WO2005069607A1 - Bilderfassungssystem und dessen verwendung - Google Patents

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WO2005069607A1
WO2005069607A1 PCT/EP2005/000495 EP2005000495W WO2005069607A1 WO 2005069607 A1 WO2005069607 A1 WO 2005069607A1 EP 2005000495 W EP2005000495 W EP 2005000495W WO 2005069607 A1 WO2005069607 A1 WO 2005069607A1
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image acquisition
acquisition system
image
optical
array
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Jacques DUPARRÉ
Peter Dannberg
Peter Schreiber
Reinhard VÖLKEL
Andreas BRÄUER
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof

Definitions

  • the invention relates to a digital image acquisition system with a minimum overall length of less than 1 mm.
  • the image acquisition system consists of a microlens array, a detector array and optionally a pinhole array.
  • the mode of operation of this image acquisition system is based on separate afro-fertilization of different solid angle segments of the object space by means of a large number of parallel optical channels.
  • a single optical channel maps all information from the object space into the image plane.
  • the objective maps the entire detectable angular range of the object space.
  • the image acquisition takes place centrally behind the microlenses Insulation is used to minimize crosstalk, which means that individually manufactured components are also used Adjusted to each other, which leads to additional sources of error and costs.
  • Insulation is used to minimize crosstalk, which means that individually manufactured components are also used Adjusted to each other, which leads to additional sources of error and costs.
  • JP 2001-210812 A shows an optical system with a large number of optical channels with a respective microlens and a detector arranged in its focal plane. This optical system is based on an actual image conventional look arranged. At the same time, the detector pixels have approximately the same size as the microlenses, as a result of which a very large angular range of the object can be imaged on a single pixel 5. This results in an imaging system with only low resolution.
  • the further dependent claims show advantageous developments. The uses of such image capture
  • an image acquisition system is made up of regularly arranged optical channels with a 35 microlens and at least one detector lying in its focal line, which detector is behind the Microlens extracted at least one pixel, provided.
  • the optical axes of the individual optical channels have different inclinations, so that they represent a function of the distance of the optical channel from the center of the side of the image acquisition system facing the image, and thus the ratio of the size of the field of view of the optics to the size of the image field can be determined in a targeted manner .
  • Detectors with such high sensitivity are used that they have a large pitch with a small active area.
  • the flat camera described consists of a microlens array and a detector array or an optional pinhole array located in its focal plane, which covers a detector array of larger active areas than that of the pixels.
  • pixel is to be understood as an area with the desired spectral sensitivity.
  • a micro image of the object is created in the image plane of each microlens, which is statically scanned by the detector or pinhole array.
  • Each microlens is one or few photosensitive pixels, e.g. with different functions, e.g. spectral sensitivities. Due to the offset of the photosensitive pixel within the microimage from cell to cell generated in various ways, the entire image is scanned and recorded over the entire array.
  • the inclination of the optical axis of an optical channel consisting of a microlens and a detector extracting a pixel from the micro image behind this lens or pinholes covering these is a function of its radial coordinate in the array.
  • the imaging principle according to the invention cannot be depending on the spectral range and can therefore be used in general from UV to VIS to deep IR, with appropriate adaptation of the materials to be used for optics and receivers to the spectral range.
  • the use for IR sensors also seems particularly attractive since the microlens arrays can be manufactured in silicon or germanium (or limited polymers), which has the advantage that no large and therefore extremely expensive germanium or silicon lenses are required. but only very thin microlens arrays, which leads to significant material and mass savings and thus cost savings.
  • IR sensors often have a large pitch with a small active pixel area and therefore require lens arrays that increase the fill factor.
  • the combination of conventional imaging optics with a filling factor-increasing lens array can be replaced by the invention by only one imaging lens array.
  • bolometer arrays that determine temperature fields can also be provided with ultra-flat imaging systems.
  • the neighboring cells are preferably optically isolated (cf. FIG. 2). This prevents crosstalk, which leads to a reduced signal-to-noise ratio of the imaging system. Due to the inclined optical axes, which can be guaranteed in different ways, they observe the object space separately from or only with a minimal angular overlap with the neighboring imaging units. Each optical channel therefore provides at least one image pixel (possibly in different colors) that corresponds to a solid angle area in the object space within the field of view of the entire optics. The reconstruction is possible by combining all the signals supplied by the individual optical channels the object distribution.
  • the arrangement mentioned can advantageously be combined, in particular with photoelectronic sensors which have a high sensitivity or contrast sensitivity, but which have a relatively large pitch with small pixels (less
  • the arrangement described is produced using modern micro-optical technologies on a system and wafer scale. This eliminates the need for complex assembly and adjustment steps for individually manufactured components. The result is the greatest possible system integration, precision and price attractiveness.
  • the number of optical channels can be adapted to the application and vary in the range from 10x10 to 1000x1000 channels (for high-resolution images).
  • the lateral extent of the camera chip can be less than lxl mm 2 or more than 10x10 mm 2 .
  • Non-square arrangements are also conceivable to adapt to the detector geometry or to the shape of the field of view.
  • Non-round lenses (anamorphic) to correct the off-axis aberrations are conceivable.
  • a combination of the image-receiving channels with light sources located in between or on top of them is very advantageous for a further reduction in the overall length or the necessary volume of an imaging arrangement, since lighting from the side or in an upward direction is not expensive as is otherwise the case - or transmitted light must be supplied. This opens up even the smallest and narrowest work spaces, for example in microsystem technology or endoscopy in medicine.
  • One variant according to the invention provides that correction of off-axis image errors is made possible for each individual channel by using different anamorphic lenses, in particular elliptical fused lenses.
  • the correction of the astigmatism and the field curvature enables the image to remain equally sharp over the entire field of view or field of view, since the shape of the lens of each channel is individually adapted to the angle of incidence to be transmitted.
  • the lens has two different main radii of curvature.
  • the orientation of the ellipses is always such that the axis of a main curvature radius is in the direction of the increasing angle of incidence and that of the other main curvature radius is perpendicular to it.
  • Both main radii of curvature grow with increasing angle of incidence according to analytically derivable laws, whereby the radii increase to different extents.
  • Adjustment of the principal radius of curvature ratio of the lens of a single channel can be done by adjusting the axis ratio of the ellipse base.
  • the change in the radius of curvature from channel to channel is set by adjusting the size of the axes.
  • a correction of the distortion ie the main beam deflection angle
  • the distortion can be corrected simply by a non-constant pitch difference between the lens array and the pinhole or detector array.
  • the number of pixels per channel there is both the possibility that one pixel is assigned to each channel or that several channels are assigned to each channel.
  • a pixel size of the optoelectronics corresponding to the diffraction-limited spot size of approximately 2 to 3 ⁇ m should be selected, the pixel pitch should be in the order of 50 to 100 ⁇ m.
  • the free space on the sensor can be used through the implementation of intelligent pixel-near signal preprocessing.
  • Many image processing tasks can already be carried out analogously in the image sensor, e.g. can be dealt with by operation between pixels of adjacent or only slightly distant channels. These include, for example:
  • Contrast, contrast direction (edge orientation) Motion detection • Increased resolution for point sources (for point sources, a resolution of the position in the visual field can be achieved far more accurately than the diffraction limit of the optics by evaluating the differences in the signals of adjacent channels for the same object point.) • Determination of the center of gravity and the average extent of an intensity distribution.
  • a large amount of additional image information can be provided by using several pixels with different properties or from pixel groups with pixels with the same properties in the individual channels. Which includes:
  • PSD point image washing function
  • An increase in resolution can be achieved by offsetting all micro images.
  • a conventional densely packed image sensor megapixel image sensor
  • the individual microimages have a minimal lateral offset from one another due to the different position of the individual channels relative to the center of the array.
  • the calculation of this minimal shift of the micro images into an overall image results in a significantly higher resolution image than if only one image pixel per channel was recorded.
  • Color recordings are also made possible by arranging color filters in front of several otherwise identical pixels per channel.
  • the center of the pixel group is located at the same location as a single pixel in the simple variant with only one pixel per channel, the center of the pixel group depending on the radial coordinate of the channel in question in the array is. Electronic angle correction may be necessary.
  • a combination with color image sensors is also possible, the three color sensitive detector levels of which are arranged one above the other and not next to one another.
  • the luminous intensity can be increased without loss of resolution by arranging several similar pixels with a greater distance in a channel. This means that several channels look in the same direction from different points on the camera. Subsequent superposition of related signals increases the light intensity without reducing the angular resolution at the same time.
  • the position of the pixel group relative to the microlens varies minimally from channel to channel, so that the visual field is scanned in the same way as the variant with only one pixel per channel.
  • the advantage of this variant is that due to the fact that several channels generate the same pixel at the same time, the noise only accumulates statistically, i.e. it corrects with the root of the photon number, but the signal accumulates linearly. This results in an improvement in the signal-to-noise ratio.
  • a further variant according to the invention provides that an arrangement is selected in which the optical axes of at least two channels intersect at an object point due to the arrangement of several pixels per channel.
  • the object distance must not be too large compared to the lateral camera extension, ie it is crucial for a good depth resolution when measuring the distance, the largest possible base length of the triangulation.
  • Channels that look at the same object point from different directions should therefore be as far apart as possible.
  • the use of several pixels per channel makes sense for this, but is not absolutely necessary.
  • channels with only one pixel each can also be arranged directly next to each other, but they look in very different directions, so that they enable the optical axes to be cut with channel pairs on the opposite side of the camera. This arrangement enables stereoscopic 3D image recording or a distance measurement, ie triangulation, because for this purpose the same object point must be looked at at different angles.
  • the number of channels required can be reduced by using several detector pixels per channel.
  • a channel can cover different viewing directions at the same time by using several detector pixels, which are differently decentered compared to the microlens. Less necessary channels means that the total area of the camera becomes smaller.
  • Anamorphic or elliptical lenses can nevertheless be used for the correction of off-axis image errors if the detector pixels are arranged mirror-symmetrically with respect to the center of the microlenses, since they each correct the angle of incidence.
  • these gratings can optionally be constant over the array, but can also have variable parameters from channel to channel, such as orientation, blaze or period (structured gratings).
  • Several similar pixels of suitable spacing in a channel record the spectrum spatially separated by the grating.
  • the grating can also be replaced by other dispersive elements that allow different wavelengths to be deflected onto separate pixels. The simplest conceivable case for this would be the use of chromatic transverse aberrations for the color division, whereby additional elements can be dispensed with entirely.
  • polarization sensitivity of the camera can be arranged in front of otherwise identical electronic pixels in each channel.
  • the center of the pixel group is located at the same location as the individual pixels in the system which has one pixel per channel and is dependent on the radial coordinate of the channel in question in the array.
  • the polarization filters can also be integrated in the plane of the microlenses, e.g. are applied to these, in which case a channel can only detect a specific polarization direction. Adjacent channels are then equipped with differently oriented polarization filters.
  • Another variant provides an imaging color sensor, with an alternative to the normal RGB color coding is usually carried out here, an adaptation to the color spectrum to be processed is carried out by appropriate selection of the structured filter.
  • the pixel geometry can be adapted to the symmetry of the mapping task, e.g. As an alternative to the Cartesian arrangement according to FIG. 11a, a radially symmetrical (FIG. 11b), a hexagonal (FIG. 11c), or arrangement of the facets that is otherwise adapted in its geometry can be selected.
  • a combination with liquid crystal elements can also take place.
  • the polarization effects can be used to e.g. to arrange electrically switchable or displaceable or polarizable pinhole diaphragms over otherwise fixed, densely packed detector arrays. This achieves a high number of degrees of freedom in the mapping.
  • the functions described here can also be achieved by integrating the structures / elements distinguishing the pixels of the individual channel into the plane of the microlenses.
  • only one electronic pixel per channel is required and the channels differ in their optical functions and not only in their viewing directions.
  • the positive consequence is a coarser and simpler structuring of the electronics.
  • the disadvantage is the possibly larger number of channels and the associated larger lateral space required for an equivalent resolution.
  • a combination of several different! I- rather pixels per channel with different optical properties of different channels can also make sense his. Since the system described can be manufactured on a wafer scale, it is possible to increase the light intensity of the recording by separating not individual cameras but entire groups (arrays of cameras) by simply having several cameras doing the same
  • the base surface can also have a concave shape.
  • Microlens arrays consisting of Fresnel or diffractive lenses with respective angle of incidence adjustment.
  • off-axis lenses with individual parameters of the individual lenses can be generated, for example, with the aid of a laser recorder with a possible subsequent impression become.
  • These individual lenses allow the adjustment of the lens parameters for the correct setting of the deflection direction, as well as the correction of the off-axis aberrations for the central main beam.
  • the lenses are decentered over the center of the cells to cause distraction. This function can also be interpreted as a prism effect.
  • the pinholes can remain centered in the individual cells, but can also be offset from the center of the cell as a function of the radial coordinate of the cell in question in the array.
  • Microlens arrays on curved surfaces can also be generated with the aid of a laser pen and molding or by molding conventionally produced microlens arrays with deformable stamps. Depending on the application, all microlenses can have the same parameters, or the lens parameters must be varied so that each microlens always actually focuses on the corresponding receptor (see Fig. 6). Partitions to avoid crosstalk are also advantageous here.
  • Refractive deflecting structure possibly on separate substrates, to 4.
  • the function of an off-axis lens can also be achieved by combining a fused lens array of identical lenses with diffractive, linearly deflecting, individually as a function of the radial coordinate of the cell Structures adapted to the cell can be achieved in the array -> hybrid structures of 5.
  • the structure heights that can be generated with the aid of a laser recorder, for example, are limited. Microlens arrays with lenses of high apex height and / or strong decentration can quickly exceed these maximum values if smooth, uninterrupted structures are required for the individual lenses.
  • a sensible adaptation of the sampling angle to the acceptance angle can also be achieved.
  • a significant improvement in the properties of the described invention can be achieved by an additional arrangement of the detectors on a curved base surface, as shown in FIG. 7.
  • the radius of curvature of the spherical shell on which the detectors are located should be chosen so much smaller than that of the spherical shell on which the microlenses are located that microlenses of the same focal length on the first spherical shell focus precisely on the receptors on the second spherical shell.
  • Ball shells are concentric. The choice of this arrangement results in the imaging of a large field of view, without off-axis aberrations, since an optical channel " for an object point to be imaged by it is always axisymmetric. Identical microlenses can be used.
  • the simultaneous front and back hot stamping / UV casting in a thin plate or film that can be easily placed and glued onto the sensor array seems particularly advantageous.
  • the lens arrays are embossed on the front and the crossed trenches on the back, which are the optically insulating walls of the channels by subsequent filling with black or absorbent potting compound.
