專利名稱：包括分布式相位修改的成像系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的方法
包括分布式相位修改的成像系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年4月3日提交的、標(biāo)題為“包括分布式相位修改的成像系統(tǒng) 及相關(guān)聯(lián)的方法(IMAGING SYSTEMS INCLUDING DISTRIBUTED PHASE MODIFICATION AND ASSOCIATED METHODS) ”的第61/042，161號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過(guò)引用全 部并入本文。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)地，在設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)者操作幾種參數(shù)，如透鏡材料、表面曲率以 及孔徑尺寸，并優(yōu)化參數(shù)以實(shí)現(xiàn)這樣的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)在給定的約束下盡可能接近 期望系統(tǒng)進(jìn)行操作。如在Cathey等人的美國(guó)專利第5，748，371號(hào)中所描述的，波前編碼 (Wavefront Coded ) ( “WFC”)成像系統(tǒng)使用非球面相位修改光學(xué)元件來(lái)修改穿過(guò)其傳輸?shù)碾姶拍芰?的相位，該美國(guó)專利以引用方式整體并入本文。相位修改光學(xué)元件可以是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或非旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱，且與數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合，用于使離焦相關(guān)像差最小，離焦相關(guān)像差可能存在于標(biāo) 準(zhǔn)成像系統(tǒng)中(例如，沒有使用非球面相位修改光學(xué)元件)。離焦相關(guān)像差的一些例子包括 色差、珀茲伐(Petzval)場(chǎng)曲、散光、彗差、球面像差、以及溫度相關(guān)離焦等等。

發(fā)明內(nèi)容
結(jié)合系統(tǒng)、工具和方法描述和說(shuō)明下面的實(shí)施方式和實(shí)施方式的方面，系統(tǒng)、工具 和方法意在示例性的和說(shuō)明性的，并非限制保護(hù)范圍。在各種實(shí)施方式中，已經(jīng)解決了與上 述系統(tǒng)和方法相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)限制，而其他實(shí)施方式用于其他改進(jìn)。在實(shí)施方式中，在同軸和離軸場(chǎng)上對(duì)一系列場(chǎng)點(diǎn)成像的成像系統(tǒng)包括用于捕獲圖 像數(shù)據(jù)的圖像傳感器、以及第一和第二光學(xué)元件，第一和第二光學(xué)元件是隔開的并合作以 將光成像在圖像傳感器上。第一和第二光學(xué)元件被配置以共同地修改穿過(guò)其透射的光的相 位，使得對(duì)應(yīng)于一系列場(chǎng)點(diǎn)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(“PSF”)在同軸和離軸視場(chǎng)上是基本一致的。


參照下文中結(jié)合以下簡(jiǎn)要描述的附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，可更好地理解本發(fā)明。注 意到，為了說(shuō)明清楚，可以不按照比例繪出、可以簡(jiǎn)化和/或?qū)Ρ仍龃笤诟綀D中的某些要ο圖1至圖3示出了根據(jù)實(shí)施方式使用三個(gè)不同的光圈值(“F/#”)的雙元件分布 式相位修改成像系統(tǒng)的示例性設(shè)計(jì)；圖4至圖6分別是圖1至圖3的雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)制傳遞 函數(shù)(即，“MTF”或光學(xué)傳遞函數(shù)“0TF”模量)曲線的標(biāo)繪圖；圖7是針對(duì)F/2. 8、圖2的雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)，作為半徑的函數(shù)的并 針對(duì)不同場(chǎng)值的環(huán)繞能量的比例的標(biāo)繪圖。
