンズシステムのアレイの共役平面を指す。しかしながら、用語「物体」と「像（イメージ）」は制限されず、像平面と物体平面は、レンズシステムの特定の用途に依存する、光放射、光検出、それらの双方又はどちらでもないものとすることができる。用語「物点」は、レンズシステムの有限又は無限の物体平面上の点を指す。用語「像点」は、レンズシステムの像平面上の点を指す。
【００３３】
図３Ａは、本発明による高明瞭度３エレメントレンズシステム１００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム１００は、光軸１１０と像平面１１２を有する。光１０５の光線は、物点と像点１２０に対応する。レンズ１００は、第１のレンズ１２５、第２のレンズ１５０、及びレンズ１２５とレンズ１５０との間の領域１６６を含む。
【００３４】
レンズシステム１００は、マルチエレメントの光学システムであり、第１のレンズ１２５、第２のレンズ１５０、及びレンズ１２５とレンズ１５０との間の領域１６６を含み、領域１６６は、空気以外の低屈折率の材料である。レンズシステム１００は、任意の光学システムであり、第１のレンズ１２５、第２のレンズ１５０、及びレンズ１２５とレンズ１５０との間の領域１６６を含み、領域１６６は、空気以外の低屈折率の材料であり、領域１６６は第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０との間に第３のレンズ１７５を形成する。レンズシステム１００は、任意の光学システムであり、第１のレンズ１２５、第２のレンズ１５０、及びレンズ１２５とレンズ１５０との間の領域１６６を含み、領域１６６は、空気以外の低屈折率の材料であり、領域１６６は第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０との間に第３のレンズ１７５を形成し、第３のレンズ１７５の第１の面１７６と第２の面１７７は、第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０によって画定される。
【００３５】
第１のレンズ１２５は第１の面１２６、第２の面１２７を有し、比較的高い屈折率を有する材料から作成される。第２のレンズ１５０は、第１の面１５１、第２の面１５２を有し、比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成される。
【００３６】
第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０は、光学的に透過的である比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０は、光波長又は赤外線波長で光学的に透過的である比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０は、光波長又は赤外線波長で光学的に透過的であり、光学的レンズエレメントへと構成することができる比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０は、光波長又は赤外線波長で光学的に透過的であり、光学的レンズエレメントへと構成することができる比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成されることができ、この場合、屈折率は約1.6に等しい。レンズ１２５と１５０を作成するための適切な材料の例は、ポリカーボネイト、スチレン、ポリアミド、ポリスルホン、光学ガラス、又はゲルマニウムのような赤外線伝達材料である。比較的高い屈折率を有する他の材料を使用できることは、言うまでもない。
【００３７】
領域１６６を占める第３のレンズ１７５は、第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０に比べて低い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第３のレンズ１７５は、第１のレンズ１２５と第２のレンズ１５０に比べて低い屈折率を有する任意の材料から作成されることができ、この場合、屈折率は1.29〜1.42である。第３のレンズ１７５を作成するための適切な材料の例は、低屈折率のフルオロポリマー、光学流体、ゲル、セラミックス、光学発泡樹脂、スラリー、及び化合物である。光学発泡樹脂の１つの特定例は、Sol-Gelである。比較的低い屈折率を有する他の材料を使用できることは、言うまでもない。
【００３８】
３エレメントレンズシステム１００は、非ゼロ光パワー、第１の面１２６、第２の境界１９０、及び第３の境界１９１を有する３つの光学的境界を有する。第１の面１２６は、第１の頂点１０２と曲率半径Ｒを有する。第１の面１２６は、正のパワーを有する任意の光学的境界である。第１の面１２６は、正のパワーと凸形の面を有する任意の光学的境界である。
【００３９】
第２の境界１９０は、第１のレンズ１２５の第２の面１２７と第３の光学レンズ１７５の第１の面１７６の境界面に位置する。第２の境界１９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界である。第２の境界１９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、そのため第１のレンズ１２５の第２の面１２７が凹形の湾曲部を有する。第２の境界１９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、そのため第１のレンズ１２５の第２の面１２７が偏球の凹形の湾曲部を有する。第２の境界１９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、そのため第１のレンズ１２５の第２の面１２７が偏球の凹形の湾曲部を有し、第２の境界１９０は第１の面１２６から実質的に距離Ｒに位置する。第２の境界１９０は、第１の頂点１０２から0.7Ｒ〜1.4Ｒ離れて位置することができる。
【００４０】
第３の境界１９１は、第２のレンズ１５０の第１の面１５０と第３のレンズ１７５の第２の面１７７の境界面である。第３の境界１９１は、正のパワーを有する任意の光学的境界である。第３の境界１９１は、正のパワーを有する任意の光学的境界であり、そのため第２のレンズ１５０の第１の面１５１が凸形である。第３の境界１９１は、正のパワーを有する任意の光学的境界であり、そのため第２のレンズ１５０の第１の面１５１が長形又は外曲の凸形の面である。この開示の目的のために、用語「外曲（reflexed）」は、局所的な凸形の湾曲部の領域と局所的な凹形の湾曲部の領域を有する境界を意味する。第２の境界１９１は、光軸１１０において第１の境界１９０から少なくとも0.05Ｒに位置する。
【００４１】
第４の面１５２は光学的境界である。第４の面１５２は連続した面を有する任意の光学的境界である。光表面１５２は、連続した面とゼロ光パワーを有する任意の光学的境界である。好適には、第４の面１５２は、ゼロ光パワーを有する連続した面であり、レンズシステム１００の像平面１１２に配置される。
【００４２】
必要に応じて、レンズシステム１００は、反射防止、耐磨耗、又は耐熱の目的のためのコーティングを有する１つ以上の面を含んでも良い。代案又は反射防止コーティングを引き立たせることとして、副波長マイクロ構造を用いて反射を低減できる。副波長マイクロ構造は、レンズが成形（molding）プロセスを用いて作成される場合、成形プロセス中に形成され得る。更に、任意のレンズ面は、色収差を低減するという理由のために、ハイブリッド屈折／回折表面とすることができる。
【００４３】
図３Ｂは、本発明による２エレメントレンズシステム３００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム３００のような２エレメントシステムにおいて、レンズ３２５とレンズ３５０との間の低屈折率材料の領域３６６は、空隙である。当業者ならば、用語「空隙」が真空又は空気のような気体を含むことであり、領域３６６が「エアギャップ」であることを理解するであろう。
【００４４】
レンズシステム３００は、第１のレンズ３２５、第２のレンズ３５０、及びレンズ３２５とレンズ３５０との間の領域３６６を含む、任意のマルチエレメント光学システムである。レンズシステム３００は、光軸３１０と像平面３１２を有する。光３０５の光線は物点から発する。
【００４５】
第１のレンズ３２５は第１の面３２６、第２の面３２７を有する。第２のレンズ３５０は第１の面３５１、第２の面３５２を有する。
【００４６】
第１のレンズ３２５と第２のレンズ３５０は、光学的に透過的である任意の材料から作成され得る。第１のレンズ３２５と第２のレンズ３５０は、光波長又は赤外線波長において光学的に透過的である任意の材料から作成され得る。第１のレンズ３２５と第２のレンズ３５０は、光波長又は赤外線波長において光学的に透過的であり、光学レンズエレメントへと構成できる任意の材料から作成され得る。第１のレンズ３２５と第２のレンズ３５０は、光波長又は赤外線波長において光学的に透過的であり、光学レンズエレメントへと構成できる任意の材料から作成されることができ、この場合、屈折率はほぼ1.5〜1.8に等しい。レンズ３２５と３５０を作成するための適切な材料の例は、ポリカーボネイト、アクリル樹脂、スチレン、ポリイミド、ポリスルホン、光学ガラス、又はゲルマニウムのような赤外線伝達材料である。同じ屈折率を有する他の材料を用いることができることは、言うまでもない。
【００４７】
レンズシステム３００は、非ゼロ光パワー、第１の面３２６、第２の面３２７、及び第３の面３５１を有する３つの光学的境界を有する。第１の面３２６は、正のパワーを有する任意の光学的境界である。第１の面３２６は、正のパワーと凸形の面を有する任意の光学的境界である。第１の面３２６は第１の頂点３０２と曲率半径Ｒを有する。
【００４８】
第２の面３２７は、負のパワーを有する光学的境界である。第２の面３２７は、負のパワーを有する任意の凹形の光学的境界である。第２の境界３９１は、負のパワーを有する任意の偏球の凹形の光学的境界である。第２の面３２７は、負のパワーを有する任意の凹形の偏球の光学的境界であり、第１の面３２６から実質的に距離Ｒに位置する。第２の面３２７は第１の頂点３０２から0.7Ｒ〜1.4Ｒ離れて位置することができる。
【００４９】
第３の面３５１は、正のパワーを有する光学的境界である。第３の面３５１は、正のパワーを有する任意の凸形の光学的境界である。第３の面３５１は、正のパワーを有する任意の凸形の球形の光学的境界である。代案として、第３の面３５１は、偏球、又は長形、あるいは高次の非球体とすることができる。第３の面３５１は光軸３１０において第２の面３２７から少なくとも0.05Ｒに位置する。
【００５０】
第４の面３５２は光学的境界である。第４の面３５２は連続した面を有する任意の光学的境界である。光表面３５２は、連続した面とゼロ光パワーを有する任意の光学的境界である。好適には、第４の面３５２は、ゼロ光パワーを有する連続した面であり、レンズシステム３００の像平面３１２に配置される。
【００５１】
必要に応じて、レンズシステム３００は、反射防止、耐磨耗、又は耐熱の目的のためのコーティングを有する１つ以上の面を含んでも良い。代案又は反射防止コーティングを引き立たせることとして、副波長マイクロ構造を用いて反射を低減できる。副波長マイクロ構造は、レンズが成形プロセスを用いて作成される場合、成形プロセス中に形成され得る。更に、任意のレンズ面は、色収差を低減するという理由のために、ハイブリッド屈折／回折表面とすることができる。
【００５２】
前述したように、明細書の全体を通して、以下の定義を適用する。用語「物体平面」と「像平面」は、レンズシステム又はレンズシステムのアレイの共役平面を指す。しかしながら、用語「物体」と「像（イメージ）」は制限されず、像平面と物体平面は、レンズシステムの特定の用途に依存する、光放射、光検出、それらの双方又はどちらでもないものとすることができる。
【００５３】