  • the molding tools of the lens arrays for hot stamping can e.g. can be created by galvanic molding from the original molds, while transparent tools are required for UV casting.
  • Archetypes / tools of the optical structures can be used, regardless of whether identical lenses or lenses with varying parameters ("chirped lens arrays"), e.g. through the reflow
  • gray tone lithography, laser writing, ultra-precision machining, laser ablation and combinations of these technologies can be generated and can also consist of lenses with integrated prisms or gratings or of lens segments offset relative to the channel center.
  • the master forms / tools for the crossed walls can be used, for example, by lithography in photoresist that can be structured with a very high aspect ratio (SU8) or by ultra-precision machining, such as shape drilling of round or milling of square or rectangular trench structures, the Bosch Silicon process (deep dry etching with a very high aspect ratio), wet etching of silicon in KOH (anisotropic), the LIGA process or by laser ablation.
  • lithography in photoresist that can be structured with a very high aspect ratio (SU8) or by ultra-precision machining, such as shape drilling of round or milling of square or rectangular trench structures, the Bosch Silicon process (deep dry etching with a very high aspect ratio), wet etching of silicon in KOH (anisotropic), the LIGA process or by
  • these walls can be produced by exposing an unstructured substrate to the rear with a high-power laser, so-called excimer laser, by means of a lithographic mask with crossed webs and resulting blackening of the exposed areas, the black walls being produced with a bombardment.
  • a high-power laser so-called excimer laser
  • the crossed walls then being created as paths of a scanning deflection of the laser focus.
  • the black walls are written into the material.
  • spray coating with a thin polymer film of suitable refractive index (prisms, aspherical lens segments, (blazed) gratings, crossed ID array structures).
  • Gluing the ultra-flat optics to the sensor leads to a significant reduction in Fresnel reflection losses, since two interfaces with air are eliminated.
  • the shape of the black walls does not necessarily have to be such that the transparent volumes of the channels are cuboids, but can also result in transparent conical or pyramid-shaped spacing structures between the lens array and the image plane. Replication of the structures described from the roll in film allows inexpensive continuous production. The production of thin plates is also conceivable. Many thin lenses are created at the same time.
  • Replication technologies include molding in UV-curable polymer (UV reaction casting), embossing or printing on plastic film (double-sided), design as a plastic compression or injection molded part, hot stamping thin plastic plates and UV reaction casting directly on optoelectronic wafers used.
  • the image-recording pixels in the camera do not necessarily have to be packed tightly, but can alternate, for example, with slightly extended light sources, for example LEDs (also in color). Image-capturing and image-rendering pixels are thus massively distributed in large arrays, for simultaneous image acquisition and display possible.
  • the image acquisition system according to the invention can also be used in the field of endoscopy.
  • a curved image sensor can e.g. be mounted on a cylinder jacket. This enables an all-round view in organs accessible for endoscopy.
  • Another use relates to the detection of the sun's position or the determination of the relative position of a point source or a light source that is only slightly extended to a reference surface that is firmly connected to the flat camera. This requires a relatively high and possibly asymmetrical field of view, approx. 60 ° x 30 ° full angle.
  • Another use relates to the recording and processing of so-called smart labels.
  • a reconfigurable pattern recognition can thereby be realized, for example, by using channels with several pixels according to FIGS. 9b or 9d. This means that the view direction of each channel can be switched electronically, which results in a redistribution in the assignment of image and object information. This can be used, for example, to define other object patterns from time to time without having to replace the camera.
  • the use also concerns the recognition and identification of logos.
  • microsystem technology e.g. as a camera to observe the work area.
  • grippers on the jaws or arms can have corresponding image capture systems.
  • This also includes application in the area of "machine vision", e.g. small cameras for
  • a flat camera has enormous advantages here, since no high resolution is required, but only high depth of field.
  • Another use relates to 3D motion tracking, for example the hand of one person or of an entire person for implementation in 3D virtual reality or for surveillance technology.
  • This requires inexpensive, large-area receiver arrays, which is fulfilled by the image acquisition systems according to the invention.
  • Other uses concern iris recognition, fingerprint recognition, object recognition and motion detection.
  • Sensory fields of application in the automotive sector are also preferred. These include e.g. Monitoring tasks in the vehicle interior or exterior, e.g. with regard to the distance, the collision risk of the exterior, the interior or the seat occupancy.
  • Ultra-flat camera systems can be easily integrated into bumpers and not only function as distance sensors, but also for the detection of obstacles, objects and pedestrians, for traffic management and for pre-crash sensors.
  • image sensors are used, in addition to pure distance Sensors (radar lidar technology) that offer little or no spatial resolution are becoming increasingly important.
  • radar lidar technology radar lidar technology
  • flat cameras in the infrared spectral range. The flat and unobtrusive design represents a clear advantage of this innovative camera concept compared to conventional camera systems.
  • ultra-flat camera systems could be integrated into keys or installed in the interior and allow authentication of the user based on biometric features (e.g. face recognition).
  • CMOS and CCD sensors can be used for photo-electrical image conversion. Thinned and coated on the back are particularly attractive. Illuminated detectors because they are particularly easy to connect directly to the optics and also have other advantages in terms of sensitivity.
  • FIG. 1 shows a side view of an embodiment variant of the ultra-flat camera system necessarily consisting of a microlens array, substrate and pinhole array. Due to a slightly smaller pitch of the pinhole array compared to the lens array, the direction of the optical axes moves outwards when going to outer channels. This arrangement can be placed directly on top of electronics with a suitable pixel pitch.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant analogous to FIG. 1, but with light protection walls.
  • An aperture layer is located on a substrate, which can also be replaced by the photosensitive electronics as a carrier.
  • Transparent towers form the spacer between microlenses and pinholes. The spaces between the towers are filled with non-transparent (absorbent) material in order to achieve optical isolation of the individual channels.
  • FIG. 3 shows a possible manufacturing process for the variant in FIG. 2.
  • substrates are coated with the pinhole array.
  • SU8 platforms towers
  • the spaces between the towers are filled with absorbent material (PSK).
  • PSK absorbent material
  • microlens arrays are aligned to the pinhole arrays.
  • FIG. 4 shows a representation of an embodiment variant. 300 ⁇ m thick substrate with pinhole array on the back and UV-molded microlens array with a polymer thickness of 20 ⁇ m on the front.
  • the pitch difference between the microlens and pinhole array results in inclined optical axes and thus an effective reduction.
  • This arrangement can be glued directly onto imaging electronics with pitches matching pixels.
  • FIG 5 shows an ultra-flat camera with a lens array made up of off-axis lens segments; the decentration depends on the viewing direction of the channel or the radial position in the array (prism effect).
  • FIG. 7 shows an ultra-flat camera with a lens array and detector array on a curved base.
  • the focal lengths of the lenses can all be the same here.
  • a diverging lens is also conceivable as the base surface, the resulting overall picture is then reversed.
  • 8 shows a side view of an image acquisition system according to the invention with one pixel per optical channel.
  • FIG 10 shows examples of the integration of additional optical functions in the image acquisition system according to the invention.
  • FIG. 14 shows the image acquisition system according to the invention in combination with a liquid lens (electronic zoom).
  • Fig. 1 shows a variant of the object according to the invention.
  • Pinhole array in metal layer
  • pinhole offset in cells determines viewing direction
  • diameter of pinhole d determines acceptance angle ⁇
  • Optical axes that can be generated in different ways (here due to the pitch difference of the microlens array and the pinhole array) towards the outside in order to achieve the (negative) enlarged image mean that a source in the object distribution only has one signal in a corresponding photosensitive Pixel returns when it is on or near the optical axis of the corresponding optical channel. If the source point moves away from the optical axis under consideration, the signal of the corresponding detector drops, but that in another, belonging to an adjacent optical channel, whose optical axis the source point is now approaching, may increase. In this way, an object distribution is represented by the signal strengths of the corresponding addressed detector pixels.
  • This arrangement provides an image of the object with a much greater magnification than can be observed behind an individual microlens, with a significantly shorter overall length than classic lenses with comparable magnification.
  • the inclination of the optical axes may vary as a function "of the radial coordinate of the considered cell in the array both to the outside (Fig. 1), ie from the optical axis of the array away, increase and inwardly, ie, toward the optical axis of the array
  • the result is either an upright or an inverted overall image.
  • the resolving power of the named invention is determined by the increment of the inclination of the optical axes, the sampling angle .DELTA..phi. And by the solid angle, which is taken from an optical channel as a pixel. is given, the so-called acceptance angle ⁇ .
  • the acceptance angle ⁇ results from the folding of the point image washing function of the microlens for the given angle of incidence with the aperture of the pinhole or active area of the detector pixel and the focal length of the microlens.
  • the maximum number of resolvable line pairs across the field of view is now exactly half the number of optical channels if their acceptance angle (FWHM) is not greater than the sampling angle (Nyquist criterion). However, if the acceptance angle is very large compared to the sampling angle, the number of optical channels no longer matters, but the period of resolvable line pairs is as large as the acceptance angle (FWHM).
  • a sensible coordination of ⁇ and ⁇ is therefore essential.
  • the detector array may be necessary to cover the detector array with a pinhole array. This increases the resolving power, but reduces the sensitivity / transmission of the arrangement due to the smaller detector area.
  • RG different color pixels
  • RG different color pixels
  • pinhole diameters that are considered to be useful and are therefore aimed for are from 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows an arrangement similar to that shown in FIG. 1, but with lithographically produced partition walls between the individual cells. 2 mean:
  • FIG. 3 shows a possible lithographic production variant of a system with light protection walls.
  • the flat camera can ultimately be applied to the electronics as a thin polymer layer, which then also serves as a substrate.
  • lenses There are many different types of lenses Technologies conceivable. Established technologies in micro-optics such as the reflow process (for round or elliptical lenses), molding of UV-curable polymer (UV reaction casting) or etching (RIE) can be used in glass. Spheres and aspheres as lenses are possible. Other variants of production can be embossing or printing on a plastic film. It is also conceivable to design it as a plastic, molded or injection-molded part or as a hot-stamped thin plastic plate into which the partition walls (“baffles”) can also be embedded.
  • the lenses can be refractive, diffractive or refractive-diffractive (Hybrid)
  • the system can, after spin-on of a polymer, possibly be stamped directly onto the electronics or otherwise molded.
  • a 20 ⁇ m thick polymer layer 10 on the front of a 300 ⁇ m thick glass substrate 11 contains the necessary microlenses.
  • a pinhole array 12 pitches slightly smaller than the microlens array in a metal layer. This arrangement provides an image of the object with a much greater magnification than can be observed behind an individual microlens, with a significantly shorter overall length than classic lenses with comparable magnification.
  • the substrate thickness is set equal to the focal length of the microlenses, so that the pinhole array is located in the image plane of the microlens array.
  • the lens diameter is 85 ⁇ m
  • the size of the scanned image field is 60 ⁇ m x 60 ⁇ m
  • the pitch of the optical channels is 90 ⁇ m.
  • the field of vision for rotationally symmetrical lenses is due to the sensible NA of the lenses from 0.19 to 15 ° along the diagonal.
  • the number of optical channels is 101 x 101, which corresponds to the number of pixels.
  • the pinhole array required to cover the detector array consists of low / minimal transmission material. Metal coatings are particularly suitable for this. However, these have the disadvantage of high reflectivity, which leads to stray light within the
  • ⁇ p a (1-N / (N-1)) with N as the number of cells in one dimension of the flat camera.
  • FIG. 5 Elements (FIG. 5) or the arrangement of the lenses or the complete optical channels, that is to say including detectors, on a curved base surface (FIG. 6) appears to be a solution to enlarging the field of view with the same image field size and thus the enlargement to reduce the overall arrangement.
  • the expansion of the field of view or reduction of the magnification by means of various methods described here and which can be combined with one another is an essential point of the present invention.
  • FIG. 6 shows an image acquisition system according to the invention with a lens array composed of individual microlenses 14 and a detector array with individual detectors 15.
  • the lens array is on a curved one Surface arranged.
  • the optical axes 13 are fanned out, whereby an expansion of the field of view is achieved.
  • FIG. 7 shows an image acquisition system according to the invention with a lens array with individual lenses 14 and a detector array with individual detectors 15 on a curved base.
  • the focal lengths of the lenses can all be the same here.
  • a diverging lens is also conceivable as the base surface, the resulting overall picture is then reversed.
  • the optical isolation of the individual channels by means of suitable dividing walls for suppressing ghost images caused by crosstalk between adjacent channels is essential.
  • FIG. 8 shows a side view of the image acquisition system according to the invention in planar execution with one pixel of suitable size per channel. It consists of a microlens array 18, a structure defining the distance from the image plane and optical isolation 19 of the channels for suppressing crosstalk in a monolithic plate 20 which is placed directly on the image sensor 21. Due to a somewhat smaller pitch of the pixels of the image sensor compared to that of the lens array, the relative position of the sensor pixel to the microlens differs in each channel, as a result of which the necessary variation of the viewing direction among the channels is achieved.
  • the section shows the possible pixel position within the channel for a channel on the edge of the camera.
  • FIG. 9 shows possibilities for using several pixels per channel; the sections in the image plane of a channel are shown in accordance with FIG. 8.
  • Sub-PSF resolution ie group of very small pixels instead of the previously individual pixel
  • megapixel sensor so-called megapixel sensor
  • color filters in front of different pixels of a channel allow a color image. It must be taken into account here that different colors are recorded from different viewing directions, ie there is a different offset of the color pixels with respect to the microlens.
  • 10 shows the integration of additional optical functions from channel to channel into the plane of the microlens arrays.
  • 10a shows an integrated polarization filter or a grid serving the same purpose, while FIG. 10b shows an integrated color filter.
  • 11 shows different variants for the geometrical arrangement of the optical channels in the array.
  • 11a shows a Cartesian arrangement of the optical channels
  • FIG. 11b a radially symmetrical arrangement of the optical channels
  • FIG. 11c there is a hexagonal arrangement of the optical channels.
  • Fig. 12 shows schematically an industrially relevant manufacturing technology via simultaneous front and back molding of the ultra-flat lens, for example by e.g. Hot stamping or UV reaction casting and subsequent casting with absorbent material.
  • Lens arrays 22 (homogeneous, variable parameters, additional integrated functions (grating)) are molded on the front. Trench structures 23 are embossed as deeply as possible into the plate 24 or the film on the back. The result is transparent, weakly connected towers, which act as spacers for the sensitive microlenses up to their image plane. b) The spaces between the towers are filled with non-transparent (absorbed) material in order to achieve optical isolation 25 of the individual channels. c) The resulting lens plate or the film can be placed directly on the image sensor 26 (also on a wafer scale). Depending on the sensor array used, a highly precise lateral adjustment is necessary.
