CN101473439B - 阵列成像系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列成像系统，其包括在公共基底上形成的探测器阵列和第一叠层光学元件阵列，每一个所述叠层光学元件光学连接至所述探测器阵列中的探测器。

Description

阵列成像系统及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时申请的优先权，它们的全部内容通过引用结合于此：美国临时申请号60/792,444，该申请于2006年4月17日递交，名称为具有非均匀波前编码光学器件的成像系统；美国临时申请号60/802,047，该申请于2006年5月18日递交，名称为改进的晶片级微型摄像机系统；美国临时申请号60/814,120，该申请于2006年6月16日递交，名称为改进的晶片级微型摄像机系统；美国临时申请号60/832,677，该申请于2006年7月21日递交，名称为改进的晶片级微型摄像机系统；美国临时申请号60/850,678，该申请于2006年10月10日递交，名称为在衬底上多个光学元件的制备；美国临时申请号60/865,736，该申请于2006年11月14日递交，名称为衬底上多个光学元件的制备；美国临时申请号60/871,920，该申请于2006年12月26日递交，名称为衬底上多个光学元件的制备；美国临时申请号60/871,917，该申请于2006年12月26日递交，名称为衬底上多个光学元件的制备；美国临时申请号60/836,739，该申请于2006年8月10日递交，名称为包括掩埋式光学器件的电磁能量检测系统；美国临时申请号60/839,833，该申请于2006年8月24日递交，名称为包括掩埋式光学器件的电磁能量检测系统；美国临时申请号60/840,656，该申请于2006年8月28日递交，名称为包括掩埋式光学器件的电磁能量检测系统；美国临时申请号60/850,429，该申请于2006年10月10日递交，名称为包括掩埋式光学器件的电磁能量检测系统。

背景技术

现有技术中成像系统的晶片级阵列具有竖直(即，沿着光轴)集成能力和并行装配的好处。图154示出了光学元件5002的现有技术阵列5000的一例，其中几个光学元件配置在公共基底5004上，例如，八英寸或十二英寸的公共基底(例如，硅晶片或玻璃板)。可将光学元件5002和公共基底5004与其相关部分的每一个配对称作成像系统5005。

可以采用多种制备方法生产阵列光学元件，包括光刻方法、复制方法、模制方法以及压印方法。光刻方法包括：例如，使用构图的、阻隔电磁能的掩模和光刻胶。在暴露于电磁能之后，通过利用显影液进行化学溶解洗掉光刻胶未被掩模覆盖的区域(或是在使用负性光刻胶时洗掉掩模覆盖的区域)。剩余的光刻胶结构可以留下，通过蚀刻工艺转移到下面的公共基底中，或者在高达200℃的温度下被热融化(即，“回流”)，以使结构成为光滑、连续、球面的和/或非球面的表面。不论是回流之前，还是回流之后，剩余的光刻胶都可以用作蚀刻掩模，用于限定可被蚀刻入下面的公共基底的部件。此外，仔细控制蚀刻灵敏度(即，光刻胶蚀刻速率与公共基底蚀刻速率的比率)可使得部件(比如，透镜或棱镜)的表面形态的控制具有附加灵活性。

一旦形成，那么光学元件5002的晶片级阵列5000可与附加的阵列对准并结合，以形成图155所示的阵示意图像系统5006。可选地或附加地，光学元件5002可以在公共基底5004的两侧形成。公共基底5004可以直接结合在一起，或者可使用隔板结合公共基底5004，且使公共基底5004之间具有间隔。所生成的阵列成像系统5006可以包括固态图像探测器阵列5008的阵列，比如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像探测器，位于成像系统的焦平面。一旦完成了晶片级装配，则阵列成像系统可分成多个成像系统。