用語「物点」は、レンズシステムの有限又は無限の物体平面上の点を指す。用語「物体側の視野角」は、レンズシステムの開口絞りの中心を通って伝達される物点からの光の光線とレンズシステムの光軸との間に形成された、レンズシステムの物体側で測定されたような角度を指す。用語「物体側視野のエッジ」は、レンズシステムの伝達がほぼゼロまで低減される光軸からの最も遠い角距離における視野角を指す。一実施形態では、物体側視野のエッジにおいて、レンズシステムはレンズシステムに入射する光の１％以下を像平面に伝達する。以下に説明されるレンズシステムが、光軸に関して回転対称である単一の物体側視野のエッジを有することは理解されたい。従って、光軸を含む断面図において、レンズシステムは、２つの物体側視野のエッジを有し、それぞれのエッジが単一の物体側視野のエッジの部分である。用語「物体側視野」は、物体側視野のエッジ内の全ての点を指す。物体側視野のエッジより大きい物体側視野角を有する物点は、「視野のエッジを超えている」と呼ばれる。
【００５４】
用語「像点」は、レンズシステムの有限又は無限の像平面上の点を指す。用語「像側の視野角」は、レンズシステムの開口絞りの中心を通って伝達される像点からの光の光線とレンズシステムの光軸との間に形成された、レンズシステムの像側で測定されたような角度を指す。用語「像側視野のエッジ」は、レンズシステムの伝達がほぼゼロまで低減される光軸からの最も遠い角距離における視野角を指す。一実施形態では、像側視野のエッジにおいて、レンズシステムはレンズシステムに入射する光の１％以下を物体平面に伝達する。従って、光軸を含む断面図において、レンズシステムは、２つの像側視野のエッジを有し、それぞれのエッジが単一の像側視野のエッジの部分である。用語「像側視野」は、像側視野のエッジ内の全ての点を指す。像側視野のエッジより大きい像側視野角を有する物点は、「視野のエッジを超えている」と呼ばれる。
【００５５】
図４Ａは、物体側の視野が光学的に制限された別個のレンズシステム４００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム４００は、１つ以上のレンズエレメント４０５を有する汎用のマルチエレメントレンズシステムであり、実効焦点距離Ｆ（図示せず）を有する。レンズシステム４００は、像平面４１０と光軸４２５を有する。
【００５６】
光線４５０は像平面４１０上に像点４２０を形成する。光線４５０は物体側視野のエッジにおける物点から発する。
【００５７】
物体側の視野が光学的に制限されたシステムは、システムの物体側視野のエッジがシステムのレンズ材料の光学的特性により決定される任意のシステムである。物体側の視野が光学的に制限されたシステムは、物体側視野のエッジが内部全反射により実質的に決定される任意のシステムである。物体側の視野が光学的に制限されたシステムは、物体側視野のエッジが内部全反射により実質的に決定され、視野角の関数としての物体側視野のエッジに非常に接近した物点からの光の伝達が、実質的に入射角の関数としての内部反射の伝達曲線の形状内である、任意のシステムである。ケース５〜９は、物体側の視野が制限されたレンズシステムを有するレンズシステムの例である。
【００５８】
図４Ｂは、像平面４１０の位置の関数としての、光学的に視野が制限されたレンズシステム４００の物体側の伝達Ｔを示す。点４２０が物体側視野のエッジに対応するため、点４２０に対する光の伝達は、１％以下である。
【００５９】
図５Ａは、物体側の視野が光学的に制限されたレンズシステム５００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム５００は、第１のレンズ５２５、第２のレンズ５５０、及びレンズ５２５とレンズ５５０との間の領域５６０を含む、任意のマルチエレメント光学システムである。レンズシステム５００は、焦点距離Ｆ、光軸５１０、及び像平面５１２を有する。光線５０５は、物体側視野のエッジにおける物点から発する。光線５０５は像点５２０を形成する。
【００６０】
第１のレンズ５２５は、第１の面５２６、第２の面５２７を有する。第２のレンズ５５０は、第１の面５５１、第２の面５５２を有する。第１のレンズ５２５と第２のレンズ５５０は、光学的に透過的である任意の材料から作成され得る。第１のレンズ５２５と第２のレンズ５５０は、光波長又は赤外線波長において光学的に透過的である任意の材料から作成され得る。第１のレンズ５２５と第２のレンズ５５０は、光波長又は赤外線波長において光学的に透過的であり、光学レンズエレメントへと構成できる任意の材料から作成され得る。レンズ５２５と５５０を作成するための適切な材料の例は、ポリカーボネイト、スチレン、ポリアミド、ポリスルホン、光学ガラス、又はゲルマニウムのような赤外線伝達材料である。比較的高い屈折率を有する他の材料を使用できることは、言うまでもない。
【００６１】
領域５６０は、レンズ５２５とレンズ５６０の材料に比べて低い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。領域５６０は、空隙とすることができ、あるいは光の光波長又は赤外線波長に対して光学的に透過的であるレンズ５２５とレンズ５５０の材料より低い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。領域５６０は、空隙とすることができ、あるいは光の光波長又は赤外線波長に対して光学的に透過的であるレンズ５２５とレンズ５５０の材料より低い屈折率を有し、光学レンズエレメントへと構成できる任意の材料から作成され得る。
【００６２】
レンズシステム５００は、非ゼロ光パワー、第１の面５２６、第２の面５２７における第２の境界５９０、及び第３の面５５１における第３の境界５９１を有する３つの光学的境界を有する。第１の面５２６は、正のパワーを有する光学的境界である。第１の面５２６は正のパワーと凸形の湾曲部を有する光学的境界である。第２の境界５９０は負のパワーを有する光学的境界である。第２の境界５９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、第２の面５２７が凹形の湾曲部を有する。第２の境界５９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、第２の面５２７が凹形の湾曲部を有し、第２の境界５９０における相対的な屈折率は約1.5以上である。
【００６３】
第３の境界５９１は、正のパワーを有する光学的境界である。第３の境界５９１は、正のパワーを有する任意の光学的境界であり、第３の面５５１が凸形の湾曲部を有する。
【００６４】
第４の面５５２は光学的境界である。第４の面５５２は、連続した面を有する任意の光学的境界である。光表面５５２は連続した面とゼロ光パワーを有する任意の光学的境界である。好適には、第４の面５５２は、ゼロ光パワーを有する連続した面であり、面５５２が像平面５１２と一致した屈折率であるようにレンズシステム５００の像平面５１２に配置される。
【００６５】
レンズシステム５００は、等角面として第２の面５２７を作成することにより物体側視野が制限されるように構成される。等角面は、（物体平面のような）平面上の所定の点から発する各光線が単一の予め選択された角度で面に当たる任意の表面である。所定の点からの各光線が、所定の角度で等角面に当たるため、特定の点に近い物体平面上の点からの光は、等角面により伝達され、そのため物体平面上の位置の関数としての伝達は、実質的に内部反射の伝達曲線の形状内にある。所定の角度が面の臨界角である場合、所定の点から等角面に入射する実質的に全ての光は、内部全反射により反射されることになる。
【００６６】
面５２７は、所定の物点から発する各光線が単一の予め選択された角度で面に当たる任意の等角面である。面５２７は、物体側視野のエッジにおける物点から発する各光線が単一の予め選択された角度αで面に当たる任意の等角面である。面５２７は、物体側視野のエッジにおける所定の物点から発する各光線が等角面の臨界角で当たり、そのため視野のエッジを超えた部分から発する光が内部全反射により像平面５１２から離れるように反射される、任意の等角面である。
【００６７】
実質的に等角な面は、所定の物点から発する各光線が実質的に単一の予め選択された角度で面に当たる表面である。実質的に等角な面は、等角面の多くの特質を示す。
【００６８】
図５Ｂは、図５Ａのライン５Ｂ−５Ｂに沿って取られたレンズシステム５００の上面図である。外周部５０１は、第１の面５２６の外周部である。円５２１を構成する像点は、物体側視野のエッジ上の点から発する光の像点に対応する。好適な実施形態において、レンズシステム５００は、物体側視野のエッジ上の点から発する光を光軸５１０から0.375Ｆ〜0.399Ｆに等しい距離に集束し、従って、レンズシステムの視野を制限する。Ｆはレンズシステムの実効焦点距離である。ケース５〜９は、実質的に等角な第２の面を有するレンズシステムの例である。
【００６９】
図５Ｃ〜図５Ｅに関連した以下の説明は、図５Ａに示された等角面５２７のような等角面の設計と機能を例示するつもりである。説明は、等角面が如何にして設計されるかを制限するつもりはなく、全ての等角面、及び等角面を含む全ての光学システムは、等角面が如何にして設計されたかに関わらず本発明の範囲内にある。
【００７０】
図５Ｃは、レンズシステム５００の側断面図である。光線５０５は、単一の物点から発する全光線に対応する例示的な光線である。最初にレンズ５００に遭遇する光線５０５は、第３の面５５１、領域５６０、及び第４の面５５２に当たる前に第１のレンズエレメント５２５の第１の面５２６でレンズシステム５００に当たる。
【００７１】
曲線５３０〜５３４は、等角曲線の例示的なサブセットであり、曲線５３０〜５３４のそれぞれは、光線５０５に対して等角な曲線である。曲線５３０〜５３４は、一連の光線５０５の各々が予め選択された角度αで曲線に当たる曲線である。等角曲線５３０〜５３４の各々は、像点５２０と光軸５１０を含む平面内の全体的な２次元構成体である。以下に説明されるように、第１のレンズエレメント５２５の第２の面は、光線５０５の選択された等角曲線に対応するように構成される。
【００７２】
各曲線５３０〜５３４は、光線５０５に対して等角であるが、光軸５１０に沿って測定されたような第１の面５２６からの異なる距離に配置される。例えば、光軸５１０に沿って測定されるような第１の面５２６から曲線５３０までの距離は、ｄにより表される。理解されるべきは、任意の物点及び任意の選択される予め選択された角度αに対して、無限数の等角曲線が存在し、各曲線が光軸５１０に沿って測定されたような第１の面５２６からの異なる距離に位置することである。
【００７３】
図５Ｄは、レンズ５００の側断面図である。等角曲線５３５〜５３９は等角曲線のサブセットであり、曲線は、光線５０５が臨界角θで等角曲線５３５〜５３９に当たるように選択された。当業者ならば理解されるように、臨界角θは、第１のレンズ５２５の材料と密閉された領域５６０の材料の屈折率により画定される。
【００７４】
垂線５０９、５１１、５１３、５１４、５１６はそれぞれ、曲線５３５〜５３９の各々が光軸５１０を横切る点で位置を決定されたような等角曲線５３５〜５３９の垂線である。等角曲線５３７の垂線５１３は、曲線５３７が光軸５１０を横切る点で光軸５１０に平行である。垂線５１３は、面５２６の湾曲部のほぼ中心で光軸５１０を横切る。
【００７５】
図５Ｅは、レンズ５００の側断面図である。光線５１６のサブセットは、等角曲線５３７に当たる前に光軸５１０を横切る光線５０５のサブセットである。従って、全ての光線５１６は、光軸５１０の片側で等角曲線５３７に当たる。
【００７６】
部分５９０は、光線５１６が曲線５３７に当たる曲線５３７の部分である。部分５９０は、光軸５１０と点５２０を含む平面内の全体的な２次元構成体である。部分５９０は、光軸５１０から選択された終点５９１まで延びる。終点５９１は、光線５１７と５１８が互いに交差しないような選択された部分５９０上の任意の点である。光線５１７と５１８は、曲線５３７に当たる物点からの極めて最多数の光線である。
【００７７】
第１のレンズ５２５の第２の面は、光軸５１０に関して任意の等角曲線の部分を回転させることにより等角面となるように構成されることができ、等角曲線は、単一の物点からの一連の光線が単一の予め選択された角度αで等角曲線に当たる曲線である。第１のレンズ５２５の第２の面は、光軸５１０に関して等角曲線の部分を回転させることにより等角面となるように構成されることができ、等角曲線は、単一の物点からの一連の光線が物点に対する単一の予め選択された角度で等角曲線に当たり、予め選択された角度が臨界角である。第１のレンズ５２５の第２の面は、光軸５１０に関して等角曲線５３７の部分５９０を回転させることにより等角面となるように構成され、等角曲線は、単一の物体視野点からの一連の光線が物点に対する単一の予め選択された角度で等角曲線に当たり、予め選択された角度が臨界角であり、曲線の各々が光軸５１０に交差する点における等角曲線の垂線が、光軸５１０に平行である。
