JPH1054935A - 回折・屈折レンズレットアレー - Google Patents

回折・屈折レンズレットアレー

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JPH1054935A
JPH1054935A JP9132044A JP13204497A JPH1054935A JP H1054935 A JPH1054935 A JP H1054935A JP 9132044 A JP9132044 A JP 9132044A JP 13204497 A JP13204497 A JP 13204497A JP H1054935 A JPH1054935 A JP H1054935A
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lenslet
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optical axis
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い視野および短い後部焦点を利用した、製
造が容易で、従来よりも薄型のカメラの設計、製造を可
能にするコンパクトな半導体画像センサ装置を提供す
る。 【解決手段】 短焦点距離画像センサは感光性領域のア
レーとレンズレットアレー１０によって形成されてい
る。レンズレットアレー１０は、光検出器範囲の数に対
応した、多数の隣接するレンズレット１２を有してい
る。各レンズレット１２は、レンズレットアレー１０内
の半径方向位置の関数として偏心された独自の光軸を備
え、そのため各レンズレット１２は総視野の異なるセグ
メントを見る。１つまたはそれ以上の離間した開口絞り
板を備えたフィールド制限バッフルは、対応するレンズ
レット１２の光軸に沿って配置された各々の開口絞り板
の、開口部の中心に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】本発明は画像センサの分野、詳細
には、レンズレットアレーの焦点平面における光学強度
分布の電子表現を形成するデジタル画像センサの分野に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】カメラの最少の薄さはカメラ対物レンズ
の後部焦点距離によって制限される。広角度レンズを使
用することでデジタルカメラの厚みを薄くすることが可
能であるが、物体が、適正な大きさよりも比較的小く見
えてしまう場合がある。この他にも、１／２視野角を３
０〜５０°よりも小さくするようなレンズの制限があ
り、この角度でなら、コマ収束、非点収差、側色（late
ral color）、ペッツヴァル視野湾曲といった視野依存
収差の修正が非常に容易である。この視野角制限は、対
物レンズの焦点距離をどれだけ短くできるか、またカメ
ラをどれだけ薄型にできるかを制限する。本発明の目的
は新しいタイプのアレーレンズ写真対物レンズを使用し
て非常に薄型のカメラを製造することである。
【０００３】レンズレットアレーは、写真対物レンズに
よって、検出器の平面上のより小さな範囲にイメージさ
れた光を集光して、より多くの入射光が光検出器アレー
の感光性領域上に当たり、また、画素間の非感光性領域
にはあまり当たらないようにするために使用されてき
た。これについてはＴｉｍｏｔｈｙ Ｊ． Ｔｒｅｄｗ
ｅｌｌ著の「可視アレー検出器（”Visible Arrey Dete
ctors”）」（「光学ハンドブック」VOL. 1, FUNDAMNTA
LS, TECHNIQUES, & DESIGN, SECOND EDITION, Chapter
22, pp.32-34）といった論文で説明されている。これら
のレンズレットアレーは対応する光センサの直上に集中
され、視野の異なる部分を個別に見るようには設計され
ていない。むしろ、これらのレンズレットアレーは対物
レンズによって形成された実際の像からの光を、画素開
口部内に集中させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】米国特許明細書第４，
９９４，６６４号に開示されたVeldkamp氏による「レン
ズレットおよび合波器を使用して光学的に結合した焦点
平面アレー」において、回折レンズレットのアレーは、
入射光を光センサのアレー上に集中させ、光センサ範囲
間の領域において回路構成を増幅するために使用されて
いる。これらのレンズレットは感光性領域上にかけて集
中され、また、シリコン基層上の光センサアレーとは反
対側に形成されており、シリコンは可視波長において不
透過であるため、シリコン基層を使用することによって
レンズレットアレーが光センサ上に可視光をイメージン
グすることを防止する。さらにこの発明は、素子が全て