现有的晶片级成像系统整体的一个关键缺点是与并行装配相关的精确度不高。例如，光学元件中的竖直偏移会降低整个阵列中的一个或多个成像系统的完整性，该竖直偏移是由于公共基底的厚度不均匀和光学元件相对于光轴的系统性未对准而造成的。而且，现有技术的光学元件的晶片级阵列通常通过采用部分制备主体而形成，包括用于在阵列中一次限定一个或几个光学元件的部件，从而在公共基底上一次“压印出”或“模制”几个光学元件；因此，现有技术的光学元件晶片级阵列的制备精度受限于相对于公共基底移动部分制备主体的机械系统的精度。也就是说，尽管现有技术的对准能保证几个微米的机械公差，却不能提供精确成像系统制造所要求的光学公差(即，关注电磁能的波长的数量级)对准精确度。现有的晶片级成像系统整体的另一个关键缺点是用在现有技术系统中的光学材料不能经受回流工艺的温度。

探测器(例如，但不限于，互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器)受益于微透镜阵列的使用，微透镜阵列用于增加探测器中每一个探测器像素的填充因数和探测灵敏度。而且，探测器需要附加的滤波器以用于实现各种用途，例如，检测不同颜色和阻挡红外电磁能。上述目标需要向现有的探测器附加光学元件(例如，微透镜和滤波器)，这是使用现有技术的缺点。

通常采用光刻工艺制备探测器，因此探测器包括与光刻工艺相适应的材料。例如，目前采用CMOS工艺和相容的材料(例如晶体硅、氮化硅和二氧化硅)制备CMOS探测器。然而，采用现有技术的附加到探测器的光学元件通常与探测器分开制备，可能采用不同的工具，使用的材料也不必与特定的CMOS制备工艺相适应(例如，有机染料可用于色彩滤波器，有机聚合物用于微透镜，通常认为这些材料与CMOS制备工艺不相容)。这些额外的制备和处理步骤结果增加了整体成本，并且降低了探测器制备的整体产量。在此公开的系统、方法、工艺和应用克服了与目前的晶片级成像系统整体和探测器设计及制备相关的缺点。

发明内容

在一个实施方式中，提供了一种阵列成像系统。在公共基底上形成探测器阵列。该阵列成像系统具有第一叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件光学连接于该探测器阵列中的探测器。

在一个实施方式中，提供了形成多个成像系统的方法，具有探测器的该多个成像系统中的每一个成像系统包括：在公共基底上形成阵列成像系统，对于该多个成像系统中的每一个成像系统，至少一组叠层光学元件光学连接于其探测器，形成包括顺序应用一个或多个结构主体的步骤。

在一个实施方式中，具有公共基底和至少一个探测器的阵列成像系统的形成方法，包括：形成叠层光学元件阵列，至少一个该叠层光学元件光学连接于该探测器，形成包括顺序应用一个或多个结构主体，从而该阵列成像系统被分隔成多个成像系统的步骤。

在一个实施方式中，具有公共基底的阵列成像光学器件的形成方法，包括：通过顺序应用与公共基底对准的一个或多个结构主体，形成多个叠层光学元件阵列。

在一个实施方式中，包括光学器件子系统和图像处理器子系统，并且两者均与探测器子系统连接的阵列成像系统的制造方法，通过：(a)形成阵列图像系统设计，包括光学器件子系统设计，探测器子系统设计和图像处理器子系统设计；(b)测试至少一个该子系统设计，以确定至少一个该子系统是否与预定参数一致；如果至少一个该子系统设计与该预定参数不一致，然后：(c)采用一组势能参数修正对该阵列成像系统进行修正；(d)重复(b)和(c)直到至少一个该子系统设计与该预定参数一致，产生修正的阵列成像系统设计；(e)根据该修正的阵列成像系统设计制造光学器件，探测器和图像处理器子系统；以及(f)利用(e)中制造的该子系统装配该阵列成像系统。

在一个实施方式中，软件产品具有存储在计算机可读介质中的指令，当计算机执行其中的指令时，执行形成阵列成像系统设计的步骤，包括：(a)形成阵列成像系统设计，包括光学器件子系统设计，探测器子系统和图像处理器子系统设计的指令；(b)测试至少一个该光学器件、探测器以及图像处理器子系统设计，以确定至少一个该子系统是否与预定参数一致的指令；如果至少一个该子系统设计与该预定参数不一致，然后：(c)采用一组势能参数修正对该阵列成像系统进行修正的指令；以及(d)重复(b)和(c)直到至少一个该子系统设计与该预定参数一致，产生修正的阵列成像系统设计的指令。

