KR20070064336A

KR20070064336A - 낮은 높이 촬상 시스템 및 관련 방법

Info

Publication number: KR20070064336A
Application number: KR1020077008317A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 레이먼드 주니어. 다우스키; 케네스 스콧 쿠발라; 로버트 에이치. 콜맥; 파울로 이. 엑스. 실베이라
Original assignee: 씨디엠 옵틱스 인코퍼레이티드
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-06-20
Also published as: US20080203276A1; WO2006055094A1; IL181890A; KR100859036B1; EP1789829A1; JP2008519289A; IL181890A0; US8426789B2; US20110268868A1; US7453653B2; US8563913B2; JP2014002388A; US20060209292A1

Abstract

일 실시예에서, 본 발명의 낮은 높이의 촬상 시스템은, 하나 이상의 광학 채널들 및 검출기 배열을 구비하고, 상기 광학 채널들의 각각은, (a) 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, (b) 하나 이상의 광학 부품들 및 제한적 광선 수정자를 가지며, 그리고 (c) 적어도 하나의 검출기 상에 입사하는 필드 앵글 광선들을 가파르게 지향하도록 구성된다.

촬상 시스템, 광학 채널, 필드 앵글, MTF 시스템.

Description

낮은 높이 촬상 시스템 및 관련 방법{LOW HIGHT IMAGING SYSTEM AND ASSOCIATED METHODS}

관련 출원들의 상호참조

본 출원은 2004년 9월 14일자 출원된 "Improved Miniature Camera"란 제목의 미국 가 특허 출원 제 60/609,578호와 2005년 7월 8일자 출원된 "Ray Correction Apparatus and Method"라는 제목의 미국 가 특허 출원 제60/697,710호의 우선권의 주장을 청구하며, 그 전체 내용을 여기에서 참조하기로 한다. 다음의 미국특허들 또한 그 전체 내용을 여기에서 참조하는데, Cathey 등의 "Extended Depth of Field Optical Systems"라는 제목의 미국특허 제5,748,371호, Dowski, Jr 등의 Wavefront coding Phase contrast imaging systems라는 제목의 미국특허 제6,525,303호, Dowski, Jr 등의 "Combined wavefront coding and amplitude contrast imaging systems"라는 제목의 미국특허 제6,783,733호, Dowski, Jr 등의 "Wavefront coding optics"이라는 제목의 미국특허 제6,842,297호, Dowski, Jr 등의 Wavefront coding zoom lens imaging systems"라는 제목의 미국특허 제6,911,638호 및 Dowski, Jr 등의 "Wavefront coded imaging systems"라는 제목의 미국특허 제6,040,649호가 있다.

촬상 장치의 최근의 경향의 하나는 소형화이다. 소형 카메라와 같은 컴팩트 촬상 시스템은 카메라 일체형 셀룰러 폰과 다른 휴대용 장치들의 보급으로 편재되고 있다. 현재 활용 가능하지만, 컴팩트 촬상 장치들은 개인용 즐거움을 위해 저 해상도 화상 획득을 위해 적합하며, 대부분은 다소 낮은 화상 품질을 제공하거나 바람직하지 못하게 길다.

일례의 촬상 시스템(10)을 도 1에 도시한다. 시스템(10)은 예를 들어 소형 카메라이고, 일 그룹의 광학 부품들(2)(여기서는 두 개의 별개의 굴절 요소들을 포함하는 것으로 도시) 및 검출기를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 광학 부품(2)은 4개의 비구면 표면들을 형성하는 PMMA 등의 광학 재료로 만들어질 수 있으며, 60도의 완전 시계에 걸쳐서 F# 2.6과 2.6 mm의 초점 길이를 제공한다. 대상물(도시 않음)로부터의 광선들(5)은 일반적으로 Z 방향(3)을 따라 광학 부품들(2)을 통해 지향되고, 검출기(4) 상에서 촬상된다. 그러면 검출기(4)는 그 위에 수신된 화상을 프로세서(8)에 지향된 데이터 신호(큰 화살표(7)로 도시됨)로 변환한다. 데이터 신호는 신호 프로세서(18)에서 처리되어 최종 화상(9)을 맺는다.

다시 도 1을 참조하면, 시스템(10)의 광학 부품들(2)은 Z- 길이(검출기의 정면에 입력 광선과 마주치는 렌즈들 군의 제 1 표면으로부터 간격으로 정의되며, 수평 양방향 화살표로 표시됨)가 검출기(4)(수직 양방향 화살표로 표시됨)의 길이(L)와 거의 동일하다. 도 1에 도시한 일례의 촬상 시스템에 있어서, 도 1에 도시한 바와 같이 검출기 길이(L)는 4.4 mm이고, 한편 Z-길이는 4.6 mm로 설정되어 있다.

다시 도 1을 참조하면, 시스템(10)(유사한 다수의 쇼트 촬상 시스템)은 이 시스템에서 가능하게 명시되는 광학적 및 기계적 수차들의 제어에 충분한 자유도를 갖지 않는다. 즉, 시스템을 형성하는 소수의 부품들(즉, 일부의 렌즈들 및 그들의 홀더들, 소형 검출기 등)이 있고 및 이들 부품들은 소형 카메라에 있어서 컴팩트한 응용에서 아주 작으므로 이상적인 설계 또는 다른 부품들의 정렬 및/또는 일단 조립된 임의의 부품들의 조정을 어렵게 한다. 따라서 결과의 화상들은 고 화질을 갖지 못한다. 또한, 시스템(10)의 물리적인 부품(즉, 광학 부품들(2) 및 검출기(4))의 오정렬로 인해 유도된 수차들에 대한 전위가 크므로, 제조시 정밀도의 향상을 필요로 한다. 이러한 요건에 따라 결과적인 시스템의 화질이 상대적으로 열악함에도 불구하고 시스템(10)의 비용은 증가한다.

또한 종래의 촬상 시스템에 있어서, 검출기의 단부에서의 광선들의 각도는 얕게 될 수 있다. 검출기의 에지에서의 주 광선(광학 부품(2)으로 정의된 조리개의 센터를 통과하는 광선)의 각도(θ)는 검출기의 법선으로부터 대략 30도 이상으로 될 수 있다. 검출기에서 입수된 광선의 강도는 검출기에 대한 각도의 함수이므로, 입수된 광선의 강도는 주 광선 각도가 감소함에 따라 감소한다. 또한, 큰 광선 각도들이 검출기 상의 잘못된 화소에 의해 입수된 광선으로 유도될 수 있으므로, 화소 누화(cross-talk)를 유발한다. 따라서 실제적인 CMOS, CCD 및 IR에 의해 형성된 화상들은 입사 광선들이 검출기의 법선으로부터 멀어질 때, 열화되므로 큰 주 광선 각도들은 바람직하지 않다. 시스템의 Z 길이 시스템을 더욱 소형화시키기 위한 노력으로 추가적으로 단축되므로, 이들 광선 각도 문제들은 확장되어 화질을 더욱 감소시킨다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이 촬상 시스템은 하나 이상의 광학 채널 및 하나의 검출기 배열을 구비하며, 광학 채널들 각각은 (a) 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, (b)하나 이상의 광학 부품들 및 제한적 광선 수정자(ray corrector) 및 (c) 적어도 하나의 검출기 상에서 입사하는 필드 앵글(field angle) 광선들을 가파르게 지향하도록 구성된다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이 촬상 시스템은 검출기 배열; 및 파면 코딩을 갖는 표면을 구비하고 상기 검출기 배열의 복수의 검출기들 상에 입사 필드 앵글 광선을 가파르게 지향하도록 구성된 GRIN 렌즈를 구비한다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이 촬상 시스템은 복수의 광학 채널들 및 하나의 검출기 배열을 구비하며, 광학 채널들 각각은 (a) 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, 그리고 (b) 비구면 GRIN 렌즈를 갖는다.

일 실시예에 있어서 파면 코딩을 갖는 렌즈를 형성하는 방법은 몰드 내에 렌즈를 위치설정하고; 그리고 파면 코딩을 갖는 렌즈의 비구면을 형성하도록 렌즈의 표면상에서 물질을 경화시키는 단계를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이 촬상 시스템은 입사 조리개(entrance aperture)를 갖는 광학 전도 물질 블록, 출구 조리개 및 적어도 하나의 내부 반사면을 구비하는데, 입구 조리개를 통해 전달된 파면은 반사면을 반사시키고 파면 코딩을 갖는 출사 조리개로 나간다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이 촬상 시스템은 복수의 광학 채널을 가지며, 하나의 검출기 배열을 가지며, 각각의 광학 채널들은 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, 비구면 제한적 광선 수정자를 구비하며, 상기 비구면 제한적 광선 수정자는 검출기 배열의 특정 검출기들을 향하는 컬러를 바람직하게 지향시킨다.

일 실시예에 있어서, 광자 보상 광학 시스템은 적어도 하나의 광학 요소 및 비구면 표면을 가지며, 이 시스템의 비-일정 MTF는 대상물과 광학 요소 사이의 범위를 보상한다.

일 실시예에 있어서, 제한적 광선 수정자는 검출기 배열에 인접하거나 또는 그에 결합하는 위치에 구성된 광학 요소를 구비하고, 상기 광학 요소는 이 광학 요소 없이 검출기 배열에 입사하는 필드 광선의 입사각에 비해 검출기 배열의 수직인 면에 가까운 입사 각으로 상기 검출기를 향해 지향하도록 광학 촬상 시스템 내의 필드 광선들이 되어 있도록 적어도 하나의 표면을 형성한다.

일 실시예에 있어서, 낮은 높이의 촬상 시스템은 복수의 검출기를 포함하는 제 1 웨이퍼; 및상기 촬상 시스템의 MTF가 검출기들의 통과대역 내에 제로들을 갖도록 복수의 비구면 광학부품들을 포함하는 제 2 웨이퍼를 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 웨이퍼는 복수의 광학 채널들을 갖는 낮은 높이의 촬상 시스템을 형성하도록 적층되고, 상기 광학 채널들의 각각은 적어도 하나의 광학 부품 및 적어도 하나의 검출기를 구비한다.

도 1은 종래 기술의 촬상 시스템의 개략도이고,

도 2는 주 광선 수정자를 위한 적어도 하나의 구성을 나타내도록 여기에 도 시한 낮은 높이 촬상 시스템의 개략도이고,

도 3은 주 광선 수정자를 위한 적어도 제2의 구성을 나타내도록 여기에 도시한 낮은 높이 촬상 시스템의 개략도이고,

도 4는 파면 코딩(Wavefront Coding)을 갖는 GRIN 렌즈를 포함하는 본 발명에 따른 쇼트 촬상 시스템의 개략도이고,

도 5는 파면 코딩을 갖는 그린 GRIN 렌즈 상에서 입사하는 60도 시계의 절반에 걸치는 광선 패턴의 개략도이고,

도 6-8은 다양한 입사 각에 있어서 시계를 통한 하나의 파장에서 GRIN 렌즈를 위한 계산된 광선 차단의 그래픽 도이고,

도 9는 필드 앵글의 함수로서 GRIN 렌즈에 있어서 계산된 단색 변환 전달 기능(modulation transfer function; MTF)의 일련의 그래픽 도이고,

도 10은 GRIN 렌즈의 경우에 필드 앵글과 대상물 위치의 함수로서의 일련의 구성도이고,

도 11-16은 도 5 -도 10에 대응하지만 파면 코딩과 사용을 위해 변경된 GRIN 렌즈를 도시하고,

도 17 및 도 18은 각기 도 5-10 및 도 11-16에 도시된 시스템을 위한 축상(on-axis) 사출 동공(exit pupils)의 그래픽 구성도이고,

도 19-21 및 22-24는 각기 도 5-10 및 도 11-16에 도시된 시스템을 위한 필드 앵글의 함수로서 포인트 오브젝트의 샘플화된 화상이고,

도 25는 신호 처리 전후의 MTF들 내의 차이를 나타내도록 여기에 도시한 파 면 코딩과 사용을 위해 변경된 GRIN 렌즈를 포함하는 촬상 시스템의 MTF들의 그래픽 도이고,

도 26 및 도 27은 각기 화상 포맷과 메시(mesh) 포맷에서 도 22 -25내의 화상들을 형성하는데 사용된 디지털 필터들의 그래픽 구성도이고,

도 28은 변경된 GRIN 렌즈의 제조를 위한 제조 시스템의 개략도이고,

도 29는 변경된 GRIN 렌즈의 평가를 위한 제조 시스템의 개략도이고,

도 30은 변경된 GRIN 렌즈와 사용에 적합한 일례의 박막 스펙트럼 필터 응답의 그래픽 구성도이고,

도 31은 촬상 시스템의 시계의 증가를 위한 한 세트의 그룹화된 GRIN 렌즈들의 사용을 나타내기 위해 여기에서 나타낸 본 발명에 따른 촬상 시스템의 개략도이고,

도 32는 다른 수정 및 조종 광학계의 사용을 나타내도록 여기에서 도시된 촬상 시스템의 시계를 증가시키기 위한 보 발명에 따른 다른 촬상 시스템의 개략도이고,

도 33은 촬상 시스템의 전체 길이를 추가적으로 감소시키기 위한 반사 소형 광학계의 사용을 나타내는데 여기에 사용된 본 발명에 따른 다른 촬상 시스템의 개략도이고,

도 34는 렌즈(lenslet)배열의 일 부분을 형성하는 각각의 렌즈상에서 입사하는 광선들의 광선도이고,

도 35는 도 34에 도시한 복수의 각각의 렌즈로부터 형성된 하나의 렌즈 배열 의 높이에서의 개략 예시도인데, 상기 렌즈 배열은 도 31 및 도 32에 도시한 그룹화된 GRIN 렌즈들 대신 사용에 적합하고,

도 36은 도 31 및 도 32에 도시한 촬상 시스템에 사용에 적합한 접는 광학(folded optics)을 통해 전달된 광선들의 광선도이고,

37은 도 31 및 도 32에 도시한 바와 같은 몇 가지 촬상 시스템들을 포함하는 소형 광학 시스템의 일반적인 배열 표시의 높이에서의 개략도이고,

도 38은 본 발명에 따른 검출기 배열 서브시스템의 부분 단면에서의 개략도이고,

도 39는 임의의 광선 수정을 하지 않는 검출기 배열을 포함하는 기판상의 렌즈배열을 통해 이동하는 광선들을 나타내도록 여기에 도시된 종래 기술의 검출기 배열 서브시스템의 일부분의 부분 단면에서의 개략도이고,

도 40 및 41은 렌즈 배열에 대한 다른 위치에서 본 발명에 따른 수정 요소를 갖는 검출기 배열상에서 렌즈 배열을 통해 이동하는 광선들을 나타내도록 여기에서 도시되고 본 발명에 따른 검출기 배열 시스템의 일부의 부분 단면에서의 개략도이고,

도 42는 렌즈 배열상의 스택내의 복수의 수정 요소들을 포함하는 본 발명에 따른 광선 수정 시스템의 부분 단면 개략도이고,

도 43은 컬러 필터 배열뿐만 아니라 복수의 수정 요소들을 포함하는 본 발명에 따른 광선 수정 시스템의 다른 실시예의 부분 단면 개략도이고,

도 44-46은 본 발명의 광선 수정 시스템에 있어서 본 발명의 광선 수정 시스 템에서 수정 수요소들로서의 사용에 적합한 수정 요소들의 예들에 대한 부분 단면 개략도이고,

도 47은 수정 요소들의 가능한 형상의 일례를 나타내도록 여기에 도시된 일례의 수정 요소를 통해 이행하는 광선의 부분 단면 개략도이고,

도 49는 광선 수정을 향상시키도록 수정 요소 자체에 만들어질 수 있는 가능한 변경들의 일부를 나타내도록 여기에 도시한 본 발명의 향상된 수정 요소를 통해 이행하는 광선의 부분 단면 개략도이고,

도 50-54는 광선 수정 요소들의 광선 주정 특징들을 커스터마이즈하기 위해 가능한 변형을 나타내도록 여기에 도시한 본 발명의 광선 수정 시스템의 추가적인 실시예들을 통해 이행하는 광선의 부분 단면도이고,