圖8是針對(duì)如圖2所示在F/2. 8的雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)沿著y場(chǎng)的相 對(duì)照度的標(biāo)繪圖；圖9至圖16是圖1的雙元件F/2. 0分布式相位修改成像系統(tǒng)的一系列綜合誤差 標(biāo)繪圖；圖17是圖1的雙元件F/2. 0分布式相位修改成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖；圖18是圖1的雙元件F/2. 0分布式相位修改成像系統(tǒng)的畸變標(biāo)繪圖；圖19是圖1的雙元件F/2. 0分布式相位修改成像系統(tǒng)的橫向色的標(biāo)繪圖。圖20至圖27示出了圖2的雙元件F/2. 8分布式相位修改成像系統(tǒng)的一系列綜合 誤差標(biāo)繪圖；圖觀是圖2的雙元件F/2. 8分布式相位修改成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖；圖四是圖2的雙元件F/2. 8分布式相位修改成像系統(tǒng)的畸變標(biāo)繪圖；圖30是圖2的雙元件F/2. 8分布式相位修改成像系統(tǒng)的橫向色差的標(biāo)繪圖；圖31至圖38示出了圖3的雙元件F/3. 1分布式相位修改成像系統(tǒng)的一系列綜合 誤差標(biāo)繪圖；圖39是圖3的雙元件F/3. 1分布式相位修改成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖；圖40是圖3的雙元件F/3. 1分布式相位修改成像系統(tǒng)的畸變標(biāo)繪圖；圖41是圖3的雙元件F/3. 1分布式相位修改成像系統(tǒng)的橫向色差的標(biāo)繪圖。圖42示出了具有F/2. 94且沒有分布式相位修改的雙元件傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的一種可 能的設(shè)計(jì)；圖43是圖42的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的MTF曲線的標(biāo)繪圖；圖44中示出了使用兩個(gè)凸透鏡的雙元件F/2. 86分布式相位修改的成像系統(tǒng)的一 種可能的設(shè)計(jì)；圖45是圖44的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)的MTF曲線的標(biāo)繪圖；圖46至圖53示出了圖44的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)的一系列綜合誤 差標(biāo)繪圖；圖M是圖44的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖；圖55是圖44的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)的畸變標(biāo)繪圖；以及圖56是圖44的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)的橫向色差的標(biāo)繪圖。
具體實(shí)施例方式本文描述的相位修改成像系統(tǒng)被配置以在成像系統(tǒng)中的一個(gè)以上光學(xué)元件上分 布WFC系統(tǒng)的相位修改效果；這個(gè)概念在本文中被稱為“分布式相位修改”。在一個(gè)實(shí)施方 式中，成像系統(tǒng)中的第一光學(xué)元件被配置為相位修改元件。通過(guò)在成像系統(tǒng)的第二光學(xué)元 件設(shè)計(jì)中實(shí)施較高階非球面項(xiàng)，由第二元件所影響的相位修改可用于進(jìn)一步控制遍及場(chǎng)的 像差。換句話說(shuō)，由第二光學(xué)元件影響的相位修改可用于平衡或補(bǔ)償由第一元件影響的相 位修改。這種分布式相位修改方法是有優(yōu)勢(shì)的，例如，對(duì)于在這樣的成像系統(tǒng)中的使用，即， 在該成像系統(tǒng)中，對(duì)于最接近焦平面的光學(xué)元件的同軸和離軸的場(chǎng)瞬時(shí)視場(chǎng)是在該光學(xué)元 件的不同區(qū)域。然而，對(duì)于分布式相位修改的實(shí)現(xiàn)，瞬時(shí)視場(chǎng)的這種分隔是沒有必要的。例 如，由接近焦平面的元件影響的相位修改可用于平衡或補(bǔ)償由位于距焦平面更遠(yuǎn)的其他光學(xué)元件影響的相位修改。在分布式相位修改成像系統(tǒng)之后捕獲的圖像可以使用例如圖像銳 化技術(shù)處理，以產(chǎn)生可視圖像或用在基于任務(wù)的成像系統(tǒng)中的圖像。在分布式相位修改成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式中，成像系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)以產(chǎn)生點(diǎn)擴(kuò) 散函數(shù)(“PSF”)，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)于在成像系統(tǒng)的整個(gè)場(chǎng)上的場(chǎng)點(diǎn)是基本一致的。也就是說(shuō)， 這種方法同時(shí)考慮由整個(gè)成像系統(tǒng)影響的相位修改。以這種方式，成像系統(tǒng)可以被配置以 提供適當(dāng)?shù)南辔恍薷囊陨蛇@樣的PSF，該P(yáng)SF在成像系統(tǒng)的同軸和離軸場(chǎng)的各處是基本 類似的。用于設(shè)計(jì)這種分布式相位修改成像系統(tǒng)的一種方法包括使散光最小化，使得得到 的成像系統(tǒng)產(chǎn)生在整個(gè)視場(chǎng)上的基本徑向?qū)ΨQ的PSF。在這種系統(tǒng)中，可以設(shè)置用于最優(yōu)化 設(shè)計(jì)價(jià)值函數(shù)以產(chǎn)生其中的總體MTF盡可能高的成像系統(tǒng)。同時(shí)，在成像系統(tǒng)的整個(gè)視場(chǎng) 上切向和弧矢的MTF曲線應(yīng)該在大小和形狀上是相似的。這種最優(yōu)化參數(shù)可以犧牲總體同 軸MTF大小以在視場(chǎng)上維持MTF曲線的相似性。