  • FIG. 13 shows various forms of the transparent towers resulting from the embossing, so-called spacing structures.
  • the tilt or the shape of the transparent volumes (spacing structures) may necessarily d) vary from channel to channel in order to be adapted to the inclination of the optical axis of the respective channel.
  • the back is also potted here with absorbent material to produce the optical isolation of the channels.
  • 14 shows a combination of the image acquisition system according to the invention with an upstream deflecting structure for changing the visual field (zoom).
  • This can e.g. be a liquid lens with an electrically adjustable variable focal length, for a flexible, purely electro-optical zoom during camera operation.
  • a fixable (one-time) adjustment of the field of view, regardless of the parameters of the camera chip itself, is to use a lens with a suitable focal length.
  • the orientation of the image or the algebraic sign of the image scale determines whether concave or convex lenses are selected.
  • the upstream lenses can also be designed as Fresnel lenses to reduce the overall length.
  • the connection of a prism causes the corresponding adjustment of the viewing direction of the entire camera.
  • the prism can also be designed as a frizz structure.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Bilderfassungssystem mit minimaler Baulänge von weni­ger als einem Millimeter. Das Bilderfassungssystem besteht hierbei aus einem Mikrolinsenarray, einem Detektorarray und optional einem Pinhole-Array. Die Funktionsweise dieses Bilderfassungssystems beruht auf einer getrennten Abbildung verschiedener Raumwinkelsegemente des Objektraumes durch eine Vielzahl von parallelen optischen Kanälen. Die optischen Achsen der einzelnen optischen Kanäle weisen dabei unterschiedliche Neigungen auf, sodass sie eine Funktion des Abstands des optischen Kanals vom Mittelpunkt der zum Bild gewandten Seite des Bilderfassungssystems darstellen, wodurch das Verhältnis der Größe des Gesichtsfelds zur Bildfeldgröße gezielt bestimmbar ist. Es werden dabei Detektoren mit derart hoher Empfindlichkeit eingesetzt, dass die Detektoren einen großen Pitch bei kleiner aktiver Fläche aufweisen.

Description

Bilderfassungssystem und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein digitales Bilderfassungs- System mit minimaler Baulänge von weniger als 1 mm. Das Bilderfassungssystem besteht hierbei aus einem Mikrolinsenarray, einem Detektorarray und optional einem Pinhole-Array. Die Funktionsweise dieses Bilderfassungssystems beruht auf einer getrennten Afobil- düng verschiedener Raumwinkelsegmente des Objektrau- mes durch eine Vielzahl von parallelen optischen Kanälen.
Bei klassischen abbildenden optischen Systemen bildet ein einzelner optischer Kanal (Objektiv) alle Informationen aus dem Objektraum in die Bildebene ab. Das Objektiv bildet den ganzen erfassbaren Winkelbereich des Objektraumes ab.
In S . Ogata, J. Ishida, und T. Sasano, „Optical sen- sor array in an artificial compound eye", Opt . Eng. 33, pp. 3649-3655, November 1994, wird ein optisches Sensor-Array präsentiert. Die optischen Zusammenhänge für ein allgemeines solches System werden detailliert dargestellt. Es erfolgt eine Anbindung der Mikrooptik an photo-elektrische Bildwandlung. Aufgrund der Nutzung von Gardientenindexlinsen, die zu einem Array zusammengesetzt sind, ist die Zahl der optischen Kanäle auf 16x16 beschränkt, die Baulänge ist mit 2,9 mm weit über der hier angestrebten. Aufgrund der verwendeten Aufbautechnik kann nicht von einem monolithischen, systemintegrierten Aufbau gesprochen werden. Das gezeigte System scheint nicht bzgl . der Länge und Zahl der Kanäle skalierbar zu sein. Das Gesichtsfeld der Anordnung ist durch die maximal mögliche Pitch- differenz zwischen Linsen- und Pinhole-Array limitiert . Eine Anordnung mehrerer genannter Module auf einer gekrümmten Basisoberfläche zur Skalierung des Gesichtsfeldes und der Kanalzahl wird vorgeschlagen. Dies widerspricht jedoch völlig einer angestrebten Systemintegration .
Die Druckschrift K. Hamanaka und H. Koshi, „An artificial compound eye u sing a microlens array and its application to scale-invariant processing", Optical Review 3 (4) , pp . 264-268, 1996, betrachtet die Anordnung einer Selfoc-Linseplatte vor einem Pinhole- Array gleichen Pitches. Möglichkeiten der Bildverarbeitung und die relativ starke Objektabstandsinvari- anz der Anordnung werden demonstriert. Die Rückseite des Pinhole-Arrays wird mittels einer Relayoptik auf eine CCD abgebildet. Es ist damit kein direkter An- schluss der abbildenden Optik an die bildwandelnde Elektronik wie in [1] gegeben. Die Baulänge ist grö- ßer 16 mm, 50x50 Kanäle wurden realisiert. Aufgrund des gleichen Pitches von Linsenarray und Pinhole- Array ist für größere Objektabstände mit dieser Anordnung keine Auflösung des Objektes mehr möglich. Eine zusätzlich vor dem Linsenarray angebrachte Zerstreuungslinse erzeugt eine Vergrößerung des winkel- mäßigen Gesichtsfeldes, was eine verkleinernde Abbildung bedeutet und damit eine Vergrößerung des Objekt- abstandes bei gleichbleibender Funktion des Systems ermöglicht. Dies widerspricht jedoch dem Ziel der Integration. Die verwendeten Pinholedurchmesser betra- gen 140 μm, was keine gute Auflösung des Systems erlaubt .
In J. Tanida, T. Kumagai, K. Yamada, und S. Miyatake, „Thin observation module by bound optics (tombo) con- cept and experimental verification" , Appl . Opt . 40, pp. 1806-1813, April 2001, wird das hinter jeder Mik- rolinse entstehende Mikrobild durch eine Anordnung einer Sub-Gruppe von Pixeln in einer Zelle aufgenommen. Aus den unterschiedlichen Abständen der ver- schiedenen Kanäle von der optischen Achse des Arrays resultiert ein leichter Versatz der verschiedenen Mikrobilder innerhalb einer Zelle. Diese Bilder werden durch einen komplizierten Rechenformalismus zu einem höher aufgelösten Gesamtbild verrechnet. Als abbildendes Mikrolinsenarray dient ein Selfoclinse- narray der Dicke 650 μm mit Linsendurchmessern von 250 μm. Die Bilderfassung erfolgt zentral hinter den Mikrolinsen. Es werden Trennwände aus Metall und gekreuzten Polarisationsfilter zur optischen Isolierung zur Minimierung des Übersprechens eingesetzt. Damit werden auch hier einzeln hergestellte Komponenten aufwändig zueinander justiert, was zur Entstehung von zusätzlichen Fehlerquellen und Kosten führt. Zur möglichen Erweiterung des limitierten Gesichtsfeldes (Einführung eines (negativen) Vergrößerungsfaktors) des Systems, z.B. für große Objektabstände, wird ein Prismenarray mit variablen Ablenkwinkeln, eine Zerstreuungslinse oder die Integration einer Strahlablenkung in diffraktive Linsen vorgeschlagen. Dadurch würde die Systemdicke nicht erhöht . Eine konkrete Auflösung des Systems wurde nicht angegeben.
Die Druckschrift S. Wallstab und R. Völkel, „Flachbauendes Bilderassungssystem" , Offenlegungsschrift DE 199 17 890 AI, November 2000, beschreibt verschiedene Anordnungen für flachbauende Bilderfassungssysteme. Für die der vorliegenden Erfindung nahekommende Ausführungsvariante ist jedoch keine sinnvolle Möglichkeit der Bilderfassung für große Objektabstände angegeben (Gesichtsfelderweiterung, bzw. verkleinernde Abbildung) . Insbesondere von einer Pitchdifferenz zwischen Mikrolinsenarray und Pinhole-Array oder speziell geformten Mikrolinsen ist keine Rede.
In M. Meyers, „Compact digital camera with segmented fields of view", US-Patent 6,137,535, Oct . 24, 2000, wird eine flache abbildende Optik mit segmentiertem Gesichtsfeld vorgestellt. Hier wird ein Mikrolinsenarray mit dezentrierten Mikrolinsen eingesetzt, wobei die Dezentrierung von der radialen Koordinate der be- trachteten Mikrolinse im Array abhängt. Auf diese Weise zeigen die Achsenstrahlen jeder Linse in ein anderes Segment des gesamten Gesichtsfeldes, jede Mikrolinse bildet einen anderen Teil des Gesichtsfeldes in ihrer Bildebene ab. Ein Photodetektorarray mit jeweils einer Sub-Gruppe von Pixeln hinter jeder Mikrolinse nimmt das Bild hinter jeder Mikrolinse auf. Die den einzelnen Gesichtsfeldsegmenten entsprechenden Bilder werden elektronisch gespiegelt und anei- nandergesetzt . Eine detaillierte Beschreibung der notwendigen Elektronik wird angegeben. Baffle-
Strukturen vor und hinter den Linsen verhindern das Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen bzw. schränken das Gesichtsfeld der einzelnen Kanäle und damit die Bildgröße ein. Die Herstellung der dezentrierten Linsen bzw. deren Urformen wird nicht an- gegeben. Die verschiedenen Komponenten sind auch hier getrennt voneinander herzustellen und nicht z.B. im Wafermaßstab u. U. direkt in Verbindung mit der Herstellung der Elektronik als monolithische Struktur. So wird z.B. ein Luftspalt zwischen dem Mikrolinsen- array und dem Detektorarray angegeben. Ein extremer Justageaufwand führt deshalb zu hohen Kosten bei der Herstellung. Eine deutliche Reduktion der Baulänge kann dieser Erfindung nicht zugemessen werden, da die Auswertung der einzelnen Bilder der Gesichtsfeldseg- mente eine gewisse Vergrößerung der Mikrolinsen und damit eine gewisse Brennweite, bzw. Schnittweite der Linsen und daraus folgend Länge des Systems benötigt. Die Nutzung dezentrierter Mikrolinsen ist somit als Ersatz für eine große abbildende Linse zu sehen, aber ohne einen Effekt auf die Baulänge der Optik, solange nicht eine deutliche Verkleinerung der individuellen Bilder und damit Verlust an effektiver Vergrößerung bzw. Auflösungsverlust hingenommen wird. Eine mögliche Pitchdifferenz zwischen Mikrolinsenarray und De- tektor-sub-gruppen zur Erzeugung einer effektiven
Vergrößerung wird nicht angegeben. Die effektive (negative) Vergrößerung des Gesamtsystems wird dadurch durch die zitierte Erfindung nicht erhöht. Angegebene mögliche Systemlängen sind deshalb stets wesentlich größer als 1 mm. Es wird nicht auf die Möglichkeit hingewiesen, einer Mikrolinse jeweils nur einen Detektorpixel zuzuordnen. Dies würde durch die freie Einstellbarkeit der Dezentrierung unabhängig von der Vergrößerung der Mikrolinse insgesamt eine deutliche Erhöhung der (negativen) Vergrößerung des Gesamtsystems bzw. Verkürzung bei konstanter Vergrößerung zur Folge haben sowie eine deutliche Erhöhung der Freiheitsgrade zur Bildverarbeitung.
Die Druckschrift P.-F. Rüedi, P. Heim, F. Kaess, E. Grenet, F. Heitger, P.-Y. Burgi , S. Gyger und P.
Nussbaum, „A 128 x 128 pixel 120 dB dynamic ränge Vision sensor chip for image contrast and orientation extraction", in IEEE International Solid-State Circu- its Conference, Digest of Technical Papers, p. Paper 12.8, IEEE, February 2003, beschreibt einen elektronischen Sensor zur Kontrastermittlung. Dies wird alseine,sehr elegante Weise zur Bildinformationsgewinnung gesehen. Nicht nur Auflösungsvermögen, sondern Beleuchtungsstärkeunabhängigkeit und Gewinnung zu- sätzlicher Information zu Helligkeit der Objektquellen werden hier als Möglichkeit zur Aufnahme von Bildern mit hohem Informationsgehalt gesehen. Aufgrund ihrer Architektur sind solche Sensoren allerdings mit einem geringen Füllfaktor versehen. Space filling ar- rays (bzw. „focal plane arrays") werden genutzt, um den Füllfaktor zu erhöhen. Klassische Objektive werden zur Abbildung des Objektes genutzt, was die Systemlänge wesentlich erhöht und den Einsatz dieser vielversprechenden Sensoren im Alltag (z.B. im auto- motive Bereich) limitiert. Eine Verknüpfung der vorliegenden Erfindung mit den genannten Sensoren als Austausch für das focal plane Array und die makroskopische abbildende Optik bedeutete eine extreme Mehrwerterzeugung aufgrund einer deutlichen Systemverkür- zung und -Integration.
Aus der JP 2001-210812 A ist ein optisches System mit einer Vielzahl optischer Kanäle mit jeweiliger Mikrolinse sowie in dessen Brennebene angeordnetem Detek- tor dargestellt. Dieses optische System ist hinter einer die tatsächliche Abbildung realisierenden her- kömmlichen Optik angeordnet. Gleichzeitig weisen die Detektorpixel etwa die gleiche Größe wie die Mikrolinsen auf, wodurch ein sehr großer Winkelbereich des Objekts auf einem einzigen Pixel abgebildet werden 5 kann. Hieraus resultiert ein abbildendes System mit nur geringer Auflösung.
Ein prinzipielles Problem bei der Realisierung der aus dem Stand der Technik bekannten abbildenden Sys-
10 teme ist die Planarität der möglichen technischen Anordnungen. Off-axis-Aberrationen, die durch die Anordnung auf gekrümmten Oberflächen vermieden werden könnten, limitieren durch die Herstellung in Planartechnik, d.h. Lithographie, die Bildqualität oder
15 schränken das Gesichtsfeld ein. Diese Einschränkungen sollen durch Teile der vorliegenden Erfindung aufgehoben werden.
