JP5945338B2

JP5945338B2 - イメージング

Info

Publication number: JP5945338B2
Application number: JP2014557096A
Authority: JP
Inventors: ラドゥビルチュ; マーティンシュレイダー
Original assignee: ノキアテクノロジーズオーユー
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: WO2013140016A1; EP2829067A1; EP2829067A4; US20150042850A1; JP2015513824A

Description

本発明の実施形態はイメージング技術に関する。より詳細には,本発明の実施形態は、色分離用回折格子を使用するイメージング技術に関する。

背景

多くのイメージセンサは、赤，緑，青の光を感知する光感受性画素をベイヤーパターン配列に有している。各画素は、赤，緑，青のいずれかの光を通過させるフィルタを有している。ベイヤーパターン配列は、赤，緑，青を感知することのできる小型の画像センサを製造することを可能にするという利点を有している。しかしベイヤーパターン配列は、次のような不利も抱えている。
・特定の色の光だけを通過させる非常に小型のカラーフィルタを製造することは難しい。
・赤，緑，青で、画素の光感受性が変わってしまう傾向がある。
・異なる色を感知する画素を互いに近接して配することは、色漏れ（color leakage）を生ずる可能性がある。例えば、第１の色を感知するための画素の電荷が、隣接する第２の色を感知するための画素の電荷に影響を及ぼす可能性がある。
・多くの実装例において、センサ中の全ての画素に対して、露出時間及びアナログゲインが等しくなければならない。
・ RAW画像の解像度は"フル解像度"よりも低くなる。というのも、各位置において存在するのが、特定の一つの色を検知する一つの画素だけであるからである。存在していない色成分は画素補間により入手しなければならない。

摘要

必ずしも全ての実施形態がそうであるわけではないが、様々な実施形態によれば、次のような装置が提供される。この装置は、入射光の複数のスペクトル成分を各々異なる方向に導くように構成される、少なくとも１つの色分離用回折格子と；前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償するように構成される、一つ又は複数の別の回折格子と；分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数を検出するように構成される一つ又は複数のイメージセンサと；を備える。

必ずしも全ての実施形態がそうであるわけではないが、様々な実施形態によれば、次のような方法が提供される。この装置は、入射光中の互いに異なる複数のスペクトル成分をそれぞれ異なる方向に回折させることと；前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償することと；分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数を検出することと；を備える。

必ずしも全ての実施形態がそうであるわけではないが、様々な実施形態によれば、次のような装置が提供される。この装置は、入射光中の互いに異なる複数のスペクトル成分をそれぞれ異なる方向に回折させる手段と；前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償する手段と；分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数を検出する手段と；を備える。

本発明の種々の例示的実施形態の理解に資するべく、例として次の添付図面を参照する。
装置の機能の概要を描いたものである。方法のフローチャートを描いたものである。装置の第１実装例を描いたものである。装置の第２実装例を描いたものである。

詳細説明

本発明の実施形態は、カラースペクトルの様々な部分を分離し、また光の分散（dispersion）を補償するために、色分離用回折格子（color separation diffraction grating ）を使用することに関する。

そして、図示される装置１００，１０１，１０２は：入射光４０の複数のスペクトル成分５１−５３を、それぞれ異なる方向に導くように構成される、色分離用回折格子１０と；スペクトル成分５１−５３の一つ又は複数における分散（dispersion）を、少なくとも部分的に補償するように構成される、一つ又は複数の別の回折格子２０と；

を備える。分散が補償された光スペクトル成分６１−６３の一つ又は複数を検出するように構成される一つ又は複数のイメージセンサ３０−３３と；

図１は、装置１００の機能の概要を描いたものである。装置１００は、例えば、携帯電話やパーソナルコンピュータ、タブレット型コンピュータ、PDA、ゲームコンソール、のいずれかの全部又はその一部であってもよい。

図１に描かれる装置１００は、少なくとも一つの色分離用回折格子１０と、一つ又は複数の別の回折格子２０と、一つ又は複数のイメージセンサ３０とを備える。要素１０，２０，３０は、協働しうるように互いに接続される。またこれらの間には、様々な中間要素やその組合せが存在しうる（中間要素が存在しない場合もある）。

少なくとも一つの色分離用回折格子１０は、入射光５１−５３の様々なスペクトル成分を、それぞれ異なる方向に導くように構成される。少なくとも一つの色分離用回折格子１０は、例えば、プレートのような基体の表面に配されることができる。