【００７８】
第１のレンズ５２５の第２の面は、ほぼ等角的な面とすることができ、そのため光線が第１のレンズ５２５の第２の面に当たる角度αは、等角ではないが、ほぼ等角であり、従って、等角面の多くの有用な特性が示される。
【００７９】
実質的に等角な面は、メリット関数（merit function）に従って性能を最適化するために、レンズ設計プログラムを用いて光学システム５００を最適化することになる等角面の球面又は非球面の近似のような面であり、特定のレンズシステムのメリットは、物体側光学視野と他のレンズ特性の重み付けされた平均である。
【００８０】
光線５１７と５１８が交差する実施形態は、本発明の範囲内である。光線５１７と５１８が交差する実施形態は、レンズが特定の目的に有用でないようにレンズシステム５００の像品質が劣化しない場合、有用である。
【００８１】
図６Ａは、像側の視野が光学的に制限される個別のレンズシステム６００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム６００は、１つ以上のレンズエレメントを有する汎用のマルチエレメントレンズシステムであり、焦点距離Ｆを有する。レンズシステム６００は像平面６１０と光軸６２５を有する。
【００８２】
光線６５０は、像側視野のエッジにおける像平面６１０上の像点６２０から発する。光線６５０は、レンズシステム６００によりレンズシステム６００の物体側に伝達される。
【００８３】
像側の視野が光学的に制限されるシステムは、システムの像側視野のエッジがシステムのレンズ材料の光学的特性により決定される任意のシステムである。像側の視野が光学的に制限されるレンズシステムは、像側視野のエッジが内部全反射により実質的に決定される任意のレンズシステムである。像側の視野が制限されるレンズシステムは、像側視野のエッジが内部全反射により実質的に決定され、視野角の関数としての像側視野のエッジに非常に接近した像点からの光の伝達が、実質的に入射角の関数としての内部反射の伝達曲線の形状内である任意のレンズシステムである。ケース５〜９は像側の視野が制限されるレンズシステムを有するレンズシステムの例である。
【００８４】
図６Ｂは、像平面６１０の位置の関数としての、光学的に視野が制限されたレンズシステム６００の物体側の伝達Ｔを示す伝達曲線６６０である。点６２０が物体側視野のエッジに対応するため、点６２０に対する光の伝達は１％以下である。
【００８５】
図７Ａは、像側の視野が光学的に制限されるレンズシステム７００の実施形態の一例の側断面図である。レンズシステム７００は、第１のレンズ７２５、第２のレンズ７５０、レンズ７２５とレンズ７５０との間の領域７６０を含む、任意のマルチエレメント光学システムである。レンズシステム７００は焦点距離Ｆ、光軸７１０、及び像平面７１２を有する。光の光線７０５は、像側視野のエッジにおける像点７２０から発する。
【００８６】
第１のレンズ７２５は第１の面７２６、第２の面７２７を有し、比較的高い屈折率を有する材料から作成される。第２のレンズ７５０は、第１の面７５１、第２の面７５２を有し、比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成される。第１のレンズ７２５と第２のレンズ７５０は、光学的に透過的である比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第１のレンズ７２５と第２のレンズ７５０は、光波長又は赤外線波長で光学的に透過的である比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。第１のレンズ７２５と第２のレンズ７５０は、光波長又は赤外線波長で光学的に透過的であり、光学レンズエレメントへと構成できる比較的高い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。レンズ７２５と７５０を作成するための適切な材料の例は、ポリカーボネイト、スチレン、ポリアミド、ポリスルホン、光学ガラス、又はゲルマニウムのような赤外線伝達材料である。比較的高い屈折率を有する他の材料を使用できることは、言うまでもない。
【００８７】
領域７６０はレンズ７２５とレンズ７５０の材料より低い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。領域７６０は、空隙とすることができ、あるいは光の光波長又は赤外線波長に対して光学的に透過的であるレンズ７２５とレンズ７５０の材料より低い屈折率を有する任意の材料から作成され得る。領域７６０は、空隙とすることができ、あるいは光の光波長又は赤外線波長に対して光学的に透過的であるレンズ７２５とレンズ７５０の材料より低い屈折率を有し、光学レンズエレメントへと構成できる任意の材料から作成され得る。光学フルオロポリマーは、適切な低屈折率材料の例である。
【００８８】
レンズシステム７００は、非ゼロ光パワー、第１の面７２６、第２の面７２７における第２の境界７９０、及び第３の面７５１における第３の境界７９１を有する３つの光学的境界を有する。第１の面７２６は、正のパワーを有する任意の光学的境界である。第１の面７２６は正のパワーと凸形の湾曲部を有する任意の光学的境界である。第２の境界７９０は負のパワーを有する光学的境界である。第２の境界７９０は、負のパワーを有する任意の光学的境界であり、第２の面７２７が凹形の湾曲部を有する。第３の境界７９１は、正のパワーを有する任意の光学的境界であり、第３の面７５１が凸形の湾曲部を有する。
【００８９】
第４の面７５２は光学的境界である。第４の面７５２は、連続した面を有する任意の光学的境界である。光表面７５２は連続した面とゼロ光パワーを有する任意の光学的境界である。好適には、第４の面７５２は、ゼロ光パワーを有する連続した面であり、第４の面７５２が像平面７１２と一致した屈折率であるようにレンズシステム７００の像平面７１２に配置される。
【００９０】
レンズシステム７００は、像平面上の所定の点に対して等角面として第２の面７５１を作成することにより像側視野が制限されるように構成される。所定の点からの各光線が、所定の角度で等角面に当たるため、特定の点に近い物体平面上の点からの光は、等角面により伝達され、そのため物体平面上の位置の関数としての伝達は、実質的に内部反射の伝達曲線の形状内にある。所定の角度が面の臨界角である場合、所定の点から等角面に入射する実質的に全ての光は、内部全反射により反射されることになる。
【００９１】
面７５１は、所定の像点から発する各光線が単一の予め選択された角度で面７５１に当たる任意の等角面である。面７５１は、像側視野のエッジにおける像点から発する各光線が単一の予め選択された角度θで面に当たる任意の面７５１である。面７５１は、像側視野のエッジにおける所定の像点から発する各光線が等角面の臨界角で等角面に当たり、そのため視野のエッジを超えた部分から発する光が内部全反射により反射される、任意の等角面である。
【００９２】
図７Ｂは、図７Ａのライン７Ｂ−７Ｂに沿ったレンズシステム７００の上面図である。外周部７０１は、レンズシステム７００の第１の面７２６の外周部である。点７２０のような像点は、像側視野のエッジからの円７２１を構成する。レンズシステム７００の好適な実施形態において、像側視野のエッジは、光軸７１０から0.375Ｆ〜0.399Ｆに等しい距離に配置され、従って、レンズシステムの視野を制限する。Ｆはレンズシステムの実効焦点距離である。ケース５〜９は、実質的に等角な第３の面を有するレンズシステムの例である。
【００９３】
図７Ｃ〜図７Ｄに関連した以下の説明は、図７Ａの等角面７５１の設計と機能を例示するつもりである。説明は、等角面が如何にして設計されるかを制限するつもりはなく、全ての等角面、及び等角面を含む全ての光学システムは、等角面が如何にして設計されたかに関わらず本発明の範囲内にある。
【００９４】
図７Ｃはレンズシステム７００の側断面図である。光線７１５は、単一の像点７２０から発する全光線に対応する例示的な光線である。最初にレンズ７００に遭遇する光線７１５は、面７５２でレンズシステム７００に当たる。例示のために、第４の面７５２は、ゼロ光パワーを有し、レンズシステム７００の像平面７１２に配置され、像平面７１２と一致した屈折率である平坦な面である。
【００９５】
曲線７３０〜７３４は、等角曲線の例示的なサブセットであり、曲線７３０〜７３４のそれぞれは、光線７１５に対して等角な曲線である。曲線７３０〜７３４は、一連の光線７１５の各々が予め選択された角度βで曲線に当たる曲線である。等角曲線７３０〜７３４の各々は、像点７２０と光軸７１０を含む平面内の全体的な２次元構成体である。以下に説明されるように、第２の面７２７は、光線７１５の特定の等角曲線に対応するように構成される。
【００９６】
各曲線７３０〜７３４は、光線７１５に対して等角であるが、光軸７１０に沿って測定されたような第２の面７２７からの異なる距離に配置される。例えば、光軸７１０に沿って測定されるような第１の面７２６から曲線７３０までの距離は、ｄにより表される。理解されるべきは、任意の物点及び任意の選択される予め選択された角度βに対して、無限数の等角曲線が存在し、各曲線が光軸７１０に沿って測定されたような第１の面７２６からの異なる距離に位置することである。
【００９７】
図７Ｄは、レンズ７００の側断面図である。レンズシステム７００は、第１の面７２６と第２の面７２７を有する第１のレンズ７２５を有する。第２のレンズ７５０は第２の面７５２を有する。等角曲線７３５〜７３９は、等角曲線のサブセットであり、曲線は、光線７１５が臨界角θで等角曲線７３５〜７３９に当たるように選択される。当業者ならば理解されるように、臨界角θは、第２のレンズ７５０の材料と密閉された領域７６０の材料の屈折率により画定される。
【００９８】
第２のレンズ７５０の第１の面は、光軸７１０に関して回転対称であり、等角曲線７３５〜７３９の任意の湾曲部を近似する面を選択することにより、実質的に等角な面となるように構成されることができ、この場合、第２のレンズ７５０の第１の面は、単一の物点から発する一連の光線７１５が実質的に予め選択された角度で第２のレンズ７５０の第１の面に当たる表面である。第２のレンズ７５０の第１の面は、等角曲線７３５〜７３９の任意の湾曲部を近似し、光軸７１０と一致する頂点を有する面を選択することにより実質的に等角な面となるように構成されることができ、この場合、第２のレンズ７５０の第１の面は、単一の物点からの一連の光線７１５がほぼ予め選択された角度で第２のレンズ７５０の第１の面に当たる表面であり、予め選択された角度が臨界角θである。
【００９９】
以下のケース１〜４は、図３Ａに関連して上述された３エレメントの高明瞭度レンズシステム１００の例である。任意の非球面が、円錐型又は高次の多項式から適切に構成される。
【０１００】
【表１】

【０１０１】
【表２】

【０１０２】
【表３】

【０１０３】
【表４】

【０１０４】
ケース５〜９は、図３Ｂに関連して上述したような２エレメントの高明瞭度レンズシステム２００の例である。任意の非球面が、円錐型又は高次の多項式から適切に構成される。
【０１０５】
【表５】

【０１０６】
【表６】

【０１０７】
【表７】

【０１０８】
【表８】

【０１０９】
【表９】

【０１１０】
本発明による個々のレンズシステムの性能特性を説明してきたが、ここで３次元のイメージングシステムの用途に特別の注意を払いながら、レンズシステムがレンズアレイに実現される。
【０１１１】
図８は、図１Ａに示されたような未補正アレイの収差を示す未補正レンズシステムの側断面図である。図９は、ケース１に記載された３エレメントレンズシステムの側断面図であり、図８に示された未補正のレンズシステムに存在する収差の補正を示す。図１０Ａは、ケース５に記載された２エレメントレンズシステムの側断面図であり、図８に示された未補正のレンズシステムに存在する収差の補正を示す。図１１は、ケース４に記載された３エレメントレンズシステムの側断面図であり、図８に示された未補正のレンズシステムに存在する収差の補正を示す。
【０１１２】