도 55 및 도 56은 본 발명에 따른 한 쌍의 캐스케이드된 수정 요소들에 의해 제공될 수 있는 컬러 분리 기능의 정면 및 측면 개략도이고,

도 57-59는 캐스케이드된 수정 요소들을 통과한 결과로서의 다른 공간 영역들로 컬러 분리를 나타내도록 여기에 도시한 도 55 및 도 56에 도시한 컬러 분리 기능의 상면도의 단면 개략도이고,

도 60은 베이어 컬러 필터(Bayer color filter) 배열 패턴의 개략도이고,

도 61은 결과의 컬러 분리가 도 60에 도시한 베이어 필터 배열의 컬러 분포에 대응하도록 공간의 컬러 분리 기능이 커스터마이즈될 수 있는 것을 나타내도록 여기에 도시한 도 55-59에 도시한 컬러 분리를 나타내는데 사용된 케스케이드된 수정 요소들을 이용하여 얻은 공간 컬러 분리의 개략도이고,

도 62는 본 발명에 따른 공간 컬러 분리 기능의 사용에 적합한 파장에 의해 조명을 공간적으로 분산하는데 사용을 위한 프리즘의 단면 개략도이고,

도 63은 본 발명에 따른 공간 컬러 분리 기능에 사용에 또한 적합한 파장에 의해 조명을 공간적으로 분산하는데 사용을 위한 2 레벨의 부분 단면 개략도이고,

도 64는 본 발명에 따른 공간 컬러 분리에 또한 적합한 블레이즈된(blazed) 회절 구조의 부분 단면 개략도이고,

도 65는 입방 페이즈(cubic phase)와 일정 신호 대 잡음 비(SNR) 시스템의 특징을 비교하기 위해 여기에 도시한 두 개의 파면 코딩 시스템에 대한 초점 거리 대 동공 위치 커브들의 두 예에 대한 그래픽 구성도이고,

도 66은 1차원 선형적 변경 초점 거리 시스템에 대한 모호성 함수(ambiguity function;AF) 의 그랙픽 구성도이고, 그리고 도 67은 0.715의 정규화 공간 주파수 라인에서 도 66의 AF의 단면에서 응답대 정규화 미스포커스의 그래팩 구성도이고,

도 68은 1 차원 지수적 변경 초점 거리 시스템에 대한 모호성 함수(AF)의 그래픽 구성도이고, 그리고 도 69는 0.715의 정규화 공간 주파수 라인에서 도 68의 AF의 단면에서 응답 대 정규화 미스포커스의 그래픽 구성도이고,

도 70은 파면 코딩을 하지 않는 통상의 촬상 시스템을 위한 모호성 함수(AF)의 그래픽 구성도이고,

도 71은 0.715의 정규화 공간 주파수 라인에서 도 70의 AF의 단면에서 응답대 정규화 미스포커스의 그래픽 구성도이고,

도 72는 파면 코딩을 광학 시스템에 적용하기 위한 방법을 나타내는 흐름도 이다.

예시의 명확화 목적을 위해 도면에서의 임의의 요소들은 축적으로 도시되지 않음을 밝혀둔다.

검출기의 크기와 관련하여 짧은 z 길이 또는 동등의 낮은 높이를 가질 경우에도 화상 품질을 향상시키는 광학 시스템 및 장치들을 기술한다. "짧은" 또는 "낮은 높이"는 일반적으로 광학 시스템의 두 배의 유효 초점 거리의 이하인 Z 길이(광학계의 제1 표면으로부터 검출기의 정면까지)로서 일반적으로 정의된다.

이러한 시스템 및 장치들은 예를 들어, 광학계, 기계계 및 디지털 검출기의 완화된 공차(비용을 감소시키도록)를 제공하는 한편, 여전히 고 화질을 얻을 수 있는데, 고 품질의 촬상을 위해 변경된 상용제품(off-the-shelf) 쇼트 볼륨의 광학계의 사용을 위해; 고 품질의 촬상을 위해 커스터마이즈된 쇼트 볼륨의 사용을 위해; 품질의 촬상을 위해 반사를 갖는 커스터마이즈된 쇼트 볼륨의 사용을 위해; 고 화질을 형성하기 위해 쇼트 볼륨의 광학계 그룹의 사용을 위해; 그리고 검출 가능성 또는 화상 SNR이 대상물 간격 범위 전체에 걸쳐 일정하도록 특수 촬상을 위한 특수 사출 동공의 설계에 사용을 위함이다. 이러한 시스템들은 또한 시스템 광 감도에 있어서 향상을 제공할 수 있다.

본 발명의 광학 시스템 및 장치들은 그 내부에 반사 및/또는 회절 요소들을 포함하는 한편, 이 추가적인 요소들의 주목적은 예를 들어 검출기 상의 특정 스폿 상에 입사 광을 포커스하는 것이 아니라 검출기에서 소정의 입사각을 이루면서 소 정의 위치를 향해 포커싱을 필요로 하지 않고 입사 광을 조종하는 것이다. 즉, 여기에서 제공된 교시는 특정 방식으로 광선의 "채널링"에 지향되는데 즉 환언하면, 검출기에서의 광 강도의 증가, 커스터마이즈 가능한 색채 분리 및 시스템 크기 감소 등의 장점을 제공하도록 하나 이상의 소정의 "광학 채널"을 따라 광선을 조종하는 것에 지향된다.

쇼트 촬상 시스템의 검출기에서 큰 광각들의 문제를 해소하기 위한 하나의 공지의 시도가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 광학 부품들(2) 및 광학 부품들(2)과 유사한 Z 방향(13)을 따라 일반적으로 배치된 검출기(14) 및 도 1의 촬상 시스템(10)의 Z 방향(3)을 따라 배치된 검출기(4)를 포함한다. 낮은 높이 촬상 시스템(20)은 또한 검출기에 또는 그 근처에 위치한 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22)를 포함한다. 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22)에 의해 광선 각도들이 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22) 없이 되는 것보다 검출기(14)에서 스테퍼(가파르게)될 수 있다. 도 2시스템(20)의 최대 주요 광선 각도는 검출기 앞에 위치한 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22)에 의해 시스템(10)의 최대 주요 광선 각도에 비해 6가지 요인에 의해 5도 감소될 수 있다. 이 결과 5도의 주요 광선 각도는 대부분의 실제적인 검출기들의 양호한 동작 품질 영역 내에서 작게 볼 수 있다.

도 2를 계속 참조하면, 하나의 잠재적인 결점은 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22)가 반사되므로, 렌즈는 상당한 두께를 갖는다는 점이다. 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(22)의 두께는 일반적으로 1 mm이고, 이는 광선 각도가 감소하기에는 충분히 큰 두께이지만, 또한 검출기(14) 앞에 광선들(15)의 파면에 대해 잠재적으 로 다른 수차들을 부가한다.

도 3은 광학 부품(2)은 광학 부품들(12)을 포함하고, 광학 부품들(2)과 유사하게 검출기(4)를 포함하고, 도 1의 광학 시스템(10)의 검출기(4)를 포함한다. 낮은 높이 촬상 시스템(30)은 또한 시스템(20)의 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(32)와 유사한 방식으로 기능하는 회절 제한적 광선 수정자(32; 예를 들어 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함한다. 회절 제한적 광선 수정자(32)는 또한 같은 기능을 제공하는 한편, 반사 제한적 광선 수정자 렌즈(32)에 비해 크게 감소된 두께를 갖는다. 검출기에서의 최대 광선 각도는 아직 약 5도인 반면, 작은 두께의 회절 제한적 광선 수정자는 광선들(15)이 검출기(14) 상에 입사되기 이전에 광선들(15)의 파면에 가상적으로 추가적인 수차들이 도입되지 않는 것을 의미한다. 실제에 있어서, 회절 제한적 광선 수정자(32)는 사용된 재료, 사용된 파장들의 범위 그리고 회전 존들의 간격에 따라 1/10 mm 두께 이하로 될 수 있다.

검출기에서 또는 그 전처에서 광선 각도들을 수정할 필요를 제거하는 한 방법은 화질에서 텔리센트릭(telecentric)한 촬상 시스템을 만들 수 있다. 화상 측 텔리센트릭 촬상 시스템은 기본적으로 광축에 나란한 주요 광선 각도를 갖는다. 텔리센트릭 렌즈용 검출기에서의 광선 각도들은 단지 마지널 광선 각도들(렌즈의 에지로부터 화상 평면으로의 각도)만 관련될 수 있을 뿐이고 이들은 렌즈의 속도 즉, F/#에 관련된다. 광축으로부터의 화상 점의 간격으로 인해 추가의 광선 각도는 도입되지 않는다. 실제에 있어서, 촬상 시스템은 단지 텔리센트릭 특성만을 가지고, 이 시스템은 고정적으로 텔리센트릭될 필요는 없다.

상기 렌즈의 검출기 측면으로부터 보여지는 바와 같이 무한대에 있거나 그와 가까운 짧은 텔리센트릭 반사 광학계가 구성될 수 있다. 무한대와 가깝게 나타나는 조리개의 화상의 경우에, 조리개는 광학계의 최종 그룹의 유효 초점 거리가 되는 그룹과 조리개 사이의 간격을 갖고 상기 최종 그룹의 전면에 있어야 한다. 도 1에 도시한 두 요소의 촬상 시스템의 경우에, 조리개로부터 제 2 요소까지의 거리는 대략 시스템이 텔리센트릭에 가깝게 되도록 제 2 요소의 초점 거리로 되어야 한다. 그러나, 두 개의 요소 사이의 간격을 증가시킬 필요는 매우 짧은 촬상 시스템을 만드는 목표에 나쁘게 작용한다. 짧은 반사 촬상 시스템을 향상시키도록 설계하는 경우, 같은 포인트에서 시스템 텔리센트릭을 만들고 초점을 일정하게 하는 것은 불가능하다.

예를 들어 다음은 소형 카메라를 기술한다. 셀룰러 폰 카메라, 디지털 카메라들, 내시경들, 자동 촬상 시스템들, 토이들, 적외선(IR) 촬상 시스템둘, 바이오메트릭 촬상 시스템, 보안 시스템들, 등에 유사한 기술이 사용될 수 있다.

여기서의 임의의 실시예들에 있어서, 텔리센트릭 촬상 시스템은 기울기 ㅈ지수(GRIN) 광학계를 통해 제공된다. CRIN 광학계는 일반적으로 광학계내의 위치의 함수인 반사 변화 지수를 갖는다. GRIN 광학계는 다음으로 주어진다.

반사의 공간 변화 지수를 가지며, 여기서 n(r,z)는 반경(r) 및 축(z) 방향들의 반사 지수이다. 반사 지수 형태의 다른 변화들이 가능하다. 합은 파라미터 i 이상이 다. 반사 지수 형태의 다른 변화들은 가능하다. 몇 가지 변화들은 구형 또는 렌즈형 윤곽 형태를 따라 z의 함수로서 변화하는 그리고 지수 분포를 동적으로 변화시키는 반사 지수를 포함한다. GRIN 광학계의 적절한 구성을 취함으로써, 촬상 시스템은 적절히 텔리센트릭될 수 있으면서 또한 짧게 된다.

도 4는 변경된 CRIN 렌즈(104)를 포함하는 짧은 촬상 시스템(100)을 도시한다. 변경된 GRIN 렌즈(104)(즉, 예를 들어, 원래 NSG(Nippon Sheet Glass) GRIN 렌즈 ILH-0.25)는 파면 코딩을 이용하도록 변경되고, 단거리, 고속 및 아주 넓은 시계를 얻도록 검출기(102)의 전면에 배치된다. 변경된 GRIN 렌즈(104)는 특히 파면 코딩을 이용하는 특수하게 설계된 부품을 구비하는 커스터마이즈된 전면(106)을 구비한다. 검출기(102)로부터의 결과 화상의 신호 처리는 파면 코딩의 공간 효과를 반대로 하고 최종 화상을 생성하는데 사용될 수 있다. 변경된 GRIN 렌즈(104)의 배면(107)은 검출기(102)와 거의 인접하여 또는 그와 접촉하여 위치한다. 변경된 GRIN 렌즈의 한쪽 면은 반사들을 흡수 또는 감소시킬 뿐만 아니라 필드 스톱으로서 작용하는 어둡게 된 외면(108)을 포함한다. 변경된 GRIN 렌즈(104)가 기반이 되는 NSG ILH0-0.25 그린 렌즈는 f = 0.25 mm의 초점 거리, F/1, 직경 = 250 ㎛, 거리 = 400 ㎛를 가지며, 60도의 완전 시계(Full Field of view)를 갖는다. 검출기(102)는 예를 들어, 3.3 ㎛ 정방형 픽셀을 갖는 56 × 56 픽셀 CMOS 검출기일 수 있다. 커스터마이즈된 전면(106) 이외에, 변경된 그린 렌즈(104)의 전면 또는 배면은 또한 얇은 스펙트럼 필터로 코팅될 수 있다. 짧은 촬상 시스템의 경우에, 특수 표면 및 기울기 지수 광학계를 사용하면, 짧은 전체 길이(Z- 길이)를 갖는 사실상 텔리 센트릭 광학계가 된다. 텔리센트릭 광학계는 검출기 표면에서의 주 광선 각도가 용이하게 활용가능한 검출기용의 입력 각도의 실제적인 범위 내에 유지하기에 충분히 가파롭게 확보하는데 도움이 된다.

파면 코딩을 갖지 않는 GRIN 렌즈의 성능은 도 5 내지 도 10에 도시된다. 도 5는 GRIN 렌즈(124) 내에 60도 시계의 절반에 걸치는 복수의 입력 광선들(파선 타원(122)으로 도시)용 광선 패턴을 도시한다. 입력 광선들은 GRIN 렌즈(124)의 전면(125)으로 입사하고, 검출기(127) 내에 위치한 GRIN 렌즈(124)의 배면(126)에서 포커스된다. GRIN 렌즈(124)의 기울기 지수 구성으로 인해, 검출기에서 복수의 광선 각도(파선(128)으로 도시)가 거의 20도 또는 그 이하로 낮아진다. 검출기에서의 최대 광선 각도는 주로 F/1인 이 GRIN 렌즈의 속도에 의해 주로 결정된다.

도 6- 8은 시계 상의 하나의 파장에서의 GRIN 렌즈(124)용 광선 차단도를 나타낸다. 도 6 -도 8의 각 쌍의 구성은 다른 입력광선 각도의 경우에 입력 면에서의 GRIN 렌즈 조리개 상의 화상점 대 동공점(도 5의 표면에 도시한 바와 같은)에 대응하는데, 도 6 - 도 8에 있어서 각각의 스케일은 -5 미크론에서 + 5 미크론이다. 도 6 - 도 8에 도시한 광선 차단 스케일은 GRIN 렌즈(124)가 대량의 필드 곡률, 구면 수차 코마(coma), 및 비점 수차를 겪는다. 다른 파장에서의 성능은 유사하다. 이들 수차는 촬상 성능을 크게 제한하지 않지만 온축상의 위치들은 제한한다.

도 9는 필드 앵글의 함수로서 도 5의 GRIN 렌즈의 단색 변환 전달 기능들(MTF)을 나타낸다. MTF는 필드 앵글들을 향상시키도록 대폭적으로 강하하는 것으로 보여진다. 가장 큰 필드 앵글에 있어서, MTF는 110 lp/mm에 가까운 제로들을 갖 는다. 3.3 미크론 픽셀 검출기에 의해 입수된 최대 공간 주파수는 약 151 lp/mm이다. 그러면 검출기에 의해 입수된 화질은 필드 곡률의 수차, 구면 수차, 코마 및 비점 수차로 인해 크게 화상 위치에 따른다.

도 10은 필드 앵글 및 대상물 위치의 함수로서 GRIN 렌즈(124)용 구성도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 구성도의 형상 및 크기는 필드 및 화상 평면에 걸쳐 크게 다르다. 이러한 변화는 큰 시계 구성에 있어서 GRIN 렌즈가 그 자체에서 상을 열악하게 하는 것을 나타낸다.