然而，得到的徑向?qū)ΨQ的PSF(具有很少散 光)利用單個(gè)的、簡(jiǎn)單的但是積極的濾波器核心，允許相位編碼圖像的‘解碼’，得到了在整 個(gè)視域上的清潔的、令人滿意的圖像。此外，在最優(yōu)化期間，可以將權(quán)重函數(shù)應(yīng)用于光學(xué)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種參數(shù)，例如，以便使散光和/或彗差最小化。這樣，具有少到兩個(gè)供以動(dòng)力的 光學(xué)表面的簡(jiǎn)單成像系統(tǒng)可以被配置以產(chǎn)生高質(zhì)量圖像。在圖1至圖3中示出了這種系統(tǒng)的實(shí)施例，其中分別示出了對(duì)于F/2. 0、F/2. 8和 F/3. 1的雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1至圖3的示例性成像系統(tǒng)可以合并有， 例如，在小型照相機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)、具有1. 75 μ m像素間距的VGA格式傳感器。例如，在圖1中，成 像系統(tǒng)100(1)包括支撐第一光學(xué)元件112的第一基底110，例如，第一基底110通過(guò)隔離物 (為清晰表示而未示出)與支撐第二光學(xué)元件122的第二基底120相分隔。第二基底120 被布置為臨近蓋玻片130放置以保護(hù)傳感器132。例如，第一基底110和第二基底120可以 是300 μ m厚的基底，通過(guò)400 μ m厚的兩個(gè)晶元隔離物的堆(未示出)分隔，而傳感器蓋玻 片130可以是標(biāo)準(zhǔn)的400 μ m蓋玻片。圖1至圖3中各自的成像系統(tǒng)100(1)、100⑵和100(3)基本上相同，除了不同 的孔徑尺寸之外。在圖4至圖6中分別示出了圖1至圖3的成像系統(tǒng)100(1)、100(2)和 100(3)的MTF曲線；因此，圖4至圖6中示出了分布式相位修改可以并入具有可變孔徑的 成像系統(tǒng)。例如，使用物理孔徑、電致變色、或光致變色材料等等可以產(chǎn)生這種可變孔徑的 系統(tǒng)，以在成像系統(tǒng)內(nèi)改變光闌尺寸。這樣，單個(gè)的成像系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)以顯示具有不同孔 徑尺寸的不同光圈值，同時(shí)顯示良好的成像性能。圖7是示出針對(duì)圖2的F/2. 8成像系統(tǒng)100 )，遍及場(chǎng)的環(huán)繞能量的比例的標(biāo)繪 圖。這個(gè)標(biāo)繪圖示出了環(huán)繞能量在整個(gè)場(chǎng)上是相對(duì)恒定的，由此表示在場(chǎng)中的單個(gè)濾波器 容易產(chǎn)生良好的圖像。適合的濾波器可以是，例如，簡(jiǎn)單的具有以下值的3乘3濾波器核 心-1 0 -1 0 5 0 -1 0 -1或-1.5 0 -1.50 7 0 -1.5 O -1.5
圖8示出了針對(duì)圖2中示出的F/2. 8成像系統(tǒng)100(2)的Y場(chǎng)中的相對(duì)照度。在 這種情況下，相比于沒有使用分布式相位修改的成像系統(tǒng)，在兩種光學(xué)元件之間的相位修 改的分布導(dǎo)致了在VGA傳感器的角和邊緣處更均勻的照度。圖1至圖3的雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他性能指標(biāo)分別在圖9至 圖19、圖20至圖30以及圖31至圖41中示出。圖9_16是圖1的F/2. 0成像系統(tǒng)100 (1) 的一系列綜合誤差標(biāo)繪圖。圖17是圖1的F/2.0成像系統(tǒng)100(1)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖。圖18是 圖1的F/2.0成像系統(tǒng)100(1)的畸變標(biāo)繪圖。圖19是圖1的F/2.0成像系統(tǒng)100(1)的 橫向色差的標(biāo)繪圖。圖20至圖27示出了圖2的F/2. 8成像系統(tǒng)100(2)的一系列綜合誤差標(biāo)繪圖。圖 觀是圖2的F/2. 8成像系統(tǒng)100 (2)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖。圖四是圖2的？/2.8成像系統(tǒng)100(2) 的畸變標(biāo)繪圖。圖30是圖2的F/2. 8成像系統(tǒng)100 (2)的橫向色差的標(biāo)繪圖。圖31至圖38示出了圖3的F/3. 1成像系統(tǒng)100 (3)的一系列綜合誤差標(biāo)繪圖。圖 39是圖3的F/3. 1成像系統(tǒng)100 (3)的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖。圖40是圖3的F/3. 1成像系統(tǒng)100 (3) 的畸變標(biāo)繪圖。圖41是圖3的F/3. 1成像系統(tǒng)100(3)的橫向色差的標(biāo)繪圖。為了比較，在圖42和圖43中分別示出了雙元件標(biāo)準(zhǔn)(例如，沒有使用分布式相位 修改)成像系統(tǒng)200及其相應(yīng)的特性。圖42示出了具有F/2. 94且沒有使用分布式相位修 改的成像系統(tǒng)200的一種可能的設(shè)計(jì)。圖43是圖42的成像系統(tǒng)200的MTF曲線的標(biāo)繪圖。在圖44中示出了使用兩個(gè)凸透鏡的雙元件分布式相位修改的成像系統(tǒng)300的可 替換設(shè)計(jì)。