ケース１、４、及び５は、Ｌ２とＬ３の幾何学的形状が共通の外周部に適合し、その共通の外周部が視野における全光線を包含する特別の状態を表す。図１０Ｂの点１００１は、共通の外周部に沿った点を示す。光表面Ｌ３は、表面Ｌ２とＬ３がそれ自体で位置合わせするように、表面Ｌ２に接触することは理解されるであろう。
【０１１３】
相対的な性能は、未補正レンズシステムのＭＴＦと本発明により形成されたレンズシステムのＭＴＦとを比較することにより、定量化され得る。図１２は、モノリシックアレイのＭＴＦを表し、一方、図１３と図１４はそれぞれ、ケース７とケース８のＭＴＦ出力を示す。図示された各ＭＴＦの解析は、５つの別個のプロット、即ち、オンアクシス（０）、目標像領域の７０％（0.7ｒ）と１００％（1.0ｒ）における矢印方向と接線方向のプロットを含む。像平面上のサンプリングされた半径の位置は、図２５の不規則な波線を参照することにより理解され得る。図１２は、アレイＵ１が約１００サイクル／ｍｍで５０％の変調コントラストを有することを示す。それらの領域において、Ｄ１とＤ２のアレイが未補正アレイよりもほんのわずかだけの改善を提供することがわかる。しかしながら、図１３は、ケース７のフルオロポリマーが充填されたＤ１アレイの７０％中心視野半径内で、５０％モジュレーションが２３０サイクル／ｍｍ以下の空間周波数を生じることを示す。図１４は、ケース８の空気が充填されたＤ２アレイにおいて、５０％モジュレーションが２４０サイクル／ｍｍの周波数において生じることを示す。Ｄ１とＤ２アレイの、ほぼ中間の位置（0.5）における明瞭度（acuity）のピークにおいて、５０％モジュレーションの空間周波数は３００サイクル／ｍｍに到達する。
【０１１４】
図１０Ｂは、光学的視野制限を示すケース５で説明された２エレメントレンズシステムの側断面図である。図１０Ｂは、Ｌ３におけるＴＩＲの計算の証明を示し、ここでは38.5°の半視野角で発生している。図１６Ａは、臨界角θに対する平行及び垂直偏光光の透過率を示す。図１６Ａは、透過率が臨界角の８０％を越えで突然に降下することを示す。図１６Ｂは、所定の視野角の８０％において選択的にマスクされるべき視野の放射照度を示す。図１６Ｂにおいて、ラインＴＶは、従来技術によるビネットされた絞りを通した視野の放射照度を示す。ラインＴＶ’は、マスクされた視野を越えたラインＴＶの延長部分を示す。ラインＴＴ１は、図１０Ａと図１０Ｂに記載されたような視野の放射照度を示す。ラインＴＴ１’は、視野の８０％において選択的にマスクされた視野を越えたレンズＴＴ１の連続を示す。図１６Ｂは、レンズシステムが本発明にしたがって形成された場合に、像領域自体の放射照度が突然に終わることを更に示す。更に、ラインＴＴ１と延長部分ＴＴ１’とを比較することにより、本発明によるレンズシステムの視野の放射照度が図１６Ａの伝達曲線に厳密に一致することが明らかである。
【０１１５】
上述された原理は、レンズアレイ及びディスクリートのレンズシステムに適用され得る。図面におけるレンズアレイは、選択された有限数のレンズシステムを有するレンズシステムのアレイとして図示されるが、任意のレンズアレイが２つ以上のレンズシステムの合同体からなることは理解されるべきであり、この場合、レンズシステムは平行に光りを処理し、本発明の範囲内にある。
【０１１６】
本発明の特定の実施形態において、説明された光学的視野制限の原理と収差補正が適用される。以下に説明される特定の実施形態は、キャプチャ、再生、３次元イメージのディスプレイに関する。本発明は、一意の幾何学的な状態を提供し、マイクロレンズにより形成されるリアルイメージは、それぞれ絶対的な外周部内に閉じこめられ、更に、像の外周部においてＴＩＲにより誘導されたフォールオフレートの効率がその理論的な最大に近づく。更に、内部全反射を用いて、マイクロイメージの再生中に第１のレンズアレイシステムから第２のレンズアレイシステムまでの角度放射を制限する。以下の説明において、光学的なクロストークが有効に除去され得ることが実証される。
【０１１７】
ここで、本発明の実施形態を示す図面を参照すると、図１７は、マスタアレイＭ１の透視図を示す。図面において、アレイの構造的な特徴を明らかにするために、屈折効果は無視される。図１９Ａは、概してマスタアレイＭ１の幾何学的形状を示し、Ｍ１が外側アレイＡ１と内側アレイＡ２から如何にして組み立てられるかを示す。図１９Ａに示された断面図は、個別マイクロレンズの外周部の最も近いアプローチの軸に沿って取られている。この断面の軸が図２４によって示される。
【０１１８】
図１８はマスタアレイと互換性がある表示アレイＤ１の透視図を示す。図２０Ａは、Ｄ１の概略の断面を示す。表示アレイの内部の隙間は、光を内部的に分散するためのプリズムの散光器を任意に含むことができる。これらのプリズムの隙間の起伏を最も良く図示するために、図２０Ａと図２０Ｂの断面の軸は、図１９Ａ〜図１９Ｄの選択された軸に対して９０°であり、Ａ１’とＡ２’は、Ｍ１のものと類似する外側アレイコンポーネントと内側アレイコンポーネントを示す。
【０１１９】
本発明において、特定の六角形のレンズレイアウトにより、種々の割合のマイクロイメージが焦点面上で効率的にタイル状に配列されることが可能となる。以下の詳細な説明において、マイクロイメージのタイル状配列パターンが、レンズのタイル状の配列と異なるように思われるかもしれない。水平レンジは、バイアスが水平軸に与えられるように不規則なマイクロイメージの外形（profile）を用いて拡張され得る。バイアスは、垂直レンジを低減することなく、双眼視により要求される追加の次元に対応するように十分であり、より大きなレンズ口径において潜在する収差を導入することなく、有効な視野領域を約１０°まで拡大する。選択された不規則な六角形も、従来の六角形により伴った無理数を回避し、正方形のピクセルとデータブロックの使用を可能にする。
【０１２０】
図１９Ａ〜図１９Ｄの各々は、上述した等角形状に適合した第１の屈折境界Ｌ２を示す。図１９Ａは、マスタアレイの一実施形態を示す。Ａ１とＡ２のアセンブリをマスタアレイＭ１に組み立てる前に、光阻止接着剤ＢがＡ２上の隆起ランドに塗布される。組み立て中、ＬＤ２は凹みランドＬＤ１に接触し、接着剤を側壁ＳＷの上へ押しやり、接着剤を重要でない領域ＢＤにあふれ出させる。従って、レンズの隙間は、実質的に不透明である。
【０１２１】
図１９Ａにおいて、マスタアレイＭ１は、臨界角θに特に注意を払って設計され、ＯＡはレンズセルの光軸を表す。ＣはＬ１の湾曲部の中心である。Ｔ１は、図２２〜図２５で説明される不規則な外形のイメージタイルである。点Ｎはタイルの対称的な限界を表す。文字Ｆは、イメージタイル内の任意のグラフィックパターン、例えば、投影されたリアルイメージ又は現像された写真乳剤を表す。
【０１２２】
臨界角がアレイ性能に関係する４つの特定の状況が、光線Ｒ１〜Ｒ５により特徴付けられ、図１９Ａに示される。この反射の影響は光線Ｒ１により図示され、θより大きい角度でＬ２に到来する全光線が反射されて離れていく。全反射は光軸においてまさに発生しないが、実際にはその入射角に関連した全光線に関して同時に発生する。ポリカーボネイト（ｎ＝1.586）内の臨界角は約３９°である。Ｒ１〜Ｒ４は、中心視野領域の外側に入る光線の振る舞いを示す。接合隙間ランドＬＤ１とＬＤ２がそれぞれ、コンポーネントアレイＡ１とＡ２上に形成され、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４を吸収するように仕組まれる。図１９Ａと図１９Ｃにおいて、円形の光線の末端は、吸収された光を表す。像領域外周部Ｐ１を越えた点Ｋから放出された光線Ｒ５は、Ｌ３におけるＴＩＲにより屈折される。
【０１２３】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、及び図１９Ｄは、システムの口径が縮小される方法を実証する。多くの想像される用途においてレンズの比較的小さなサイズに起因して、図示された口径縮小方法は、回折限界性能に降伏するように工夫され得る。図１９Ｂは、図１９Ａに示されたものと類似する内部形状を有する第２のケースのマスタアレイＭ２を示すが、Ｌ１における染料昇華型開口絞りＳＤによりＬ１において制限された開口を備える。図１９Ｂのアレイは、典型的にはマスタイメージを複製に伝達するために使用される。染料昇華型絞りＳＤは、平坦なポリカーボネイト基板上に穴の開いた格子を印刷し、材料のＬ１レンズのレリーフを熱形成することにより作成される。得られるガラス転移点において、染料がポリマーへと局所的に昇華する。図示のように、隙間領域ＰＬは平坦にすることができる。代案として、円錐形アラインメント部品ＣＡを、成形型に含めて、表示アレイＤ１との位置合わせを促進することができる。
【０１２４】
図１９Ｃは、第３のケースのマスタアレイＭ３を示す。Ｍ３は、写真の複製に、又は相補的に伝達イメージの高解像のビューイングに使用され得る。それた光線Ｒ６は、透明内側側壁により屈折されるが、外側側壁ＳＷにおいて光阻止材料Ｂにより閉じこめられる。光線Ｒ７はＰＬのＴＩＲにより反射され、ＳＷにおいて吸収される。従って、ランドＰＬは、見られるイメージが極限の視野角で観察される場合、暗い様相をもたらす。利用可能な視野は、Ｌ２におけるＴＩＲが完全にイメージを閉じこめる点Ｋまで拡張される。観察者は、Ｋに近づくにつれ、ピンぼけと反射の拡散に起因して、次第に消えていく最大７５°の視野を認識する。
【０１２５】
図１９Ｄは、内部開口スクリーンＡＰを有する３つの部分からなるアレイＭ４を示す。図示された３つの層は、自己整列して屈折面の分散を防止するように仕組まれている。全ての３つの部品用の型は、フォトレジストベースのプロセス又は機械的なプロセスにより工夫され得る。Ｌ１において隙間ランドの欠如により示されたＬ１レンズのかわら状のパッキングは、より明るいイメージを提供するが、暗黙的に低減された画角を提供する。ほぼ1.6の屈折率を有する材料から形成されたかわら状のアレイにおいて、実際的な達成可能な視野領域は約６０度である。
【０１２６】
図２０Ｂは、マスタアレイＭ１のＬ１の開口が如何にして停止するかを示し、ここでは、光阻止材料Ｂが付加された状態で示され、隣接するセルにアクセスすることなく、光がＤ１に伝達されることを可能にする。光線Ｄmaxは、光がＭ１から通過できる最大角度を示す。この制限は、光学とマスタ像平面ＩＰＭの連帯効果により設定される。複製における効率的なエッジからエッジまでのタイル状の配列が成し遂げられ得る構成は、図２４に示される。マスタから表示アレイへの光学的な変換は、マスタ像平面の不明瞭な領域を見えにくくし、マイクロイメージの約1.25の倍率を引き起こすことにより本質的に得られ、そのため、イメージは複製アレイの像平面上に継ぎ目無くタイル状に配列され得る。この変換を用いて、直接的に記録された合成イメージの薄暗い周辺部を除去することができるが、より一般的には、電子的に処理されたイメージデータから導出されたマスタイメージを用いて実施される。従って、提供されるマスタイメージは、例えば、現像された透明フィルム、レーザスキャン、又は発光ディスプレイとすることができる。
【０１２７】
マスタ及び複製におけるレンズが共通のピッチを有することが一般に好ましい。しかしながら、マスタにおいて黒のグラフィック格子を局所的に移動し、アレイのピッチよりも有効に小さいピッチをそれに割り当てることが複製プロセスにおいて有用となることができる。このことは、全体のマスタ光学システムをスケーリングすることにより得られるが、より一般的には、内側の半径方向のピクセルをイメージの中央点に対して移動することとしてもたらされる。これは、ある位置で選択される新たなピクセルにおいてのみマイクロイメージの構成に影響を及ぼすが、等しい数のイメージのピクセルが他の位置でブラックアウトされる。ピクセルの優勢は変更されないが、黒の格子はピッチにおいて微細に縮小される。ネットの効果は、複製プロセスがマスタにおいてこの内側半径方向の移動を複製において外側半径方向の移動に入れ替えることである。複製イメージの閲覧者は、グラフィック素材が予想された可視線と一致するように最適化され得るので、わずかに拡大された画角を観察する。電子ディスプレイにおいて、拡張された視野は、視野レイアウトに直接的にもたらされる。
【０１２８】