Ausgehend von diesen Nachteilen des Standes der Tech-
20 nik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bilderfassungssystem bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften bezüglich mechanischer und optischer Parameter, wie Systemlänge, Gesichtsfeld, Auflösungsvermögen, Bildgröße und Lichtstärke besitzt. 25. Diese Aufgabe wird durch das Bilderfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendungen derartiger Bilderfas-
30 sungssysteme werden in den Ansprüchen 33 bis 39 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Bilderfassungssystem aus regelmäßig angeordneten optischen Kanälen mit einer 35 Mikrolinse und mindestens einem in dessen Brennlinie liegenden Detektor, der aus dem Mikrobild hinter der Mikrolinse mindestens einen Bildpunkt extrahiert, bereitgestellt. Hierbei weisen die optischen Achsen der einzelnen optischen Kanäle unterschiedliche Neigungen auf, so dass sie eine Funktion des Abstandes des op- tischen Kanals vom Mittelpunkt der zum Bild gewandten Seite des Bilderfassungssystems darstellen und damit das Verhältnis der Größe des Gesichtsfeldes der Optik zur Bildfeldgröße gezielt bestimmbar ist. Dabei werden Detektoren mit derart hoher Empfindlichkeit ein- gesetzt, dass diese einen großen Pitch bei kleiner aktiver Fläche aufweisen.
Die beschriebene flache Kamera besteht aus einem Mik- rolinsenarray und einem, in dessen Brennebene liegen- den Detektorarray bzw. einem optionalen Pinhole- Array, welches ein Detektorarray größerer aktiver Flächen als die der Pixel abdeckt. Unter Pixel ist im Rahmen dieser Anmeldung ein Bereich mit gewünschter spektraler Empfindlichkeit zu verstehen. In der Bild- ebene jeder Mikrolinse entsteht ein Mikrobild des Objektes, welches durch das Detektor- oder Pinhole- Array statisch abgetastet wird. Jeder Mikrolinse ist ein oder sind wenige photosensitiver Pixel, z.B. mit unterschiedlichen Funktionen, wie z.B. spektralen Empfindlichkeiten, zugeordnet. Durch den auf verschiedene Weisen erzeugten Versatz des photosensitiven Pixels innerhalb des Mikrobildes von Zelle zu Zelle wird über das gesamte Array das komplette Bild abgetastet und aufgenommen. Die Neigung der optischen Achse eines optischen Kanals bestehend aus einer Mikrolinse und einem aus dem Mikrobild hinter dieser Linse einen Bildpunkt extrahierendem Detektor bzw. diesen abdeckenden Pinholes ist eine Funktion seiner radialen Koordinate im Array.
Das erfindungsgemäße Abbildungsprinzip lässt sich un- abhängig vom spektralen Bereich einsetzen und ist deshalb allgemein von UV über VIS bis hin in das tiefe IR nutzbar, bei entsprechender Anpassung der zu nutzenden Materialien für Optik und Empfänger an den spektralen Bereich. Auch der Einsatz für IR Sensoren scheint besonders attraktiv da hier die Mikrolinsen- arrays z.B. in Silizium oder Germanium (oder begrenzt auch entsprechende Polymere) gefertigt werden können, was den Vorteil besitzt, dass keine großen und damit extrem teuren Germanium- oder Siliziumlinsen nötig sind, sondern nur sehr dünne Mikrolinsenarrays, was zu deutlicher Material- und Masseersparnis und damit einer Kostenersparnis führt. IR-Sensoren haben oft einen großen Pitch bei kleiner aktiver Pixelfläche und bedürfen deswegen füllfaktorerhöhender Linsenar- rays . Die Kombination konventioneller abbildender Optik mit füllfaktorerhöhendem Linsenarray kann durch die Erfindung durch nur ein abbildendes Linsenarray ersetzt werden. So können z.B. auch Temperaturfelder bestimmende Bolometerarrays mit ultraflachen abbildenden Systemen versehen werden.
Vorzugsweise sind die benachbarten Zellen optisch isoliert (vgl. Fig. 2). Dies verhindert ein Überspre- chen, das zu einem verringertem Signal-Rausch- Verhältnis des abbildenden System führt. Durch die auf verschiedene Weisen zu gewährleistenden geneigten optischen Achsen beobachten sie getrennt von bzw. nur mit minimalem winkelmäßigen Überlapp zu den benach- harten abbildenden Einheiten den Objektraum. Jeder optische Kanal liefert deshalb mindestens einen Bildpixel (u. U. in verschiedenen Farben) , der einem Raumwinkelbereich im Objektraum innerhalb des Gesichtsfeldes der gesamten Optik entspricht. Die Zu- sammenführung aller von den einzelnen optischen Kanälen gelieferten Signale erlaubt die Rekonstruktion der Objektverteilung. Die genannte Anordnung ist vorteilhaft kombinierbar besonders mit photo-elektro- nischen Sensoren, die eine große Empfindlichkeit bzw. Kontrastsensitivität aufweisen, aber einen relativ großen Pitch bei kleinen Pixeln besitzen (geringer
Füllfaktor) . Die beschriebene Anordnung wird mit modernen mikrooptischen Technologien im System- und Wa- fermaßstab erzeugt. Aufwändige Zusammenbau- und Justierschritte einzeln gefertigter Komponenten entfal- len dadurch. Eine größtmögliche Systemintegration, Präzision und Preisattraktivität ist die Folge. Die Zahl der optischen Kanäle kann der Anwendung entsprechend angepasst werden und im Bereich von sinnvoll 10x10 bis 1000x1000 Kanälen (für hochaufgelöste Bil- der) variieren.
Je nach Größe der Mikrolinsen und Bildweite (Dicke der Kamera) kann die laterale Ausdehnung des Kamerachips unter lxl mm2 aber auch mehr als 10x10 mm2 betragen. Auch nicht quadratische Anordnungen sind denkbar, um an Detektorgeometrie oder an die Form des Gesichtsfeldes anzupassen. Nicht runde Linsen (Ana- morphoten) zur Korrektur der außeraxialen Aberrationen sind vorstellbar.
Eine Kombination der bildaufnehmenden Kanäle mit dazwischen- oder daraufliegenden Lichtquellen (z.B. OLEDs) ist sehr vorteilhaft für eine weitere Reduktion der Baulänge bzw. des nötigen Volumens einer ab- bildenden Anordnung, da nicht wie sonst, noch aufwendig eine Beleuchtung von der Seite oder in Auf- oder Durchlicht zugeführt werden muss . Damit erschließen sich auch die kleinsten und engsten Arbeitsräume, z.B. auch in der Mikrosystemtechnologie oder der En- doskopie in der Medizin. Eine erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass eine Korrektur von außeraxialen Bildfehlern durch Nutzung von unterschiedlichen anamorphotischen Linsen, insbesondere elliptische Schmelzlinsen, für jeden einzel- nen Kanal ermöglicht wird. Die Korrektur des Astigmatismus und der Bildfeldwölbung ermöglicht, dass das Bild über das gesamte Gesichtsfeld bzw. Bildfeld gleich scharf bleibt, da die Form der Linse jedes Kanals individuell an den zu übertragenden Einfallswin- kel angepasst wird. Die Linse besitzt zwei unterschiedliche Hauptkrümmungsradien. Die Orientierung der Ellipsen ist stets so, dass die Achse eines __ Hauptkrümmungsradius in Richtung des sich vergrößernden Einfallswinkels und die des anderen Hauptkrüm- mungsradius senkrecht dazu steht. Beide Hauptkrümmungsradien wachsen mit steigendem Einfallswinkel nach analytisch ableitbaren Gesetzmäßigkeiten, wobei die Radien unterschiedlich stark zunehmen. Eine Einstellung des Hauptkrümmungsradienverhältnisses der Linse eines einzelnen Kanals kann durch das Einstellen des Achsenverhältnisses der Ellipsenbasis erfolgen. Die Einstellung der Änderung des Krümmungsradius von Kanal zu Kanal erfolgt durch die Einstellung der Größe der Achsen.
Weiterhin kann in einer erfindungsgemäßen Variante eine Korrektur der Verzeichnung, d.h. des Haupt- strahlfehlwinkels, durch eine angepasste Position des Pinholes bzw. Detektors im Bild einer Mikrolinse er- reicht werden. Eine Korrektur der Verzeichnung ist einfach durch eine nicht konstante Pitch-Differenz zwischen Linsenarray und Pinhole bzw. Detektorarray möglich. Durch eine Anpassung der Position des Pinholes bzw. Detektors im Bild einer Mikrolinse je nach deren Position innerhalb der gesamten Kamera und demzufolge der zu verarbeitenden Blickrichtung kann das resultierende Gesamtbild komplett verzeichnungsfrei erzeugt werden. Um an ein Sensorarray mit konstanten Pitch angebracht zu werden, muss demzufolge die Position der jeweiligen Mikrolinse nicht nur um ein Viel- faches der Pitch-Differenz gegenüber dem Detektor versetzt sein, sondern dem realen zu verarbeitenden Hauptstrahlwinkel angepasst sein.
Hinsichtlich der Zahl der Pixel pro Kanal besteht er- findungsge äß sowohl die Möglichkeit, dass jedem Kanal ein Pixel zugeordnet ist, oder dass jedem Kanal mehrere Pixel zugeordnet sind. Eine einfache Anordnung, wie sie in Figur 8 dargestellt ist, bedarf dabei nur eines einzigen elektronischen Pixels pro Ka- nal zur Bilderzeugung. Zur Anpassung an das Abbildungskonzept basierend auf künstlichen Facettenaugen sollte eine Pixelgröße der Optoelektronik entsprechend der beugungsbegrenzten Spotgröße von ungefähr 2 bis 3 μm gewählt werden, wobei der Pixel-Pitch in der Größenordnung von 50 bis 100 μm liegen sollte. Eine Nutzung des freien Platzes auf dem Sensor kann durch die Implementierung von intelligenter pixelnaher Signalvorverarbeitung geschehen. Viele Bildverarbeitungsaufgaben können bereits analog in dem Bildsen- sor, z.B. durch Operation zwischen Pixeln benachbarter oder nur wenig entfernter Kanäle bewältigt werden. Hierzu zählen beispielsweise:
• Kontrast, Kontrastrichtung (Kantenorientierung) • Bewegungsdetektion • Auflösungserhöhung für Punktquellen (für Punkt- quellen kann eine Auflösung der Position im Gesichtsfeld weit genauer als das Beugungslimit der Optik erreicht werden, indem die Differenzen der Signale benachbarter Kanäle für den gleichen Objektpunkt ausgewertet werden.) • Bestimmung des Schwerpunktes und der mittleren Ausdehnung einer Intensitätsverteilung.
Durch den Einsatz mehrerer Pixel mit verschiedenen Eigenschaften oder von Pixelgruppen mit Pixeln gleicher Eigenschaften in den einzelnen Kanälen kann eine Vielzahl zusätzlicher Bildinformationen bereitge- stellt werden. Hierzu zählen:
• Es kann eine Auflösungssteigerung über das Beugungslimit hinaus erreicht werden, sog. Sub-PSF- Auflösung (PSF = Punktbildverwaschungsfunktion) . Hierzu müssen für jeden Kanal Gruppen von dicht - gepackten gleichartigen Pixeln, d.h. 4 bis 25 Stück, mit einer Größe von 1 μm für die einzelnen Pixel realisiert werden. Das Zentrum der Pixelgruppe befindet sich an der gleichen Stelle wie die einzelnen Pixel gemäß der erfindungsgemäßen Variante, bei der nur ein Pixel pro Kanal eingesetzt wird. Das Zentrum der Pixelgruppe ist von der radialen Koordinate des betrachtenden Kanals im Array abhängig.
• Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen elektronischen Zoom, eine elektronische Blickrichtungsänderung oder eine elektronische Lichtstärkeeinstellung zu realisieren. Die Nutzung eines konventionellen dichtgepackten Bildsensors mit kleinen Pixeln, z.B. ein Megapixel-Bildsensor, kann zur Aufnahme der kompletten hinter allen Mikrolinsen des Arrays entstehenden Bilder genutzt werden. Durch Auswahl nur bestimmter Pixel aus den einzelnen Kanälen zur Erzeugung des gewünschten Bildes können die Vergrößerung bzw. das Gesichtsfeld eingestellt werden, da die Pixelposition im Kanal die Funktion der radialen Koordinate des betrachteten Kanals im Array ist. Ebenso kann die Blickrichtung durch einfache Translation aller ausgelesenen Pixel eingestellt werden. Weiterhin lässt sich die Lichtstärke durch Superpositionen der Signale benachbarter Pixel einstellen, wobei sich die effektive Pixelgröße erhöht, was zu einem Auflösungsverlust führt.
• Durch Verrechnung aller Mikrobilder kann eine Auflösungserhöhung erreicht werden. Hierzu wird ein konventioneller dichtgepackter Bildsensor (Megapixel-Bildsensor) zur Aufnahme der kompletten hinter allen Mikrolinsen des Arrays entstehenden Bilder genutzt. Die einzelnen Mikrobilder haben einen minimalen lateralen Versatz gegeneinander durch die unterschiedliche Position der einzelnen Kanäle relativ zum Mittelpunkt des Arrays. Die Verrechnung dieser minimalen Verschiebung der Mikrobilder zu einem Gesamtbild resultiert in einem deutlich höher aufgelösten Bild als bei Aufnahme nur eines Bildpixels pro Kanal. Dies macht allerdings lediglich für mit der lateralen Kameraausdehnung vergleichbar geringe Objektabstände Sinn.
• Ebenso werden Farbaufnahmen durch Anordnung von Farbfiltern vor mehreren sonst gleichartigen Pixeln pro Kanal ermöglicht. Das Zentrum der Pixelgruppe befindet sich dabei an der gleichen Stelle wie ein Einzelpixel bei der einfachen Variante mit nur einem Pixel pro Kanal , wobei das Zentrum der Pixelgruppe von der radialen Koordinate des betrachteten Kanals im Array abhängig ist. Eine elektronische Winkelkorrektur kann nötig sein. Um dies zu vermeiden, ist auch eine Kombination mit Farbbildsensoren möglich, deren drei farbempfindliche Detektorebenen übereinan- der und nicht nebeneinander angeordnet sind.
• Weiterhin kann eine Erhöhung der Lichtstärke ohne Auflösungsverlust dadurch erreicht werden, dass mehrere gleichartige Pixel mit höherem Ab- stand in einem Kanal angeordnet werden. Mehrere Kanäle blicken dadurch von unterschiedlichen Stellen der Kamera in die gleiche Richtung. Eine nachträgliche Superposition zueinandergehöriger Signale erhöht die Lichtstärke ohne gleichzeitig die Winkelauflösung zu verringern. Dabei variiert die Position der Pixelgruppe relativ zur Mikrolinse minimal von Kanal zu Kanal, sodass eine Abtastung des Gesichtsfeldes analog zur Variante mit nur einem Pixel pro Kanal geschieht . Der Vorteil dieser Variante ist, dass aufgrund der Tatsache, dass mehrere Kanäle gleichzeitig den gleichen Bildpunkt erzeugen, das Rauschen sich nur statistisch akkumuliert, d.h. es korre- liert mit der Wurzel der Photonennzahl, aber das Signal sich linear akkumuliert. Es resultiert somit eine Verbesserung des Signal -Rauschverhältnisses .
• Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass eine Anordnung gewählt wird, bei der sich durch die Anordnung mehrerer Pixel pro Kanal die optischen Achsen wenigstens zweier Kanäle in einem Objektpunkt schneiden. Dafür darf weiterhin die Gegenstandsweite nicht zu groß ge- genüber der lateralen Kameraausdehnung sein, d.h. entscheidend für eine gute Tiefenauflösung bei der Abstandsmessung ist eine möglichst große Basislänge der Triangulation. Kanäle, die aus verschiedenen Richtungen auf den gleichen Objektpunkt schauen, sollten deswegen einen mög- liehst großen Abstand haben. Dabei ist die Nutzung mehrerer Pixel pro Kanal hierfür zwar sinnvoll, aber nicht zwingend notwendig. Alternativ können unmittelbar nebeneinander auch Kanäle mit jeweils nur einem Pixel angeordnet sein, die aber in stark unterschiedliche Richtungen blicken, sodass sie mit Kanalpaaren auf der gegenüberliegenden Seite der Kamera ein Schneiden der optischen Achsen ermöglichen. Durch diese Anordnung wird eine stereoskopische 3D-Bildaufnahme bzw. eine Abstandsmessung, d.h. Triangulation, ermöglicht, da hierfür unter verschiedenen Winkeln auf den gleichen Objektpunkt geschaut werden uss .
• Durch die Nutzung mehrerer Detektorpixel pro Kanal kann die notwendige Kanalzahl verringert werden. Ein Kanal kann durch die Nutzung mehrerer Detektorpixel, welche unterschiedlich gegenüber der Mikrolinse dezentriert sind, gleichzei- tig verschiedene Blickrichtungen abdecken. Weniger notwendige Kanäle bedeutet somit, dass die Gesamtfläche der Kamera kleiner wird. Anamorpho- tische bzw. elliptische Linsen können trotzdem zur Korrektur von außeraxialen Bildfehlern ein- gesetzt werden, wenn die Detektorpixel Spiegel- symmetrisch bezüglich der Mikrolinsenmitte angeordnet sind, da sie jeweils den Einfallswinkel korrigieren.
• Eine weitere Variante sieht die Möglichkeit von Farbaufnahmen durch diffraktive Strukturen auf oder vor den Mikrolinsen vor, wobei diese Gitter wahlweise über das Array konstant sein können, aber auch von Kanal zu Kanal variable Parameter, wie Orientierung, Blaze oder Periode besitzen können (strukturierte Gitter) . Mehrere gleichartige Pixel geeigneten Abstandes in einem Kanal nehmen das durch das Gitter räumlich getrennte Spektrum auf. Im Allgemeinen kann das Gitter auch durch andere dispersive Elemente ersetzt werden, die ein Ablenken unterschiedlicher Wellenlängen auf getrennte Pixel ermöglichen. Der einfachste denkbare Fall hierfür wäre die Nutzung der chromatischen Queraberrationen zur Farbaufteilung, wobei gänzlich auf zusätzliche Elemente verzichtet werden kann.
• Eine andere Variante betrifft die Polarisations- empfindlichkeit der Kamera. Zu deren Beeinflussung können verschieden orientierte Metallgitter bzw. strukturierte Polarisationsfilter vor sonst gleichartigen elektronischen Pixeln in jedem Kanal angeordnet werden. Das Zentrum der Pixel- gruppe befindet sich an der gleichen Stelle wie die einzelnen Pixel bei dem System, das pro Ka- nal einen Pixel aufweist, und ist von der radialen Koordinate des betrachteten Kanals im Array abhängig. Alternativ können die Polarisationsfilter auch in der Ebene der Mikrolinsen integriert, z.B. auf diese aufgebracht werden, wobei dann ein Kanal nur eine bestimmte Polarisationsrichtung detektieren kann. Benachbarte Kanäle werden dann mit unterschiedlich orientierten Polarisationsfiltern ausgestattet.
• Eine weitere Variante sieht einen abbildenden Farbsensor vor, wobei alternativ zu der norma- lerweise durchgeführten RGB-Farbkodierung hier eine Anpassung an das zu verarbeitende Farbspektrum durch entsprechende Wahl der strukturierten Filter erfolgt.
• Die Pixelgeometrie kann beliebig an die Symmetrie der Abbildungsaufgabe angepasst werden, z.B. kann alternativ zur kartesischen Anordnung gemäß Figur 11a eine radialsymmetrische (Fig. 11b) , eine hexagonale (Fig. 11c) , bzw. anderweitig in ihrer Geometrie angepasste Anordnung der Facetten gewählt werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Kombination mit Flüssigkristallelementen (LCD) erfolgen. Die Polarisationseffekte können genutzt werden, um z.B. elektrisch schaltbare oder verschiebbare oder polarisierbare Lochblenden über sonst fixen, dichtgepackten Detektorar- rays anzuordnen. Hierdurch wird eine hohe Anzahl von Freiheitsgraden der Abbildung erreicht.
Die hier beschriebenen Funktionen können auch durch die Integration der die Pixel des einzelnen Kanals unterscheidenden Strukturen/Elemente in die Ebene der Mikrolinsen erzielt werden. Hierbei ist dann wiederum nur ein elektronischer Pixel pro Kanal nötig und die Kanäle unterscheiden sich in ihren optischen Funktionen und nicht nur in ihren Blickrichtungen. Eine grö- bere und einfachere Strukturierung der Elektronik ist die positive Folge. Nachteil ist die u.U. notwendige größere Kanalzahl und der damit verbundene größere laterale Platzbedarf für eine gleichwertige Auflösung. Auch eine Kombination mehrerer unterschied!i- eher Pixel pro Kanal mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften verschiedener Kanäle kann sinnvoll sein. Da das beschriebene System im Wafermaßstab hergestellt werden kann, ist es möglich, durch Vereinzelung nicht einzelner Kameras sondern ganzer Gruppen (Arrays von Kameras) die Lichtstärke der Aufnahme zu erhöhen, indem einfach mehrere Kameras das gleiche
Bild aufnehmen (Winkelkorrektur kann nötig sein) und diese Bilder dann elektronisch überlagert werden.
Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Bilderfas- sungssystems können durch folgende gesichtsfeldvergrößernde bzw. den Abbildungsmaßstab verringernde und individuell an Einfallswinkel angepasste Anordnungen erreicht werden:
1. Individuell generierte Off-axis (bzw. dezentrierte) Linsen refraktiv (vg. Fig. 5) , diffraktiv und hybrid, die Dezentrierung ist eine Funktion der radialen Koordinate der betrachteten Zelle im Array.
2. Mikrolinsenarrays auf gekrümmten Oberflächen (vgl. Fig. 6), die Basisfläche kann auch konkav geformt sein.
3. Integration von Mikroprismen in Linsenarrays .
4. Kombination diffraktiver linear ablenkender Strukturen mit Mikrolinsenarrays.
5. Mikrolinsenarrays bestehend aus Fresnel- oder diffraktiven Linsen mit jeweiliger Einfallswinkelanpassung .
Alle diese Punkte können als Mikrolinsenarrays mit über dem Array nicht konstanten Parametern zusammen- gefasst werden. Anmerkungen zu den einzelnen Methoden:
zu 1. (s. Fig. 5) Off-axis Linsen mit individuellen Parametern der einzelnen Linsen, wie Dezentrie- rung und Brennweite, sowie konische oder Asphä- ren- Parameter, können z.B. mit Hilfe eines Laserschreibers mit möglicher nachfolgender Ab- formung generiert werden. Diese individuellen Linsen erlauben die Anpassung der Linsenparameter zur korrekten Einstellung der Ablenkrichtung, als auch die Korrektur der off-axis Aberrationen für den zentralen Hauptstrahl. Die Linsen sind dezentriert über dem Zentrum der Zellen, um eine Ablenkung zu bewirken. Diese Funktion kann auch als Prismenwirkung interpretiert werden. In dieser Ausführung können die Pinholes zentriert in den individuellen Zellen verbleiben, aber auch als Funktion der radialen Koordinate der betrachteten Zelle im Array aus der Mitte der Zelle versetzt sein. Dies verursacht zusätzlich zu der Dezentrierung der Linse eine weitere Vergrößerung des Gesichtsfeldes, zu 2. (s. Fig. 6) Mikrolinsenarrays auf gekrümmten Oberflächen können ebenfalls mit Hilfe eines Laserschreibers und Abformung oder durch Abfor- mung konventionell erzeugter Mikrolinsenarrays mit deformierbaren Prägestempeln generiert werden. Je nach Anwendung können alle Mikrolinsen die gleichen Parameter besitzen, oder die Linsenparameter müssen variiert werden, dass jede Mikrolinse stets auf den entsprechenden Rezeptor tatsächlich fokussiert (vgl. Fig.6). Trennwände zur Vermeidung des Übersprechens sind auch hier vorteilhaft. Durch die Anordnung der Mikrolinsenarrays auf einer gekrümmten Oberflä- ehe sind die optischen Achsen der Anordnung automatisch geneigt. Off-axis Aberrationen werden vermieden, da die zentralen Hauptstrahlen stets senkrecht durch die Linsen gehen. zu 3. Analog 1. refraktive ablenkende Struktur, eventuell auf getrennten Substraten, zu 4. Die Funktion einer off-axis Linse kann auch durch Kombination eines Schmelzlinsenarrays von identischen Linsen mit diffraktiven, linear ab- lenkenden, individuell als Funktion der radialen Koordinate der Zelle im Array an die Zelle angepasste Strukturen erzielt werden --> hybride Strukturen zu 5. Die mit Hilfe eines z.B. Laserschreibers er- zeugbaren Strukturhöhen sind begrenzt. Mikrolinsenarrays mit Linsen hoher Scheitelhöhe und/oder starker Dezentrierung können schnell diese Maximalwerte überschreiten, wenn glatte, ununterbrochene Strukturen für die einzelnen Linsen gefordert werden. Die Unterteilung der glatten Linsenstruktur in einzelne Segmente und jeweilige Herabsetzung auf das niedrigst mögliche Höhenniveau (große ganzzahlige Vielfache von 2π) resultiert in einer Fresnellinsen- Struktur niedrigerer Scheitelhöhe mit jeweiliger Einfallswinkelanpassung, die im Extremfall sehr kleiner Perioden in diffraktive Linsen übergeht .
Durch die Aufweitung des Gesichtsfeldes bei gleichbleibender Gesamtbildfeldgröße und Größe des Akzeptanzwinkels der einzelnen optischen Kanäle kann weiterhin eine sinnvolle Anpassung des Samplingwinkels an den Akzeptanzwinkel erreicht werden. Eine deutliche Verbesserung der Eigenschaften der beschriebenen Erfindung kann durch eine zusätzliche Anordnung der Detektoren auf einer gekrümmten Basisfläche, wie in Fig. 7 dargestellt, erreicht werden. Der Krümmungsradius der Kugelschale, auf der sich die Detektoren befinden, ist gerade so viel kleiner zu wählen, als der der Kugelschale, auf der sich die Mikrolinsen befinden, dass Mikrolinsen gleicher Brennweite auf der ersten Kugelschale exakt auf die Rezeptoren auf der zweiten Kugelschale fokussieren. Die beiden
Kugelschalen sind konzentrisch. Durch die Wahl dieser Anordnung resultiert die Abbildung eines großen Gesichtsfeldes, ohne off-axis-Aberrationen, da ein optischer Kanal "für einen gerade durch dieses abzubil- denden Objektpunkt stets achsensymmetrisch ist. Identische Mikrolinsen können eingesetzt werden.
In der Natur vorkommende abbildende Systeme, d.h. Augen, besitzen, soweit uns bekannt, ohne Ausnahme ge- krümmte Retinas (natürliche Rezeptorarrays) . Dies gilt sowohl für Einzelkammeraugen, als auch für Facettenaugen. Durch die Krümmung der Retina wird eine deutliche Reduktion der feldabhängigen Aberrationen (Bildfeldwölbung, Astigmatismus) und damit ein homo- generes Auflösungsvermögen und eine gleichmäßigere
Ausleuchtung über das Gesichtsfeld erzielt. Bei Facettenaugen wird dadurch und durch die gleichzeitige Anordnung der Mikrolinsen auf gekrümmten Basisflächen ein sehr großes Gesichtsfeld ermöglicht. Selbst mit einfachen Linsensystemen können so gut aufgelöste
Bilder der Umwelt erzeugt werden.
Die wesentlichen Vorteile einer gekrümmten gegenüber einer planaren Anordnung sind:
• Großes Gesichtsfeld resultiert automatisch • Jeder Kanal arbeitet "on axis" für die zu verarbeitende Blickrichtung, und ist damit frei von feldabhängigen Aberrationen und vom Abfall der relativen Beleuchtungsstärke über das Gesichts- feld ("cosA4-Gesetz")
Die in den letzten Jahrzehnten etablierte Halbleitertechnologie und die aus ihr hervorgegangene Mikroop- tiktechnologie sind planare Technologien. Deshalb stehen z.B. bisher nur ebene optoelektronische Bildsensoren zur Verfügung und es gibt nur planare Mikrolinsenarrays. Aufwendiges Optikdesign und voluminöse, vielelementige Optiken sind die Folge der notwendigen Korrektur für eine ebene Bildebene, um qualitativ hochwertige Abbildungen zu erzeugen. Die Entwicklung gekrümmter optoelektronischer Bildsensoren und damit Übernahme eines über Jahrmillionen in der Natur als optimales Design genutzten Konzeptes verspricht eine deutliche Vereinfachung der nötigen Optiken mit Einfluß auf Preis, Volumen und Einsatzgebiet zukünftiger Produkte. Neben der inhärenten Aberrationskorrektur könnten völlig neue Applikationen wie z.B. Rundumsicht ermöglicht werden.
Künstliche Äquivalente zu diesem natürlichen Ansatz können auf Basis folgender neuartiger Mikrooptiktech- nologien erreicht werden:
• Generation von Mikrolinsenarrays auf konvex oder konkav, zylindrisch oder sphärisch geformter Basisfläche (Nutzung Laserschreiber NT) oder Abfor- mung planar erzeugter Mikrolinsenarrays mittels flexiblen Silikonwerkzeuges auf gekrümmter Basis und • Wände zur optischen Isolation der Kanäle sind ebenfalls auf einer gekrümmten Basisfläche ange- ordnet, d.h. sie umschließen seitlich keine qua- derförmigen transparenten Volumina zwischen Linse und deren Bildebene, sondern kegel- oder pyramidenstumpfförmige Volumina.