在一个实施方式中，多折射率光学元件具有分成多个立体区域的单片光学材料，每一个该多个立体区域具有确定的折射率，至少两个立体区域具有不同的折射率，该多个立体区域被配置成对传播通过该单片光学材料的电磁能进行预定调相。

在一个实施方式中，成像系统包括：形成光学图像的光学器件，该光学器件包括具有多个立体区域的多折射率光学元件，每一个该多个立体区域具有确定的折射率，至少两个该立体区域具有不同的折射率，该多个立体区域被配置成对传播通过其的电磁能进行预定调相；用于将该光学图像转换成电子数据的探测器；以及将该电子数据处理产生输出的处理器。

在一个实施方式中，多折射率光学元件的制造方法，通过：在单片光学材料中形成多个立体区域，例如：(i)每一个该多个立体区域具有确定的折射率，以及(ii)至少两个该立体区域具有不同的折射率，其中该多个立体区域对传播通过其的电磁能进行预定调相。

在一个实施方式中，形成图像的方法通过：对电磁能进行预定调相，该电磁能通过传播电磁能通过具有多个立体区域的单片光学材料对光学图像起作用，每一个该立体区域具有确定的折射率和至少两个具有不同折射率的立体区域；将光学图像转换成电子数据；以及随电子数据进行处理形成图像。

在一个实施方式中，阵列图像系统具有：形成在公共基底中的探测器阵列；叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件被光学连接于该探测器阵列中的至少一个探测器，以形成阵列成像系统，每一个成像系统包括至少一个叠层光学元件光学连接于该探测器阵列中的至少一个该探测器。

在一个实施方式中，提供多个成像系统的形成方法，包括：形成第一光学元件阵列，每一个该光学元件被光学连接于具有公共基底的探测器阵列中的至少一个探测器；形成第二光学元件阵列光学连接于该第一光学元件阵列，以共同形成叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件被光学连接于该探测器阵列中的一个该探测器；以及将滤波器阵列和叠层光学元件分隔成多个成像系统，每一个该多个成像系统包括至少一个叠层光学元件光学连接于至少一个探测器，其中形成该第一光学元件阵列包括在该第一光学元件阵列和该探测器阵列之间配置平坦化界面。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：在公共基底上形成的探测器阵列；多个光学元件阵列；以及分隔该多个光学元件阵列的多个体材料层，该多个光学元件阵列和该多个体材料层共同形成光学器件阵列，每一个该光学器件被光学连接于该探测器阵列中的至少一个该探测器，以形成阵列成像系统，每一个该成像系统包括至少一个光学元件光学连接于该探测器阵列中的至少一个探测器，每一个该多个体材料层在邻接的光学元件阵列之间限定一定距离。

在一个实施方式中，提供加工用于光学元件的模板阵列的方法，通过：采用慢刀伺服法、快刀伺服法、多轴铣削法和多轴磨削法中的至少一种方法制造模板阵列。

在一个实施方式中，提供制造包括用于在其上限定光学元件的模板阵列的结构主体的改进方法，通过：直接制造模板阵列。

在一个实施方式中，提供制造光学元件阵列的方法，通过：采用选自慢刀伺服法、快刀伺服法、多轴铣削法和多轴磨削法中的至少一种方法直接制造光学元件阵列。

在一个实施方式中，提供制造光学元件阵列的改进方法，通过：通过直接制造形成光学元件阵列。

在一个实施方式中，提供制造用于形成多个光学元件的结构主体的制造方法，包括：确定包括用于形成该多个光学元件的部件的第一表面；确定结构主体的(a)第一表面和(b)材料特性与第二表面的函数关系；以及基于第二表面执行加工程序，以形成结构主体上的第一表面。

