JP6706287B2 - 集光光学系 - Google Patents
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Description
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。
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、光を変向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、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、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、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、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、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、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、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、伸縮自在である。
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、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、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、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、円筒状の幾何学的な構造である。
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18は楔形の外形形状を構成する。部分18の楔形は、第1反射レンズ13と結合する光線16をターンするのに使う。第1反射レンズ13は、光線16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18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115は、入射光線117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115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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
D1= 2h tan(tc+r)
DN=2h tan(tc+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。
Claims (11)
- 情景からの光の空間的相関関係を保持する光学系であって、情景からの光をオプティックボリュームへ入射させるための第1主面と、第1主面の反対側にあり、第1主面との間にオプティックボリュームを定義する第2主面とを含む、透明レンズと、
入射光がオプティックボリューム内で内部反射し、オプティックボリューム内へ入射した光の角度を変え第2主面を通っていく様にするために、第2主面上に配置された第1反射レンズとを備え、
ここにおいて、
第1反射レンズは、第2主面を通って入射する光に、変向角度を加えていくものであり、
第1主面は透明レンズ全体にのびる一つの連続した表面であり、第2主面は透明レンズ全体にのびる一つの連続した表面であり、
第1反射レンズは、第2主面の上でありオプティックボリュームの外部に配置された、光を変向するための幾何学構造体の配列を含み、第2主面と作用するたびに第2主面を通過する光が少なくとも一つの幾何学構造体の配列に入射し、該少なくとも一つの幾何学構造体によって反射され、第1反射レンズと入射光との相互作用のたびに、第1反射レンズが累積的に大きくなったターン角度を与える、前記光学系。 - 第1反射レンズが、第2主面の一部分に配置される、請求項1に記載の光学系。
- 透明レンズが、更にオプティックボリュームの外へ光を向けるように設定した一つまたは複数の側面を含む、請求項1に記載の光学系。
- 第1反射レンズが、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、請求項1に記載の光学系。
- 幾何学構造体の配列が、プリズムまたは台形形状である、請求項1に記載の光学系。
- 第1反射レンズが、第1主面または第2主面の一部分に配置される、請求項1に記載の光学系。
- 追加的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前記追加透明レンズへ光を向けるカプラーとをさらに含み、ここにおいて追加透明レンズはカプラーから向けられた光を受け取るものである、請求項1に記載の光学系。
- 前記プリズムが、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5に記載の光学系。
- 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8に記載の光学系。
- 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8に記載の光学系。
- 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1に記載の光学系。
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