一つ又は複数の別の回折格子２０は、光の様々なスペクトル成分５１−５３の一つ又は複数における分散（dispersion）を、少なくとも部分的に補償するように構成される。実装形態によっては、この一つ又は複数の別の回折格子２０は、別の色分離用回折格子によって構成されてもよい。実装形態によっては、この一つ又は複数の別の回折格子２０は、一つ又は複数のブレーズド回折格子（blazed grating）及び／又は一つ又は複数のスラント型回折格子（slanted grating）であるか、またはこれらから成るものであってもよい。

上記一つ又は複数の別の回折格子２０は、例えば、上述の基体／プレートの面とは異なる面に配されてもよい。上記基体は全長・幅・厚みを有するものであってもよいが、ここで前記全長は、前記幅と同じか又はそれより長い長さを有し、前記厚みは全長及び幅よりも長さが短い。一つ又は複数の別の回折格子２０が配される面は、少なくとも一つの色分離用回折格子１０が配される面に対して、上記基体の厚みの分だけ隔てられていてもよい。少なくとも一つの色分離用回折格子１０は、基体のインカップリング型（in-coupling）回折格子であってもよく、一つ又は複数の別の回折格子２０は、基体６のアウトカップリング型（out-coupling）回折格子であってもよい。

一つ又は複数のイメージセンサ３０は、如何なるタイプのイメージセンサであってもよい。これらは、分散が補償された光スペクトル成分６１−６３の一つ又は複数を検出するように構成される。各イメージセンサは各々異なるカラーフィルタを備えていてもよい。なお備えていない場合もある。

本発明の実施形態に従う方法が、図１及び２を参照しながら説明される。

図１には、装置１００へ侵入する入射光４０が描かれている。入射光４０は装置１００の開口部から入射する。入射光４０は、特定の光景や撮影領域から放射されたものであり、装置１００の開口部を通って到達するものである。光４０は様々な色のスペクトル成分を含んでいる。

図２のブロック２０１において、少なくとも一つの色分離用回折格子１０は、入射光中の異なるスペクトル成分５１−５３を、それぞれ異なる方向へと回折させる。この例では、単一の色分離用回折格子１０が用いられ、光の３つのスペクトル成分５１−５３を、それぞれ異なる三つの方向に回折させている。図１の矢印５１−５３は、各スペクトル成分の伝播方向を示している。

入射光４０の第１のスペクトル成分５２（例えば光４０の緑色成分）は０次の方向に導かれる。すなわち、その伝播方向は、事実上、色分離用回折格子１０によって影響を受けない。

入射光４０の第２のスペクトル成分５１（例えば光４０の赤色成分）は、色分離用回折格子１０によって、−１次の方向に導かれる。それによって、第２のスペクトル成分５１の伝播方向は、少なくとも１次分だけ変化させられる。図１には、デカルト座標軸８０も描かれている。図示される例において、第２のスペクトル成分５１の伝播方向は、色分離用回折格子１０によって、そのｘ成分が変化させられる。

入射光４０の第３のスペクトル成分５３（例えば光４０の青色成分）は、色分離用回折格子１０によって、＋１次の方向に導かれる。それによって、第３のスペクトル成分５３の伝播方向は、少なくとも１次分だけ変化させられる。図示される例において、第３のスペクトル成分５３の伝播方向も、色分離用回折格子１０によって、そのｘ成分が変化させられる。

色分離用回折格子１０は、入射光４０を、各々規定された波長を有する複数の異なるスペクトル成分に空間的に分離するように構成される。ここで、これら指定された波長のいずれかと少しだけ異なる波長を有する光は、色分離用回折格子１０によって、（少しだけ）異なる形で回折させられる。これは、回折したスペクトル成分５１−５３のいずれかにおいて分散（dispersion）を生ずる（そしておそらく画像の品質を悪化させる）。

図２のブロック２０２において、一つ又は複数の別の回折格子２０は、光のスペクトル成分５１−５３のいずれか、又はいくつか、又は全部における分散を、少なくとも一部は補償する。これは、スペクトル成分５１−５３のいずれか、又はいくつか、又は全部を回折させることによって行われる。分散が補償されたスペクトル成分は、図１において、矢印６１，６２，６３によって示されている。

分散の補償は、一つ又は複数の別の回折格子２０を用いることによって達成されるが、それは、少なくとも一つの色分離用回折格子１０によって生じた、伝播方向における何らかの変化を反転させることにより達成される。例えば、本例においては、一つ又は複数の別の回折格子２０は第２及び第３のスペクトル成分５１，５３の伝播方向をｘ方向において変化させる。それによって、これらのスペクトル成分は光４０が色分離用回折格子１０に入射したときと同じ方向に伝播するようになる。