렌즈를 형성하는 특수 타입의 광학 표면들을 통해 파면 코딩을 이용함으로써, 그리고 그 결과의 화상을 신호처리함으로써, 광학계, 기계계, 환경, 제조 및 어셈블리로 인해 수차의 영향이 모두 제어될 수 있다. 위의 신호 처리에 의해 물리적으로 짧은 촬상 시스템의 비교적 소수의 자유도를 보상될 수 있는 전 시스템의 자유도가 증가하게 된다.

파면 코딩을 통해 상용제품 기울기 지수(GRIN)의 경우에도, 고속(F/1) 렌즈들이 큰 시계(60도의 완전 시계)를 통해 높은 공간 해상도(3.3 미크론 픽셀)로 상이 만들어질 수 있다. 파면 코딩과 함께 사용을 위해 변경된 GRIN 렌즈는 도 11에 도시되어 있다. 도 11은 변경된 GRIN 렌즈(134) 내로의 60도의 시계의 절반에 걸쳐 복수의 입력 광선(파선 타원(132)으로 도시)을 위한 광선 패턴(130)을 나타낸다. 입력 광선들은 변경된 GRIN 렌즈(134)의 전면(135)으로 입사하고, 검출기(137)에 인접하게 배치된 GRIN 렌즈(134)의 배면(136)에서 포커스된다. 배면(136)에서의 광선 각도들(파선 타원(138)로 도시)은 다시 작아진다. 검출기(137)는 그 위에 수신 된 광선 신호들을 신호 처리 장치(142)에 지향된 전기 신호(140)로 변경한다. 처리 장치(142)로부터의 이 결과의 전기 신호(144)는 최종 화상을 형성하는데 사용된다.

변경된 GRIN 렌즈(134)는 변경된 GRIN 렌즈(134)의 전면에서의 특수 표면의 형성에 의해 도 5의 GRIN 렌즈(124)와는 다르다. 도 11의 배면에서의 광선 번들들의 다른 형상이 도 5에서의 배면(126)에서의 광선 번들들과 비교됨을 유의하라. 변경된 GRIN 렌즈(134)의 전면에서 형성된 특수 표면은 예를 들어 장방형으로 분리가능한 입방 형상 변경을 실시할 수 있다. 수학적으로, 위상 변경은 {σ(x^3 + y^3)}로 기술되는데, 여기서, σ는 약 11 파장까지의 피크 투 밸리 광학 경로 차이(OPD)를 제공하도록 선택된다. 이러한 특수 표면에 대한 형상은 간단화를 위해 변경된GRIN 렌즈(134)와 사용을 위해 선택되었다. 다른 표면 형상의 변형 또한 가치있고 가능하다. 변경된 GRIN 렌즈(134)를 통해 전송되고 또는 검출기(137)에서 검출된 광선은 신호 처리 장치(142)를 통해 연속적으로 처리된다. 예를 들어 신호 처리 장치(142)는 특수 표면에 의해 실시된 위상 변경들을 보상할 수 있다. 예를 들어, 특수 표면이 공지의 파면 코딩 요소로 구성되는 경우, 신호 처리 장치(142)는 파면 코딩을 통해 광선들의 전송에 의해 도입된 위상 변경들의 공간 효과들을 반전시키는 역할을 할 수 있다.

도 12-14는 단일 파장용 필드에 걸쳐 변경된 GRIN 렌즈(134)용 광선 차단 곡선들을 도시하며, 도 12-14에서의 각 구성에서의 규모는 50 마이크론 내지 + 50 마이크론이다. 이들 곡선들은 광학계 만을 위한 것이며, 검출기 또는 신호 처리를 포함하지 않는다. 성능은 다른 파장들의 성능과 유사하다. 도 12-14에서 볼 수 있는 바와 같이, 광선 차단 곡선들은 기본적으로 모두 필드 앵글의 함수와 같이 일정하다. 이 결과로부터, 필드 앵글의 함수로서 시스템으로부터의 응답은 사실상 일정할 것으로 예상된다. 도 12-14에 도시한 광선 차단 곡선들의 규격은 도 6-8에 도시한 규격 보다 10 이상 크다.

변경된 GRIN 렌즈(134)를 위한 MTF들은 도 15에 도시된다. 이들 MTF들은 또한 검출기 또는 신호 처리의 효과를 포함하지 않는다. 광학계-MTF들만은 전 시계에 걸쳐 실질적으로 일정한 동작을 갖도록 선택된다. 이러한 MTF 동작은 도 9에 도시한 바와 같이 GRIN 렌즈(124)의 동작과는 전혀 다르다.

변경된 GRIN 렌즈(134)의 구성도들은 도 16에 도시되며, 도 16은 신호 처리를 하지 않고 광학 정보만을 나타낸다. 구성도들은 필드 앵글 및 영상 평면에 걸쳐 사실상 일정하게 보여진다. 구성도들의 특정 형상은 변경된 GRIN 렌즈와 함께 형성된 특정 장방향으로 분리가능한 표면 프로파일에 의해 주로 결정된다.

GRIN 렌즈(124)의 정면(125)과 변경된 GRIN 렌즈(134)의 표면을 구별 짖는 변화들은 도 17과 도 18의 비교에 의해 설명된다. 도 17은 그린 렌즈(124)의 메시 포맷에서 온축(on-axis)상의 사출 동공 프로파일(150)은 사실상 약간 굴곡진 프로파일을 가지면서 평탄하다. 도 18은 변경된 GRIN 렌즈(134)의 특수 온축 사출 동공 프로파일(155)을 도시한다. 특수 사출 동공 프로파일(155)은 소정의 파면 코딩 효과에 따라 그를 통해 전송된 광선들에 특수 위상 변경들을 도입하도록 구성된다. 그린 렌즈(124)의 전면(125) 및 후면(125)은 도 17에 도시한 바와 같이 사실상 평탄한 것으로 생각된다. 피크 투 밸리 OPD는 도 17에 도시한 프로파일을 위해 대략 2.2 파장이다. 대조적으로 변경된 GRIN 렌즈(134)의 전면(135)은 장방형으로 분리가능한 입방 위상 변경을 실시하는 표면 프로파일을 갖는다. (x,y) 좌표에 있어서, 이 표면의 형태는 {σ(x^3 + y^3)}이며, 여기서 상수 σ는 소정의 표면 높이를 달성하도록 조정된다. 변경된 GRIN 렌즈(134)의 전면(135)의 표면 높이는 도 18에 도시한 예에서 구성되어서 변경된 GRIN 렌즈용 온축상의 피크 투 밸리 OPD는 대략 11파장이다. 도 11의 전면 상에 제공되지만, 이 작은 평면으로부터의 이 작은 편이는 시각적으로 보기 어렵다.

변경된 GRIN 렌즈(134)를 이용하여 여러 가지 필드 앵글을 위한 3.3 미크론의 검출기를 갖는 샘플링 이후에 필드 앵글의 함수로서 포인트 대상물의 화상들이 도 19 내지 도 21을 통해 도시된다. 도 19 내지 도 21에 도시한 바와 같이, 포인트 오브젝트들의 화상들 또는 포인트 확산 함수들(PSF)은 장방형으로 분리가능한 시스템을 위한 특징적인 3각 형상을 나타내고 또한 필드 앵글의 함수로서 작은 시각적 변화를 나타낸다. 픽셀 단위에서 PFS의 측면 길이는 약 10이다.

도 11에 도시한 바와 같이, 검출기에서 검출된 화상들은 최종 화상 형성을 위해 신호 처리 장치(142)를 통해 지향된다. 신호 처리 장치(142)를 통해 변경된 그린 렌즈(134)를 통해 상을 이루는 바와 같이 포인트 오브젝트의 처리 화상들로부터 결과하는 PSF는 도 22 내지 도 24에 도시된다. 도 22 내지 도24를 통해 도시된 PSF들을 생성하는데 사용된 신호 처리는 선형 디지털 필터링과 유사하다. 이 신호 처리에 사용된 선형 디지털 필터는 화상 필드의 모든 위치에 걸쳐 일정하다. 도 19 내지 도 21의 샘플화된 PSF 선형 필터링 이후, 필터링된 도 22 내지 도 24의 필터 링된 PSF들은 공간적으로 소형화되게 선택되고, 기본적으로 전체 필드에 걸쳐 일정하다. 도시하지는 않았지만, 대상물 위치들의 넓은 범위를 위해 대상물 위치의 함수로서의 PSF들은 변경된 그린 렌즈(134)를 위해 도 19 내지 21 및 도 22 내지 24에 도시한 것과 유사하다.

신호처리 전후의 파면 코딩을 이용하는 변경된 GRIN 렌즈(134)를 이용한 촬상 시스템의 MTF들은 도 25에 도시된다. 도 22 내지 24에서와 같이, 도 25에 도시된 신호 처리는 선형 디지털 처리이다. 신호처리 전의 MTF들은 파선 타원(160)으로 도시한 하위 군으로서 도시되고, 신호 처리후의 MTF들은 파선 타원(170)으로 도시한 상위 군으로 도시된다. MTF들은 전체 필드 및 3 내지 15 mm의 대상물 위치의 범위를 나타낸다. MTF들은 또한 100% 충전 필터를 갖는 3.3 미크론 검출기로부터 이상적인 픽셀 MTF를 포함한다. 다시 간단히 도 9를 참조하면, 통상의 GRIN 렌즈들을 갖는 촬상 시스템은 하나의 대상물 간격에서도 낮은 품질로 상을 만듬을 회상할 수 있다. 도 25에서 볼 수 있는 바와 같이, 변경된 GRIN 렌즈를 포함하는 변경된 시스템으로부터 발생하는 MTF들의 하위 군(160)은 모든 필드 앵글 및 대상물 간격들의 범위에 걸쳐 신호 처리 이전에 사실상 일정하게 되는 것으로 보여진다. 모든 필드 위치들 및 대상물 간격들에 걸쳐 적용된 동일 선형 디지털 필터를 이용하여 신호 처리가 상위 군(170)에 도시한 MTF들을 생성한다. 상위 군(170)의 MTF들은 사실상 통상의 GRIN 렌즈로부터(통상의 GRIN 렌즈로부터의 MTF들이 이상적인 3.3 미크론 픽셀의 픽셀 MTF를 갖는다고 가정할 때) 통상의 GRIN 렌즈로부터 최적으로 포커스된 온축상의 MTF들과 사실상 같은 높이를 갖는다.

도 22 내지 24 및 도 25의 구성들을 형성하는데 사용된 선형 디지털 필터는 도 26 및 도 27에 도시되어 있다. 도 26은 화상 포맷에서의 선형 디지털 필터의 표현이고, 도 27은 메시 포맷(550)에서의 디지털 필터의 표현이다. 도 26 및 도 27에 도시한 바와 같이, 선형 디지털 필터는 일부의 다른 값을 가짐과 더불어 공간적으로 소형이다. 이러한 디지털 필터는 하드웨어 처리 플랫폼들에서의 실시에 있어서 연산적으로 유효하다. 도 26 및 도 27에 실시된 예에 있어서, 디지털 필터의 모든 값들의 합은 1로 된다. 이어서 이러한 필터의 제곱된 값들의 합의 제곱근은 이 필터의 적용 이후에 추가의 노이즈(노이즈 이득 없음)의 RMS 이득에 근사값을 제공한다. 따라서 이예의 디지털 필터의 계산된 노이즈 이득은 3.2이다.

변경된 GRIN 렌즈(802)를 생성하는 일례의 제조 시스템(800)이 본 실시예에 따라 도 28에 도시된다. 변경된 GRIN 렌즈(802)는 특수 페이스 표면(806)이 부가된 통상의 GRIN 렌즈(804)를 포함한다. 특수 페이스 표면(806)은 UV-경화가능 물질, 에폭시, 글루, 또는 유사의 것 등과 같은 이에 제한되지는 않지만, 성형가능 물질을 이용하는 통상의 GRIN 렌즈(804)의 전면(808)에 형성된다. 특수 페이스 표면(806)의 형상은 핀(812)의 가공 면(810)의 형상에 의해 형성된다. 핀(812)의 표면(810)은 특수 페이즈 표면(806)에 바람직한 표면 프로파일의 정확하게 네거티브를 나타내도록 가공된다. 따라서 성형가능 물질(및 결론적으로, 특수 페이스 표면(806))에 의해 얻어진 형식은 핀(812)의 가공면(810)의 형상에 의해 결정된다. 특수 페이스 표면(806)의 형상은 예를 들어 비구면이다. 즉, 핀(810)은 주입 성형 머신에서 공통적으로 사용된 다른 핀들과 유사하다. 제조 시스템(800)에의 통상의 그린 렌즈(804)의 삽입 이전에 성형 가능 물질의 측정 량이 핀(812)의 가공 표면(810)에 부가된다. 컬러(814)는 통상의 GRIN 렌즈(804)를 홀딩해서 핀(812)에 대해서 그것을 가압한다. UV-경화성 물질이 예를 들어 성형가능 물질로서 사용되는 경우, 후면(818)으로부터 통상의 GRIN 렌즈(804)를 통해 경화 광(816)이 도입된다. 통상의 그린 렌즈(804)의 후면(818)은 박막 스펙트럼 필터(820)로 코팅될 수 있다. 스펙트럼 필터(820)가 특수 페이즈 표면(806)의 성형 이전에 통상의 그린 렌즈(804)에 부가되는 경우, 그리고 UV 경화성 물질이 특수 페이즈 표면을 위한 성셩 가능 물질로서 사용되는 경우, 스펙트럼 필터(820)는 사용된 특수 UV 경화성 물질에 적합한 UV 경화 파장에서 광선을 통과시키도록 구성되어야 한다. 따라서 핀(812) 및 컬러(814)는 제조 이전에 변경된 GRIN 렌즈(802) 준비 이완을 위해 TEFLON® 등의 비-스틱 물질로 코팅될 수 있다.

도 28과 관련하여 도 29를 참조하면, 도 28의 변경된 GRIN 렌즈(802) 등의 변경된 GRIN 렌즈들의 평가를 위한 측정 시스템이 도시된다. 핀(812)이 제거된 후, 그러나 컬러(814)가 제거되기 이전에, 변경된 GRIN 렌즈(802)는 포인트 대상물, 바 차트(bar chart), 테스팅에 적합한 다른 대상물 등의 테스트 대상물(842)의 화상(840)을 형성하는데 사용될 수 있다. 현미경 대물렌즈(844)는 변경된 GRIN 렌즈(802)의 배면(818)상에서 형성하는 최종 화상(840)을 포커스하는데 사용될 수 있다. 현미경 대물렌즈(844)는 전달된 화상(850)으로서 원격 검출기 배열(844) 상에 상(840)을 전달하도록 촬상 렌즈(846)와 협동한다. 도 29에 도시한 예에 있어서,대물렌즈(844)는 예를 들어 선택적으로 무한히 수정될 수 있다. 검출기 배열(848)상 에서 시험 대상물을 촬상하는 한편, 컬러(814)가 아직 변경된 GRIN 렌즈(802) 상에 부착되게 함으로써, 전달된 화상(850)의 품질이 반복적으로 검사될 수 있다. 그러면, 측정 시스템(830)은 특정 렌즈의 특수 페이즈 표면이 재제조될 필요 여부를 나타냄으로써 특정 변경된 GRIN 렌즈(802)의 품질을 개선하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 측정 시스템(830)은 변경된 그린 렌즈들의 신뢰가능한 제조를 가속화하는데 사용될 수 있다. 이러한 형태의 제조, 테스팅 및 재가공 방법은 GRIN 렌즈들의 군들이 만들어지고, 예를 들어 일군으로 만들어지고 부착될 때, 병렬로 사용될 수 있다.

변경된 그린 렌즈(예를 들어, 도 28의 변경된 GRIN 렌즈(802))에 대한 일례의 박막 스펙트럼 필터 응답(870)이 도 30에 도시된다. 도 30의 박막 스펙트럼 필터의 일례의 가능한 구성을 표 1에 도시한다. 표 1은 이러한 13층 박막 대역통과 스펙트럼 필터의 층 재료 및 두께(즉, 규정)를 리스트한다. 이 13 층 필터용 촬상 통과 대역은 약 50 mm이다. UV 통과 대역은 또한 50 nm 넓이 대역폭보다 다소 작다. 필터 내의 여러 가지 층들의 적당한 설계에 의해 스펙트럼 필터들의 촬상 대역폭은 가시 대역을 커버하기에 충분히 넓게 만들어질 수 있다. 통상의 그린 렌즈에 통상적으로 영향을 미치는 최종 색 수차의 영향은 파면 코딩된 전면의 설계 및 최종 화상들의 신호 처리에 의해 제거될 수 있다.