合成イメージングの原理に従って、本発明の範囲内の材料を用いて、全視差イメージを直接的にキャプチャすることもできる。再度、図１９Ａを参照すると、ある屈折率において、円形のマイクロイメージの外周部Ｐ１が、焦点面上で半球の外側レンズ直径の数学的な投射内に包含されることが理解される。これが純粋な屈折システムにおいて得られる屈折率は、ｎ＝1.7の付近である。しかしながら、ポリカーボネイトのような安価な材料のある程度低い屈折率が使用され、マイクロイメージが念入りに構成されたナルゾーンＺに重なることが可能になる場合、グラフィック表面はそれにも関わらず有効に使用され得る。本ケースにおけるナルゾーンは、不規則な六角形の格子を表す。イメージタイルＴ１は点Ｎで選択的に制限され、そのためイメージタイル内の全ての点は、明瞭になる。
【０１２９】
合成キャプチャ（integral capture）及び再生において、迷光は、外側アレイの光学的に開放された領域を通して隣接するレンズセルに伝わることが防止されなければならない。前述したように、平坦な後部表面と共軸のＬ１、Ｌ２、Ｌ３表面の領域からなる各微少な光学システムは、光学的に互いのレンズセルから分離されている。ＴＩＲ効果が、マスタマイクロイメージ平面ＩＰＭから放出された任意の光に対してＬ３表面において生じる。光軸がマイクロイメージ平面に交差する点から特定の半径を越えた任意の点ＫからＬ３の内部表面に到達する光は、像平面に向かって完全に反射されて戻される。従って、マスタ像平面ＩＰＭ上に記録され、写真現像されたシュードスコピック像は、光学的に表示像平面ＩＰＤに変換され、オルソスコピック合成写真として、現像され表示される。図２３に示すような、一般化された光エレメントＰＨは、感光乳剤、個別のピクセル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＬＥＤ、液晶、プラズマセル、フィルム記録ドット、インク染料又はトナードット、ＣＲＴの三つ組等を指すように解釈され得る。分かり易くするために、図面は、個別の正方形のグラフィックユニットを用いて規則的に直交するラスタ化を示す。それにも関わらず、システムが連続のトーンのイメージに同様に適用されることは理解されるべきである。ナル光エレメントＰＮは、ディスエーブル又は除去され得る。高解像度のイメージキャプチャシステムは、線形の電子アレイを使用することが多い。単一の列が図示され、その列は単一のマイクロレンズ領域の幅を横切って走査され、イメージデータを検出又は放射することができる。キャプチャシステムにおいて、カラーデータは、ＲＧＢフィルタリングされた３つの線のセンサを用いることにより得られる。線センサＰＬは、図示されたＰＨに直交する軸上に交互に配置され得る。線センサＰＬは、オフセットの交互態様で互い違いにされ、表面配線を可能にする。垂直走査は、両眼の競合を生じることなく全視差３Ｄイメージのタイムシーケンスのキャプチャを可能にできる。イメージ領域が軸Δｔに沿って走査される場合、一時的なディストーションが表示アレイの光フィルタリングによりマスクされ得る。この実施形態のいくつかの影響は、本明細書で後述する。
【０１３０】
レンズ間の再生プロセスを効果的にするために、アレイ間のある対応関係が維持されなければならない。図２１は、必要な光学条件の略断面図を示す。図２２〜図２５は、アレイのそれぞれのグラフィックレイアウトの略平面図を示す。ＩＰＭにあるマスタ写真透明媒体が制御された照明の光源で照らされる場合、アレイＭ１のような、第１の表面上に光阻止材料を有さないマスタアレイが使用され、グラフィックエレメントＧが共役像平面に伝達されるようにする。
【０１３１】
図２１において、光源の角出力は、照射中、アレイの平面で変動される凸形のアキシコンレンズ（axiconic lens）アレイＡ３により後に修正されるコリメートされたビームＬＳを用いることにより、予め決定される。ここで角度θは３２°として与えられた。Ａ３がｎ＝1.59の屈折率を有すると仮定すると、光は、12.7°〜25.4°の角度においてのみＭ１アレイのＡ２部分を通過できる。制限された視野が視野にわたって等化された伝達を行い、光線ＲＸのような迷走光線を遮断する。陰画のマスタ写真透明媒体の場合を除いて、ナルゾーンＺから伝達される光はない。代案として、Ｍ２タイプのマスタを従来の光源と使用できる。
【０１３２】
図２２において、格子状の領域はナルゾーンＺを示す。単一のマスタレンズレンズセルのグラフィックレイアウトが図２３に示される。ナルゾーンは一般に光のキャプチャ又は光の再生を可能にしない。ポジからポジの再生プロセスにおいて、これらの領域は、放射を阻止するように暗くされる。必要に応じて、統合された写真マスクが、単一のナルゾーンパターンの形状にレイアウトされた離れた目標イメージに未現像のフィルムを事前露光又は事後露光することにより、作成され得る。図２２において、レンズ領域外周部Ｐ１のひし形形状の重なる交差部分が、格子化されたナルゾーン内に全て入ることがわかる。１つのマイクロイメージ化セルの形象Ｆは、シュードスコピックマスタに配向されているように示される。
【０１３３】
表示アレイＤ１の重なりに関連した六角形Ｈ１は、図２３と図２５に示される。Ｈ１は、六角形の各辺がアレイの直交軸でもって配置されるか、又は等辺六角形に関連した無理関数の傾斜（１：1.73205・・・）ではなく整数の比（１：２）である傾斜を有するような、正方形から導出される。Ｈ１は、その最も小さい横寸法の自乗に等しい面積を有し、面積において４０ピクセルの正方形Ｓ４０に等しい。抽象（abstract）が、直交軸の１つに位置合わせされる態様で、及び他の軸にオフセットする態様でタイルを正方形にする。マスタイメージは、図２２と図２３のＲＬ４のような規則的なラスタ格子で較正され得る。３２×３２のピクセル正方形Ｓ３２は、より大きなＳ４０の格子内に画定される。点ＭとＮは、不規則なマイクロイメージタイルＴの寸法の最大値を表す。
【０１３４】
抽象の正方形は、規則的な態様でタイル状に配列する種々の外形へと容易に再マッピングされ得る。このマイクロイメージのタイルパターンは、正方形、六角形、段付き、又は十字形、又は湾曲したものとすることができ、それにも関わらず、正確に図示された互い違いの正方形のピッチに一致する。相互に作用するビューイングの挙動から導出された段付きのわずかに十字形のパターンは、図示された用途に使用される。図２３において、正方形Ｓ３２が領域ＡＡからＡＢに置き換えられることにより、修正されることがわかる。
【０１３５】
アレイは、再生中にマイクロイメージが1.25の光学的な倍率を受けるように構成される。同じピッチがマイクロレンズの中心間に維持される。マスタの４μｍドットは、複製において５μｍドットして現れる。２つのアレイのレンズの半径と焦点距離も、この割合に大まかに一致する。
【０１３６】
図２５に示される表示アレイのイメージセルのレイアウトにおいて、陰を付けられた領域ＡＣとＡＤは、置換された領域がタイルＴと同じ外形でタイル状に配列されるように、六角形Ｈ１に対してマッピングされる。図２１〜図２５を参照することによりわかるように、マイクロイメージタイルＴは、複製アレイ像平面ＩＰＤのレンズセルへ投射される場合、ナル領域なしで複製像平面ＩＰＤ上にタイル状に配列される。表示アレイの領域は、図２４に示される。像エレメントは、マスタ格子ＲＬ４のピッチの1.25倍のラスタ格子ＲＬ５上へマッピングされるように、もくろまれ得る。
【０１３７】
図２５は、図２１に示された方法により複製された後に文字「Ｆ」の出現を表す形象Ｆ’を示す。形象は、微少凸レンズを型押しした（lenticulated）側から見られた場合、適切な向きとカイラリティーを有し、結果としてのイメージがオルソスコピックであることを示す。アレイは最大の効果に向けられ得る。動画は、タイルのより長い寸法を垂直軸と位置決めすることにより拡張され、３Ｄイメージは、より広い視野を水平軸に割り当てることにより、眼の分離に適応できる。
【０１３８】
図２６Ａ、図２６Ｂ、及び図２６Ｃは、Ｄ１のイメージを同時に照らし、閲覧する一般のプロセスを説明し、低屈折率のフルオロポリマー含有物を有する。図２６Ａは、中央点に位置合わせされた光学的特性を示す。図２６Ｂは、光軸から３０°の視野角に関連し、セル限界ＣＬの近くの周辺部のマイクロイメージ位置に位置決めされたレンズセルを示す。図２６Ｃにおいて、６０°で到来する周囲光は、任意のプリズムのようなレリーフを介して像平面に拡散的に伝達される。最大の角度において、集束性の光は拡散され、より均等な内部照明が得られる。光線ＲＯは、Ｌ１’を介して逃げることがわかる。
【０１３９】
空気含有物を有する表示アレイにおいて、Ｌ１を介して反射される光の損失は、かなり大きくすることができる。図２７Ａ、図２７Ｂ、及び図２７Ｃは、かなり前の全般的な説明に従って工夫された空気含有物Ｄ２を有するディスプレイを同時に照らし、閲覧する一般のプロセスを概略的に説明する。たるみ（sag）の高さに対する最も大きな開放口の比は、約１：4.2であり、５０°の視野領域を提供する。図２７Ａは、オンアクシスの性能を示し、図２７Ｂは、セル限界ＣＬ近くのアレイの性能を示す。図２７Ｃは、４０°の視野角における性能を示し、内部の光学部品を介して直接的に伝達される光はないが、代わりに、ＴＩＲによって反射され、又は内部隙間を介して伝達される。隙間は、一般に最も異常な限界に近い光線のみを伝える。Ｌ１表面で反射される光線は、光線ＲＲにより示されるように、像平面に戻る。どちらにしても、像平面における受動的な照明の分散は、非常に拡散する。図２７Ａ〜図２７Ｃに示された設計は、上記の表形式データのケース５の光学的幾何学的形状と一致する。
【０１４０】
本発明用のレンズエレメント、レンズシステム、及びレンズアレイは、光学装置の任意の知られた製作方法を用いて製作され得る。適宜、本発明と共に使用するために特定される製作方法には、成型された複製を作成するマスタを使用するプロセス、及びエッチング及びリフローのような方法により個別の部品を製作するプロセスが含まれる。
【０１４１】
マスタの形成は、ダイヤモンド旋削プロセス又はエッチングプロセスにより達成され得る。型の１つ以上の生成は、電気鋳造により行われる。本発明のレンズシステムは、射出成形、圧縮成型、及び他の成型プロセスを用いて型から作成され得る。
【０１４２】
適宜、本発明と共に使用するために特定される、エッチング、リソグラフィック及びリフローの製作方法には、フォトレジストリフロー方法、等方性エッチング方法、及びグレイスケールマスクを使用する異方性反応性イオンエッチングが含まれる。エッチング、リソグラフィック及びリフローの方法は、アレイ内のレンズシステムが全く同じでない場合に特に有用である。例えば、局所的に変更されたレンズは、任意のビューイング位置に対応するように任意の物体の位置を目標にする漸進的な態様でレンズシステムの光学的諸特性を変更することによりアレイの視野を拡張するために使用され得る。
【０１４３】
本発明用のレンズアレイは、レンズアレイを構成する１つ以上のレンズエレメントがモノリシックであるように、複数のエレメントが単一のアレイコンポーネントであるように作成されることができ、又は個別のレンズエレメントがレンズシステムを作成するように構成されることができ、個別のレンズシステムがレンズアレイを作成するように構成され得る。
【０１４４】
図２８Ａ〜図２８Ｃは、レンズアレイのビューイング条件を示す略図である。リアルシーンにおいて、眼のレンズは、特定の距離に位置する物点の放射状の放出に対して調整するように対応する。従来の円筒形又は球形のアレイの異常な光学的諸特性のために、適応性のある対象距離は、いくぶん不確かであることが多い。この情況が図２８Ａに概略的に示され、この場合、ＶＡが未補正のアレイであり、ＰＲがグラフィック表面からの放射状放出点である。レンズによって生じた結果としての光線のセットは、実際の対象により生じたものと類似する発散光線を含むが、交差光線ＲＸと迷走光線ＲＳのような認識による矛盾した光線も含む。瞳によりキャプチャされる光線ＲＰのセットは、点において完全に集束されることができず、代わりに、近焦点と遠焦点との間の中間に網膜ＲＴ上のＡＦに不明瞭な焦点を生じる。迷走光線は、他の視野角に入る瞳孔直径によりキャプチャされず、イメージコントラストを低減する。本発明による収差の補正により、マイクロレンズは図２Ａ〜図２Ｂで上述した種々の焦点状態を生じるように構成されることが可能になる。
【０１４５】