このような効果を得るために、一つ又は複数の別の回折格子２０は、少なくとも一つの色分離用回折格子１０と同じ格子周期（grating period）を有する。すなわち、同じ格子密度（grating density）を有する。

図１に示した例では、一つ又は複数の別の回折格子２０は、光の第２の（赤色の）スペクトル成分５１を正の１次方向に回折させ、光の第３の（青色の）スペクトル成分５３を負の１次方向に回折させる。これらは、少なくとも一つの色分離用回折格子１０によって規定される、各スペクトル成分の回折次数のそれぞれ逆となっている。

図２のブロック２０３において、一つ又は複数のイメージセンサ３０は、分散が補償されたスペクトル成分６１−６３のいずれか一つ以上を検出する。本発明の実施形態によっては、分散が補償されたスペクトル成分６１−６３の一つ一つのために、異なるイメージセンサが設けられる。代替的に、本発明の別の実施形態によっては、分散が補償されたスペクトル成分６１−６３の一つ一つを検出するために、単一のセンサ上でそれぞれ異なる場所が使用されてもよい。

各イメージセンサ又は各イメージセンサ部分により検出された情報は、結合されて、画像を形成する。有利であることに、分散が補償されたスペクトル成分６１−６３は、同じシーン又は同じ画像撮影領域から到来する光のスペクトル成分であるため、各イメージセンサ又は各イメージセンサ部分により検出された情報を結合する際に、検出された情報（画像）の位置合わせのような複雑な処理を行う必要はない。

光を複数のスペクトル成分に空間的に分離するために、少なくとも一つの色分離用回折格子１０を用いることも、また有利である。というのも、光のスペクトル成分の各々が、特定のスペクトル帯域を検出するために特化されたピクセルからなるイメージセンサ又はイメージセンサ部分により検出されることが可能になるからである。このことは、色漏れ（color leakage）を減少させるという結果を生む。というのも、異なる色を検出するためのピクセルがよく区別しているからである。また、イメージセンサ又はイメージセンサ部分の製造を容易にする。というのも、ベイヤーパターン配列で用いられる交互配列のカラーフィルタを用いる必要がないからである。

さらに、異なるスペクトル成分に対して異なるイメージセンサ又はイメージセンサ部分を用いることは、特定の帯域において特に感度の良いイメージセンサを、当該帯域のために選択することを可能にする。

図３は、図１の機能概念図に描かれる装置１００の第１の実装例１０１を描いたものである。図３に描かれる装置１０１は、開口部４、複数のイメージセンサ３１，３２，３３、オブジェクト側の光学系８、センサ側の光学系７１，７２，７３、基体６を有する。基体６は第１の面及び第２の面を有し、第１の面には少なくとも一つの色分離用回折格子１０１が配され、第２の面には複数の別の回折格子２１，２２が配されている。少なくとも一つの色分離用回折格子１０１は、基体６のインカップリング型（in-coupling）回折格子であってもよく、回折格子２１，２２は、基体６のアウトカップリング型（out-coupling）回折格子であってもよい。

オブジェクト側の光学系８及びセンサ側の各光学系７１，７２，７３は、一つ又は複数のレンズのような、一つ又は複数の光学デバイスであるか、そのような光学デバイスを備えてもよい。

図３には、開口部４から入射する光４１が描かれている。この実装例において、オブジェクト側の光学系８は、オブジェクトから放射される光線４１を平行にし、オブジェクトの各点について、平行な光ビームを色分離用回折格子１０に入射させるように構成される。各平行光ビームは、特定の入射角／画角をもって色分離用回折格子１０に入射する。

色分離用回折格子１０は、各平行光ビームを回折させる。その結果、図３の矢印５１−５３に描かれるように、スペクトル成分毎にそれぞれ異なる方向へと回折させられる。

この例において、０次の方向へ導かれる第１のスペクトル成分５２（例えば緑色の光）は回折させられない。第１のスペクトル成分５２は、第１のセンサ側光学系７２によって、第１のイメージセンサ３２上にフォーカスされる。

第１及び第２のブレーズド回折格子またはスラント型回折格子２１，２２は、それぞれ第２及び第３のスペクトル成分５１，５３（例えばそれぞれ赤色光及び青色光）を回折させる。これらは第２及び第３のスペクトル成分５１，５３中の分散を少なくとも一部補償する。

図１に関して説明したように、回折格子２１，２２は、色分離用回折格子１０によって伝播方向に生じた何らかの変化を反転させる。本例においては、図１の例と同様に、回折格子２１，２２は、第２及び第３のスペクトル成分５１，５３の伝播方向をｘ方向において変化させる。それによって、これらのスペクトル成分は、色分離用回折格子１０に入射する平行光と同じ方向に伝播するようになる。従って、撮影対象オブジェクトの特定の点から放射される光は、オブジェクト側の光学系８に入射した時の入射角／画角と同じ入射角／画角で、センサ側の光学系７１，７３に入射することになる。このため、各イメージセンサ３１−３３において、正確な光学イメージが形成されることになる。