물질 두께( nm )

에어 N/A

---------------------

TiO2 75.56

SiO2 93.57

TiO2 34.13

SiO2 86.48

TiO2 58.57

SiO2 45.05

TiO2 63.34

SiO2 113.25

TiO2 94.20

SiO2 108.37

TiO2 105.07

SiO2 145.66

TiO2 100.20

----------------------

기판 (GRIN 렌즈)

[표 1]

도 4를 다시 간략히 참조하면, 변경된 GRIN 렌즈(104)의 최대 화상 사이즈는 실제적으로 GRIN 렌즈 볼륨내의 반사 변화의 지수 범위에 의해 제한된다. 반사 지수의 변화 0.1은 GRIN 렌즈들에서 공통으로 생각된다. 0.3의 지수 변화는 공통적이 지 않은 것으로 생각된다. 이러한 큰 반사 지수의 변화는 앞으로 공통으로 증가될 지라도, 화상의 크기와 현재 활용가능한 지수 변화를 균형시킬 필요가 있다.

큰 대상물들을 영상화하고 그리고 큰 크기의 화상들을 증가적으로 형성하기 위한 하나의 시스템이 도 31에 도시된다. 시스템(900)은 큰 화상들을 형성하기 위해 복수의 GRIN 렌즈들(904)의 그룹(902)을 포함한다. 복수의 GRIN 렌즈들(904) 각각은 예를 들어 도 28의 통상의 GRIN 렌즈(804) 또는 변경된 GRIN 렌즈(802)일 수 있다. 복수의 GRIN 렌즈들(904) 각각은 검출기(912) 상의 큰 검출기(908)의 관련 작은 필드(906)(즉, GRIN 렌즈에 의해 보여지는 대상물의 부분)를 영상화하고, 상기 검출기는 검출된 광학 화상을 화상 데이터 신호(917)로 변환한다. 이어서 화상 데이터 신호(917)는 최종 화상(919)을 생성하기 위해 신호 처리기(918)에 처리된다. 이 결과 최종 화상(919)의 총 화상 사이즈 크기는 간단히 임의의 하나의 GRIN 렌즈를 이용하여 생성될 수 있는 화상 크기보다 훨씬 크다.

도 31에 있어서, GRIN 렌즈들(904)의 군(902)은 전체 대상물(908)의 비 차단 커버리지가 얻어질 수 있도록 구성된다..각 그린 렌즈의 관련 필드(906)는 임의의 다른 렌즈의 관련 필드들과 오버랩될 수 있다. 시스템(900)은 선택적으로 각각의 GRIN 렌즈들의 관련 필드를 제어하기 위한 조종 광학계(920)를 포함한다. 조종 광학계(920)는 도 31에서는 반사 구성으로 도시되지만, 다른 구성도 사용될 수 있다. 예를 들어 회절 구성에 있어서, 조종 광학계(920)는 광학 수정을 위한 추가의 표면 변화를 갖는 하나 이상의 프리즘을 포함할 수 있다. 그러한 프리즘은 또한 상기 GRIN 렌즈들 군의 전면에 직접적으로 장착될 수 있다. 조종 광학계(920)는 또한 광 학 파워를 나타내고 일부의 수차 균형을 수행하도록 구성될 수도 있다.

도 4와 관련하여 도 31을 참조하면, 도 4의 GRIN 렌즈(104)의 전면에 부착된 파면 코딩 표면은 예를 들어 다음의 3가지 방식 중 하나로 도 31의 시스템(900)에서 실시될 수 있다. 1) 비구면 표면이 조종 광학계(920)의 일부 등의 분리 반사 및/또는 회절 조정 광학계에 부가되는 방식; 2) 비구면 표면이 군(902)의 복수의 GRIN 렌즈들(904) 각각의 전면에 직접적으로 부가되는 방식; 3) 촬상 파면 상의 커스터마이즈된 전면(106)의 영향은 군(902)의 각 개별 렌즈의 설계에 통합되는 방식이다. 제 3 방법은 도 28에 도시된 제조 방법에 도시된 바와 같이 각 GRIN 렌즈의 전면 또는 배면에 부착되거나 형성되는 특수 비구면 표면을 필요로 하지 않는다.

다시 도 31을 참조하면, 강학 수정 판(992) 또는 자유 공간은 GRIN 렌즈들(904)의 군(902)과 검출기(912) 사이에 배치될 수 있다, 예를 들어, 회절 또는 볼륨 요소가 수정 판(922)으로서 사용되는 경우, 각 GRIN 렌즈로부터의 추가의 수차들이 경감될 수 있다. 수정 판(922) 대신에 자유 공간이 사용되는 경우, 자유 공간을 통하는 전파의 효과가 각각의 GRIN 렌즈들 사이의 서브 화상 경계들을 평활하하는데 도움을 준다. 또한, GRIN 렌즈들 사이의 경계들은 필드 스톱으로서 작용하도록 검게될 수 있다.

이어서 도 31을 참조하면, 각 GRIN 렌즈(904)는 관련 다른 필드(906)의 상을 만들므로, 각각의 GRIN 렌즈들 및 그들 대응 파면 코딩 광학계는 넓은 시계를 위해 특수하게 설계될 수 있다. 또한, 각각의 GRIN 렌즈의 광학 특성은 GRIN 렌즈가 대상물로부터 광을 수신하는 특정 입사각도들에서 상을 잘 만들도록 커스터마이즈될 수 있다. 이러한 식으로 온축상에서 보는 GRIN 렌즈들과 오프축(off-axis)상에서 보는 GRIN 렌즈들 내의 고유한 수차들이 최적으로 제어될 수 있다. 최종 화상(919)을 생성하기 위한 신호 처리(918)는 각 개별 GRIN 렌즈 용으로 커스터마이즈될 것이다. 신호 처리는 예를 들어 도 26 및 도 27에 도시된 선형 필터링과 유사하게 될 수 있을 것이다.

도 31을 참조하여 도 32를 참조하면, 다른 형태의 GRIN 렌즈 시스템 군들(파면 코딩을 이용하는)이 도 32에 도시된다. 도 32에 도시된 이 시스템은 조종 광학계를 제외하고는 도 31의 시스템(900)과 유사하다. 도 31의 시스템(900)과 유사하게, 시스템(950)은 복수의 GRIN 렌즈들(954)군(952)을 포함한다. 그러나, 시스템(900)과는 달리, 시스템(950)은 대상물(958)의 관련 다른 필드들(956)이 검출기(912) 앞의 임의의 간격에서 교차하도록 구성된 조정 광학계(955)를 포함한다. 이러한 시스템(950)의 배치에 의해 검출된 화상의 신호 처리에 있어서 신호 처리기(964)상에 배치된 필요물들의 일부를 감소시키는데 도움이 된다. GRIN 렌즈들(954) 군(952)의 크기는 화상이 반전되도록 네거티브로 될 수 있다. 도 31에서와 같이 광축(검출기(912)의 중심으로부터 수직인 표면)대상물(908)의 부분들은 단일 GRIN 렌즈용의 광축에 가까운 검출기(912) 상에 촬상되는 것을 알 수 있다. 그러면 신호 처리기(918)는 크기를 수정하도록 관련 필드(906) 각각으로부터 결과하는 서브 화상을 분류할 필요가 있다. 도 32의 시스템(950)은 이러한 크기 문제를 갖지 않는데, 이는 광축으로부터 먼 대상물(958)의 부분들이 GRIN 렌즈에서의 광학축으로부터 멀게 촬상되기 때문이다. 따라서 결과의 서브 화상들은 반전될 필요가 없 다.

계속해서 도 31과 도 32를 참조하면, 도 31과 도 32의 신호 처리(918 및 964)는 여전히 각기 파면 코딩으로 인한 화상에서의 고유한 번짐을 제거할 뿐만 아니라 필드 앵글과 더불어 불요한 왜곡 및 가능한 조명의 저하를 제거해야 한다. 조명이 증가할 때, 화상 필드가 GRIN 광학계에서 증가함에 따라 왜곡은 크게 증가하는 것으로 인식된다. 왜곡 및 조명 수정은 번짐 제거 전후에 수행되어야 한다. 번짐 제거는 예를 들어 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이 간단한 선형 필터에 의해 달성될 수 있다.

도 33에 도시한 바와 같은 소형 광학계에 반사를 도입함으로써 반사 촬상 시스템(980)의 최종적 전체 길이(D)가 증가하게 된다. 예를 들어 도 33에서와 같이, 반사 광학계(982)는 예를 들어 반사, 회절로 되는 제 1 표면(984) 및 프레넬 렌즈을 포함한다. 반사 광학계(982)는 또한 추가의 반사 표면(986 및 988)을 포함하며, 이 표면들은 반사 광학계(982)를 통과하는 광선(990)의 파면을 추가적으로 변경하는데 이용된다. 조리개(도시 않음)는 반사 표면들 중 하나 근처에 또는 그에 추가적으로 위치한다. 또한 추가적 페이즈 변경은 최종 표면들(992)에서 도입된다. 반사 광학계(982)를 형성하는 재료는 GRIN 물질이고, 일반적인 볼륨 요소 또는 동종 물질이다. 추가의 자유도가 반사된 표면들의 존재에 의해 반사 광학계(982)에 도입되는 경우, 이들 추가의 반사 표면들은 동종 물질로 GRIN 또는 일반 볼륨 물질을 대체할 때, 자유도의 감소를 상쇄시키도록 추가적으로 커스터마이즈빌리티(사용자 주문성)을 제공한다. 반사 촬상 시스템(980)은 이 시스템이 실질적으로 텔리센트릭 이 되도록 구성될 수 있다. 즉, 반사 광학계(982)를 통하는 주 광선 각도는 검출기(994)에서의 최종 입사 각도가 작게 되도록 작게 됨으로써 반사 촬상 시스템(980)이 실질적으로 텔리센트릭 시스템으로서 동작하는 것을 보장한다. 반사 촬상 시스템(980)을 통해 전송된 광선의 주 광선 각도는 검출기 강도 손실을 줄이도록 추가적으로 제어될 수 있다. 반사 또는 회절 표면은 반사 광학계(982)의 다른 표면들상에서 또한 실시될 수 있다. 최종 표면(992)이 평평하게 유지되면, 반사 광학계(982)는 도 4의 변경된 GRIN 렌즈(104)와 유사한 방식으로 검출기(994)의 표면에 직접적으로 장착될 수 있다. 검출기 상의 또는 동등하게 검출기 커버 판 상의 직접적인 장착은 시스템의 제조 내성을 크게 감소시킨다. 그러나 검출기(994)상에 촬상 시스템(980)을 장착시키는 것이 실제적인 경우, 촬상 시스템(980)은 또한 검출기로부터 약간 이격한 간격으로 장착될 수도 있다.

도 34 - 36은 도 31 및 도 32에 포괄적으로 나타낸 광학 부품들의 다른 구성을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 특수 GRIN 렌즈들의 군은 도 31 및 도 32를 기반으로 사용된다. 일반적으로 GRIN 렌즈 배열 대신에 사용되는 많은 다른 타입의 촬상 구성이 있다. 즉 도 31과 도 32에 기술한 구성과 유사한 기능성이 개별 광학계 군들을 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 31과 도 32의 그룹화된 GRIN 렌즈들(902, 및 952) 대신에 그룹화된 요소들은 광선의 번들(파선 타원(1205)로 도시)이 전송될 도 35의 렌즈 배열(1210)으로 그룹화된 도 34의 간단한 렌즈(1201)일 수 있다. 광선의 표면 형태는 GRIN 렌즈들로 구성되고 도 11 내지 도 25에 도시된 촬성 성능의 타입이 렌즈 배열로 달성되도록 파면 코딩을 포함하여 일반화된 비구 면 광학계일 수 있다. 다수의 렌즈 배열들은 또한 그 배열들이 고 품질로 촬상을 향상시키게끔 광축을 따라 적층되도록 사용될 수도 있다. 광축을 따르는 촬상 배열들 사이의 분리는 배열들 또는 분리 배열 스페이서들을 통해 형성된 장착 특징들을 통해 유지될 수 있다. 배열 스페이서들은 기본적으로 배열 광학계와는 다른 반사 지수를 갖는 광학 디스크들이거나 배열 광학계의 광축들 상에 중심을 둔 홀들을 갖는 비 광학 디스크들일 수 있다.

도 36은 도 31과 도 32의 그룹화된 렌즈들(902 및 952)에서 사용될 수 있는 다른 광학 구성을 나타낸다. 도 36에 사용된 접는 광학계들(1220)은 검출기 평면의 방향에서의 변화 및 반사 면에서의 추가적인 자유도 모두를 허용하는 광축의 경로를 접도록 동작한다. 이 결과 접는 광학계들(1220)을 통해 이동하는 한 번들의 광선들(1225)이 입사 방향으로부터 대략 90도 먼 방향에서 재지향된다. 이러한 접는 광학계 구성은 장착 및 정렬을 간단히 하기 위해 단일 물리적인 부품으로 구성될 수 있다.

지금까지 기술한 소형 광학계는 광선이 통과하는 물질로 된 단일 층 이상을 갖는다. 도 31 및 도 32에 있어서, 3가지 다른 층들이 표시된다. 제 1 층들(920 및 925)는 수정 및 조종 광학계로서 동작하도록 도시된다. 군 광학계(902 및 952)는 광을 수집해서 검출기를 향해 전달한다. 층(922)은 추가의 수정 판으로서 동작한다. 이들 층들 각각은 도 31과 도 32의 900 및 950과 같이 시스템에 중요한 부품들이 배열에 걸쳐 그리고 이를 따라 복제되도록하는 배열 방식으로 제조될 수 있다. 시스템들(900 및 950)에 적합한 각각의 부품들은 배열로부터 필요한 부품을 커팅 즉, 다이싱함으로써 얻어질 수 있다. 공지된 바와 같이, CMOS 센서들 등의 전자 센서들은 웨이퍼의 실리콘 기판상에 배열 방식으로 제조된다. 각각의 센서들은 커팅 즉 다이싱에 의해 웨이퍼로부터 얻어진다.

도 37은 도 31과 도 32의 시스템들(900 및 950)이 특정 예들인 소형 광학 시스템의 일반적인 배열 표시를 나타낸다. 도 37은 적층된 웨이퍼들의 시스템(1230)을 도시한다. 제조된 광학 요소들의 배열을 도 37의 1232 및 1234와 같이 "웨이퍼 광학계"라 할 수 있다. 웨이퍼 광학계(1232 및 1234)에 있어서, 각 다이아몬드(1233)는 센서 레벨에서의 광학계를 나타낸다. 수정자들로서 동작하는 광학계의 배열을 도 37의 웨이퍼(1236) 상에서와 같은 "수정 요소들의 웨이퍼"라 할 수 있다. 수정 요소들(1236)의 웨이퍼에 있어서, 디테일이 픽셀 레벨 상에 있으며, 복제가 센서 레벨상에 있다. 모든 웨이퍼 광학계의 복제된 규격 및 공간 위치들이 CMOS 웨이퍼(1238)의 정렬과 정합하면, 전체 세트의 광학계 및 전자 부품들이 촬상 시스템의 배열을 함께 형성하도록 접합될 수 있다. CMOS 웨이퍼에 있어서, 각 스퀘어(1239)는 하나의 N×M 픽셀 센서를 나타낸다. 이러한 배열은 다이싱되어 완전한 세트의 광학계 이외에 전자부품을 형성한다. 즉, 웨이퍼들은 함께 결합된 다음 그 적층이 개별적인 센서들 및 광학계로 다이싱된다. 일반적으로 촬상 광학계 및 수정 광학계들의 기능들은 하나 이상의 각각의 웨이퍼들로 실현될 수 있다. 이들 요소들의 특정 설계들은 광선 입수를 향상시키고 민감도를 높이기 위해 센서 픽셀들의 설계로 최적화될 수 있다.