Für Empfängerarrays auf gekrümmten Basisflächen sind unter anderem folgende drei Herstellungstechnologien denkbar :
• Konventionell erzeugte Bildsensoren werden bis auf wenige μm oder 10 μm stark abgedünnt und auf gekrümmte Basisflächen aufgebracht und möglicherweise durch die Rückseite beleuchtet. Aufgrund bei der Wölbung auftretender mechanischer Spannungen scheint eine zylindrische Krümmung kurzfristig erfolgversprechender als eine sphärische Wölbung, welche allerdings nicht ausgeschlossen ist. Durch eine zylindrische Wölbung (Krümmungsradius bis 2-3 cm) können bereits zahlreiche Anwendungen, die nur in einer Richtung eines großen Gesichtsfeldes bedürfen bedient werden. • Strukturierung der Optoelektronik direkt auf gekrümmte Basisflächen mittels angepasster lithographischer Methoden (z.B. Laserschreiber NT). Die Erzeugung sphärischer Krümmungen ist hier nicht wesentlich kritischer/aufwendiger als die von zylindrischen anzusehen. Allerdings ist dies eine völlig neuartige Technologie für die Erzeugung von Optoelektronik. • Die Polymerempfängerarrays werden in Form einer Folie auf gekrümmte Träger aufgezogen.
Ebenso ist eine biegsame Version der gesamten flachen Kamera denkbar, da das flache Objektiv potentiell in einer deformierbaren Folie replizierbar ist und unter Nutzung von Polymerempfängerarrays auch die Elektro- nik entsprechende Krümmungen verkraften könnte. Damit ließe sich eine Kamera ermöglichen, mit der man ein deutlich ausgedehntes Objektfeld in nur einigen Millimeter Entfernung beobachten kann. Das Gesichtsfeld wäre dann durch die Wahl des Krümmungsradius der Basis, auf welche die Kamera aufgesogen wird mit einstellbar.
Für eine industrielle Fertigung des ultraflachen Ob- jektives scheint das gleichzeitige vorder- und rückseitige Heißprägen/UV-Guss in eine dünne Platte bzw. Folie, die auf das Sensorarray einfach aufgelegt und verklebt werden kann, besonders vorteilhaft. Hierbei werden auf der Vorderseite die Linsenarrays abgeprägt und auf der Rückseite die gekreuzte Gräben, welche durch nachfolgendes Auffüllen mit schwarzer bzw. absorbierender Vergußmasse die optisch isolierenden Wände der Kanäle sind. Die Abformwerkzeuge der Linsenarrays für Heißprägen können z.B. durch galvani- sehe Abformung von den Urformen erzeugt werden, während für den UV-Guss transparente Werkzeuge notwendig sind. Urformen/Werkzeuge der optischen Strukturen können, unabhängig davon ob gleichartige Linsen oder Linsen variierender Parameter ("gechirpte Linsenar- rays") eingesetzt werden, z.B. durch den Reflow-
Prozeß, Grautonlithographie, Laserschreiben, Ultrapräzisionsbearbeitung, Laserablation und Kombinationen dieser Technologien erzeugt werden und können auch aus Linsen mit integrierten Prismen oder Gittern bzw. aus relativ zum Kanalmittelpunkt versetzten Linsensegmenten bestehen. Die Urformen/Werkzeuge für die gekreuzten Wände können z.B. durch Lithographie in mit sehr hohem Aspektverhältnis strukturierbarem Photolack (SU8) oder durch Ultrapräzisionsbearbeitung, wie Formbohren von runden oder Fräsen von quadratischen bzw. rechteckigen Grabenstrukturen, den Bosch- Silizium-Prozess (tiefes Trockenätzen mit sehr hohem Aspektverhältnis) , Nassätzen von Silizium in KOH (anisotrop) , den LIGA-Prozess oder durch Laserablati- on generiert werden. Eine Erzeugung dieser Wände durch eine flächige Belichtung eines rückseitig unstrukturierten Substrates mit einem Hochleistungslaser, sog. Excimerlaser, durch eine lithographische Maske mit gekreuzten Stegen und resultierende Schwärzung der belichteten Bereiche ist ebenso denkbar, wo- bei die schwarzen Wände mit einem Beschuss erzeugt werden. Der gleiche Effekt kann durch eine Bearbeitung des Materials mit einem fokussierten Laserbündel hoher Leistung erreicht werden, wobei die gekreuzten Wände dann als Bahnen einer scannenden Ablenkung des Laserfokus ' entstehen. Hier werden die schwarzen Wände ins Material geschrieben.
Bei einer Herstellung der Urformen/Werkzeuge durch Ultra-Präsisionsbearbeitungsmaschinen resultiert mög- licherweise eine große Oberflächenrauhigkeit. Diese kann z.B. durch Spraycoating ( "Sprühbelackung" ) mit einem dünnem Polymerfilm passender Brechzahl ausgeglichen bzw. minimiert werden (Prismen, asphärische Linsensegmente, (geblazte) Gitter, gekreuzte ID-array Strukturen) .
Ein flächiges Verkleben der ultraflachen Optik mit dem Sensor führt zu einer deutlichen Reduktion der Fresnelreflexionsverluste, da zwei Grenzflächen zu Luft eliminiert werden.
Die Form der schwarzen Wände muss nicht notwendigerweise so sein, dass die transparenten Volumina der Kanäle Quader sind, sondern kann auch in transparen- ten kegel- oder pyramidenförmigen Abstandsstrukturen zwischen Linsenarray und der Bildebene resultieren. Eine Replikation der beschriebenen Strukturen von der Rolle in Folie erlaubt eine kostengünstige Endlosfertigung. Die Herstellung dünner Platten ist ebenso denkbar. Viele dünne Objektive werden gleichzeitig erzeugt .
Als Replikationstechnologien sind die Abformung in UV-härtbarem Polymer (UV-Reaktionsguss) , das Prägen oder Drucken auf Kunststofffolie (doppelseitig) , die Ausführung als Kunststoff-Formpress- oder Spritzgussteil, das Heißprägen dünner Kunststoffplatten und der UV-Reaktionsguss direkt auf Optoelektronik-Wafer einsetzbar.
Als mögliche Anwendungen für die genannte Erfindung ist der Einsatz als integraler Bestandteil in flachbauenden Kleingeräten wie beispielsweise Uhren, Notebooks, PDAs oder Organizers, Mobiltelefonen, Brillen, Kleidungsstücken, zur Überwachung und Sicherheitstechnik, sowie zur Kontrolle und Durchsetzung von Zugangs- oder Nutzungsberechtigungen denkbar. Eine weitere, hoch attraktive Anwendungen ist der Einsatz als Kamera in einer Kreditkarte bzw. im allgemeinen Fall Chipkarte. Eine Kamera als Aufkleber und als ultraflaches Bilderfassungssystem für Machine Vision auch im Automotive Bereich sowie auch in der Medizintechnik wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht.
Die bildaufnehmenden Pixel in der Kamera müssen nicht notwendigerweise dicht gepackt sein, sondern können sich z.B. auch abwechseln mit gering ausgedehnten Leuchtquellen, z.B. LEDs (auch in Farbe) . So sind bildaufnehmende und bildwiedergebende Pixel gleich- massig verteilt in großen Arrays, zur gleichzeitigen Bildaufnahme und Bildwiedergabe möglich.
Zwei solcher Systeme kann man auf Vorder- und Rück- seite eines undurchsichtigen Objektes anbringen, wobei jedes System jeweils das durch das andere System aufgenommene Bild wiedergibt. Ist die Größe des Objektes ca. gleich der Kameraausdehnung kann man auf die aus z.B. Pitchdifferenz von Linsen- und Pinho- learray folgenden geneigten optischen Achsen verzichten und die Pinholes bzw. Detektoren direkt auf den Achse der Mikrolinsen anordnen, es folgt eine 1:1 Abbildung. Folgende Einsatzgebiete sind beispielsweise denkbar :
• „Wearable displays" kombiniert mit entsprechender Bildaufnahme -> Tarnkleidung (Camouflage) ("durchsichtiger Mensch") , Tarnung von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen durch Anbringen auf der Außen- haut -> "Durchsichtigkeit"
• Klebefolien bzw. Tapeten -> Durchsichtige Tür, durchsichtige Wand, durchsichtige ...
Das erfindungsgemäße Bilderfassungssystem kann ebenso im Bereich der Endoskopie eingesetzt werden. So kann ein gekrümmter Bildsensor z.B. auf einem Zylindermantel aufgezogen werden. Dies ermöglicht eine Rundumsicht in für die Endoskopie zugänglichen Organen.
Eine weitere Verwendung betrifft die Sonnenstandsde- tektion bzw. die Bestimmung der relativen Lage einer punktförmig oder nur gering ausgedehnten Lichtquelle zu einer mit der flachen Kamera fest verbundenen Referenzfläche. Hierfür ist ein verhältnismäßig hohes und eventuell asymmetrisches Gesichtsfeld erforderlich, ca. 60 ° x 30 ° volle Winkel. Eine weitere Verwendung betrifft die Aufnahme und Verarbeitung von sog. Smart-Labels . Dadurch kann z.B. durch Nutzung von Kanälen mit mehreren Pixeln gemäß den Figuren 9b oder 9d eine rekonfigurierbare Mustererkennung realisiert werden. Dies bedeutet, dass die Blick Richtung jedes Kanals elektronisch umgeschaltet werden kann, wodurch sich eine Umverteilung in der Zuordnung von Bild- und Objektinformationen ergibt. Dies kann z.B. genutzt werden, um von Zeit zu Zeit andere Objektmuster zu definieren, ohne die Kamera austauschen zu müssen. Ebenso betrifft die Verwendung die Erkennung und Identifizierung von Logos.
Ein weiteres Anwendungsfeld betrifft die Mikrosystem- technik, z.B. als Kamera zur Beobachtung des Arbeitsraumes. So können beispielsweise Greifer an den Backen oder Armen entsprechende Bilderfassungsysteme aufweisen. Hierzu gehört auch die Anwendung im Be- reich „Machine Vision", z.B. kleinbauende Kameras für
Pick and Place-Roboter mit starker Vergrößerung und gleichzeitig hoher Tiefenschärfe aber auch bis hin zur Rundumsicht, z.B. für Bohrlochinspektionen. Eine flache Kamera besitzt hier enorme Vorteile, da auch gar keine hohe Auflösung sondern lediglich hohe Tiefenschärfe benötigt wird.
Eine weitere Verwendung betrifft die 3D-Bewegungsver- folgung, z.B. der Hand einer Person oder von ganzen Person zur Umsetzung in 3D-virtual-reality oder für die Überwachungstechnik. Hierfür werden kostengünstige großflächige Empfängerarrays benötigt, was durch die erfindungsgemäßen Bilderfassungsysteme erfüllt ist. Weitere Verwendungen betreffen die Iriserkennung, die Fingerprinterkennung, die Objekterkennung und die Be- wegungsdetektion.
Ebenso sind auch sensorische Anwendungsfelder im Automobilbereich bevorzugt. Hierzu zählen z.B. Überwachungsaufgaben im Fahrzeuginnen- oder außenraum, z.B. hinsichtlich des Abstandes, der Kollisionsgefahr des Außenraums, des Innenraums oder der Sitzbelegung.
Heutige optische Kameras benötigen einen zu hohen Platzbedarf (Fahr eughimmel , Rückspiegel, Windschutzscheibe, Stoßstange, etc.), sind nicht direkt integrierbar und für universellen Einsatz zu teuer. Auf- grund der extrem flachen Bauweise sind derartige Kamerasysteme ideal, um den Innenraum (z.B. Fahrzeughimmel) eines Automobils auszustatten und zu überwachen, ohne dabei übermäßig ins Auge zu fallen und ohne ein erhöhtes Verletzungsrisiko bei eventuellen Un- fällen darzustellen. Sie können relativ einfach in bestehende Konzepte integriert werden. Besonders interessant sind im Innenraum angebrachte bildgebende Systeme zur intelligenten und individuellen Steuerung des Airbags je nach Sitzposition der Person. Für die bekannten Probleme im Zusammenhang mit der Airbag- technologie (Out-of-Position-Problem, ungerechtfertigte Auslösung) könnten intelligente bildgebende Sensoren Lösungen bieten.
Ultra-flache Kamerasysteme können problemlos in Stoßstangen integriert werden und dabei nicht nur als Abstandssensoren fungieren, sondern zur Erkennung von Hindernissen, Objekten und Fußgängern, zur Verkehrs- führung sowie zur Pre-Crash-Sensorik dienen. Im πiitt- leren Überwachungsbereich von ca. 50 bis 150 m kommt dem Einsatz von Bildsensoren, neben reinen Abstands- Sensoren (Radar-Lidartechnik) , die keine oder nur geringe Ortsauflösung bieten, eine zunehmende Bedeutung zu. Es ist auch ein Einsatz von flachen Kameras im Infraroten Spektralbereich denkbar. Die flache und unauffällige Bauweise stellt einen eindeutigen Vorteil dieser innovativen Kamerakonzepts gegenüber herkömmlichen Kamerasystemen dar.
Eine weitere zukünftige Einsatzmöglichkeit im Bereich der Automobiltechnik liegt darin, ultraflache Kamerasysteme als bilderfassende Systeme zur physischen und logischen Zugangskontrolle und zur Durchsetzung von Nutzungsberechtigungen einzusetzen. Dabei könnten ultra-flache Kamerasysteme in Schlüssel integriert werden oder im Innenraum angebracht sein und eine Authentifizierung des Benutzers auf Basis biometrischer Merkmale (z.B. Gesichtserkennung) ermöglichen.
Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich als integrier- barer bildgebender Sensor bei innovativen Fahrerassistenzsystemen für aktive Sicherheit und Fahrkomfort :
• Fahrspurerkennung, • Fußgänger- und Hindernisüberwachung
• Totwinkelüberwachung Fahrzeuginnenraumüberwachung, Wachsamkeit des Fahrers, Komfort
• Nachtsichtkamera
Im Bereich der Luftfahrtindustrie wie z.B. der integrierten und intelligenten Cockpit-Überwachung durch unauffällige, extrem flache Kamerasysteme.