回折光学力で構成されおり、激しい色収差の影響を受け
てしまうために、可視波長範囲で機能することができな
い。
【０００５】米国特許明細書第５，２３３，１７４号に
開示されたZmek氏による「レンズレットアレーを備えた
零位修正器としての波面センサ」において、回折レンズ
レットのアレーは偏心しており、干渉またはハートマン
タイプテストにおけるテスト中に特定の光学系から傾斜
した局所的な単色波面を除去するべく調整されている。
ハートマンテストは、様々な光学系の表面の質を認定す
るために行われる。テスト中の光学系が承認基準内であ
れば、センサアレー上の波面入射が所定の画素上に集中
した光スポットを形成する。波面が所望のものでない場
合は、光スポットは異なる画素素子上に入射する。この
発明は、集中したレンズレットが、所定の視野の一定の
部分を見ないため、本願に適用することはできない。さ
らに、回折レンズレットの色収差のため、白色灯の使用
にも不適切である。
【０００６】米国特許明細書第５，３４０，９７８号に
開示された、Rostoker等による「ＬＣＤディスプレーパ
ネルおよび感光性素子アレーを使用した画像検知ディス
プレー」に、視野のセグメントの画像を形成する、偏心
されたレンズのアレーが簡略に説明されている。これら
のレンズは広いスペーシングがとられており、個々の画
素が見る視野を制限する実行可能な方法は含まない。所
望の視野外からの光は、スペーサ素子の壁を拡散するこ
とで、もしくはアレー基層内の光の反射および再イメー
ジによって、光センサへの入射が可能である。アレー内
のレンズレットの広いスペーシングにより、画像センサ
上に集められる、あるいは集束される光の量が制限され
る。与えられたサイズの基層またはウェハ上に制作され
たセンサアレーというものが殆ど無いため、広くスペー
シングされた画素を使用すると、センサの価格が増大し
てしまう。さらに、より大型のセンサアレーは、与えら
れた製造プロセスでのセンサアレーの生産を減少させて
しまう。また、レンズアレーの焦点距離と画素視野の水
平角度との間のトレードオフについての説明はされてい
ない。レンズレットの焦点距離が、１つの画素上の入射
である、視野の一部からの光を減量するのであれば、隣
接する画素の視野内でも同様のことが起こる。非常に短
い焦点距離の場合は、等価角解像に要する関連する画素
寸法は、リソグラフ処理で製造することができないよう
に非常に小さくなる。さらに、画素上の光が集まる範囲
が非常に小さいので、与えられた入射強度では、確実に
測定可能な数の電子が発生しない。色消しのための回折
・屈折ハイブリッドの使用についての説明がされていな
い。本発明ではレンズレットアレー内での、半径方向位
置の関数であるレンズレットの表面プロファイルの変化
を使用して、より高度な収差修正が可能になっているの
に対し、この特許では不定形レンズレットのアレーを使
用することが仮定されている。この発明において、レン
ズは相互に隣接し、センサ上に配置された不透明バッフ
ルが角画素の視野を制限する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した１つま
たはそれ以上の問題を解決するためのものである。簡潔
に概略すると、本発明の目的は、複数の光検出器から成
る光検出器アレーと、光検出器の数に相応した複数のレ
ンズレットから成り、各レンズレットがそのレンズレッ
トの半径方向位置に相応した偏心をもち総視野の異なる
セグメントを見るようにしたレンズレットアレーと、少
なくとも１つの開口絞り板から成り、開口絞り板がレン
ズレット開口絞りであることができ、このレンズレット
開口絞り位置に各開口の中心が各々のレンズレット光軸
の光軸に沿って位置するように位置決めされるフィール
ド（視野）制限バッフルとから成る短焦点距離画像セン
サを提供することである。
【０００８】前述の説明から、広い視野および短い後部
焦点距離を提供することが本発明の好ましい目的である
ことがわかる。
【０００９】また、本発明の他の目的は、製造が容易
で、従来よりも薄型のカメラの設計、製造を可能にする
コンパクトな半導体画像センサ装置を提供することであ
る。
【００１０】本発明のこれらの、またはこの他の局面、
目的、特徴、利点は、後述の発明の好ましい実施の形
態、付属の特許請求の範囲を熟読することにより、ま
た、添付の図面を参照することにより、さらに明白に理
解される。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の実施
例を説明する。
【００１２】図１を参照すると、レンズレットアレー１
０は、色消しを施した回折・屈折レンズレット１２、ま
たは感光性領域２０（図２に明示）に集中させた回折レ
ンズレットと共に形成されている。図１からわかるよう
に、各レンズレット１２の機械的光軸１４の中心が、固
定センサと関連し、中心レンズレットの光軸からのその