在一个实施方式中，提供用于形成多个光学元件的结构主体的制造方法，包括：采用第一刀具在该结构主体上形成多个第一表面部件；以及采用第二刀具在该结构主体上形成多个第二表面部件；该第二表面部件不同于该第一表面部件，其中该第一和第二表面部件的结合被配置形成该多个光学元件。

在一个实施方式中，提供用于形成多个光学元件的结构主体的制造方法，包括：在该结构主体上形成多个第一部件；每一个该多个第一部件接近第二部件形成一个该多个光学元件；以及平滑该多个第一部件以形成第二部件。

在一个实施方式中，提供用于形成多个光学元件的结构主体的制造方法，包括：限定该多个光学元件以包括至少两个不同类型的光学元件；以及直接将部件加工配置以在该结构主体表面上形成该多个光学元件。

在一个实施方式中，提供包括用于形成光学元件的多个部件的结构主体的制造方法，包括：限定该多个部件以包括至少一种表面为非球面的光学元件；以及直接在该结构主体表面上制造部件。

在一个实施方式中，提供包括用于形成光学元件的多个部件的结构主体的制造方法，通过：确定在该结构主体表面形成该部件的第一部分的第一制造程序；采用该第一制造程序在该表面上直接制造至少一个该部件；测试该至少一个该部件的表面特性；确定在该结构主体表面形成该部件的第二部分的第二制造程序；其中该第二制造程序包括根据测试的该表面特性进行了至少一方面调整的该第一制造程序；以及采用该第二制造程序在该表面上直接制造至少一个该部件。

在一个实施方式中，提供制造用于形成多个光学元件的结构主体的设备的改进方法，该设备包括支撑结构主体的心轴和用于固定机床的工具固定器，该机床制造用于在结构主体表面形成多个光学元件的部件，改进在于：测量系统设置成与心轴和工具固定器合作测试表面的特性。

在一个实施方式中，提供包括用于形成光学元件的结构主体的制造方法，包括：直接制造用于在该结构主体表面上形成该多个光学元件的部件；以及直接在该表面上制造至少一个对准部件，该对准部件配置成与分立的物体上的相应对准部件合作，在该表面和该分立的物体之间确定一定的分离距离。

在一个实施方式中，提供用于形成光学元件阵列的结构主体的制造方法，通过：在该基板表面上直接制造形成该光学元件阵列的部件；以及直接在该表面上制造至少一个对准部件，该对准部件被配置成与分立的物体上的相应对准部件合作，指示该表面和该分立的物体之间的平移、旋转以及分离中的至少一种。

在一个实施方式中，提供用于修正采用多轴机床形成光学元件阵列的结构主体的基板的方法，通过：在基板固定器上安装基板；在该基板上执行预运转；直接在该基板表面上制造用于形成光学元件阵列的部件；以及直接在该基板的该表面上制造至少一个对准部件；其中在执行和直接制造步骤中，该基板仍装配在该基板固定器上。

在一个实施方式中，提供制造叠层光学元件阵列的方法，包括：采用第一结构主体在公共基底上形成光学元件的第一层，该第一结构主体具有第一主体基板，包括在其上形成的该光学元件的负第一层；采用第二结构主体形成邻近该光学元件的第一层的光学元件的第二层，以在该公共基底上形成该叠层光学元件阵列，该第二结构主体具有第二主体基板，包括在其上形成的该光学元件的负第二层。

在一个实施方式中，结构主体具有：将可模压材料模制成预定形状以限定多个光学元件的装置；以及当该结构主体与公共基底结合使用时，用于将该模制装置调整为相对于公共基底沿预定方向的装置，从而使该模制装置与该公共基底对准，重复性和精度的误差小于两个波长。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：具有第一表面和远离第一表面的第二表面的公共基底，以及在该公共基底的该第一表面上构造和配置的排列成直线的第一多个光学元件，其校正误差小于两个波长。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：第一公共基底，在该第一基底上构造和配置的精确对准的第一多个光学元件，具有贴附于第一公共基底上的第一表面的隔板，该隔板具有远离该第一表面的第二表面，该隔板形成多个与该第一多个光学元件对准的通孔，用于传播通过电磁能，第二公共基底结合于该第二表面，以限定与该第一多个光学元件对准的各个间隙，在至少一个该间隙中安置活动的光学器件，以及用于移动活动的光学器件的装置。