Sowohl CMOS- als auch CCD-Sensoren können zur photo- elektrischen Bildwandlung genutzt werden. Besonders attraktiv sind hier abgedünnte und rückseitig be- leuchtete Detektoren, da sie sich besonders einfach für eine direkte Verbindung mit der Optik eignen und außerdem weitere Vorteile bzgl. der Sensitivität aufweisen.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die speziellen Ausführungsvarianten einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsva- riante des ultraflachen Kamerasystems notwendigerweise bestehend aus Mikrolinsenarray, Substrat und Pinhole-Array. Durch einen etwas geringeren Pitch des Pinhole-Arrays verglichen mit dem Linsenarray wandert die Richtung der optischen Achsen nach außen, wenn man zu äußeren Kanälen geht. Diese Anordnung kann direkt auf eine Elektronik mit passendem Pixelpitch abstandslos aufgesetzt werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante analog Fig. 1, aber mit Lichtschutzwänden. Eine Blendenschicht befindet sich auf einem Substrat, welches auch durch die photosensitive Elektronik als Träger ersetzt wer- den kann. Transparente Türme bilden den Abstandshal- ter zwischen Mikrolinsen und Pinholes. Die Zwischenräume zwischen den Türmen werden mit nicht ransparentem (absorbierendem) Material gefüllt, um eine optische Isolierung der individuellen Kanäle zu erzielen.
Fig. 3 zeigt einen möglichen Herstellungsprozess für die Variante in Fig. 2. Nach Variante 7 werden Substrate mit dem Pinhole-Array beschichtet. Nach Variante 8 werden SU8 Podeste (Türme) aufgebracht, die Zwischenräume zwischen den Türmen werden mit absorbierendem Material (PSK) gefüllt. Nach Variante 9 werden Mikrolinsenarrays justiert zu den Pinhole- Arrays aufgebracht .
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsvari- ante . 300 μm dickes Substrat mit Pinhole-Array auf der Rückseite und UV-abgeformten Mikrolinsenarray mit einer Polymerdicke von 20 μm auf der Vorderseite. Aus der Pitchdifferenz zwischen Mikrolinsen- und Pinhole- Array resultieren geneigte optische Achsen und damit eine effektive Verkleinerung. Diese Anordnung kann direkt auf eine bildgebende Elektronik mit Pixeln passenden Pitches aufgeklebt werden.
Fig. 5 zeigt eine ultraflache Kamera mit Linsenarray aus Off-axis Linsensegmenten, die Dezentrierung ist abhängig von der Blickrichtung des Kanals bzw. radialen Position im Array (Prismawirkung) .
Fig. 6 zeigt eine ultraflache Kamera mit Linsenarray auf gekrümmter Basis, die Brennweiten der Linsen sind kanalabhängig. Trotz großen Gesichtsfeldes gibt es keine Off-axis-Aberrationen für die zentralen Hauptstrahlen, da diese stets senkrecht auf der Linsenbasis stehen. Ebenso ist eine Zerstreuungslinse als Ba- sisfläche denkbar, das resultierende Gesamtbild ist dann umgekehrt .
Fig. 7 zeigt eine ultraflache Kamera mit Linsenarray und Detektorarray auf gekrümmter Basis. Die Brennwei- ten der Linsen können hier alle gleich sein. Trotz großen Gesichtsfeldes gibt es keine Off-axis Aberrationen für die zentralen Hauptstrahlen, da diese stets senkrecht auf der Linsenbasis stehen. Ebenso ist eine Zerstreuungslinse als Basisfläche denkbar, das resultierende Gesamtbild ist dann umgekehrt. Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems mit einem Pixel pro optischem .Kanal .
Fig. 9 zeigt verschiedene Varianten für die Nutzung mehrerer Pixel pro optischem Kanal.
Fig. 10 zeigt Beispiele für die Integration zusätzlicher optischer Funktionen in dem erfindungsgemäßen Bilderfassungssystem.
Fig. 11 zeigt Beispiele für geometrische Anordnungen der optischen Kanäle.
Fig. 12 zeigt schematisch das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Bilderfassungssysteme.
Fig. 13 zeigt verschiedene Varianten für die geometrische Ausbildung der optischen Kanäle.
Fig. 14 zeigt das erfindungsgemäße Bilderfassungssystem in Kombination mit einer Flüssigkeitslinse (elektronischer Zoom) .
Fig. 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Gegenstandes. In Fig. 1 bedeuten: 1: Akzeptanzbereich eines opt . Kanals (Δφ) 2: Sampling des FOV (Samplingwinkel ΔΦ) 3: Linsenarray, Linsen mit Durchmesser D und Brenn- weite f sind zentriert in Zellen mit Pitch p
4 : Substrat
5: Pinhole array (in Metallschicht), Pinhole Versatz in Zellen bestimmt Blickrichtung, Durchmesser des Pinholes d bestimmt Akzeptanzwinkel Δφ Auf verschiedene Weisen erzeugbare (hier durch Pitch- differenz des Mikrolinsenarrays und des Pinhole- Arrays) nach außen an Neigung zunehmende optische Achsen zur Erzielung der (negativen) vergrößerten Ab- bildung bedeuten, dass eine Quelle in der Objektverteilung nur ein Signal in einem entsprechenden photosensitiven Pixel liefert, wenn sie sich auf oder nahe der optischen Achse des entsprechenden optischen Kanals befindet. Entfernt sich der Quellpunkt von der betrachteten optischen Achse, so sinkt das Signal des entsprechenden Detektors, aber das in einem anderen, zu einem benachbarten optischen Kanal gehörigen, an dessen optische Achse sich der Quellpunkt nun annähert, steigt möglicherweise. Auf diese Weise wird ei- ne Objektverteilung durch die Signalstärken der entsprechenden angesprochenen Detektorpixel repräsentiert .
Diese Anordnung liefert ein Abbild des Objektes mit deutlich stärkerer Vergrößerung als hinter einer individuellen Mikrolinse zu beobachten ist, bei deutlich kürzerer Baulänge als klassische Objektive mit vergleichbarer Vergrößerung.
Die Neigung der optischen Achsen kann sich als Funktion "der radialen Koordinate der betrachteten Zelle im Array sowohl nach außen (Fig. 1) , d.h. von der optischen Achse des Arrays weg, als auch nach innen erhöhen, d.h. hin zu der optischen Achse des Arrays hin. Es resultiert entweder ein aufrechtes oder ein umgekehrtes Gesamtabbild.
Das Auflösungsvermögen der genannten Erfindung ist durch das Inkrement der Neigung der optischen Achsen, dem Samplingwinkel ΔΦ und durch den Raumwinkel, welcher von einem optischen Kanal als ein Bildpunkt wie- dergegeben wird, dem sogenannten Akzeptanzwinkel φ , bestimmt. Der Akzeptanzwinkel φ ergibt sich aus der Faltung der Punktbildverwaschungsfunktion der Mikrolinse für den gegebenen Einfallswinkel mit der Aper- tur des Pinholes, bzw. aktiven Fläche des Detektorpixels und der Brennweite der Mikrolinse. Die maximale Zahl der auflösbaren Linienpaare über das Gesichtsfeld ist nun genau die halbe Zahl der optischen Kanäle, wenn deren Akzeptanzwinkel (FWHM) nicht größer als der Samplingwinkel sind (Nyquist Kriterium) . Sind die Akzept nzwinkel jedoch verglichen mit dem Samplingwinkel sehr groß, so spielt die Zahl der optischen Kanäle keine Rolle mehr, sondern die Periode auflösbarer Linienpaare ist so groß, wie der Akzep- tanzwinkel (FWHM) . Eine sinnvolle Abstimmung von φ und ΔΦ ist damit essenziell.
Je nach Größe der photosensitiven Pixel kann die Abdeckung des Detektorarrays mit einem Pinhole-Array nötig sein. Dies steigert das Auflösungsvermögen, verringert jedoch die Sensitivität/Transmission der Anordnung aufgrund der geringeren Detektorfläche.
Alternativ zu nur einem aktiven Pixel pro optischem Kanal können auch mehrere Pixel unterschiedlicher
Funktionen in einem optischen Kanal eingesetzt werden. So können z.B. verschiedene Farbpixel (RG) in einer Zelle angeordnet sein, oder Pixel mit großen Abständen innerhalb einer Zelle, die verschiedene Blickrichtungen (Neigungen der optischen Achsen) realisieren (tasten andere Stellen des Mikrobildes in einer Zelle ab) , und durch einen Überlapp mit Blickrichtungen anderer solcher Pixel in weiter entfernten Zellen zur Steigerung der Sensitivität der gesamten Anordnung, ohne Auflösungsverlust bewirken. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung als sinnvoll erachtete und damit angestrebte Pinholedurchmesser liegen von 1 μm bis 10 μm.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch mit lithographisch hergestellten Trennwänden zwischen den einzelnen Zellen. In Fig. 2 bedeuten:
1': Akzeptanzbereich eines opt . Kanals (PSF Pinhole/Brennweite)
2 Sampling des FOV (Pinholeversatz/Brennweite) 3 Linsenarray, Linsen zentriert in Zellen 4 Substrat (nur als Träger) 5 Pinholearray (Metallblenden) , Pinholeversatz zur Realisierung des FOV Zellen mit Lichtschutzwänden
Diese Lichtschutzwände bewirken, dass Quellpunkte, die sich außerhalb des eigentlichen Gesichtsfeldes eines Kanals befinden, durch diesen auf Detektoren des Nachbarkanals abgebildet werden. Aufgrund der starken off-axis Abberrationen bei der Abbildung schief einfallender Bündel sind die so übertragenen Bildpunkte jedoch stark defokussiert. Eine deutliche Verringerung des Signal -Rausch-Verhältnisses der Abbildung wäre die Folge.
Fig. 3 zeigt eine mögliche lithographische Herstellungsvariante eines Systems mit Lichtschutzwänden. Die flache Kamera kann im Endeffekt als eine dünne Polymerschicht auf die Elektronik aufgebracht werden, die dann gleichzeitig als Substrat dient.
Für die Herstellung der Linsen sind verschiedenste Technologien denkbar. So können in der Mikrooptik etablierte Technologien wie der Reflow-Prozess (für runde oder elliptische Linsen) , Abformung von UV- härtbarem Polymer (UV-Reaktionsguß) oder Ätzen (RIE) in Glas eingesetzt werden. Spähren und Asphären als Linsen sind möglich. Weitere Varianten der Herstellung können Prägen oder Drucken auf eine Kunststoff- folie sein. Die Ausbildung als Kunststoff-, Formpress-, oder Spritzgussteil bzw. auch als heißge- prägte dünne Kunststoffplatte, in die auch bereits die Trennwände („Baffles") eingelassen sein können, ist ebenfalls denkbar. Die Linsen können refraktiv, diffraktiv oder refraktiv-diffraktiv (hybrid) ausgebildet sein. Das System kann nach Aufschleudern eines Polymers u. U. direkt auf die Elektronik aufgeprägt oder anderweitig abgeformt werden.
Fig. 4 zeigt eine bereits realisierte AusführungsVariante. Eine 20 μm dicke Polymerschicht 10 auf der Vorderseite eines 300 μm dicken Glas-Substrates 11 enthält die nötigen Mikrolinsen. Auf der Rückseite des Substrates befindet sich ein Pinhole-Array 12 leicht geringeren Pitches als das Mikrolinsenarray in einer Metallschicht. Diese Anordnung liefert ein Ab- bild des Objektes mit deutlich stärkerer Vergrößerung als hinter einer individuellen Mikrolinse zu beobachten ist, bei deutlich kürzerer Baulänge als klassische Objektive mit vergleichbarer Vergrößerung. Die Substratdicke ist gleich der Brennweite der Mikrolin- sen eingestellt, so dass sich das Pinhole-Array in der Bildebene des Mikrolinsenarrays befindet.
Der Linsendurchmesser beträgt 85 μm, die Größe des abgetasteten Bildfeldes 60 μm x 60 μm, der Pitch der optischen Kanäle ist 90 μm. Das Gesichtsfeld für rotationssymmetrische Linsen ist durch die sinnvolle NA der Linsen von 0,19 auf 15° entlang der Diagonalen eingeschränkt. Die Zahl der optischen Kanäle ist 101 x 101, dem entspricht die Zahl der entstehenden Bildpunkte .
Das zum Abdecken des Detektorarrays nötige Pinhole- Array besteht aus Material geringer/minimaler Transmission. Hierfür eignen sich besonders Metallbe- schichtungen. Diese haben allerdings den Nachteil ho- her Reflektivität , was zu Streulicht innerhalb des
Systems führt. Ein Ersatz der Metallschicht durch ein mit Pinholes strukturiertes schwarzes Polymer ist vorteilhaft zur Reduktion des Streulichtes. Eine Kombination von schwarzer Polymerschicht und Metall- schicht erlaubt eine geringe Transmission bei gleichzeitig geringer Reflexion.
Wesentliche Vorteile der hier dargestellten Erfindung sind die Möglichkeiten der Einstellung der Vergröße- rung des Gesamtsystems, d. h. dem Verhältnis der Größe des Gesichtsfeldes der Optik zu Bildfeldgröße. Aus der Herstellung einer flachen Kamera mit einem homogenen Linsenarray, d.h. alle Linsen sind äquivalent, in lithographischer Planartechnik resultiert eine Einschränkung des Gesichtsfeldes der Gesamtanordnung. Die volle Größe des Gesichtsfeldes ist dann durch FOV = arctan(a/f) gegeben, wobei a die Größe des abtastbaren Mikrobildes (kann maximal so groß wie der Lin- senpitch p werden) und f die Brennweite der Mikrolin- se ist (s. Fig. 1) . Das Mikrobild kann nur sinnvoll abgetastet werden, solange das abtastende Pinhole nicht aus dem Bildbereich der entsprechenden Mikrolinse herauswandert. Eine Vergrößerung des Bildbereiches kann bei Nutzung des größtmöglichen Füllfaktors für das Mikrolinsenarray nur bedeuten, dass auch der Linsendurchmesser (in quadratischer Anordnung gleich Linsenpitch p) vergrößert werden muss . Damit lässt sich unter der Berücksichtigung von NA=p/2f im Idealfall a=p mit NA als Numerischer Apertur der Mikrolinse obige Gleichung für die Berechnung des Gesichts- feldes zu FOV = arctan (2NA) umschreiben. Die Größe des Gesichtsfeldes der beschriebenen Anordnung ist damit durch die Größe der Numerischen Apertur der Mikrolinse bestimmt. Eine beliebige Vergrößerung der NA der Linsen ist aufgrund der Zunahme der Größe der Aberrationen nicht möglich, selbst bei Nutzung asphärischer Mikrolinsen durch das große zu verarbeitende Winkelspektrum.
Eine sinnvolle Möglichkeit zur Einstellung der Pitch- differenz zwischen Mikrolinsen- und Pinhole-Array ist Δp=a (1-N/ (N-l) ) mit N als der Anzahl der Zellen in einer Dimension der flachen Kamera.