各イメージセンサ３１−３３は、導かれた光から、分散が補償されたスペクトル成分の色を有する画像を検出する。各イメージセンサ３１−３３は、それぞれ通過色の異なるカラーフィルタを有していてもよい。しかし、色分離用回折格子１０がそれぞれ異なる複数のスペクトル成分に分離しているので、イメージセンサ３１−３３にカラーフィルタを設ける必要はない。

イメージセンサ３１−３３により形成される画像は、完全なカラー画像を形成するために、結合されてもよい。

図４は、図１の機能概念図に描かれる装置１００の第２の実装例１０２を描いたものである。第２の実装例１０２は、一つ又は複数の別の回折格子２０が、第１及び第２のブレーズド回折格子またはスラント型回折格子２１，２２の代わりに、第２の色分離用回折格子２３を備えるところが、第１の実装例１０１と異なっている。

この実装例において、第２の色分離用回折格子２３は、第１の色分離用回折格子１０と同じものであってもよいが、異なる方向に向けられている。第２の色分離用回折格子２３は、第２及び第３のスペクトル成分５１，５３の伝播方向について、第１の色分離用回折格子１０によって生じた変化と反対の変化を生じさせるように配される。

図２のブロックを特定の順序で図示することは、当該ブロックに必須のまたは望ましい順序があることを必ずしも示唆していない。こうしたブロックの順序や配置構成は変えられてもよい。また、一部のブロックが省略されることも可能である。

前述の通り、本発明の様々な実施形態が様々な実施例と共に説明されてきたが、当然のこととして、特許請求の範囲にある本発明の範囲を逸脱することなく実施例の変形が可能である。例えば、実施形態によっては、基体６はライトガイドとして用いられてもよく、内部で光が反射してもよい。イメージセンサ３１−３３は、それぞれ同じ解像度を有していても良く、また互いに異なる解像度を有していてもよい。イメージセンサ３１−３３の各々でキャプチャされる画像のために、異なるセッティングが用いられてもよい。センサ側の光学系７１，７２，７３は、同調して制御されてもよいし、別々に制御されてもよい。

上述の例において、光の第２及び第３のスペクトル成分５１，５３は、色分離用回折格子１０によって−１次および＋１次の方向に回折させられていた。別の例では、第２及び第３のスペクトル成分５１，５３のいずれか又は両方は、より高次の方向に回折させられてもよい。そのような例においては、一つ又は複数の別の回折格子２０は、第２及び第３のスペクトル成分５１，５３を、第１の色分離用回折格子１０による回折次数とは反対の高次回折次数の方向に回折させる。

これまでに記述してきた事項は、明示的に記述された組合せだけでなく、それ以外の組合せで用いられてもよい。

特定の事項を参照して種々の機能を記述してきたが、こうした機能は、記述の有無を問わずその他の事項によって遂行可能であってもよい。

特定の実施形態を参照して種々の事項を記述してきたが、こうした事項は、記述の有無を問わずその他の実施形態で用いられてもよい。

前述のように本明細書において、とりわけ重要であると考えられる本発明のこうした事項に注目するように努めてきた。しかし、前述した特許されうる全ての事項およびそれらの組合せに対して、参照された添付の図面にそうした事項が特段強調されていたかどうかにかかわらず、本出願人はその保護を求めるものである点を理解されたい。