半径距離の関数であるセンサ距離と置換される。各レン
ズレット１２の機械的光軸１４周囲にある線１５は、レ
ンズレット表面の高さの変化を示す地形線である。レン
ズレット１２どうしの間は不透明バッフル１６で満たさ
れており、図２に示すセンサに光が届かないようにして
いる。図１中のアレーは、実際にカメラに使用されるア
レーの極狭い一部分を示すものである。実際には、約７
８０×６４０のレンズレットが使用される。上述したレ
ンズレットの外形以外の四角形、六角形、円形といった
外形のレンズレットも、本発明の範囲を逸脱しない限り
使用することが可能である。
【００１３】アレーが別の視野を見るために、レンズア
レー内のレンズレットの光軸が距離を置いて配置されて
おり、この距離は、アレー内のピクセルの中心から中心
までの距離よりも大きくなる。レンズレット光軸の置換
はアレーの中心から半径方向に増加する。レンズ素子を
偏心させることで、レンズグループ視野の外側から中心
へと光線を曲げる。アレーの中心からの距離が大きくな
るほどレンズ素子の光軸をさらに半径方向外側に動かす
ことにより、与えられたレンズレット／光検出器の対に
おいて常に視野の中心に対象が位置するようになる。
（図２参照のこと）。
【００１４】例えば、光線を所望の視野角からアレー素
子のフィールド側の絞りの中心へと偏心するのに必要
な、焦点距離ＦＬｉのアレー素子に要する偏心は、近軸
光線追跡方程式から求められる。近軸光線方程式は次の
ようになる。
【００１５】
【数１】ｙ′＝ｙo−ｎｕ（ｔ／ｎ） ｎ′ｕ′＝ｎoｕo−ｙФ ここで、 ｙ′＝ 次の面への伝搬後の高さ ｙo ＝ 前の面における高さ ｕ ＝ 近軸傾斜角度（ラジアン） ｕo ＝ 屈折前の傾斜角度 Ф ＝ アレー素子の力（Ф＝１／ＦＬi） ｎ ＝ 媒体の屈折率 従って、屈折後に、与えられた入射角ｕoから所望の角
度ｕ′へと中央光線を曲げるために必要な、力Ф（＝１
／ＦＬi）を伴う与えられたレンズレットの偏心の変位
は次のようになる。
【００１６】
【数２】ｄ＝ｙ＝（ｎoｕo−ｎ′ｕ′）／ｆ 本発明は、レンズレットのアレーを利用しているが、こ
のレンズレットのアレーは、レンズグループ光軸の局所
的変位が、システムの画像光軸の中心に関連する半径方
向位置の関数として変化するため、一次近似式は次のよ
うになる。
【００１７】
【数３】 ｄ（ｒ）＝（ｎoｕo（ｒ）−ｎ′ｕ′（ｒ））／ｆ 本発明は、レンズレットの偏心を調整することから成
り、これにより、与えられたレンズレット視野（図２参
照のこと）内の中央光線がｕ′（ｒ）＝０となる。この
場合、与えられた素子に必要な偏心は、ほぼ、システム
の光軸からの素子放射距離の線形関数であるということ
になる。
【００１８】次に図２を参照すると、レンズレットアレ
ー１０は感光性画像アレー３０上に配置されている。感
光性画像アレー３０は、少なくともレンズレットアレー
１０を形成しているレンズレットの数に相当する多数の
感光性領域２０を備えたＣＣＤアレーであって良い。３
原色用として、各々対応するレンズレットの下に感光領
域が３つまで形成される。レンズアレーは、バッフルの
機能も果たすスペーサ２２によって光検出器の表面から
ある一定の距離を置いて維持される。レンズレットアレ
ー１０上に配置された不透明バッフル１６は、視野スト
ップ開口絞り板４０との組み合わせにより特定の光検出
器の視野を制限するため、付近の視野に大幅に重なって
しまうことがない。開口絞り板４０は、レンズレットア
レー１０の表面から約０．５ｍｍ〜２ｍｍ離れて配置さ
れている。開口絞り板４０は、フォトレジストマスクパ
ターンを備えた１枚の透明ガラスであることができ、こ
の片面上に形成されている。
【００１９】開口絞り板４０の複数の開口部の中心は、
レンズレットに対応する視野の中心に整列されている。
各レンズレットの、アレーの中心から半径方向に向かう
半径位置の関数が開口絞り板を対応するレンズアレーよ
りも若干大きくなるのに従い、開口部の中心と中心との
間隔が広くなる。不透明範囲１６、開口絞り板４０、与
えられたレンズレット焦点距離の組み合わせにより、感
光性領域２０の視野が決定する。レンズレットアレー１
０は、エッチングを施した石英、またはガラス基層上に
エポキシレプリカを配したもので形成することができ
る。
【００２０】レンズレット１２は適当な視野ストップ開
口絞り板４０と組み合わせて、各感光性領域２０上に視
野の小さなセグメントの画像を形成する。レンズレット
アレー１２を、ＣＣＤアレーを横切って半径方向に進行
する機械的光軸１４の偏心と共に形成することにより、
任意の特定のＣＣＤ素子に入射する軸方向光線がそのＣ
ＣＤに垂直な面となす角度はアレーにおける半径方向位
置の関数として増大する。従って、各レンズレットの偏
心を適切に調整することにより、各ＣＣＤ画素が、別の
レンズを要することなく異なるシーンのセグメントを見