다시 간단히 도 31 및 도 32를 참조하면, 도 31과 도 32의 조종 광학계(920 및 958) 등의 수정 및 조정 광학계의 상세한 것을 상세하게 기술한다. 수정 및 조종 광학계는 지금까지 기술한 촬상 시스템과 관련하여 사용할 때, 추가적인 장점들을 제공하는 추가적인 기능성으로 설계될 수 있다.

도 37의 수정 광학계의 웨이퍼(1236) 및 CMOS 웨이퍼(1238)는 도 38에 보다 완전하게 도시될 수 있다. 도 38은 단면도에서 광학계 및 전자부품을 포함하는 서브시스템(2010)을 나타낸다. 서브시스템(2010)은 그 위에 검출기 배열을 지지하는 CMOS 웨이퍼(2012)를 포함한다. 검출기 배열(2014)는 CMOS 웨이퍼(2012)에 걸쳐 분포된 복수의 검출기 픽셀들(2016)을 포함한다. 서브시스템(2010)은 또한 검출기 배열의 광선 입수를 증가시키기 위한 렌즈 배열(2018)을 추가로 포함한다. 추가적으로 서브시스템(2010)은 일반적으로 참조번호 2010으로 나타낸 광선 수정 장치를 포함한다. 광선 수정 장치(2020)는 도 37의 수정 요소인 웨이퍼의 다른 예이다. 도 38에 도시한 실시예에 있어서, 광선 수정 장치(2020)는 그에 부착된 수정 요소(2024)를 갖는 투명 기판(2022)을 포함한다. 수정 요소(2024)는 광학 요소이거나 또는 회절 격자, 반사 요소, 홀로그래픽 요소, 프레넬 렌즈, 및 다른 회전 요소들을 포함하는 각종 광학 요소들의 조합일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 광선 수정 장치(2020)는 입사 광선(화살표(2030)으로 도시)이 넓은 범위의 입사 각도 θ_in를 통해 수신되고, 아직 복수의 검출기 픽셀들(2016) 중 하나에 도달하도록 구성된다. 즉, 추가의 입사 광선(2030)이 없는 것보다 입사 광선이 있는 입사 각도 θ_in에 무관하게 검출기 픽셀 배열(2014)에 도달한다. 필수적으로, 입사 광선(2030)을 나 타내는 화살표가 입사 광선(2030)의 주요 광선으로서 생각되는 경우, 광선 수정 장치(2020)는 실질적으로 입사 광선이 정상 입사로부터 멀리 입사하는 경우에도 복수의 검출기들 중 하나에 도달하도록 주요 광선의 입사의 비 정상적인 각도들을 실질적으로 수정한다. 이러한 식으로 서브시스템(2010)은 입사 각도들의 공정하게 큰 콘(cone)을 통해 입력 광선을 수용하고, 아직 효과적으로 기능한다. 도 38에 도시한 실시예에 있어서, 수정 요소(2024)는 색 분산 및 픽셀 누화를 최소화시키기 위해 렌즈 배열(2018)에 충분히 가깝게 위치되어야 한다.

비교를 위해, 광선 수정 장치를 갖지 않는 종래 기술의 검출기 배열 서브시스템을 도 39에 도시한다. 도 39는 검출기 배열 시스템(2035)의 일 부분의 단면도이다. 도 38에 도시한 바와 같이, 주요 광선(2032)을 포함하는 입사 광선 빔(2030)은 입사 각도 θ_in에서 렌즈 배열(2018)의 일 부분 상에 입사한다. 검출기 배열 시스템(2035)에서 임의의 광선 수정이 존재하지 않고 렌즈 배열(2018)은 입사 광선이 검출기 상에 놓여 지도록 검출기들(2016) 사이의 한 점에서 입사 광선 빔(2030)을 포커스하여 감지된 조명을 감소시킨다. 큰 입사 광선 각도로부터 검출된 광선을 증가시키는 공통의 방법들은 픽셀(2016)과 관련하여 렌즈(2018)의 광학 중심의 이동을 포함한다. 렌즈들의 광학 중심을 이동시키면 성능이 다소 개선되지만, 가능한 성능의 개선은 공통 픽셀 구조의 3D 성질에 의해 비그네팅(vignetting)으로 인해 제한된다. 따라서, 도 38에 도시한 바와 같은 광선 수정 장치(2020)를 포함하는 서브시스템(2010)은 광선 수정 장치를 포함하지 않고 종래 기술의 시스템에 걸쳐 성 능에 있어서 큰 개선을 제공한다.

도 38과 관련하여 도 40과 도 41을 살펴보면, 검출기 배열 시스템에서의 수정 요소의 존재의 효과의 세부내용이 개시된다. 먼저 도 40을 참조하면, 서브시스템(2037)은 입사 광선이 렌즈 배열과 부딪치기 전의 수정 요소(2024)를 포함한다. 수정 요소(2024)는 입사 각도 θ_in에서 입사 광 빔(2030)을 수신한다. 수정 요소(2024)는 그를 통과한 다음, 입사 광선 빔(2030)이 검출기들 중 하나에서 포커싱되도록 직각 가까운 각도에서 렌즈 배열(2018)을 향해 지향된다.

도 41은 수정 요소를 포함하는 유사한 구성을 도시하지만, 도 40과 달리 수정 요소가 렌즈 배열 이후에 입사 광 빔 전차의 경로에 위치에 위치한다. 도 39에 도시한 바와 같이, 도 41의 렌즈 배열은 검출기 픽셀들(2016) 사이의 한 점에서 입사 광 빔(2030)을 포커싱하기 시작한다. 그러나 도 41의 수정 요소(2024)는 최종 광 빔의 전파 방향을 수정해서 그 광 빔이 검출기들(216) 중 하나에 입사하도록 작용해서 검출된 조명을 최소화시킨다.

도 42 및 도 43을 보면, 본 발명에 따른 광선 주성 장치의 장식이 도시된다. 도 42는 복수의 수정 요소들 및 투명 기판들을 포함하는 광선 수정 장치(2120)를 포함한 검출기 시스템(2100)을 도시한다. 도 42에 도시된 실시예에 있어서, 광선 수정 장치(2120)는 복수의 수정 요소들(2122,2124,2126,2128 및 2130)을 포함한다. 이들 수정 요소들은 복수의 투명 기판들(수정 요소들(2124)를 지지하는 투명 기판(2022) 및 수정 요소들(2128 및 2130)을 지지하는 투명 요소들(2132))로 지지될 수 있거나 또는 독립적으로 위치한다(수정 요소(2124 및 2126)). 복수의 수정 요소들의 적층은 추가의 예를 들어 큰 범위의 주요 광선 각도들, 넓은 범위의 파장들 도는 높은 회절 효율을 위해 많은 보상이 효과적일 수 있도록 단일 수정 요소를 갖는 것이 가능한 것보다 추가의 광선 수정 효과를 산출한다. 검출기(2016)는 예를 들어 단색 검출기들 및 다색 검출기들을 포함할 수 있다.

도 43은 도 42의 검출기 시스템(4200)과 유사한 구성을 도시하지만, 컬러 필터 배열을 포함한다. 도 43의 검출기 시스템은 컬러 분리를 위한 컬러 필터(2250)뿐만 아니라 적층 구성의 복수의 수정 요소들 및 투명 기판들을 포함하는 검출기 배열(2014), 렌즈 배열(2018), 광선 수정 장치(2220)의 조합을 포함한다. 광선 수정 장치(2220)의 복수의 수정 요소들은 광선 수정 장치에 의해 영향을 받은 광선 수정이 컬러 필터들의 컬러들에 대응하는 각종의 파장들을 위해 맞추도록 구성된다. 예를 들어 광선 수정 시스템(2200)은 입사 광선 빔의 그린 성분이 그린 광선을 검출하도록 구성된 검출기/컬러 필터를 통해 특히 지향되도록 구성될 수 있다.

도 44-46은 본 발명의 광선 수정 장치의 수정 요소로서 사용에 적합한 3가지 예들의 요소 형태를 도시한다. 도 44는 반경 방향 치수의 함수로서 변화하는 주요 광선 각도를 수정하기 위한 반사 요소(2302)를 도시한다. 그러한 반사 요소의 일례는 필드 수정자이다. 도 45는 반사 요소(2302)의 효과와 유사한 효과를 제공하지만 광축을 따르는 반사 요소보다 일반적으로 얇은 광학 파워를 갖거나 갖지 않는 프레넬 렌즈(2304)를 도시한다. 프레넬 렌즈(2304)는 주요 광선 수정 효과를 제공하는 강성 표면(2306)을 포함하는 것으로 도시된다. 도 46은 공간적으로 변화하는 격자 기간을 갖는 표면(2312)을 포함하는 회절 요소(2310)를 도시한다. 회절 요소(2310)는 예를 들어 주요 광선 각도의 임의적인 변화를 수정하도록 구성된다. 도 42 및 도 43에 도시한 바와 같이, 다양한 수정 요소들이 큰 설계 융통성을 제공하기 위해 결합될 수 있다.

도 47을 살펴보면, CMOS 웨이퍼(2012) 상에 위치한 수정 요소의 배열을 포함하는 검출기 시스템(2400)의 상면도가 도시된다. 도시한 바와 같이, 예를 들어, 도 38에 있어서, CMOS 웨이퍼(2012)는 복수의 검출기 픽셀들(2016)을 포함한다. 검출기 픽셀들의 형상은 간단히 정방형이거나 장방형이 아님을 주의하라. 일반적으로 픽셀들의 형상은 아주 복잡하게 될 수 있다. 수정 요소들(2420)의 배열은 그에 입사하는 광선에 대한 광선 수정을 제공하도록 복수의 검출기들에 걸쳐 배치된다. 수정 요소들(2420) 각각의 형상 및 표면은 검출기 픽셀의 형상 및 입사 광선 빔의 크기 및 형상에 맞추어질 수 있다.

도 48 및 도 49는 일례의 수정 요소에 의한 광선 수정의 메커니즘을 도시한다. 도 48에 도시한 바와 같이, 수정 요소(2502)는 광선(2504) 수신을 위한 회절 요소이다. 광선(2504)은 입사 각도 θ₁에서 수정 요소(2502)의 상부 면(2506)상에서 부딪친다. 수정 요소(2502)의 강선 바닥 면(2508)으로부터 출사하는 경우, 광선(2504)은 입사 각도 θ₁이하인 출사 각도 θ₂에서 출사한다. 이러한 수정 요소는 본 발명의 광선 수정 시스템의 사용에 적합하다.

수정 요소(2502)에 대한 변형에 있어서, 도 49의 수정 요소(2512)는 그 위에 배치된 반사 억제 코팅부(2516)를 갖는 상부 면(2514)을 포함한다. 반사 억제 코팅부(2516)에 의해 특정 코팅 설계에 따라 입사 각도 입사 각도 θ_in이 90도 이하의 각도가 될 수 있도록 직각으로부터 이탈하여 큰 콘(cone)의 각도들로부터 광선을 결합시킬 수 있다. 수정 요소(2512)는 또한 추가적으로 바닥면(2518)을 포함하고, 이어서 이 면은 복수의 교번 반사 면들(2520)과 천이 면들(2522)을 포함한다. 반사면은 가능하게 굴곡 면들을 갖도록 설계되어 적합한 출력 각도 θ_out에서 광선(2504)을 지향시키도록 소정의 광선 수정을 산출한다. 천이 면들은 최소 광선이 천이 면들에 의해 예를 들어 분산되고, 천이 면들이 수정 요소 상의 특정 점에서 주요 광선 입사 각도 근처에 있게 설계되도록 경사진다. 반사 및 천이 면들의 방위는 시준 광선 빔이라기 보다는 광선의 입사 콘을 제공하는 입력 광학계를 포함하는 것과 같은 소정 타입의 광원을 위해 맞춰질 수 있다. 반사 표면들의 광학 형상은 또한 사용되는 특정 촬상 광학계를 위해 맞춰질 수 있다.

도 49의 수정 요소(2512) 등의 수정 요소의 다른 특징은 촬상 렌즈 시스템 및 센서 상의 위치에 특정한 주변 광선들뿐만 아니라 주요 광선의 제어이다. 예를 들어, 이 문제의 예로서 도 50을 고려한다. 도 50에 도시된 시스템(2600)에 있어서, 수정 요소(2024)는 주요 광선이 렌즈(2018) 및 컬러 필터(2250)를 통과한 후, 주요 광선(2032)이 웨이퍼(2012) 상에서 픽셀(2016)에 의해 제어되도록 주요 광선(2032)을 조정하도록 동작한다. 도 50은 설명의 편의를 위해 수정 요소(2024)에 수직인 주요 광선을 나타낸다. 일반적으로, 주요 광선 및 다른 광선들은 임의의 각 도로 수정 요소(2024) 상에 입사될 수 있다. 광선들(2632)은 주요 광선(2032)으로부터 각도적으로 멀게 보여진다. 광선들(2632)은 일반적인 콘으로부터 에지 광선들또는 주요 광선(2032) 주위에서 느슨하게 중심을 이룬 광선이라 할 수 있다. 신속 촬상 시스템들의 경우에, 에지 광선들은 주요 광선에 대해 큰 각도에 있다. 파면 코딩된 촬상 시스템의 경우에, 에지 광선들은 주요 광선으로부터 평탄하지 않고 그리고 고른 큰 편이를 갖는다. 수정 요소(2024)가 주요 광선(2032)을 단독으로 조정하도록 설계되는 경우, 에지 광선들(2632)은 센서(2016)에 의해 검출되지 않는 큰 찬스를 갖는다. 이러한 상황은 대상물과 센서 사이의 촬상 시스템의 지식에 의해 수정 요소(2024)의 적합한 설계에 의해 방지될 수 있다.

도 51 및 도 52는 도 50의 개선된 수정자(2512)의 변형에 의해 렌즈 시스템의 지식을 통해 주변 광선들뿐만 아니라 주요 광선을 수정하는 특수 수정자의 두 가지 표현이다. 도 50과 대조적으로, 도 51의 에지 광선(2632)은 주요 광선(2032)이외에 수정자(2024)에 의해 수정되어 광선들의 전체 범위는 웨이퍼(2012) 상의 픽셀(2016)에 의해 제어되는 렌즈(2018) 및 컬러 필터(2250)를 횡단하게 된다. 수정자(2024)는 렌즈 시스템의 지식을 통해 주요 광선 및 다른 광선을 수정하거나 동등하게 화상을 형성하는 렌즈 시스템에 의해 생성된 파면을 수정한다.

도 52는 도 51의 구조의 파면 표현을 나타낸다.

파면(2652)은 렌즈 시스템(도시 않음)으로부터 전송되지 않으며, 일반적으로 화상상의 조명 파장 및 위치에 따른다. 도 51의 수정자(2024) 이후에는 파면(2654)이 사실상 파면(2652)에 비해 사실상 평탄하다. 파면(2654)은 단지, 검출기 픽 셀(2014) 내의 렌즈 및 컬러 필터를 통과한 조명이 검출기 픽셀(2016) 내에 닿도록 충분히 평탄할 필요가 있다. 검출기 픽셀(2016)이 크고 렌즈(2018)가 덜 정확하면, 파면(2654)이 덜 평탄해도 좋다. 렌즈(2018) 이후, 파면(2656)은 픽셀(2016) 쪽으로 일반적으로 수렴하게 생성된다.