Claims

入射光の複数のスペクトル成分を各々異なる方向に導くように構成される、少なくとも一つの色分離用回折格子と；
前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償するように構成される、一つ又は複数の別の回折格子と；
前記分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数をフォーカスさせるように構成される光学系と；
前記フォーカスされたスペクトル成分の一つ又は複数を検出するように構成される一つ又は複数のイメージセンサと；を備える、装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、少なくとも一つのスペクトル成分の伝播方向を少なくとも第１の方向に変化させるように構成され；
前記一つ又は複数の別の回折格子は、前記少なくとも一つのスペクトル成分の伝播方向を、前記変化の前と同じ方向に戻すように構成される；
請求項１に記載の装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、入射光の中の互いに異なる複数のスペクトル成分を、それぞれ異なる回折次数の方向に回折させるように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、光の特定のスペクトル成分を特定の回折次数へと回折させ、前記一つ又は複数の別の回折格子は、前記特定のスペクトル成分を、前記特定の回折次数とは反対の回折次数へと回折させる、請求項３に記載の装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、光の第１のスペクトル成分を０次方向に回折させ、光の第２のスペクトル成分を＋１次方向に回折させ、光の第３のスペクトル成分を−１次方向に回折させるように構成される、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、光の第２のスペクトル成分を−１次方向に回折させ、光の第３のスペクトル成分を＋１次方向に回折させるように構成される、請求項５に記載の装置。
分散が補償されたスペクトル成分の各々は、同じ撮影領域からの光からなる、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、基体のインカップリング型回折格子であり、前記一つ又は複数の別の回折格子は、基体のアウトカップリング型回折格子である、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
前記基体は、光の少なくとも一つのスペクトル成分を内部で反射させるように構成されるライトガイドである、請求項８に記載の装置。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、単一の色分離用回折格子からなる、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、一つ又は複数のブレーズド回折格子及び／又は一つ又は複数のスラント型回折格子を有する、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子へ向けて光を平行にするように構成される光学系を備える、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、前記第１のスペクトル成分に対しては設けられない、請求項６に記載の装置。
前記光学系は、前記一つ又は複数の別の回折格子と前記一つ又は複数のイメージセンサとの間に配置される、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
各々分散が補償された２つの異なるスペクトル成分を検出するために、少なくとも２つのイメージセンサを有する、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
表示装置と、請求項１から１５のいずれかに記載の装置とを備える電子機器。
入射光中の互いに異なる複数のスペクトル成分をそれぞれ異なる方向に回折させることと；
一つ又は複数の別の回折格子で、前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償することと；
前記分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数をフォーカスさせることと；
前記フォーカスされたスペクトル成分の一つ又は複数を検出することと；を含む、方法。
前記互いに異なる複数のスペクトル成分は、それぞれ異なる回折次数の方へ回折させられる、請求項１７に記載の方法。
光の特定のスペクトル成分を特定の回折次数の方へ回折させ、続いて前記特定のスペクトル成分を、前記特定の回折次数とは逆の次数の方へ回折させる、請求項１８に記載の方法。
少なくとも一つの色分離用回折格子が、入射光の中の互いに異なる複数のスペクトル成分を、それぞれ異なる方向に回折させるように構成される、請求項１７〜１９のいずれかに記載の方法。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、少なくとも一つのスペクトル成分の伝播方向を少なくとも第１の方向に変化させるように構成される、請求項２０に記載の方法。
前記少なくとも一つの色分離用回折格子は、光の第１のスペクトル成分を０次方向に回折させ、光の第２のスペクトル成分を＋１次方向に回折させ、光の第３のスペクトル成分を−１次方向に回折させるように構成される、請求項２０又は２１に記載の方法。
前記分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数をフォーカスさせるために光学系が使用され、前記光学系は、前記一つ又は複数の別の回折格子と前記一つ又は複数のイメージセンサとの間に配置される、請求項１７から２２のいずれかに記載の方法。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、光の少なくとも一つのスペクトル成分の伝播方向を変化させる、請求項２３に記載の方法。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、単一の色分離用回折格子からなる、請求項２３又は２４に記載の方法。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、一つ又は複数のブレーズド回折格子及び／又は一つ又は複数のスラント型回折格子を有する、請求項２３又は２４に記載の方法。
分散が補償されたスペクトル成分の各々は、同じ撮影領域からの光からなる、請求項１７から２６のいずれかに記載の方法。
分散が補償された一つ又は複数のスペクトル成分は、一つ又は複数のイメージセンサにより検出される、請求項１７から２７のいずれかに記載の方法。
前記一つ又は複数の別の回折格子は、前記第１のスペクトル成分に対しては設けられない、請求項２２に記載の方法。
各々分散が補償された２つの異なるスペクトル成分を検出するために、少なくとも２つのイメージセンサが配される、請求項２９に記載の方法。
請求項１７から３０のいずれかに記載の方法を実行する手段を備える装置。
入射光中の互いに異なる複数のスペクトル成分をそれぞれ異なる方向に回折させる手段と；
前記スペクトル成分の一つ又は複数における分散を少なくとも部分的に補償する手段であって、一つ又は複数の別の回折格子である、前記補償手段と；
前記分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数をフォーカスさせる手段と；
前記フォーカスされたスペクトル成分の一つ又は複数を検出する手段と；
を備える、装置。
入射光中の互いに異なる複数のスペクトル成分をそれぞれ異なる方向に回折させる前記手段は、少なくとも一つの色分離用回折格子であり；
分散が補償されたスペクトル成分の一つ又は複数を検出する前記手段は、一つ又は複数のイメージセンサである；
請求項３２に記載の装置。