在圖45至圖56詳細(xì)介紹了成像系統(tǒng)300的特性。圖44示出了使用兩個(gè)凸透 鏡的雙元件F/2. 86分布式相位修改的成像系統(tǒng)300的一種可能的設(shè)計(jì)。圖45是圖44的成像系統(tǒng)300的MTF曲線的標(biāo)繪圖。圖46至圖53示出了圖44 的成像系統(tǒng)300的一系列綜合誤差標(biāo)繪圖。圖M是圖44的成像系統(tǒng)300的場(chǎng)曲標(biāo)繪圖。 圖55是圖44的成像系統(tǒng)300的畸變標(biāo)繪圖。圖56是圖44的成像系統(tǒng)300的橫向色差的 標(biāo)繪圖。使用分布式相位修改設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)可以被配置以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)呈現(xiàn)一些優(yōu)勢(shì) 特征。一個(gè)這樣的特征是散光的下降，使得在整個(gè)圖像上的銳化得到令觀眾滿意的圖像。分 布式相位修改成像系統(tǒng)還可以被設(shè)計(jì)以產(chǎn)生基本恒定的PSF，針對(duì)具有很少散光的多F/# 貫穿場(chǎng)，生成可變孔徑的系統(tǒng)(見圖1至圖3描述的系統(tǒng)100 (1)、100 (2)和100 (3)，及其相 應(yīng)的描述)。可產(chǎn)生這種多F/#系統(tǒng)，例如使用電致變色材料來(lái)改變光闌尺寸。雖然在本更公開中所描述的實(shí)施例描述了雙元件分布式相位修改成像系統(tǒng)，但是 本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將理解的是，分布式相位修改能夠應(yīng)用于具有不止兩個(gè)元件的成像系 統(tǒng)中的兩個(gè)或更多光學(xué)元件的任意組合。因此需要注意的是，在上面描述中所包含的或在 附圖中所示出的主題應(yīng)該被解釋為說(shuō)明性的而不是限制意義的。
權(quán)利要求
1.一種在同軸和離軸場(chǎng)上對(duì)一系列場(chǎng)點(diǎn)成像的成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括 圖像傳感器，用于捕獲圖像數(shù)據(jù)；以及第一和第二光學(xué)元件，所述第一和第二光學(xué)元件是隔開的并合作以將穿過(guò)的光成像在 所述圖像傳感器上，其中，所述第一和第二光學(xué)元件被配置以共同地修改穿過(guò)其透射的所述光的相位，使 得對(duì)應(yīng)于所述系列場(chǎng)點(diǎn)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(“PSF”)在同軸和離軸場(chǎng)上是基本一致的。
2.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，進(jìn)一步包括后處理器，用于處理在所述圖像傳感器 捕獲的所述圖像數(shù)據(jù)以產(chǎn)生最終的圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的成像系統(tǒng)，其中，所述后處理器包括用于處理所述圖像數(shù)據(jù)的 濾波器核心。
4.如權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其中，所述濾波器核心包括3乘3濾波器核心。
5.如權(quán)利要求4所述的成像系統(tǒng)，其中，所述3乘3濾波器核心選自以下濾波器核心
6.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述第一和第二光學(xué)元件進(jìn)一步被配置使得 所述PSF在由所述成像系統(tǒng)成像的視場(chǎng)上是徑向?qū)ΨQ的。
7.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述第一光學(xué)元件被配置以提供第一相位修 改，并且所述第二光學(xué)元件被配置以提供不同的第二相位修改。
8.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，進(jìn)一步包括限定了孔徑尺寸的孔徑。
9.如權(quán)利要求8所述的成像系統(tǒng)，其中，所述孔徑被配置為可變的，以便在至少分別對(duì) 應(yīng)于第一和第二孔徑尺寸的第一和第二狀態(tài)之間是可切換的。
全文摘要
一種在同軸和離軸場(chǎng)上對(duì)一系列場(chǎng)點(diǎn)成像的成像系統(tǒng)，包括用于捕獲圖像數(shù)據(jù)的圖像傳感器、以及第一和第二光學(xué)元件，第一和第二光學(xué)元件是隔開的并合作以將光成像在圖像傳感器上。第一和第二光學(xué)元件被配置以共同地修改穿過(guò)其透射的光的相位，使得對(duì)應(yīng)于一系列場(chǎng)點(diǎn)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(“PSF”)在同軸和離軸視場(chǎng)上是基本一致的。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102047167SQ200980120522
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者丹尼斯·J·加拉格爾 申請(qǐng)人:全視技術(shù)有限公司