도 53은 파면 설명을 거치고 렌즈 시스템(2100)을 포함하는 보다 일반적인 경우를 도시한다. 시스템(2700)에 있어서, 대상물(1702)로부터의 조명 광선(1704)은 렌즈 시스템(2710)에 의해 제어된다. 렌즈 시스템(2710)은 복수의 광학계(2714)를 포함한다. 이 렌즈 시스템은 모든 다른 광선과 더불어 대상물(2072)의 화상 및/또는 위치상의 특정 조명 컬러 및 위치를 위해 파면(2752)으로 나타내어지도록 주요 광선(2032) 및 다른 광선(2732)을 형성한다. 수정자(2554)는 도 51에 도시한 수정자와 유사하게, 로컬 파면 경사의 대부분을 제거하고, 그리고 일반적으로 특정 검출기 픽셀(2016)을 쪽으로 수렴하는 평탄한 파면(2756)을 생성하도록 동작한다. 그러면 렌즈 시스템(2710)으로부터의 광선들은 웨이퍼(2012)상의 픽셀(2016)에 의해 제어된다. 수정자는 조명 컬러 및 공간 위치의 함수로서 파면(2752)의 지식을 이용하여 실질적으로 파면(2752)의 곡률을 제거하고 최대 광선들을 이용하여 검출기 픽셀의 영역을 타격하도록 평탄한 파면을 생성한다. 포커스된 화상은 형성될 필요가 없으며, 광선들이 액티브 영역 내의 검출기 픽셀 내에서 검출기 픽셀의 어디를 타격하느냐가 중요하다. 파면 제거는 예를 들어 보상 표면 형상, 수정자의 볼륨 측정 변화들 및 홀로그램들을 통해 수행될 수 있는데 이들로 제한되지 않는다.

도 54는 도 51의 다른 변형을 도시하는데, 이 경우 렌즈는 수정자(2024)에 통합된다. 시스템(2800)에 있어서, 수정자(2810)는 실질적으로 렌즈 시스템(도시 않음)으로부터 파면을 제거하도록 동작하며, 또한 컬러 필터(2250) 이후, 수정 요소 전의 광선의 넓은 변화가 웨이퍼(2012) 상의 픽셀(2016)에서 검출가능하도록 주요 광선(2030) 및 에지 광선(2632)을 제거하도록 동작한다. 수정자(2810)가 하나 이상의 픽셀들을 반복하는 굴곡진 표면을 갖는 것으로 도시된다. 굴곡진 표면은 렌즈 시스템으로부터 파면을 제거하는데 필요한 곡률 및 이와는 달리 도 51에 도시한 바와 같이 렌즈들에 의해 제공되는 곡률을 나타낼 수 있다. 이러한 식으로 수정자는 렌즈 시스템과 웨이퍼(2012) 사이의 광학 요소만이 될 수 있다. 이와는 달리 컬러 필터(2250)는 컬러 촬상 시스템에서 또한 수정자(2810) 상에 또는 그 내부에 집적될 수 있다. 수정자(2810)가 반사 표면을 갖는 것으로 도시하였지만, 프레넬 렌즈 및 회절 표면들은 동등하게 볼륨 홀로그래픽 요소와 같이 적합하다.

도 55 내지 64는 도 43에 도시한 바와 같은 컬러 촬상 시스템에 특히 적합한 수정 요소들을 형성하는 추가 방법들을 기술한다. 이러한 수정 요소들은 소형 카메라 시스템에 있어서, 도 44 내지 54의 광선 수정 요소들의 형태와 관련하여 또는 단독으로 사용될 수 있다. 도 55 - 64에 있어서, 수정 요소들의 특히 중요한 특징은 컬러 분리이다. 컬러 분리가 사용되어 광선의 다른 컬러들이 적절한 컬러 필터들 또는 픽셀 위치들로 공간적으로 지향되어 컬러 분리를 사용하지 않는 것에 비해 광선 입수가 크게 개선된다.

컬러 필터 배열들의 사용이 현재 공통으로 촬상 시스템에 사용된다고 생각된다. 다른 픽셀은 통상적으로 다른 컬러 필터들을 가지며, 그리고 많은 컬러들이 최 종 컬러 화상들을 형성하기 위해 신호 처리와 함께 사용된다. 통상의 컬러 필터 배열 패턴을 베이어 패턴(Bayer pattern)이라 하며, 레드, 그린 및 불루 컬러 필터들로 구성된다. 베이어 패턴은 도 60에 도시된다. 종래 기술의 촬상 시스템에 있어서, 대상물을 나타내는 광선의 모든 컬러들은 모든 관련 픽셀들에서 입사한다. 화상에서의 픽셀 및 컬러 필터 위치가 대상물의 화이트 컬러와 일치하는 경우, 화이트 광선이 이 특정 픽셀 및 컬러 필터 상에 입사한다. 이러한 특정 컬러 필터의 컬러가 예를 들어 레드인 경우, 약 1/3의 화이트 광자만이 이 픽셀에 의해 입수될 수 있는데, 이는 컬러 필터가 불루 및 그린 광자들을 제거하도록 작용하기 때문이다. 컬러 분리를 제공하도록 구성 및 배치된 수정 요소들이 공간적으로 입사 광선을 분리시켜서 주로 레드 광자들은 레드 필터 픽셀들 상에 입사하고, 주로 그린 광자들은 그린 필터 픽셀들 상에 입사하고, 그리고 주로 블루 광자들은 블루 픽셀 상에 입사한다. 레드, 그린 및 블루 이외에 컬러 공간의 다른 타입은 이러한 식으로 구성될 수 있어서, 레드, 그린 및 블루의 임의의 비율이 분리될 수 있어서, 임의의 픽셀을 향해 지향된다. 결론적으로, 입사 광자들의 큰 부분이 입수되어 높은 신호 세기가 낮은 촬상 성능을 크게 개선시킨다.

도 55 및 도 56은 본 발명에 따른 두 개의 레벨의 컬러 분리 서브시스템의 개념도이다. 실제적으로, 두 개의 레벨 시스템 보다는 하나의 레벨 컬러 분리 시스템이 다소 필요하다. 복제된 웨이퍼 구성에 있어서, 도 55 및 도 56의 서브시스템은 도 37의 수정 요소(1232)의 웨이퍼의 일례이다. 일반적으로 이러한 조명은 일반적으로 촬상되는 장면, 렌즈 시스템 및 센서 상의 공간 위치에 따라 비율적으로 레 드, 그린 및 블루 성분들을 갖는다. 그린 성분은 두 개의 성분 G1 및 G2로서 도 55 및 도 56 도시되어 있다. G1은 레드/그린 컬러이고, G2는 그린, 불루/그린 컬러이다. 조명(2850)은 설명의 편의를 위해 제 1 수정 요소(2855)에 수직으로 도시된다. 제 1 수정 요소(2855) 이후에 그리고 제 2 수정 요소(2865) 이전에 R(레드) 및 G1 조명 성분들이 G2 및 B(블루) 성분들로부터 정면에서 보이는 바와 같이 조명(2860)으로 분리된다. 도 56의 대응 측면도는 1차원 분리가 제 1 수정 요소(2855)에 의해 영향을 받는 것을 포함하는 제 2 수정 요소(2865) 이전의 조명(2860)의 분리가 없는 것을 나타낸다. 제 2 수정 요소(2865) 이후에, 도 55의 정면도는 조명(2870)의 컬러 분리에 변화가 없음(즉, 조명 광선 방향들은 정면에서 제 2 수정 요소(2865)에 의해 변화하지 않음). 도 56의 측면도는 그렇지만 조명(2870)의 추가의 컬러 분리(R/G1) 및 (G2/B)를 나타낸다. 제 1 수정 요소(2855)로 인한 컬러 분리는 제 2 수정 요소(2865)로 인해 컬러 분리와 90도 다르다. 제 1 및 제 2 수정 요소들 이후에, 입사 조명(2850)은 4 개의 공간적으로 분리 컬러 성분들(2870)을 나타낸다. 제 1 및 제 2 수정 요소들은 사이에 기판(2022)을 갖는 도 43의 요소들(2024와 2122)에서와 같이 한 기판의 양쪽 면 상에 있을 수 있다. 또한 1차원 분리를 산출하는 두 개의 수정 요소들 2차원의 컬러 분리를 산출하는 하나의 수정 요소로 합해질 수 있다. 수정 요소들은 예를 들어 변경된 표면 또는 볼륨 광학 요소들을 갖는 기판들일 수 있다.

도 57 - 59는 추가적으로 도 55와 도 56의 컬러 분리의 성격을 나타낸다. 처음에 제 1 수정 요소 이전에 입사하는 조명(2850)은 사실상 공간적으로 균일하다. 조명(2850) 광선 번들은 도 57에 도시한 바와 같이 원형 윤곽 내의 피팅(fitting)으로서 기술되어 있다. 제 1 수정 요소(2855) 이후에 그러나 제 2 수정 요소(2865) 전에 조명(2860)은 도 58에 도시한 바와 같이 이제 두 개의 영역(2862 및 2864)로 분리된다. (R/G1) 조명 성분들(2862)은 공간적으로 조명 성분들(G2/B)(영역(2864))로부터 공간적으로 분리된다. 이들 조명 성분들의 광선 번들들은 평활하고 중첩되는 것으로 도시된다. 조명 성분들의 밀도가 조명 성분들의 부분을 위해 증가되는 경우에도 현재 기술의 이점을 얻을 수 있다.

제 1 및 제 2 수정 요소(2855 및 2865) 이후에, 조명(2870)은 도 59에서 또한 공간적으로 분리된다. B, G2, G1 및 B 성분들은 4개의 공간적으로 분리 공간 영역(2872, 2874, 2876 및 2878)에서 높은 강도를 갖는다. 이들 영역들은 이들 영역들의 다소의 중첩이 가능하지만 실제적 장치들에 있어서 중첩이 가능하지만 명료화를 위해 중첩되지 않는 것으로 도시된다. 즉, 인접 픽셀들에 있어서 임의의 고 비율의 컬러가 개선된 컬러 분리에 대응한다. 컬러 분리된 영역들이 도 42에서의 2016과 같이 개별적인 검출기 픽셀에 대응하는 경우, 2×2 픽셀 영역에서의 각각의 픽셀은 특정 조명 스펙트럼의 광자들을 샘플화 한다. 분리된 컬러들이 개별적인 검출기 픽셀 컬러 필터와 정합하는 경우, 검출기에 의해 조명량의 증가를 얻을 수 있다.

예를 들어, 도 60의 2×2 영역(2880)의 북서(northwest) 픽셀을 레드 컬러 필터라 한다. 그러면 도 61의 조명(2880)의 분리 컬러는 이 위치에서 레드이면 이 특정 픽셀은 컬러 분리가 없는 조명의 경우보다 입사 광자들의 큰 부분을 얻게 된 다. 이는 직접적으로 광 입수를 개선하고, 그리고 낮은 광선 촬상 성능을 개선한다. 분리된 컬러의 공간적 패턴이 충분히 명확할 수 있으면, 도 43의 컬러 필터 배열(2250)은 더 이상 필요치 않다. 수정 광학계를 갖지 않는 컬러 분리는 단독으로 임의의 소정 방식으로 공간 조명 스펙트럼을 형상화하는데 사용될 수 있다. R, G1, G2 및 B 대신에, 분리된 컬러들은 임의로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 마젠타, 옐로우 및 시안의 3개의 컬러들은 컬러 분리될 수 있으며, R, G, 및 B 컬러 필터들 없이 사용되는 경우 화상의 새로운 컬러 샘플링을 생성할 수 있다.

수정 요소들로 컬러 분리를 달성하는데 사용되는 많은 방법이 있다. 도 62는 파장, 분산 프리즘에 의해 조명을 공간적으로 분리하는 한 방법을 나타낸다. 이 프리즘은 공간적으로 컬러들을 분리하기 위해 광학 물질의 분산(즉, 조명 파장의 함수로서 반사 지수에서의 변화)을 사용한다. 소형 카메라들의 작은 성격을 고려하면, 분산 프리즘은 단독으로 임의의 시스템들을 위한 실제적 해상도를 제공할 수 없다.

컬러 분리를 위해, 분산 프리즘들에 유사한 성격들을 갖는 수정 요소들의 비용을 줄이고 크기를 축소시키기 위해, 도 63 및 도 64에 도시한 바와 같은 회절 타입의 구조들이 사용될 수 있는데, 이 도면들은 파장에 의해 조명을 공간적으로 분산하는 간단한 방법들을 도시한다. 공지된 바와 같이, 회절 구조들은 분광계 등의 기구에서 조명 부품들을 공간적으로 분리하는데 공통적으로 회절 구조들이 사용된다. 도 63에 도시한 바와 같은 간단한 두 개 레벨의 2진 회절 구조가 그 컬러와 관련하여 조명 부품들을 회절한다. 컬러 성분의 각도는 파장에 따라 직접적으로 편이 된다. 보다 복잡한 회절 구조들이 원치않는 방향들 또는 순서들로 회절되는 광량을 제어함으로써 보다 효과적으로 컬러 성분들을 분리할 수 있다. 이들은 종종 블레이즈드 구조(blazed structures)라 한다. 블레이즈드 회절 구조를 도 64에 도시한다. 회절 구조들은 두 개의 레벨들 이상을 가질 수 있으며, 공간 위치의 함수로서 변화하는 구조 높이를 갖는다. 증가하는 정교한 구조들은 도 55 및 도 59에 도시한 바와 같은 공간 컬러 분리에 보다 밀접하게 근사할 수 있다.

도 65-70은 대상물 간격의 함수로서, 임의의 시스템을 위해 화상 SNR을 또는 검출 가능성을 등화시키도록 파면 코딩을 갖는 촬상 시스템의 사출 동공의 구성을 도시한다. 많은 타스크 기반 시스템들은 이격진 대상물로부터 특수 정보를 입수하는데 사용될 수 있다. 이러한 타스크 기반 촬상 시스템은 일반적으로 사람의 눈을 위한 이상적인 화상들을 형성하지 않는다. 일례의 타스크 기반 시스템은 바이오메트릭 촬상 시스템 특히 홍체(iris) 인식 시스템이다. 다른 예는 화상 추적 시스템이다. 두 경우에 있어서, 이격 대상물은 임의량의 방사선을 방사 또는 반사한다. 이 례의 시스템에 있어서 촬상 시스템은 노이즈의 존재시, 부정확한 광학계 및 기계계 등에 서 각기 홍체 코드 도는 대상물(x,y) 등의 특수 정보를 입수하도록 구성된다. 이상적으로, 정보는 고정밀도로 그리고 대형 대상물 볼륨에 걸쳐 또한 동등하게 획득될 수 있다. 정밀도 또는 정확성을 특정하는 것이 바람직한 임의의 경우에 있어서, 정보가 대상물 볼륨 내에서 획득된다. 예를 들어 정보는 볼륨 내에 대상물이 위치한 바에 따라 정보가 보다 결정적일 수 있다. 정보의 가장 큰 정밀도 추정은 대상물 볼륨내의 결정적 위치에 대응하도록 설계된다. 이는 일반적 이메이 저에 있어서 유용하다 즉, 예를 들어 무한대로부터 1.5 미터까지의 화질은 1.5 미터에서 10cm보다 중요하다고 할 수 있다.

사람 뷰어를 위한 큰 대상물 볼륨에 걸치는 일반적 장면을 고려할 때, 촬상 시스템을 구성하고, 볼륨이 충분히 큰 경우에 파면 코딩된 시스템을 구성하는 것이 바람직하여 광학계의 특징들이 대상물 볼륨에 걸쳐 일정하다. 단색 변환 전달 기능 또는 포인트 확산 기능들이 예를 들어, 넓은 대상물 볼륨에 걸쳐 기본적으로 동일 값들을 형성하도록 통상 구성된다.

1차원 입방 페이즈 촬상 플러스 이상적인 렌즈는 이 개념을 나타낼 수 있다. 이 시스템의 경우에, 이상적인 렌즈에 부가된 페이즈 프로파일 또는 사출 동공은 어떤 상수 σ의 경우에 p(y) = σy^3이다. 파라미터 y는 이상적인 1차원 렌즈를 따르는 공간 위치를 나타낸다. 렌즈의 연속적으로 변화하는 초점 거리변화에 따라 조리개에 걸리는 변경 페이즈 프로파일이 이상적인 렌즈를 변경하는 것으로 생각된다. 렌즈가 렌즈 페이즈의 제2 편이에 의해 대략 근사하게 될 수 있는 초점 거리에 따라, 입방 페이즈 시스템에 걸리는 초점 거리의 변화가 다음과 같이 될 수 있다.