無限の共役の仮定が、図２８Ｂに示された焦点状態を生じる。この場合、瞳はマイクロレンズの出力により満たされていない。眼は、無限遠に焦点を合わせるが、隣接するマイクロイメージの点ＰＸから生じた光線ＲＮを受け入れることも要求され、ＲＦＡにおいてグラフィック的に不明瞭な網膜の焦点を生じる。好適な状態が図２８Ｃに示される。レンズの幅と視距離が予め決定されている場合、無限焦点の両眼共同運動角度が計算され、ＲＦにおいて明確な焦点を生じる。本発明の実施形態において、表示光学部品は、予想される視距離において瞳孔の領域を満たす発散する光線のセットを生じるように適宜に工夫される。焦点条件は、眼が良好に適合し、イメージの全光線が、図２８Ａの不確かな焦点と図２８Ｂに示された満たされない状態の双方に挿入された不明確さを有さずに、ＲＦにおける網膜の焦点に導かれる状態をエミュレートする。最も外側の発散する光線ＶＤ間の全角度差である、両眼共同運動の角度は、一般に１°未満である。
【０１４６】
一般的な場合、両眼共同運動の角度は、瞳孔半径の半分をとり、そこからレンズピッチの半分を引き、それを視距離で除算し、この商の逆正弦をとり、この結果に２を掛けることにより計算され得る。例えば、３００ｍｍの視距離、４ｍｍの瞳孔、及び２５０°の球面レンズは、0.716°の両眼共同運動の角度をもたらす。仮想焦点が（0.125／tan0.358°）＋３００ｍｍに位置するので、ディスプレイは、約３２０ｍｍの観察者から物体までの距離をエミュレートする。この距離は、遠焦点ＤＦとして図２８Ｃに概略的に示される。0.763°の角度は、実際の像平面における視野焦点（field focus）に関連する。0.716°と0.763°との間の差は、ほぼ同じピッチの円筒形アレイに存在する非点収差の程度を示す。
【０１４７】
屈折アレイを用いる３Ｄシステムにおいて、シーンの視差及び両眼共同運動の角度は、それらの自然の相関性から逸脱できる。例えば、自動立体電子ディスプレイを用いる触覚型システムは、ディスプレイの前面の自由空間にシミュレートされた物体の操作を伴うことが多い。この状態の視差の特性は、容易にシミュレートされる。しかしながら、マイクロレンズアレイの従来の光学設計は、眼を表示スクリーンのすぐ後ろの点に適応するように誘導する。この情況は、識別できる物体によって占められる自由空間で手又はツールに同時に焦点を合わせることをユーザにさせないようにする。
【０１４８】
図２８Ｃを参照することによりわかるように、像平面の前方の仮想イメージ領域を生成しながら、瞳を正確に満たす焦点条件が存在することである。アレイの設計は、スクリーンの前方の自由空間において仮想の有限共役に集束するために、像平面を前方に移動することにより、又は設計を明白に再パラメータ化することにより修正されることができ、光線が近焦点ＮＦで交差することを可能にする。５００ｍｍでの閲覧のために設計された0.5mmマイクロレンズを有するディスプレイにおいて、遠焦点ＤＦは、アレイの後ろ７２ｍｍに位置し、近焦点ＮＦはアレイの前面６２mmに位置する。グラフィック平面からサンプリングされた領域が、仮想焦点がＤＦに位置する場合に同じであるので、３Ｄイメージの視差と向きは、ほとんど変更されない。この効果は、自然な視覚と調和するいわゆる浮きイメージを生成するために印刷イメージで同様に実施され得る。
【０１４９】
ノンイメージング用途は、本発明の範囲内である。ノンイメージング用途には、限定されないが、電気通信システムが含まれる。図２Ａは、有限の共役を有する焦点状態を示す。有限の共役を有する本発明の一実施形態の特定の例は、図１１に示され、ケース４の表形式のデータにより示される。図示された実施形態は、遠隔光電子装置間の通信に使用され得る。
【０１５０】
主な実施形態において前に指摘したように、時間遅延されたライン走査は、３次元イメージで暗黙的に競合を生じない。マイクロレンズベースの角度ディスプレイにおいて、動画及び全視差は、両眼用の軸がアレイの水平線と一致する場合、競合せず、予め決定された視距離が維持される。本発明の修正形態において、この理解は、従来の時間制約条件からキャプチャプロセスを開放することに役立つ。
【０１５１】
収集は１／５秒〜１秒かかる。係る長期のキャプチャ期間は、時間の歪んだ出所イメージを生じることが多い。
【０１５２】
しかしながら、これらのイメージは観察者によって見られることはない。アレイによる光学的フィルタリングのために、このレートにおける一時的なディストーションは、ビューイング条件が上述した理想的な条件から逸脱する場合であっても、一般に感知不能である。更に、行間の最大の一時的なステップレートが明確にされないため、走査が、最終のイメージに動画のより大きな錯覚を引き起こすために、特に遅延される。デジタルシステムにおいて、カメラモジュールにつき１つの、各同期セットの２０個の線形走査は、別個に取得されメモリに保持される。カメラは、延長された期間にわたってイメージデータを累進的に収集するためにマウントに戻され、最終的に長い間隔を表すコマ撮り（time-lapse）された３次元イメージを生成する。最終の表示において、コマ撮りは、手持ちのイメージが傾けられる時のように、垂直視野角における相対的な移動でもって再構成される。
【０１５３】
イメージの一時的な相関関係を最適化するために、カメラアレイの個々のイメージキャプチャ領域は、半径方向に非同期化され、偏心化される必要がある。好適には、イメージ領域は、アレイの中心から半径方向外側に偏心化され、そのため、レンズの法線によって表されるイメージ領域の中心が、予想される視距離に対応する物体領域の共通点で集束する。コマ撮り能力の特定の適応は、高度な予測中間イメージデータを提供するために、修正された明視野関数（light-field function）に基づいた補間法を含む。完全なプレノプティック（plenoptic）明視野関数は、波長、輝度、方向、及び体積（volume）を通過する全ての光の一時的な変化をマッピングする。このデータセットは、有限の体積においてさえも無限であるため、プレノプティック関数（plenoptic function）の計算の実施は、包括的な関数からの種々のモデルによりサンプリングされた有限データセットを考察する。
【０１５４】
自動立体静止画は、任意の体積内の単一平面の小さい領域内である角度を検討するのみ必要である。更に、出所イメージがリアルシーンを表す必要がないため、時間領域は空間領域で巻き込まれ、１つの変数が除去される。時間的に歪んだイメージセットは、従来の平面イメージのセットに以前に適用された計算的な変換を受けることができる。中間イメージデータは、イメージのキャプチャされる格子を複数次元のデータボリュームのサンプリングされた位置とみなすことにより、効率的に補間され得る。更に、既知のイメージベースのレンダリングシステムは、出所イメージの視差の移動から抽出された近似的な距離画像を用いて、鮮明度を改善し、補間されたイメージのモザイクのアーティファクトを低減した。本発明において、動きと深度は、統合変位マップとして巻き込まれ得る。次いで、マップを用いて、時間的にずれた出所イメージのセットの類似の関数を実行する。
【０１５５】
イメージベースの３次元イメージングにおいて、キャプチャされる領域は、一般に表示される領域と一致する。ディスプレイに比べてより広い領域がキャプチャ装置で許容される場合、明視野関数を用いてデータボリュームをモデル化し、追加のビューが周辺に外挿され得る。外挿が相対的に抑制される場合、小さな空間データの空隙のみが発生する。発生した場合、これらの空隙は、例えばピクセルを繰り返すことにより、変位マップを参照することにより、又はイメージの内容を知的に分析することにより、満たされ得る。この方法により、記録装置は、よりコンパクトでポータブルに暗黙的に作成され得る。
【０１５６】
４５°に傾斜した正方形レンズアレイのために考案された代替のタイル状配列のセットを、図２９Ａ〜図３２Ｃに示す。デスクトップ印刷装置のようないくつかの用途において、自由にグラフィックイメージを配置できることが望ましい。傾斜した正方形は、書式の任意の変更に適応する。異なる軸バイアスを有するイメージは、必要に応じて同じ原稿上にレイアウトされ得る。図２９Ａに示された長方形Ｔ２は、縦型の配置又は横型の配置でタイル状に配列するために２：１の比率で形成される。
【０１５７】
σが１４４°であり、τが１０８°である、図２９Ｂに示された六角形Ｔ３も、係る態様でタイル状に配列される。図２９Ｃは、水平横型の向きで粗く段の付いたタイルＴ４を示し、一方、図２９Ｄは、垂直縦型位置で粗く段の付いたタイルＴ４’を示す。図３０Ａと図３０Ｂは、垂直位置と水平位置においてタイルとレンズのそれぞれの位置を示す。図３１は、いくつかの斜めのビューを除去する直交２軸バイアスを備えたタイルＴ７を示す。また、タイルは、図３２Ａの粗く段の付いたＴ４タイルによって、図３２Ｂの適度に段の付いたタイルＴ５によって、及び図３２Ｃの細かく段の付いたタイルＴ６によって示されるように、それらのピクセル解像度に従って変更され得る。
【０１５８】
図３３には、円錐型の副波長構造体ＡＲ１とＡＲ２を有するアレイＭ１が示される。円錐型構造体の規模は、波面の周期より大幅に小さいため、構造体は波面により決定されない。傾斜は、表面の反射を生じる境界効果を徐々に衰えさせる。任意のハイブリッド屈折／回折表面ＡＣがＬ２に配置されて示される。既知の原理に従って、その表面を用いて、光学システムを色消し、又は非熱運動化する。一般に、５％の光が、未処理の空気／ポリカーボネイト界面で反射される。ある照明条件において、この表面反射は、閲覧されるイメージにある程度のもやを導入する。イメージの彩度とコントラストは、フッ化マグネシウム又はＣＹＴＯＰ（アサヒガラス）のような可溶性フルオロポリマーのような低屈折率材料の単一の等角コーティングの使用により、強化され得る。光スラリー又は周期的な「ガの眼（moth-eye）」のレリーフ微細構造のような、副波長反射防止微細構造は、類似の効果を提供できる。ＡＲレリーフ構造は、本発明の特に興味の対象である。その理由は、それらが、アレイの成形中にモノリシックに作成されることができ、従ってわずかな追加コストで含められることができるからである。
【０１５９】
ハイブリッド屈折／回折表面が任意の３つの境界に使用され、色収差が低減され得る。ハイブリッド表面は、微少光学レリーフを得るために現在使用される異方性エッチングプロセスを使用して容易に製作される。しかしながら、回折成分の逆分散により提供される追加の理論的な補正は、他の導入された収差、不完全な回折効率、増大した散乱、及び成形プロセスにおける追加のドウェル時間に対して重み付けられなければならない。ハイブリッド表面は、有効なバンドが４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視スペクトル未満に抑制される場合に、より容易に妥当なものにされ得る。係るシステムの例には、色分解ダイクロイックフィルタ又はモザイクフィルタを用いるイメージキャプチャシステム、ＲＧＢトライアドディスプレイ、及びＩＲ、ＵＶ又は準単色ダイオードレーザベースのシステムが含まれる。これらのシステムにおいて、１００％に近づく回折効率は、連続して伝えられる回折のレリーフを使用することによりしばしば得られることができる。
【０１６０】
本発明の原理に従って考案された安価な個別イメージング装置が、図３４に示される。装置は、基板ＳＢ上に配置され、マウントＭＴにより補強された電子検出器ＤＴを含む。透明な光学エレメントＥ１とＥ２が、接着剤の塗布なしで機械的に係合するように設計される。中心化は、Ｄ１とＤ２における接触により提供されるが、他の位置の側壁間での密接な接触は、物理的に妨げられる。空気ギャップの配置のため、内部反射は検出器から離れる迷光を脇へそらす。所定の厚みの光阻止環状開口絞りＡＳが、システム内に挿入される。座金のような環状の絞りは、Ｅ１に上方の力を作用させるために弾性であり、そのため先のとがった部分ＰＲがＤ２で堅固に固定される。
【０１６１】
エレメントＥ２は、一般に屈折率の一致した非導電性光学接着剤を用いて、電子コンポーネントに直接的に接着される。ＩＰは、アレイの像平面を表す。ＩＰ表面は、検出器の前面に位置し、回折レンズ又は屈折レンズ、色分解グレーティング等のような微少光学エレメントを備える。これらの場合、空間は、所望の光学効果を得る距離を可能にするために、検出器と表面ＩＰとの間に残される。空間は、空気又はＥ２エレメントの屈折率とは異なる屈折率を有する接着材料で満たされ得る。
【０１６２】