Eine Kombination von einer Pitchdifferenz zwischen Mikrolinsenarray und Pinhole-Array mit ablenkenden
Elementen (Fig. 5) oder die Anordnung der Linsen bzw. der kompletten optischen Kanäle, also einschließlich Detektoren, auf einer gekrümmten Basisfläche (Fig. 6) , erscheint als eine Lösungsmöglichkeit um das Ge- sichtsfeld bei gleicher Bildfeldgröße zu vergrößern und damit die Vergrößerung der Gesamtanordnung zu verringern. Die Gesichtsfelderweiterung bzw. Verringerung der Vergrößerung durch verschiedene, hier beschriebene und untereinander kombinierbare Methoden ist ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Bilderfassungssystem mit einem Linsenarray aus einzelnen Mikrolinsen 14 und einem Detektorarray mit einzelnen Detektoren 15. Das Linsenarray ist dabei auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet. Die optischen Achsen 13 sind aufgefächert, wodurch eine Gesichtsfelderweiterung erreicht wird.
Fig. 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Bilderfassungssystem mit einem Linsenarray mit einzelnen Linsen 14 und einem Detektorarray mit einzelnen Detektoren 15 auf gekrümmter Basis. Die Brennweiten der Linsen können hier alle gleich sein. Trotz großen Gesichtsfeldes gibt es keine Off-axis Aberrationen für die zentralen Hauptstrahlen, da diese stets senkrecht auf der Linsenbasis stehen. Ebenso ist eine Zerstreuungslinse als Basisfläche denkbar, das resultierende Gesamtbild ist dann umgekehrt. Essensiell ist auch hier die op- tische Isolation der einzelnen Kanäle durch geeignete Trennwände zur Unterdrückung von Geisterbildern verursacht durch Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems in planarer Ausführung mit einem Pixel geeigneter Größe pro Kanal . Es besteht aus Mikrolinsenarray 18, abstandsdefinierender Struktur zur Bildebene und optischer Isolation 19 der Kanäle zur Unterdrückung des Übersprechens in einem monolithischen Plättchen 20, welches direkt auf den Bildsensor 21 aufgelegt wird. Durch einen etwas geringeren Pitch der Pixel des Bildsensors verglichen mit dem des Linsenarrays ist in jedem Kanal die relative Po- sition des Sensorpixels zu der Mikrolinse verschieden, wodurch die notwendige Variation der Blickrichtung unter den Kanälen erzielt wird. Der Ausschnitt zeigt die mögliche Pixelposition innerhalb des Kanals für einen Kanal am Rande der Kamera. Fig. 9 zeigt Möglichkeiten der Nutzung mehrerer Pixel pro Kanal, dargestellt sind jeweils die Ausschnitte in der Bildebene eines Kanals entsprechend Fig. 8.
a) Sub-PSF-Auflösung, d.h. Gruppe sehr kleiner Pixel an Stelle des vorher einzelnen Pixels b) dichtgepacktes Sensorarray in Bildebene der Mikrolinsen, sog. Megapixelsensor, c) Farbfilter vor verschiedenen Pixeln eines Kanals erlauben eine Farbbildaufnahme. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass verschiedene Farben unter verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen werden, d.h. es besteht ein unterschiedlicher Versatz der Farbpixel gegenüber der Mikrolinse. Dies kann durch eine entsprechende Korrektur durch das Verschalten nicht der Farbpixel eines Kanals zu einem Farbbildpixel sondern entsprechend in die gleiche Richtung blickender verschiedener Farbpixel benachbarter Kanäle ermög- licht werden, z.B. roter Pixel von Kanal 1 schaut in die gleiche Richtung wie blauer Pixel von Kanal 2. Ebenso ist die Integration der verschiedenen Farbfilter in die Ebene der Mikrolinsen denkbar, wobei dann verschiedene Kanäle ver- schiedene Farben detektieren, allerdings die gleiche Blickrichtung haben. d) Anordnung mehrerer gleichartiger Pixel mit höherem Abstand in einem Kanal, d.h. mehrere Kanäle blicken mit jeweils unterschiedlich relativ im Kanal befindlichen Pixeln in die gleiche Richtung. Die Position der Pixelgruppe relativ zur Linse verschiebt sich leicht von Kanal zu Kanal e) Anordnung mehrerer gleichartiger Pixel mit geringem Abstand in einem Kanal, z.B. zur Aufnahme eines Spektrums. f) Der Polarisationsfilter ist direkt in die optoelektronischen Pixel integriert. Alternativ können auch Polarisationsfilter auf oder vor die Mikrolinsen gebracht werden und verschiedene Po- larisationsrichtungen durch getrennte Kanäle de- tektiert werden.
Fig. 10 zeigt die Integration zusätzlicher von Kanal zu Kanal verschiedener optischer Funktionen in die Ebene der Mikrolinsenarrays. So zeigt Fig. 10a einen integrierten Polarisationsfilter oder ein dem gleichen Zweck dienendes Gitter, während in Figur 10b in integrierter Farbfilter dargestellt ist.
Fig. 11 zeigt verschiedene Varianten für die geometrische Anordnung der optischen Kanäle im Array. In Fig. 11a ist eine kartesische Anordnung der optischen Kanäle dargestellt, in Fig. 11b eine radialsymmetrische Anordnung der optischen Kanäle, während in Fig. 11c eine hexagonale Anordnung der optischen Kanäle vorliegt.
Fig. 12 zeigt schematisch eine industriell relevante Herstellungstechnologie über ggf. gleichzeitige vor- der- und rückseitige Abformung des ultraflachen Objektives durch z.B. Heißprägen oder UV-Reaktionsguss und nachfolgenden Verguss mit absorbierendem Material.
a) Vorderseitig werden Linsenarrays 22 (homogen, variable Parameter, zusätzliche integrierte Funktionen (Gitter)) abgeformt. Auf der Rückseite werden Grabenstrukturen 23 in das Plattchen 24 bzw. die Folie möglichst tief eingeprägt. Es resultieren transparente, schwach verbundene Türme, die als Abstandshalter der auf ihnen be- findlichen Mikrolinsen bis zu deren Bildebene dienen. b) Die Zwischenräume zwischen den Türmen werden mit nicht-transparentem (absorbiertem) Material ge- füllt, um eine optische Isolierung 25 der individuellen Kanäle zu erzielen. c) Das resultierende Objektivplättchen bzw. die Folie kann direkt auf den Bildsensor 26 aufgesetzt werden (auch im Wafermaßstab) . Hierbei ist je nach eingesetztem Sensorarray eine hochpräzise laterale Justierung notwendig.
Fig. 13 zeigt verschiedene Formen der aus dem Prägen resultierenden transparenten Türme, sog. Spacing- Strukturen.
a) Gerade Wände in z.B. kartesischer Anordnung führen zu Quadern als umschlossene transparente Volumina der Kanäle. b) Schiefe, kegel- oder pyramidenförmige Wände führen zu Kegel- oder Pyramidenstümpfen als umschlossene transparente Volumina der Kanäle. Dies wäre auch gut geeignet zur Abformung auf gekrümmten Oberflächen.
c) Die Verkippung oder die Form der transparenten Volumina (Spacingstrukturen) kann notwendiger d) weise von Kanal zu Kanal verschieden sein, um an die Neigung der optischen Achse des jeweiligen Kanals angepasst zu sein. Nachfolgend zur Abformung der Spacingstrukturen erfolgt auch hier der Verguss der Rückseite mit absorbierendem Material zur Erzeugung der optischen Isolation der Ka- näle. Fig. 14 zeigt eine Kombination des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems mit vorgeschalteter ablenkender Struktur zur Veränderung des Gesichtsfeldes (Zoom) .
a) Dies kann z.B. eine Flüssigkeitslinse mit elektrisch einstellbarer variabler Brennweite sein, für einen flexiblen, rein elektrooptischen Zoom während des Kamerabetriebs . Eine fixierbare (einmalige) Einstellung des Gesichts- feldes unabhängig von den Parametern des Kamerachips selbst ist das Vorschalten einer festbrennweitigen Linse mit geeigneter Brennweite. Ob konkave oder konvexe Linsen gewählt werden, bestimmt die Orientierung des Bildes bzw. das Vorzeichen des Abbildungsmaßsta- bes. Die vorgeschalteten Linsen können zur Reduktion der Baulänge auch als Fresnellinsen ausgeführt sein. Weiterhin verursacht das Vorschalten eines Prismas die entsprechende Einstellung der Blickrichtung der gesamten Kamera. Auch das Prisma kann als Fres- nelstruktur ausgeführt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Bilderfassungssystem aus regelmäßig angeordneten optischen Kanälen mit einer Mikrolinse und mindestens einem in dessen Brennebene liegenden Detektor, der aus dem Mikrobild hinter der Mikro- linse mindestens einen Bildpunkt extrahiert, wobei die optischen Achsen der einzelnen optischen Kanäle unterschiedliche Neigungen derart aufweisen, dass sie eine Funktion des Abstandes des optischen Kanals vom Mittelpunkt der zum Bild gewandten Seite des Bilderfassungssystems darstellen, womit das Verhältnis der Größe des Gesichtsfeldes zur Bildfeldgröße gezielt bestimmbar ist, und Detektoren mit derart hoher Empfindlichkeit eingesetzt werden, dass diese einen großen Pitch bei kleiner aktiver Fläche aufweisen.
2. Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder optische Ka- nal mindestens ein bestimmtes Raumwinkelsegment des Objektraumes als korrespondierenden Bildpunkt erfasst, so dass die Gesamtheit der übertragenen Bildpunkte auf dem Detektorarray eine Rekonstruktion des Objektes erlaubt.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 1 , dadurch geken zeichnet, dass der Mittenabstand, d.h. Pitch, der Mikrolinsen sich leicht von dem Pitch der Detektoren unterscheidet, um eine unterschiedliche Neigung der optischen Achsen für die einzelnen Kanäle zu gewährleisten.
4. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einzelnen Mikrolinsen hinsichtlich der Dezentrierung ge- genüber dem Detektor, der Brennweite, der konischen und/oder asphärischen Parameter unterscheiden und somit unterschiedliche Neigungen der optischen Achsen ermöglichen.
5. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Mikrolinsen Mikroprismen integriert sind, die unterschiedliche Neigungen der optischen Achsen ermöglichen.
6. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Mikrolinsen auf einer konvex oder konkav geformten Basisfläche angeordnet sind und somit unterschiedliche Neigungen der optischen Achsen er- möglichen.
7. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren auf einer konvex oder konkav geformten Basisfläche angeordnet sind.
8. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die unterschiedlichen Neigungen der optischen Achsen die optischen Kanäle frei von außeraxialen Aberrationen sind.
9. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen opti- sehen Kanäle unterschiedliche Pitch-Differenzen zwischen Mikrolinse und Detektor und/oder Pinhole zur Korrektur einer Verzeichnung aufweisen.
10. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem eine Baulänge von weniger als 1 mm aufweist .
11. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der optischen Kanäle im Bereich von 10 x 10 bis 1000 x 1000 liegt.
12. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der optischen Kanäle im Bereich von lOμm x lOμm bis 1mm x 1mm liegt.
13. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßige Anordnung der optischen Kanäle quadratisch oder hexagonal dicht gepackt oder rotationssymmetrisch sind.
14. Bilderf ssungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Mikrolinsen und der Detektoren lithographisch genau definiert sind.
15. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanä- le voneinander optisch isoliert sind.
16. Bilderfassungssystem nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Isolierung durch lithographisch hergestellte Trennwände erfolgt .
17. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren als ein CCD, ein CMOS-Photosensorarray und/oder ein aus einem Polymer bestehenden Photosensorarray vorliegen.
Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Mikrolinsen anamorphotisch ist.
19. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle jeweils mehrere Detektoren unterschiedlicher Funktion aufweisen.
20. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Mikrolinsen und unmittelbar vor den Detektoren Lochblenden angeordnet und so positioniert sind, dass jeder Mikrolinse mindestens eine Lochblende zugeordnet ist.
21. Bilderfassungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der aktiven Fläche des Detektors zur aktiven Fläche der Mikrolinse zur Festlegung von Lichtstärke und Auflösungs ermögen durch die Lochblende einstellbar ist.
22. Bilderfassungssystem nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblenden einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 μm besitzen.
23. Bilderfassungssystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende aus einer Metall- oder Polymerbeschichtung oder Kombinationen hiervon hergestellt ist.
24. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungs- System zusätzlich eine zwischen Bild und Mikrolinsen vorgeschaltete Flüssigkeitslinse zur Einstellung des Gesichtsfeldes aufweist.
25. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder zwischen den optischen Kanälen Lichtquellen angeordnet sind.
26. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem optischen Ka- nal ein Pixel zugeordnet ist.
27. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem optischen Kanal mehrere Pixel zugeordnet sind.
28. Bilderfassungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pixel mit verschiedenen Eigenschaften oder Gruppen von Pi- xeln gleicher Eigenschaften vorliegen.
29. Bilderfassungssystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor mehreren gleichartigen Pixeln Farbfilter angeordnet sind.
30. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige Pixel mit höherem Abstand in einem optischen Kanal zur Erhöhung der Lichtstärke ohne Auflö- sungsverlust angeordnet sind.
31. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrere Pixel pro optischem Kanal so angeordnet sind, dass sich die optischen Achsen von mindestens zwei optischen Kanälen in einem Objektpunkt schneiden, um eine stereoskopische 3D-Bildaufnahme und/oder eine Abstandsmessung zu ermöglichen.
32. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder auf den Mikrolinsen dispersive Elemente für Farbaufnahmen angeordnet sind.
33. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass vor gleichartigen Pixeln eines optischen Kanals unterschiedlich orientierte Gitter oder strukturierte Polarisationsfilter zur Einstellung der Polarisationsempfindlichkeit angeordnet sind.
34. Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem mit mindestens einem Flüssigkristallele- ment kombiniert ist.
35. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 als integraler Bestandteil in flachbauenden Kleingeräten wie z.B. Uh- ren, Notebooks, PDAs oder Organizer, Mobiltelefonen, Brillen oder Kleidungsstücken.
36. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 zur Überwachung, Sicher- heitstechnik sowie zur Kontrolle und Durchsetzung von Zugangs- oder Nutzungsberechtigungen.
37. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 als Kamera in einer Chip- karte bzw. Kreditkarte
38. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 in der Medizintechnik, z.B. in der Endoskopie.
39. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 als Sensorsystem im Auto- mobilbereich, z.B. für Überwachungsaufgaben im Fahrzeuginnenraum und -außenraum.
40. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 in der Luftfahrtindust- rie, z.B. zur integrierten und intelligenten Cockpit-Überwachung .
41. Verwendung des Bilderfassungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 34 zur Iriserkennung, Fin- gerprinterkennung, Objekterkennung und Bewe- gungsdetektion, insbesondere der 3D- BewehgungsVerfolgung .
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