초점_거리(y) ~ d^2p(y)= 6 * σ * x = β * x

또는 렌즈에 걸리는 초점 거리에서의 변화는 선형이다. 우리는 작은 렌즈들의 무한대 수정은 조리개에 걸리는 초점 거리를 선형적으로 변화시키는 작은 렌즈들의 초점 거리와 함께 이상적인 렌즈에 부가됨에 따른 간단한 입방 페이즈 시스템을 생각할 수 있다. 초점 거리에서의 이러한 선형 변화는 일부의 넓은 대상물 간격에 걸쳐 대략 정상적인 MTF를 나타낸다. 모호성 함수를 사용함으로써 이러한 시스 템의 간단한 분석이 MTF가 기본적으로 미스포커스의 대상물 간격 또는 동등 범위에 걸쳐 기본적으로 일정함을 나타낸다.

특수 검출 시스템에서 특정 공간 주파수에서의 일정 MTF의 효과를 생각해 본다. Shannon 가르침으로서, 화상 정보는 신호 대 노이즈 비(SNR)과 궁극적으로 관련된다. SNR을 증가시킴으로써 추출될 수 있는 최대 정보 량을 증가시킨다. 화상 검출 시스템이 경우에 소정의 공간 주파수에서의 응답은 대상물 스펙트럼(촬상 시스템에 의해 확대됨)과 이 공간 주파수에서의 촬상 시스템의 MTF의 적이다. 노이즈는 검출된 판독 노이즈, 고정 패턴 노이즈 및 신호 종속 노이즈(산탄 잡음 포함) 뿐만 아니라 다른 타입의 노이즈의 량과 관련된다. 조리개로부터의 대상물의 간격이 증가함에 따라 광자가 촬상 시스템의 입사 동공에 의해 덜 입수된다. 조리개로부터 대상물 간격이 감소함에 따라 많은 광자가 입사 동공에 의해 입수된다. 이상적인 시스템에 있어서, 입수된 광자들의 총수는 간격에 따라 역 자승 법칙을 따른다. 그러면 대상물 응답이 기본적으로 거리에 따라 변화하면, 간격 또는 특정 대상물들과 더불어 일정 크기가 충분히 포인트가 되는 순간을 고려하면, 샘플화된 신호가 광학 응답을 배가시켜서 소정의 공간 주파수에 대한 SNR은 일정 광학 응답에 따라 고르게 변화한다. 일정 MTF의 경우에, 전 대상물 SNR 따라서 화상 정보가 대상물 간격의 함수가 된다. 촬상 크기가 간격에 따라 변화하는 경우, 대부분의 시스템의 경우에 있어서와 같이, 그 크기 변화는 미스포커스에 걸쳐 하나의 공간 주파수에서 SNR을 변화시킨다.

대부분의 시스템의 경우에, 촬상 정보는 일정해야 하며, 도는 특히 대상물 간격의 함수로서 제어되어야 한다. 우리는 대상물 위치 또는 미스포커스의 함수로서 MTF의 기본적인 응답을 변화시킴으로써 그러한 특성을 얻을 수 있다. 광학계의 모호성 특성의 회의에 의해 모든 미스포커스에 걸쳐 자승된 MTF 값의 총량에 따라, MTF 응답이 간격의 함수로서 일정 또는 특정 SNR 시스템을 형성하도록 분할될 수 있다. 도 65에 도시한 구성을 고려한다. 이 구성은 두 가지 다른 파면 코딩된 시스템의 경우에, 두 가지 예의 초점 거리 대 동공 위치 곡선들을 도시한다. 선형적으로 변화하는 초점 거리 곡선은 입방 페이즈 시스템을 나타낸다. 지수적으로 변화하는 초점 거리 곡선은 대상물 간격에 걸쳐 일정 SNR을 얻도록 설계된 새로운 시스템을 나타낸다. 조리개에 걸리는 지수적 초점 거리 변화의 형태는 초점_거리(y) = {σ[b*(y)^2+c*y+d]}이다. 이 특정 예에 있어서, b = c= 2 그리고 d = -4이다.

선형적으로 변화하는 초점 거리 또는 입방 페이즈 시스템에 대한 모호성 함수(AF)를 도 66 및 도 67에 도시한다. 도 66은 1차원 선형적으로 변화하는 초점 거리 시스템에 대한 AF를 도시한다. AF의 원점으로부터 반경 방향 슬라이스들은 미스포커스의 함수로서 MTF를 나타낸다. 미스포커스 수차 계수는 반경 라인의 각도와 선형적으로 관련된다. AF의 원점을 통하는 수평 슬라이스는 MTF의 인-포커스(제로의 미스포커스)를 나타낸다. AF를 통하는 수직 슬라이스는 미스포커스의 함수로서 하나의 공간 주파수에서의 MTF의 값을 나타낸다.

0.175의 정규화 공간 주파수(또는 u-축 값) 에서의 AF를 통하는 수직 슬라이스를 고려한다. 이는 미스포커스의 함수로서 0.175의 정규화 공간 주파수에서의 MTF를 나타낸다. AF를 통하는 이 수직 슬라이스를 도 67에 도시한다. 대략 +/- 0.2 의 정규화 미스포커스 영역 내에서 공간 주파수에서의 MTF는 대략 일정하다. 또한, 선형적으로 변화하는 초점 거리 시스템은 연장된 미스포커스 범위에 걸쳐 기본적으로 일정한 MTF로 나타난다. 도 67에서 있어서, 미스포커스의 함수로서 하나의 공간 주파수에 대한 응답은 설계된 범위에 걸쳐 실질적으로 일정함을 지적할 수 있다. 도 68 및 도 69는 지수적으로 변화하는 초점 거리(광자 보상) 시스템에 대한 AF를 도시한다. 지수적으로 변화하는 초점 거리 시스템은 도 65에 도시하였다. 도 68에 화상으로서 도시된 시스템은 도 66에 도시된 AF와는 다소 다르게 볼 수 있다. 페이즈 함수는 형태 p(y) = σ*(y^4 + 2y^3-2y^2)를 갖는다. 이 미스포커스 함수로서의 MTF 응답은 로그 스케일로 구성할 때 대략 선형적이고, 그러면 선형적 스케일상에서 미스포커스 함수로서의 MTF 응답은 대략 지수적이다. 도 69에 있어서, 미스포커스 함수로서의 하나의 공간 주파수에 대한 응답은 지정된 범위에 걸쳐 로그 스케일(또는 선형 스케일상에서 지수적)로 사실상 선형적임을 알 수 있다.

도 70 및 도 71은 파면 코딩을 하지 않고 이상적 통상의 또는 회절 제한된 촬상 시스템을 위한 AF를 도시한다. 도 70에 도시한 AF는 도 66 및 도 68의 파면 코딩된 시스템들로부터 AF들에 비해 수평축과 아주 밀접하게 정렬되는 것으로 보여진다. 이러한 도 70에서의 AF의 특성은 파면 코딩 변화를 갖지 않는 시스템의 MTF들이 미스포커스와 더불어 크게 변화하는 것을 나타낸다. 0.175 정규화 공간 주파수에서의 AF를 통한 슬라이스는 도 71에 도시한다. 이 MTF는 매우 좁은 것으로 보여지고, 제로 미스포커스에서 높은 MTF값에 있으며, 제로로부터 다소 변화된 정규화 미스포커스 값의 경우에 매우 낮은 MTF들에 있다. 이러한 형태의 MTF들을 갖는 촬상 시스템의 SNR은 제로 미스포커스에서 최대화되고, 어딘가에서 최소화된다. 미스포커스의 함수로서 하나의 공간 주파수에 대한 응답은 미스포커스를 갖지않을 때 크기잠 어딘가에서 아주 작게 됨을 유의하라.

모호성의 보존으로 인해, 임의의 특정 수직 라인을 따르는 AF 값들의 자승 합은 이상적인 촬상 시스템의 사출 동공에 적용된 임의의 페이즈에 일정하다. 또는 모든 미스포커스 값들의 경우에 하나의 공간 주파수에서의 자승된 MTF의 값의 합은 일정하다. 따라서 MTF 값들이 유지된다. 선형적으로 변화하는 초점 거리 시스템의 경우에, MTF 값들 대 미스포커스는 +/- 0.2의 미스포커스 범위에 걸쳐 약 0.05인 한편, 지수적으로 변화하는 MTF 값들은 0.03으로부터 0.1 이상으로 변화한다. 미스포커스의 임의의 값들에 대한 MTF 값들을 증가시키는 것은 모호성 특성의 보존으로 인해 미스포커스의 일부의 다른 값들에 대한 MTF 값들의 감소를 의미한다.

그러나, 도 69의 대상물 응답 대 간격의 적 그리고 광학 시스템 응답은 일정 SNR 따라서 대상물 간격의 함수로서 화상 정보를 보장하기 위해 지수적으로 변화하는 초점 거리 시스템과 매칭될 수 있다. 선형적으로 변화하는 초점 거리 시스템에 대한 SNR 및 화상 정보는 대상물 간격의 함수로서 변화한다. 파면 코딩을 하지 않는 시스템에 대한 SNR은 최적 포커스에서 최대화되고, 어딘가에서 최소화된다. MTF 값들의 특정 비율이 대상물 간격의 함수로서 필요한 경우에, 도 66 - 69에서 구성된 것들과 유사한 구성이 초검 거리 변화 함수에 근사하게 구성하여 결과의 동공 기능을 구성하는데 사용될 수 있다. 또한, 최적화를 통해 추가의 개선이 최종의 동공 기능을 정밀하게 조정하는데 필요하다. 미스포커스의 함수로서 동등하게 대상물 범위는 특정 어플리케이션의 필요에 맞추도록 커스터마이즈 될 수 있다. 도 72는 광학 시스템에 파면 코딩을 적용하기 위한 방법(3500)을 나타내는 플로우차트이다. 포커스 형 효과를 제어하기 위해 파면 코딩을 갖는 특정 GRIN 렌즈(예를 들어, 변경된 GRIN 렌즈들(134, 802, 904 및 954)중 어느 하나)의 설계로 이끄는 단계들이 도 3500에 도시되어 있다. 이러한 프로세스의 일반적인 설명은 다음과 같다.

단계(3510)은 시작 광학 구성의 선택이다. 광학 구성은 대상물로부터 광자 감지 소다들 또는 검출기 배열로 광선을 조정하도록 동작하는 각 요소의 타입 및 형태를 포함한다. 광학 구성은 이 시스템에서의 다수의 광학 구성(예를 들어 3 개의 렌즈 시스템)뿐만 아니라 반사 렌즈들, 광선 수정자들, 미러들, 회절 요소들, 볼륨 홀로그램 등과 같은 부품들의 타입을 포함한다. 또한, 사용되는 특정 재료들은 유리, 플라스틱, 특정 유리 또는 플라스틱 GRIN 렌즈 등과 같이 결정된다.

단계(3520)는 변화할 수 있는 즉 미리 고정되지 않은 특정 파라미터들의 선택이다. 이들 파라미터들은 최적 프로세스의 일부가 된다(예를 들어, 3540 이하의 최적화 루프). 시스템 파라미터들은 사용될 수 있는 광학적 또는 기계적 재료들의 세트, 물리적 크기 및 부품들의 형상 및 관련 거리 들을 포함한다. 무게, 비용 성능 등의 전제적 특징들은 최적화 동안 조정되는 파라미터들로서 식별될 수 있다. 최종 화상을 생성하는데 사용되는 신호 처리는 최종 화상을 생성하기 위해 ASIC 실시에 필요한 실리콘 영역, 선형 커넬(kernel) 값들, 필터 커넬의 동적 범위, 비선형 노이즈 감소 파라미터 등과 같은 파라미터를 갖는다. 파면 코딩과 관련한 중요한 파라미터들은 촬상 시스템에 적용된 비구면 광학 조정의 형식 및 형태를 포함한 다. 이들 파라미터들은 상당히 간단하거나(장방형으로 분리가능한 표면의 표면 높이 등) 또는 예를 들어 볼륨 촬상 요소의 반사의 3차원 지수들을 형성하는 상당히 복잡한 파라미터들일 수 있다. GRIN 렌즈는 볼륨 촬상 요소의 일례이다. 볼륨 홀로그램은 다른 예의 볼륨 촬상 요소이다.

최초 광학 설계 단계(3530)는 비 포커스 관련 수차들의 수차 균형과 설계 프로세스가 특히 관련된 다수의 텍스트북에서 실시되는 바와 같은 통상의 광학 설계이다. 광학 설계 단계(3530)는 임의의 경우들에 있어 제거될 수 있다(예를 들어, 상용제품 광학 부룸들이 광학 설계를 위한 최초의 가정을 제공할 때). 포커스 관련 수차들은 구면 수차, 필드 곡률, 비점 수차, 색 수차, 온도 관련 수차 및 제조 및 정렬 관련 수차 등의 수차들을 포함한다. 비 포커스 관련 수차들은, 워핑(warping)이 어떤 식으로 가능한 경우, 필드 앵글, 컬러, 온도 및 정렬 등의 변수의 함수로서 화상 평면의 이동 또는 워핑이 묵시적으로 수정될 수 없는 코마, 수평 색 수차 및 왜곡 등의 수차들을 포함한다. 광학 설계 단계(3530)는 특수 광학 설계 및 최종 화상의 신호 처리에 의해 용이하게 제거될 수 없는 수차들의 영향을 제거하는데 집중된다. 포커스 관련 수차들은 특수 광학 및 신호 처리에 의해 제거될 수 있다. 광학 설계 단계(3530)는 광학 시스템의 파라미터 세트와 관련하여 최초 추측을 제공하는 단계를 포함한다. 최초 광학 설계에 의해, 광학 및 디지털 성분들의 결합 최적화가 시작할 수 있다. 최적화 루프(3540)는 임의의 설계 결정을 접하기까지 단계 3520의 최적 설계 파라미터들을 변경한다. 최적화 루프는 이하 기술하는 단계들 3550, 3560, 3570, 3580 및 3590을 포함한다.

변경 단계 3550에 있어서, 파라미터들의 최초의 추측이 3530으로부터 최초 광학 설계에 적용되어 변경된 광학 시스템을 형성한다.

단계(3560)는 최종 화상을 생성하도록 형성된 화상에서 동작하는 신호 처리 파라미터들을 결정한다. 예를 들어 신호 처리 파라미터들은 2 차원 선형 필터링 커넬의 크기 및 형태를 포함할 수 있다. 이러한 신호 처리 파라미터들은 단계(3550)에서 특정 변경된 광학 시스템에 기반하여 선택될 수 있다.

신호 처리 파라미터들이 단계(3560)에서 결정된 후, 대응의 신호 처리가 단계(3570)에서 변경된 광학 시스템으로부터 시뮬레이션된 화상에 적용된다. 시뮬레이션된 화상은 포인트들, 라인들, 그리드들, 바들, 등의 특수 타겟의 화상들을 포함할 수 있으며, 그리고/또는 일반적 장면들의 컬러 화상들로 될 수 있다. 시뮬레이션된 화상들은 산탄 잡음, 고정 패턴 노이즈, 판독 노이즈 등의 실제적 또는 이상적 검출기들의 모델들롭부터 노이즈를 포함할 수 있다.