コンポーネントは、十分な弾力性を有する材料から形成され、そのためエレメントＥ１の先のとがった部分ＰＲが、増加した直径に対して瞬間的に拡張されるように作成され得る。光軸との位置合わせにおいて所定の程度の力を加える際、先のとがった部分ＰＲが、Ｅ２の円錐型外面と接触する際に拡張し、次いでＫ１とＫ２においてＥ２との機械的な接続を形成するように縮む。構造体は、永久的な又は可逆性の接続を行うように変更されることができ、図面において４つの先のとがった部分が示されるが、Ｅ１の円錐型シェルは、任意の数の個別部分に分割され得る。
【０１６３】
ハウジングＨは、任意の不透明な剛性の材料から形成され得る。ハウジングは、ハウジングの外側表面に対してＬ１表面を引っ込んだところに置くように一般に形成される。図示されたアレイの設計は、光学エレメントとハウジング開口の位置合わせにおいて、ある程度の不整合性を許容する。この場合の光学部品は、列挙された光学的形状寸法のケース３に従って形成された。レンズ設計は、前の例に比べて中央を重大視する。ｆ２において、レンズは、横方向の色が特に良好に補正された状態で、良好に補正された中央イメージを生じる。ハウジングＨの開口は、第２の開口絞りとしてはたらく。シーンからの光は、Ｌ１表面によりキャプチャされ、所定の角度の範囲内でアレイの中心の光学部品を介して検出器ＤＴに向けられる。光線Ｒ１は、前の実施形態でのようなＴＩＲにより反射される。Ｒ８’とＲ９’の一点鎖線は、像平面に到達できる光線の延長部分を示す。代わりに、光線Ｒ８とＲ９は、内側境界ＢＤ１と外側フレネル境界ＦＢによりシステムの範囲外に伝えられる。最大の角度でＬ３を通過する光は、円錐型側壁の光学境界ＢＤ２における内部反射により、検出器を越えた基板の領域に向けられる。代案として、光は、内部フレネル境界ＢＤ２’によってエレメントＥ２の範囲外に向けられ得る。
【０１６４】
当業者には理解されるように、本発明の態様の用途は、記載された実施形態に制限されない。更に、実施形態は、以下に制限されないが、以下に説明される実施形態を含む。カラーフィルタリングは、アレイ材料全体にわたって四散された染料により、又は染料昇華型転写又は液滴付着の局所的な印刷により、導入され得る。例えば、異なる染料が、流体ＵＶ硬化フルオロポリマーの別個のリザーバに導入され得る。アレイが結合され、カラーイメージング用途に内部モザイクフィルタを形成する前に、計量された分量が、凹形の第２の面にＲＧＢ又はＣＭＹのパターンで供給され得る。
【０１６５】
高解像度の単色イメージが得られ、カラーがその後、単一の個別の多色イメージから補間される。一般に、光学的な幾何学的配置は、単色システム、準単色システム、または多色システムにおいて使用されることができ、可視スペクトル以上の放射を含むことができる。
【０１６６】
イメージ処理は、遡及焦点補正、カラー及びコントラスト調整、圧縮及び圧縮解除、輪郭強調、シェードスコピ修正、推定された視距離に基づいたマイクロイメージ変位、ビュー補間、ビュー積分及び合成、あるいは被写体の明白な位置又は向きの入れ替えを含むことができる。
【０１６７】
独立したカラーチャネルが再生プロセスで使用される場合、スペクトル幅も設計の考慮すべき事項である。カラー写真イメージは、グレースケール空間光変調器を介した異なる波長の光の連続露光によって、より高解像度で生成されることが多い。連続は、一時的又は空間的な連続とすることができる。どちらにしても、最適な焦点距離は、やや波長依存であるため、焦点面を目標バンドにマッチングすることにより何らかの利益が得られる。例えば、ＬＣＤ変調器及び赤、緑、青の個別の光源を備えた３つの独立したアレイを使用するシステムのような、空間的な再生シーケンスにおいて、最適化は、相対的により長い波長を伝えるアレイに対して、相対的により大きな全体的な厚みを与えることにより得られる。代案として、時間系列ＲＧＢ照射、及び本来の場所で修正される焦点状態を用いるために、単一のアレイと変調器を使用できる。この適応は、例えば、圧電アクチュエータ及び光学カップリング流体の使用を通じて焦点面を機械的にシフトすることにより、又は可変屈折率液晶平面リザーバに電界の影響で導入される可変焦点効果により、行うことができる。保守の容易さと長期の耐久性のために、マスタアレイは、一般にプラスチックではなくガラスから形成される。
【０１６８】
差し向かいでの再生のためにマスタとして使用されるアレイは、レイリー限界において、又はその限界のすぐ下でスポットを生成するために制限された開口により一般に最適化される。繊細なレンズピッチにおける場合を除いて、これは、精密なアラインメントとイメージ伝達を改善するために、開口プレートの使用を可能にする。開口プレートは、再生中にアレイ間に挿入される個別の装置とすることができるが、マスタアレイに永久的に組み込まれることが非常に多い。開口プレートを形成する方法には、穿孔、エッチング、ボーリング、成形、タンポ印刷又は転染が含まれる。
【０１６９】
光学的回廊の部分ではない領域は、光吸収、拡散、又は構造的支持体のような二次的な使用に一般的に割り当てられる。図示されたシステムにおいて、アクティブな光学経路の光線によりアクセスされない任意の内部開口の任意の部分は、選択的に有用に短縮され得る。例えば、六角形の第１の面の開口により設けられた開口により集束され、第２の屈折表面に交差する光線は、第２の表面上で境界をさっと動き、その第２の表面は、その回転の非対称性に起因してわずかな３次元の高さを有する不規則に丸みを付けられた多角形を画定する。同じ光線のセットの第３の面との交差は、類似しているがわずかに大きい開放口を特定する。非回転表面が許容される場合の反応性イオンエッチングのような何らかの製作プロセスにおいて、これらの不規則な幾何学的形状が選択的に実施され、隙間の伝達特性とアレイの機械的な構造を最適化できる。同様の利益が、最も良く適合した楕円の輪郭を用いることにより得られる場合が多い。
【０１７０】
ディスプレイは、アレイが何らかの領域に又は何らかの角度で焦点上の出力を生成し、他の角度で無限焦点上の出力を生成することができるように、異なる焦点距離においてグラフィック素材の２つ以上の平面を含む。この焦点の移動は、眼の適応性のある焦点合わせ能力を活性化する多様な焦点条件をもたらすことができる。焦点面は、個別の層に、又は選択的に配置された単層に存在できる。
【０１７１】
更に予想される実施形態において、レンズアレイの内部ランドは、平坦ではなくてわずかに凹形に作成されることができ、そのため領域は、回転塗布具から拾い上げる際に接着剤又は光阻止材料の不足に関係なくなる。フルオロポリマーの充填されたレンズの場合、体積測定の計算が行われ、導出された表面の幾何学的形状によって、盛り上がったランド又はレンズの頂点と接触する塗布具が、計量された量の流体材料を堆積させることが可能になり、そのため、アレイが接触される際に、無関係な材料がしぼり出されることはない。
【０１７２】
光学的な修正箇所が、多数の表面上に常に分散され得ることは良く知られている。従って、アレイは、本発明のもくろまれた範囲から逸脱することなく、図示された設計の効果を模倣するレンズの分割された層を含むことができる。２つの構成要素をなすアレイは、本発明に適合するためにモノリシックである必要はない。例えば、それは、予め製作されたプラスチックシート又は窓用ガラスのような平坦な基板上に熱硬化性エポキシ又はアクリル酸塩でマイクロレンズを製作するための共通の技術である。異なる屈折率により許容される自由度の程度は、本発明の意図された範囲から逸脱することなく、実施され得る。
【０１７３】
リソグラフィック処理は、全く同じにするためにアレイの全レンズに必要ではない。例えば、局所的に変更された特異に形成されたレンズは、推定された視距離を目標にするために所与の軌跡に関して累積的な態様でレンズの光学的諸特性を変更することにより、次元的なイメージのビューイング領域を拡張するために使用され得る。球面レンズシステムにおいて、イメージの中心点は、真の回転対称を証明されたレンズシステムのみを一般に含む。
【０１７４】
マイクロレンズは、１つ以上の等角の反射防止コーティング、耐磨耗性コーティング、又は耐熱性コーティングを含んでも良い。アレイは、平行平面にグラフィック素材を移動できるように作成されることができ、そのため、イメージが、動画の出現を提供するように手動又は自動でスクロールされ得る。グラフィックの変動性は、写実的、テキスト的、化粧用又は装飾的な図案、又は外観及び画像に使用され得る。
【０１７５】
平坦なグラフィック素材のようなこれらの実施形態に加えて、イメージングアレイは、時計、腕時計のバンド、ブレスレット、ブローチ、ペンダント、ハンドバック、ベルト、コンパクト、筆記用具、製図用具、弁当箱、レストランのメニュー、プレースマット、マウスパッド、ナンバープレート、ランプの笠、終夜灯、光データディスク、飲用カップ、クレジットカード、ＩＤカード、ゲーム部品、玩具、ステッカー、衣類の付属品、又は記念品などのような、機能的な又は装飾用の装置上に、又は装置内に取り付けられることができ、角度のイメージデータ及びマイクロイメージのタイルは、本明細書で説明された知覚の対象に従って適合され得る。
【０１７６】
デジタルソースイメージは、変換された計算ホログラムを含むことができる。像平面は、ホログラムとすることができ、又はホログラフィの領域を含むことができる。可視データは、レーダー、超音波、Ｘ線、電子顕微鏡、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、ＰＥＴ、又はＣＴスキャン、あるいは磁気測定においてのような不可視プロセスから導出され得る。統計学、地震学、遠隔探査、天文学、医療映像法、及び分子モデリングなどのような研究分野は、３次元表現又は動画表現として最も容易に評価されるデータを生成する可能性がある。オンアクシスビューイングを可能にすることにより、列挙された等角ＴＩＲ幾何学的形状を使用するアレイは、プライバシースクリーンとして使用され得る。
【０１７７】
従って、本発明の範囲は、本明細書で明記され特定の用途の説明に限定されるように解釈されるべきではないが、代わりに本明細書に列挙された情報の内容により認められる最も広い理解によって、及び特許請求の範囲の最も完全な法的な範囲によって定義されることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 未補正アレイの収差を示す図である。
【図１Ｂ】 レンチキュラーアレイの収差を示す図である。
【図２Ａ〜図２Ｄ】 本発明と共に使用するための適切な焦点状態を示すレンズシステムの実施形態の概略図である。
【図３Ａ】 本発明による３エレメントレンズシステムの実施形態の一例の側断面図である。
【図３Ｂ】 本発明による２エレメントレンズシステムの実施形態の一例の側断面図である。
【図４Ａ】 オブジェクト側で光学的に視野が制限される別個のレンズシステムの一例の側断面図である。
【図４Ｂ】 像平面の位置の関数としての、オブジェクト側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの伝達曲線である。
【図５Ａ】 物体側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの実施形態の一例の側断面図である。
【図５Ｂ】 物体側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの上面図である。
【図５Ｃ】 等角面を有するレンズの側断面図の一例である。
【図５Ｄ】 臨界角において等角である等角面を有するレンズの側断面図の一例である。
【図５Ｅ】 臨界角において等角である等角面を有するレンズの側断面図の一例である。
【図６Ａ】 像側で光学的に視野が制限された個別のレンズシステムの実施形態の一例の側断面図である。
【図６Ｂ】 物体平面の位置の関数としての、像側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの伝達曲線である。
【図７Ａ】 像側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの実施形態の一例の側断面図である。
【図７Ｂ】 像側で光学的に視野が制限されたレンズシステムの上面図である。
【図７Ｃ】 等角面を有するレンズシステムの側断面図である。
【図７Ｄ】 臨界角において等角である等角面を有するレンズシステムの側断面図である。
【図８】 未補正レンズシステムの光線トレースである。