ることができる。各々のＣＣＤ画素がレンズ素子を備え
ているため、画像をリレーレンズと再反転（reinvert）
する必要がない。従って、本発明を組み入れた全てのカ
メラシステムは非常にコンパクトで平たくなる。さら
に、カラーフィルタを備えた３画素が各画素に形成され
ていれば、白黒またはカラー画像を映すことができる。
【００２１】非球面レンズレットのアレーを使用して検
出器アレー上に画像を形成することができる。しかしな
がら上述した実施の形態では、レンズ素子が単一の屈折
材料から形成されているため、波長の関数として焦点距
離の変化を修正せず、そのため入射光のスポットサイズ
が色の関数として変化する。回折・屈折ハイブリットレ
ンズを含む改良された光学的デザインにより、単一材料
内の色収差を修正することができる。
【００２２】ディフラクティブオプティクス（回折光
学）の像特性は強く波長に依存するものである。ディフ
ラクティブオプティクス（回折光学）をモデリングする
際、波長上の等価屈折率の直接依存としてこの現象が起
こる可能性がある。
【００２３】
【数４】ｎ（λ）＝［λc／λ］（ｎc−１）−１ 回折素子は非常に薄い層において、その全ての波面に曲
げを付与する。これは、非常に高屈折率材料（ｎc＝１
０，０００）としての回折を、各表面の非常にわずかな
湾曲とモデリングすることによるＳｗｅａｔモデルで説
明される。関連する焦点距離は次の式より求めることが
できる。
【００２４】
【数５】ｆ（λ）＝［ｎ（λ）−１］Δｃ であるため、
【数６】ｆ（λ）＝（λc／λ）ｆc ここで、λc＝デザイン中心波長である。
【００２５】この結果生じた屈折素子の分散Ｖdiffは次
のようになる。
【００２６】
【数７】 これは次のように近似される。
【００２７】
【数８】 デザインには以下を使用している。
【００２８】λc＝５８７ｎｍ λS＝４８６ｎｍ Ｖd＝−３．５ λL＝６５６ｎｍ 他の波長バンドとして、適切なＶdiff、および素子力分
配を計算することができる。等価屈折率の波長への直接
依存性により、Ｖdiffは小さく、負となり、一次（ｍ＝
１）回折光素子と関連する波長分散が高レベルになる。
【００２９】波長に伴う屈折率が変化するために、単一
素子レンズは波長に伴う焦点距離が変化する。異なる分
散を備えた２つの材料を使用し、２つの波長において同
じ焦点距離を、またスペクトラム全体にかけて変動が少
ないダブレットレンズを形成することができる。この形
成に必要な関連する焦点力の分散は次のようになる。
【００３０】
【数９】 回折表面の負Ｖdiffにより、正の焦点距離回折および屈
折部材を利用した単一素子ハイブリッド屈折／回折レン
ズの色消しが可能になる。さらに、ダブレット焦点距離
を正しい値にまで延ばし、正レンズの分散を修正する一
重項および負のフリント素子に必要とされるよりも短い
焦点距離と、小さなＦ／＃を有する正クラウン（低分
散）レンズから成る屈折ダブレットであるため、ダブレ
ット構成レンズに必要とされる焦点距離とＦ／＃を短く
する。
【００３１】可視レジーム（ｄ−ｅ−ｆ線）におけるＰ
ＭＭＡプラスチックレンズを使用した従来の色消しで
は、屈折および回折部分における力の分数は次のように
なる。
【００３２】
【数１０】Фref／Фtotal ＝ ９４．２５％ Фdiff／Фtotal ＝ ５．７５％ 当業者には、例えば、基層には石英、ＢＫ７といった光
学ガラスを利用でき、またガラス基層にエポキシレプリ
カを塗布して利用できることが明白である。
【００３３】回折・屈折ハイブリッド色消しにより、よ
り長い焦点距離とより高いＦ／＃を備えた回折面の使用
が可能になる。広域スペーシングのため、Ｆ／＃を高く
することで回折素子の製造が容易になる。例えば、ＦＬ
＝０．５ｍｍ、Ｆ／＃＝２．０のレンズの場合、屈折お
よび回折部分の一次分析は下記のようになる。
【００３４】
【数１１】ｆref ＝０．５３１ｍｍ Ｆ／＃＝２．１２ ｆdiff＝８．６９６ｍｍ Ｆ／＃＝３４．８ レンズレットの回折部分は純粋に一次色調整のために使
用されたと仮定する。
【００３５】図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）にお
いて、回折レンズレット１２が軸上に、１６°で、総視
野で示されている。これらの図を比較すると、機械的光
軸１４が視野角の関数として半径方向に外向きに動き、
同時に局所的光軸１８が光検出器アレーの平面に対して
垂直入射であることがわかる。
【００３６】不透明バッフル１６はシステムの開口スト
ップとして働くと同時に、与えられた光検出器の視野を
制限する。
【００３７】図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図４（Ａ）、図
４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５