단계 3580은 전체 시스템 스펙이 맞는지를 결정하도록 시뮬레이션된 광학 화상들을 평가하고, 그리고 단계 3570으로부터 신호 처리를 평가한다. 스펙은, 필드 위치, 컬러, 대상물 장면, 광 레벨 등의 함수로서 화질의 특정 정의와 같은 촬상 성능을 포함할 수 있으며, 그리고, 예를 들어, 시스템 치수, 광학 요소 크기들, 광학계, 전자 부품, 및 시스템 비용, 제조 공차, 조립 및 온도 등을 포함한다. 메트릭스(metrics)가 시뮬레이션된 화상으로부터 계산되고, 그리고 그 메트릭스는 사람이 보는 화질을 컴퓨터가 인식가능한 수치 값들로 변환하도록 수치적으로 평가될 수 있다. 타스크-기반 어플리케이션(예를 들어, 홍체 인식)은 화질의 파라미터를 수치 값으로 변환할 필요를 제거할 수 있는 어플리케이션 특정 수치 메트릭스를 가질 수 있다. 단계(3580)는 변경된 촬상 시스템이 스펙을 만족한다고 판단한 경우, 설계 프로세스가 행해진다. 단계(3580)가 변경된 촬상 시스템이 스펙을 만족하지 않는다고 판단되면, 단계 3590에서 추가의 파라미터들의 최적화가 수행된다. 최적화 동안, 광학 시스템의 파라미터들이 시스템 스펙을 만족하는 특정 시스템을 향해 시스템을 지향시키도록 변화된다. 최적화 동안의 이 시스템 파라미터들의 변경 방법은 많은 형태의 해결책을 갖는 일반적 문제이다. 파라미터들을 변경 또는 최적화하는 통상의 방법들은 최적화 속도와 글로벌 최대치 또는 최소치를 구하는 능력 사이의 교환을 포함하는 것이다. 이러한 기울기 강하(Gradient Descent)와 같은 선형 검색 방법들은 네들러-메드(Neader-Mead) 또는 유전적 검색(Genetic Search) 등의 비선형 방법들로서 유용하다. 최적화 방법의 선택은 설계되는 특정 촬상 시스템의 복잡도의 함수이다.

단계(3590)에서 시스템 파라미터들이 변경된 후, 최적화 루프(3540)가 반복되는데, 새로운 파라미터들이 다시 단계(3550)에서 광학 시스템을 변경하는데 사용되고, 신호 처리의 파라미터들은 단계(3560)에서 결정되고, 신호처리 전후에 화상이 단계(3570)에서 생성되고 다음 단계가 이어진다. 결국 최적화 루프(3540) 단계(3580)에 의해 종료되어 스펙에 맞는 것을 구하거나 적합한 해결책이 없으면 보존하지 않고 종료한다.

일례의 방법(3500)은 도 11의 변경된 GRIN 렌즈(134)의 설계에 있다. 이 방법은 상용상품 GRIN 렌즈의 선택에서 시작한다. NSG ILH-0.25 그린 렌즈 및 3.3 미 크론의 장방형 픽셀들을 갖는 그레이스케일 검출기가 단계(3510)에서 선택된다. 광선 수정자 없이 이상적 픽셀들 및 간단한 선형 신호 처리가 단계(3520)에서 선택된다. 단계(3520)에 있어서, 도 11의 GRIN 렌즈(134)의 전면(135)에 대한 변형인 GRIN 렌즈의 전면에 위치한 비구면 변경들이 장방형으로 분리가능한 입방 형태들로 되도록 선택된다. 장방형으로 분리가능한 입방 표면 형태는 높이(x,y)=σ(x.^3 + y^3)으로 정의된다. 최대 표면 편이에 대응하는 하나의 광학 파라미터 σ는 이 실시예에서 결정되었다.

상용상품 GRIN 렌즈의 변형만이 설계되는 경우, 단계(3530)이 이 예에서 생략되었다. 대조적으로, 그 전면에 변경을 갖지 않는 상용 설계의 GRIN 렌즈가 상기 목표인 경우, 단계(3530)가 필요하게 된다.

입방 면 편이 파라미터 σ용 특정 제 1 값은 임의적으로 σ = 0으로서 선택된다. 파라미터 σ를 갖는 장방형으로 분리가능한 입방 페이즈 변경은 단계(3550)에서 통상의 시뮬레이션 도구를 통해 렌즈에 만들어진다.

신호 처리 파라미터들이 단계(3560)에서 계산되고 특정 변경된 GRIN 렌즈를 위해 단계(3570)에 적용되어 형성된 화상이 높은 MTF 값들 및 소형 PSF들을 갖게 되었다. 선형 필터링이 사용됨에 따라, 선형 필터를 결정하기 위해 사용된 계산은 최소 제곱법 의미에서 Final_PSF = Sampled_PSF*Linear_Filter로 표현되는데, 여기에서, 부호 *는 2차원 선형 컨볼루션이다. Sampled-PSF 값은 변경된 GRIN 렌즈 시뮬레이션 및 디지털 검출기로부터 단계(3560)에서 결정된다. Final_PSF는 한 픽셀에 집중된 대부분의 파워를 갖는 통상의 광학 시스템으로부터 생성된 PSF로서 단 계(3560)에서 선택된다. 이 특정 최종 PSF에 대응하는 MTF는 약 0.4의 값(검출기의 최고의 공간 주파수에서)을 갖는다. 신호 처리 분야의 당업자들은 샘플화된 PSF 세트 및 최종 또는 소정의 PSF들에 기반하여 선형 필터를 구하기 위한 이들 최소 제곱법 선형 방정식들을 푸는데 사용될 수 있다. 물론 계산은 주파수 영역에서 행해지거나 및/또는 반복적으로 행해진다.

계산된 디지털 필터와 더불어 신호 처리후의 PSF들 및 MTF들이 단계(3570)에서 생성된다. 이어서 신호처리 후의 이들 PSF들 및 MTF들은 단계(3580)에서 모든 화상 필드에 걸쳐 하나의 픽셀에 있는 대부분의 PSF 전력으로 변환되는 시각 화질과 비교되고, 대응 MTF들은 신호 처리후의 0.3 이상의 최소 값들을 갖는다. 최적화 루프(3540)의 제 1 반복에 있어서, σ= 0을 갖는 신호 처리후의 PSF들 또는 MTF들은 시스템 스펙과 부합하지 않는다. 네들러 메드 최적화는 단계(3590)에서 시작하고, 광학 파라미터 σ 및 선형 필터를 구해서 광학 시스템을 개선시킨다. 최적화 광학 파라미터드의 최종 해법은 도 18에 도시되어 있다. 피트 투 밸리 광학 경로 차는 약 11 파장(또는 대략 11λ의 광학 경로 차 공간에서 σ)이다. 신호 처리의 대응 선형 필터는 도 19, 20 및 21의 샘플화된 PSF들을 도 22, 23 및 24의 PSF들로 변환하도록 계산된다. 도 22, 23 및 24의 PSF들은 도 19, 20 및 21의 PSF들과 비교할 때 하나의 픽셀에서 파워의 대부분을 갖도록 시각적으로 설계된다. 도 25의 신호 처리(170) 이후의 대응 MTF들은 모두 0.3 이상으로 보여진다. 검출기의 최대 공간 주파수는 151 lp/mm 이다. 선형 필터의 실제 형태는 도 26 및 도 27에서 보여진다. 이 특정 선형 필터는 도 19, 20 및 21의 기본적으로 일정인 샘플화된 PSF들의 역 필터와 유사한 것으로 생각할 수 있다.

상기 방법 및 시스템들의 변경들이 그 영역을 일탈하지 않고 실시될 수 있다. 상기 설명에 포함된 또는 첨부 도면에 도시된 문제는 예시적 의미 일뿐 제한의 의미가 아님을 유의해야 할 것이다. 다음의 청구범위들은 여기에 기술된 모든 일반적인 그리고 특수한 특징을 망라할 뿐만 아니라 언어의 문제로서 본 방법 및 시스템에 발생하는 본 방법 및 시스템의 영역의 모든 설명을 망라하도록 의도되었다.

지금까지의 실시예 각각은 특정 각각의 방위들을 갖는 여러 부품들로 설명하였으나, 본 명세서에 기술된 시스템은 각종의 위치들 상호 방향에서 위치하는 각종 부품을 갖는 각종 특정 구성을 가질 수 있으며 또한 본 명세서의 사상 및 영역 내에서 유지된다. 또한, 당업자들에 친숙한 적합한 등가물들이 대체되거나 부가적으로 각종의 부품, 그러한 대체 및 추가 부품의 기능 및 사용이 이루어질 수 있다. 따라서 이들은 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 볼 수 있다. 예를 들어, 전술한 실시예들 각각은 주요 광선 수정의 경우에 대해 주고 기술하였지만, 하나 이상의 수정 요소들은 빔 각도의 변화로부터 발생하는 빔 폭 차이를 위한 조명 수정을 제공하도록 결합될 수 있다. 예를 들어 각진, 반사 표면은 그러한 어플리케이션에 적합하며, 예를 들어 주요 광선 각도를 동시에 수정하도록 회절 패턴과 결합될 수 있다.

따라서 본 실시예들은 예시에 목적이 있지 제한에 목적이 있지 않으며, 본 명세서는 여기에 기술된 구성으로 제한되지 않지만 첨부 청구범위들의 영역내에서 변경될 수 있을 것이다.

Claims

낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

하나 이상의 광학 채널들 및 검출기 배열을 구비하고, 상기 광학 채널들의 각각은, (a) 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, (b) 하나 이상의 광학 부품들 및 제한적 광선 수정자를 가지며, 그리고 (c) 적어도 하나의 검출기 상에 입사하는 필드 앵글 광선들을 가파르게 지향하도록 구성되는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 채널들은 검출기 배열 상에 직접적으로 장착되는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 채널은 단일 광학 채널로 구성되고, 그리고 검출기 배열은 단일 검출기 배열로 구성되는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 채널들은 복수의 광학 부품들을 구비하고, 그리고 상기 검출기 배열은 복수의 검출기 배열들을 구비하는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 채널은 석판술로 형성되는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 부품은 렌즈 배열을 구비하고, 배열의 각각의 렌즈는 한 채널의 일부인 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제한 광선 수정자는 GRIN 렌즈를 구비하는 촬상 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 GRIN 렌즈와 상기 검출기 사이에 위치한 수정판을 추가로 구비하는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

적층으로서 구성된 GRIN 렌즈의 배열은 채널들 각각을 위한 상기 제한적 광선 수정자를 형성하는 촬상 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 각각의 광학 채널은 비구면(非球面) 광학 구조를 가져서 촬상 시스템의 광학 MTF가 검출기의 통과대역에서 제로들을 갖지 않는 촬상 시스템.
제 10항에 있어서,

비구면 광학 구조의 영향을 보상하기 위해 검출기와 접속된 후 처리기를 더 포함하는 촬상 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 검출기 배열용 컬러를 필터링하기 위한 컬러 필터 배열을 더 포함하는 촬상 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 제한적 광선 수정자는 하나 이상의 반사 렌즈, 프레넬 렌즈 및 회절 요소를 포함하는 촬상 시스템.
제 10 항에 있어서,

적층으로 형성된 제한적 광선 수정자들의 배열은 광학 채널을 위한 제한적 광선 수정자를 포함하는 촬상 시스템.
제 1O 항에 있어서,

상기 주요 광선 수정자들 각각은 검출기 배열의 특정 검출기에 특정 컬러의 광선을 재지향하도록 구성된 촬상 시스템.
제 1O 항에 있어서,

상기 검출기는 비 장방형으로 되고, 상기 제한적 광선 수정자들 각각은 그 해당 비 장방형 검출기에 광선을 재지향하도록 구성된 촬상 시스템.
낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

검출기 배열; 및

파면 코딩이 있는 표면을 구비하고, 상기 검출기 배열의 복수의 검출기 상에 입사하는 필드 앵글 광선들을 가파르게 하도록 구성된 GRIN 렌즈를 구비하는 촬상 시스템.
낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

복수의 광학 채널들; 및

검출기 배열;을 구비하고,

상기 광학 채널들 각각은 (a) 상기 배열의 적어도 하나의 검출기와 관련되고, 그리고 (b) 비구면 GRIN 렌즈를 구비하는 촬상 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 비구면 GRIN 렌즈의 비구면 표면은 파면 코딩에 의해 변경되는 촬상 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 광학 채널들의 변환 전달 기능은 검출기 배열의 통과대역 내에 제로들을 갖지 않는 촬상 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 채널들 각각의 비구면 렌즈에 의해 유도된 페이즈 효과에 의거하여 최종 화상을 제공하는 신호 처리를 더 포함하는 촬상 시스템.
몰드 내의 하나의 렌즈를 위치설정하는 단계; 및

파면 코딩을 갖는 비구면 표면을 형성하기 위해 상기 렌즈의 표면상에 물질을 경화하는 단계를 포함하는 파면 렌즈 코딩을 갖는 렌즈를 형성하는 방법.
낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

입사 조리개, 사출 조리개 및 적어도 하나의 내부 반사 면을 갖는 광학 전달 물질 블록을 구비하며, 상기 입사 조리개를 통해 전달된 파면이 상기 반사 면을 반사시켜서 파면 코딩을 갖는 상기 사출 조리개로 나가는 촬상 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 반사 블록의 표면은 반사 코딩으로 형성되고, 입사 조리개 및 사출 조 리개 중 하나를 포함하는 촬상 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 반사 면은 상기 파면 코딩을 주도록하는 비 구면인 촬상 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 사출 조리개는 초점 평면 배열상에 장착을 위해 상기 블록의 평면 부분을 포함하는 촬상 시스템.
낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

복수의 광학 채널들 및 검출 배열을 구비하고, 광학 채널들 각각은 적어도 하나의 검출기 배열과 관련되고, 비구면 제한적 광선 수정자를 구비하고, 상기 제한적 광선 수정자는 바람직하게 검출기 배열의 특정 검출기들을 향해 지향하는 촬상 시스템.
광자 보상 광학 시스템으로서,

적어도 하나의 광학 요소 및 비구면 표면을 구비하고, 상기 시스템의 비 일정 MTF 시스템은 대상물과 광학 요소 사이의 범위를 보상하는 촬상 시스템.
제 28 항에 있어서,

상기 비구면 표면은 광학 요소의 표면을 포함하는 광자 보상 광학 시스템.
제 28 항에 있어서,

상기 비구면 표면은 그 조리개에 걸쳐서 비선형 초점 거리 변화들을 갖는 광자 보상 광학 시스템.
제 28 항에 있어서,

상기 비구면 표면은 그 사출 동공에 걸쳐서 비선형 초점 거리 변화들을 갖는 광자 보상 광학 시스템.
제 28 항에 있어서,

상기 범위 상의 초점 평면에 걸쳐 정규화 에너지 분포를 갖는 광자 보상 광학 시스템.
제한적 광선 수정자로서,

검출기 배열에 인접하거나 또는 그에 결합하는 위치에 구성된 광학 요소를 구비하고, 상기 광학 요소는 이 광학 요소 없이 검출기 배열에 입사하는 필드 광선의 입사각에 비해 검출기 배열의 수직인 면에 가까운 입사 각으로 상기 검출기를 향해 지향하도록 광학 촬상 시스템내의 필드 광선들이 되어 있도록 적어도 하나의 표면을 형성하는 제한적 광선 수정자.
제 33 항에 있어서, 상기 광학 요소는 GRIN 렌즈, 반사 렌즈, 프레넬 렌즈 및 회절 렌즈중 하나가 선택되는 제한적 광선 수정자.
낮은 높이의 촬상 시스템으로서,

복수의 검출기를 포함하는 제 1 웨이퍼; 및

상기 촬상 시스템의 MTF가 검출기들의 통과대역 내에 제로들을 갖도록 복수의 비구면 광학부품들을 포함하는 제 2 웨이퍼;를 구비하고,

상기 제 1 및 제 2 웨이퍼는 복수의 광학 채널들을 갖는 낮은 높이의 촬상 시스템을 형성하도록 적층되고, 상기 광학 채널들의 각각은 적어도 하나의 광학 부품 및 적어도 하나의 검출기를 구비하는 촬상 시스템.
제 35 항에 있어서,

상기 낮은 높이의 촬상 시스템을 위한 광학 간격을 제공하도록 제 1 및 제 2 웨이퍼와 함께 적층된 제 3 웨이퍼를 더 포함하는 촬상 시스템.
제 35 항에 있어서,

상기 광학 부품들은 렌즈 배열을 포함하는 낮은 높이의 촬상 시스템.
제 35 항에 있어서,

상기 제 1 웨이퍼 및 상기 제 2 웨이퍼와 함께 적층된 제 3 웨이퍼 및 제한적 광선 수정자들의 배열을 더 포함하고, 상기 제한적 광선 수정자들 각각은 적어도 하나의 해당 검출기상에 입사 각도 필드 광선들을 가파르게 하도록 구성되는 낮은 높이의 촬상 시스템.
제 38 항에 있어서,

사기 비구면 광학 부품들은 렌즈 배열을 포함하는 촬상 시스템.