在一个实施方式中，提供在公共基底上制造叠层光学元件阵列的方法，通过：(a)准备用于放置该叠层光学元件阵列的公共基底；(b)安装该公共基底和第一结构主体，使得该第一结构主体和该公共基底精确对准，在该第一结构主体和该公共基底之间存在至少两个波长，(c)在该第一结构主体和该公共基底之间沉积第一可模压材料，(d)通过对准和接合该第一结构主体和该公共基底，塑造该第一可模压材料，(e)固化该第一可模压材料，在该公共基底上形成光学元件的第一层，(f)用第二结构主体替代该第一结构主体，(g)在光学元件的该第二结构主体和该第一结构主体之间沉积第二可模压材料，(h)通过对准和接合该第二结构主体和该公共基底，塑造该第二可模压材料，以及(i)固化该第二可模压材料，在该公共基底上形成光学元件的第二层。

在一个实施方式中，提供通过一组工艺制造探测器像素的改进方法，通过：采用该组工艺中的至少一种在该探测器像素中形成至少一个光学元件，该光学元件被配制成影响覆盖一定波长范围的电磁能。

在一个实施方式中，电磁能检测系统具有：包括多个探测器像素的探测器；以及与至少一个该多个探测器像素整体形成的光学元件，该光学元件被配置成影响覆盖一定范围波长的电磁能。

在一个实施方式中，电磁能检测系统，其用于检测入射到其上的覆盖一定范围波长的电磁能，以及包括：包括多个探测器像素的探测器，每一个该探测器像素包括至少一个电磁能检测区域；以及至少一个光学元件埋在至少一个该多个探测器像素中，以将覆盖一定波长范围的电磁能的方向选择性地改变到所述至少一个探测器像素的该电磁能检测区域。

在一个实施方式中，提供改进的电磁能探测器，包括：与探测器整体形成并包括亚波长部件的结构，用于对入射到其上的覆盖一定范围波长的电磁能进行重新分配。

在一个实施方式中，提供改进的电磁能探测器，包括：与该探测器整体形成的薄膜滤波器，以提供带通滤波、边缘滤波、色彩滤波、高通滤波、低通滤波、抗反射滤波、陷波滤波和阻挡滤波中的至少一种。

在一个实施方式中，提供通过一组工艺形成电磁能探测器的改进方法，通过：采用该组工艺中的至少一种在该探测器中形成薄膜滤波器；以及配置该薄膜滤波器以进行带通滤波、边缘滤波、色彩滤波、高通滤波、低通滤波、抗反射滤波、陷波滤波、阻挡滤波和主射线校正中的至少一种。

在一个实施方式中，提供在其中形成有光敏区的至少一个探测器像素的改进的电磁能探测器，包括：与位于该探测器像素的入射光瞳的探测器像素整体形成的主射线角校正器，用于对入射到光敏区的至少一部分电磁能进行重新分配。

在一个实施方式中，电磁能检测系统具有：多个探测器像素，以及与至少一个该探测器像素整体形成的薄膜滤波器，并配置成选自带通滤波、边缘滤波、色彩滤波、高通滤波、低通滤波、抗反射滤波、陷波滤波、阻挡滤波和主射线校正中的至少一种。

在一个实施方式中，电磁能检测系统具有：多个探测器像素，每一个该多个探测器像素包括光敏区和与位于该探测器像素入射光瞳的探测器像素整体形成的主射线角校正器，该主射线角校正器被配制为将至少一部分电磁能入射指引到该探测器像素的该光敏区。