【図９】 本発明による３エレメントレンズシステムの一例の光線トレースである。
【図１０Ａ】 本発明による２エレメントレンズシステムの一例の光線トレースである。
【図１０Ｂ】 視野制限を示す光線トレースである。
【図１１】 有限共役を有する本発明によるレンズシステムである。
【図１２】 未補正レンズシステムのＭＴＦである。
【図１３】 本発明による３エレメントレンズシステムの一例のＭＴＦである。
【図１４】 本発明による２エレメントレンズシステムの一例のＭＴＦである。
【図１５】 本発明による有限共役レンズシステムの一例のＭＴＦである。
【図１６Ａ】 臨界角の関数としての透過率曲線である。
【図１６Ｂ】 光学的に視野が制限されたシステムとビネット化レンズシステムとを介した透過率を示す曲線である。
【図１６Ｃ】 本発明によるレンズアレイにおいて２つのオーバーラップする像領域のプロットである。
【図１７】 光学的に視野が制限されたレンズアレイの透視図である。
【図１８】 ３エレメントレンズアレイの透視図である。
【図１９Ａ〜図１９Ｄ】 本発明による２エレメントレンズシステムの実施形態の側断面図である。
【図２０Ａ〜図２０Ｂ】 本発明による３エレメントレンズシステムの側断面図である。
【図２１】 本発明による再生システムの側断面図である。
【図２２】 本発明による再生システムの像平面の平面図である。
【図２３】 本発明による再生システムのマスターアレイにおける像平面の１つのセルの略図である。
【図２４】 本発明のレンズシステムによるレンズアレイの複数のレンズセルの上面図である。
【図２５】 本発明による再生システム内における２重アレイの像平面の１つのセルの略図である。
【図２６Ａ】 本発明によるレンズシステムのオンアクシス性能を示す３エレメントレンズの側断面図である。
【図２６Ｂ】 本発明によるレンズシステムのオフアクシス性能を示す３エレメントレンズの側断面図である。
【図２６Ｃ】 プリズム状拡散器からの像平面の拡散照射を示す３エレメントレンズの側断面図である。
【図２７Ａ】 本発明によるレンズシステムのオンアクシス性能を示す２エレメントレンズの側断面図である。
【図２７Ｂ】 本発明によるレンズシステムのオフアクシス性能を示す２エレメントレンズの側断面図である。
【図２７Ｃ】 プリズム状拡散器からの像平面の拡散照射を示す２エレメントレンズの側断面図である。
【図２８Ａ】 従来のレンズアレイからの光の放射の略図である。
【図２８Ｂ】 本発明によるレンズアレイからのコリメートされた光の放射の略図である。
【図２８Ｃ】 所定の両眼共同運動角における放射の略図である。
【図２９Ａ】 長方形のマイクロイメージの平面図である。
【図２９Ｂ】 六角形のマイクロイメージの平面図である。
【図２９Ｃ】 階段状長方形マイクロイメージの第１の向きの平面図である。
【図２９Ｄ】 階段状長方形マイクロイメージの第２の向きの平面図である。
【図３０Ａ】 階段状長方形マイクロイメージと傾いた正方形レンズアレイの第１の向きの略上面図である。
【図３０Ｂ】 階段状長方形マイクロイメージと傾いた正方形レンズアレイの第２の向きの略上面図である。
【図３１】 階段状十字形マイクロイメージの平面図である。
【図３２Ａ】 粗雑にタイル状に配列されている階段状長方形マイクロイメージの上面図である。
【図３２Ｂ】 適度にタイル状に配列されている階段状長方形マイクロイメージの上面図である。
【図３２Ｃ】 精密にタイル状に配列されている階段状長方形マイクロイメージの上面図である。

Claims (49)

1. レンズシステムであって、
   第１の凸形の面と、
   第１の材料を介して前記第１の凸形の面に光学的に結合された、第１の凹形の面と、
   前記第１の材料に比べて低い屈折率を有する第２の材料を介して前記第１の凹形の面に光学的に結合された第２の凸形の面との直列からなり、
   前記第１の凹形の面は、所定の角度の外側で前記第１の凸形の面に入射する光が、前記第１の凹形の面を通過することを防止するように構成された等角面である、レンズシステム。
2. 前記第１の凸形の面が曲率半径Ｒを有し、前記第２の凸形の面が前記第１の凹形の面から少なくとも0.05Ｒに等しい距離に配置される、請求項１のレンズシステム。
3. 第４の面を更に含み、前記第１の凸形の面と前記第１の凹形の面が第１のレンズエレメントを形成し、前記第２の凸形の面と前記第４の面が第２のレンズエレメントを形成する、請求項１のレンズシステム。
4. 前記第２の凸形の面が、偏球、長形、球形、及び高次の非球形から選択された形状を有する、請求項１のレンズシステム。
5. 表面が回転対称である、請求項１のレンズシステム。
6. 収差を補正するための手段を更に含む、請求項１のレンズシステム。
7. 前記第２の材料が空気である、請求項１のレンズシステム。
8. 前記第２の材料がフルオロポリマーである、請求項１のレンズシステム。
9. 複数の結合されたレンズエレメントからなるレンズアレイであって、前記レンズエレメントのそれぞれが、
   凸形の湾曲部を有する第１の光学的境界と、
   前記第１の光学的境界に光学的に結合され、偏球の凹形湾曲部を有する第２の光学的境界とからなり、
   前記凹形湾曲部は、所定の角度の外側で前記凸形の湾曲部に入射する光が、前記凹形湾曲部を通過することを防止するように構成された等角面である、レンズアレイ。
10. 各レンズエレメントが、前記第２の光学的境界に光学的に結合された第３の光学的境界を更に含み、その第３の光学的境界が、前記第２の光学的境界の湾曲部に少なくとも部分的に相補的な凸形の湾曲部を有する、請求項９のレンズアレイ。
11. 前記アレイが、第１と第２の嵌合する部材からなり、前記第１の部材が前記レンズエレメントの第１の面と第２の面とからなり、前記第１の面が前記第１の部材の外側に画定され、前記第２の面が前記第１の部材の内側の前記第１の面と整列するように画定され、第３の面が前記第２の部材の内側の面に画定され、それによって、前記レンズエレメントは、各レンズエレメントの前記第１の面、第２の面、及び第３の面が光学的に位置合わされた状態になるように、前記第１の部材と第２の部材の内側の面の結合を容易にする、請求項１０のレンズアレイ。
12. 前記部材の内側の面の結合により、前記第２の面と第３の面が共通の外周部で接触する、請求項１１のレンズアレイ。
13. 各レンズエレメントが、他のレンズエレメントから光学的に分離されている、請求項９のレンズアレイ。
14. 前記アレイが、像平面と物体平面に関連づけられ、前記レンズエレメントが、少なくとも１つの前記像平面と前記物体平面に対して光学的に視野の制限された面を含む、請求項１３のレンズアレイ。
15. 前記レンズエレメントの各々が、前記第２の部材の外側表面に画定された第４の光学的境界を更に含む、請求項１１のレンズアレイ。
16. 前記第４の光学的境界に関連する複数の立体的映像のマイクロイメージを更に含み、前記レンズアレイが、閲覧される場合に、単一のイメージの３次元ビューを生成するために前記マイクロイメージの全ての表示の結合を容易にする、請求項１５のレンズアレイ。
17. 内部全反射が、前記マイクロイメージの再生中に角度的な放射を制限する、請求項１６のレンズアレイ。
18. 前記レンズエレメントと前記マイクロイメージが、異なるパターンでタイル状に配列される、請求項１６のレンズアレイ。
19. 前記マイクロイメージが水平軸に対するバイアスでもって不規則的にタイル状に配列される、請求項１８のレンズアレイ。
20. 前記マイクロイメージが、不規則な六角形パターンでタイル状に配列される、請求項１６のレンズアレイ。
21. 前記マイクロイメージが、２：１の長方形パターンでタイル状に配列される、請求項１６のレンズアレイ。
22. 前記レンズエレメントが、六角形にタイル状に配列される、請求項１８のレンズアレイ。
23. 前記レンズエレメントが関連した像中心点を有し、前記マイクロイメージが前記レンズエレメントの前記中心点から変位される、請求項１６のレンズアレイ。
24. 前記マイクロイメージが前記像中心点に対して内側半径方向に移動される、請求項２３のレンズアレイ。
25. 前記マイクロイメージが光のキャプチャ又は再生を不可能にするナルゾーンを含む、請求項１６のレンズアレイ。
26. 前記マイクロイメージが時間的に歪んだイメージのセットを定義する、請求項１６のレンズアレイ。
27. 前記マイクロイメージが異なる焦点距離において、少なくとも２つのグラフィック素材の平面を画定する、請求項１６のレンズアレイ。
28. 前記マイクロイメージが、前記第４の光学的境界から変位可能であり、それらの間の相対的な移動が可能である、請求項１６のレンズアレイ。
29. 前記レンズエレメントによって、前記マイクロイメージが再生中に約1.25の光学倍率を受ける、請求項１６のレンズアレイ。
30. 各レンズエレメントに関して、前記第１と第２の境界が第１の材料により光学的に結合され、前記第２と第３の面が第２の材料により光学的に結合され、前記第２の材料が前記第１の材料に比べて低い屈折率を有する、請求項１０のレンズアレイ。
31. 前記第２の材料が空気である、請求項３０のレンズアレイ。
32. 前記第２の材料がフルオロポリマーである、請求項３０のレンズアレイ。
33. 前記複数の結合されたレンズエレメントが、第１の２次元レンズアレイコンポーネントの形態であり、第２の２次元レンズアレイコンポーネントの形態である第２の複数の結合されたレンズエレメントを更に含み、前記第２のレンズアレイコンポーネントの各レンズエレメントが、
    凸形の湾曲部を有する第１の光学的境界と、及び
    前記第１の光学的境界に光学的に結合され、偏球の凹形湾曲部を有する第２の光学的境界とからなり、
    前記第１のレンズアレイコンポーネントのレンズエレメントの第１の光学的境界が、前記第２のレンズアレイコンポーネントのレンズの第１の光学的境界に対向しており、前記第１と第２のレンズアレイコンポーネントが、アレイの１つの後ろのイメージの合成キャプチャと再生を容易にするように協働する、請求項９のレンズアレイ。
34. 前記第１のレンズアレイコンポーネントと前記第２のレンズアレイコンポーネントとの間に介在する開口マスクを更に含む、請求項３３のレンズアレイ。
35. 前記開口マスクが、円形でない開口を画定する、請求項３４のレンズアレイ。
36. 各レンズエレメントに関して、前記第２の光学的境界が臨界角と第１の屈折率を有し、各レンズエレメントが、前記第２の光学的境界に隣接し、前記第１の屈折率より低い屈折率を有する領域を更に含み、それによって物点から発する各光線が、前記臨界角で実質的に前記第２の光学的境界に入射する、請求項９のレンズアレイ。
37. 前記第１と第２の嵌合部材の内側の面が、レンズエレメント間の隙間に相補的な盛り上がったランドを含み、前記盛り上がったランド上に光阻止接着剤を更に含み、前記光阻止接着剤が前記隙間を実質的に不透明にする、請求項１１のレンズアレイ。
38. 前記ランドが平坦な面を有する、請求項３７のレンズアレイ。
39. 前記ランドが凹形の面を有する、請求項３７のレンズアレイ。
40. 前記第１と第２の嵌合部材が、レンズエレメント間の隙間を含み、その隙間が、光を分散させるための拡散面を含む、請求項１１のレンズアレイ。
41. 少なくとも１つの前記境界が、少なくとも１つの等角反射防止コーティング、等角耐磨耗性コーティング、及び等角耐熱性コーティングを含む、請求項１０のレンズアレイ。
42. 少なくとも１つの前記境界が、副波長反射防止マイクロ構造からなる、請求項４１のレンズアレイ。
43. 少なくとも１つの前記境界が、ハイブリッド屈折／回折表面からなる、請求項１０のレンズアレイ。
44. 複数の内部開口絞りを更に含む、請求項９のレンズアレイ。
45. 前記内部開口絞りが、前記第１の光学的境界間の隙間内に配置される、請求項４４のレンズアレイ。
46. 前記絞りが、染料昇華型絞りである、請求項４５のレンズアレイ。
47. 前記内部の面との間に、かつ前記第２の光学的境界と前記第３の光学的境界との間の隙間内に配置された内部開口絞りを更に含む、請求項１１のレンズアレイ。
48. カラーイメージング用の内部モザイクフィルタを更に含む、請求項１０のレンズアレイ。
49. 前記アレイ内の全てのレンズエレメントが、同一でない、請求項９のレンズアレイ。

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