（Ｃ）には、各々関連するレンズレットの接線（タンジ
ェンシャル）光線およびサジタル（第二焦点）光線収差
湾曲が示されている。色収差を含む全体のスポットサイ
ズが、光検出器の典型サイズである約１０ミクロンであ
ることに注目すべきである。これらの図において、実線
は５４６．１ｎｍの波長、点線は６５６．１ｎｍの波
長、点線と破線は４６０．０ｎｍの波長を示し、各々
緑、赤、青の波長における光を表している。
【００３８】０°、１６°、２６°の３つのアレー素子
の光デザインパラメータを示す表を以下に記載する。中
間視野角におけるアレー素子はこれらの値に基づき変更
できる。
【００３９】
【表１】
【表２】
【表３】 ここで、非球面表面外形は次のようになる。
【００４０】
【数１２】 回折位相プロファイルは次のように画定され、
【数１３】Ф（ｒ）＝２π／λ０（ＤＦ3ｘ2＋ＤＦ5ｙ2
＋ＤＦ10ｘ4＋ＤＦ14ｙ4＋ＤＦ21ｘ6） ここでは、 λ0＝５４６．１ｎｍ である。
【００４１】好ましい実施の形態を参照して本発明を説
明してきた。しかしながら、本発明の範囲を逸脱しない
限りで、当業者によって変更、改良を行うことが可能で
ある。
【００４２】
【発明の効果】本発明は以下の利点を備えている。
【００４３】集積レンズレットアレーは、極薄型のカメ
ラ本体に使用可能な減少されたレンズ後部焦点のため
に、コンパクトで持ち運びに便利である。
【００４４】ウェハのダイシング（dicing）以前に、半
導体ウェハ上の複数の集積センサアレーを複数のレンズ
レットアレーと同時に整列することが可能なため、集積
レンズレットアレーセンサは、部品の精密な整列が必要
な部分が少なく製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レンズ外形、および本発明によるレンズアレ
ー用のバッフルの平面図である。
【図２】 図１のレンズアレーを線２−２に沿って切っ
た断面図である。
【図３】 中心レンズレットと、これに関連する接線光
線およびサジタル（第二焦点）光線の収差湾曲を示す断
面図である。
【図４】 １６°視野角におけるレンズレットと、これ
に関連する接線光線およびサジタル光線の収差湾曲を示
す断面図である。
【図５】 ２６°視野角におけるレンズレットと、これ
に関連する接線光線およびサジタル光線の収差湾曲を示
す断面図である。
【符号の説明】
１０ レンズレットアレー、１２ レンズレット、１４
機械的光軸、１６不透明バッフル、１８ 局所的光
軸、２０ 感光性領域、２２ スペーサ、３０感光正画
像アレー、４０ 視野ストップ開口絞り板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の光検出器から成る光検出器アレー
    と、 光検出器の数に相応した複数のレンズレットから成り、
    各レンズレットがそのレンズレットの半径方向位置に相
    応した偏心をもち総視野の異なるセグメントを見るよう
    にしたレンズレットアレーと、 少なくとも１つの開口絞り板から成り、前記開口絞り板
    がレンズレット開口絞りであることができ、このレンズ
    レット開口絞り位置に各開口の中心が各々のレンズレッ
    ト光軸の光軸に沿って位置するように位置決めされるフ
    ィールド（視野）制限バッフルとから成ることを特徴と
    する短焦点距離画像センサ。
JP9132044A 1996-05-23 1997-05-22 回折・屈折レンズレットアレー Pending JPH1054935A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/652,735 US5696371A (en) 1996-05-23 1996-05-23 Diffractive/refractive lenslet array
US08/652,735 1996-05-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH1054935A true JPH1054935A (ja) 1998-02-24

Family

ID=24617951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9132044A Pending JPH1054935A (ja) 1996-05-23 1997-05-22 回折・屈折レンズレットアレー

Country Status (3)

Country Link
US (1) US5696371A (ja)
EP (1) EP0809124A3 (ja)
JP (1) JPH1054935A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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