在一个实施方式中，同时形成至少第一和第二滤波器设计的方法，每一个该第一和第二滤波器设计限定多个薄膜层，通过：a)确定第一滤波器设计的第一组需求和第二滤波器设计的第二组需求；b)根据该第一和第二组需求对体现每一个该第一和第二滤波器设计中的薄膜层特征的至少一个选择的参数进行优化，以形成该第一滤波器设计的第一无约束设计和该第二滤波器设计的第二无约束设计；c)将该第一滤波器设计中的一个薄膜层与该第二滤波器设计中的一个薄膜层配对，以确定第一组配对层，该层不是未配对的该第一组配对层的层；d)将该第一组配对层的选择的参数设定为第一公共值；以及e)对该第一和第二滤波器设计的未配对层的该选择的参数进行重新优化，以形成该第一滤波器设计的第一部分约束设计和该第二滤波器设计的第二部分约束设计，其中第一和第二部分约束设计分别满足至少一部分第一和第二组需求。

在一个实施方式中，提供形成包括至少第一和第二探测器像素的电磁能探测器的改进方法，包括：整体形成第一薄膜滤波器和该第一探测器像素以及第二薄膜滤波器和该第二探测器像素，使得该第一和第二薄膜滤波器共享至少一公共层。

在一个实施方式中，提供包括至少第一和第二探测器像素的改进的电磁能探测器，包括：分别与该第一和第二探测器像素整体形成的第一和第二薄膜滤波器，其中该第一和第二薄膜滤波器被配置用于修正入射在其上的电磁能，以及其中该第一和第二薄膜滤波器共享公共层中的至少一层。

在一个实施方式中，提供包括多个探测器像素的改进的电磁能探测器，包括：与至少一个选择的探测器像素整体形成的电磁能修正元件，该电磁能修正元件被配置用于指引该选择的探测器像素中的至少一部分电磁能入射在其上，其中该电磁能修正元件包括与形成该探测器的工艺兼容的材料，以及其中该电磁能修正元件被配置成包括至少一个非平坦表面。

在一个实施方式中，提供通过一组工艺形成电磁能探测器的改进方法，该电磁能探测器包括多个探测器像素，包括：整体形成探测器像素和电磁能修正元件，通过该组工艺中的至少一种形成至少一个选择的该探测器像素，至少一个电磁能修正元件配置成用于指引该选择的探测器像素中的至少一部分电磁能入射在其上，其中整体形成包括：沉积第一层；在该第一层中形成至少一释放区域，该释放区域的特征由实质上平坦的表面表现；在该释放区域的顶部沉积第一层，使该第一层限定至少一个非平坦部件；在该第一层上沉积第二层，使该第二层至少部分填充该非平坦部件；以及平坦化该第二层，使剩余的一部分该第二层填充该第一层的该非平坦部件，形成该电磁能修正元件。

在一个实施方式中，提供通过一组工艺形成电磁能探测器的改进方法，该探测器包括多个探测器像素，包括：整体形成多个探测器像素和电磁能修正元件，通过该组工艺中的至少一种形成至少一个该多个探测器像素，使该电磁能修正元件在该选择的探测器像素中指引入射在其上的至少一部分电磁能，其中整体形成包括沉积第一层，在该第一层中形成至少一突出，该突出的特征由实质上平坦的表面表现，以及在平坦部件的顶部沉积第一层，使该第一层限定至少一个该非平坦部件作为该电磁能修正元件。

在一个实施方式中，提供设计电磁能探测器的方法，通过：确定多个输入参数；以及基于该多个输入参数形成亚波长结构的几何结构，用于指引探测器中的输入电磁能。

在一个实施方式中，制造阵列成像系统的方法，通过：形成叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件光学连接于形成在公共基底上的探测器阵列中的至少一个探测器，以形成阵列成像系统，其中形成该叠层光学元件阵列包括：采用第一结构主体在该探测器阵列上形成光学元件的第一层，该第一结构主体具有第一主体基板，其包括形成在其上的该光学元件的负第一层，采用第二结构主体邻近该光学元件的第一层形成光学元件的第二层，该第一结构主体包括第二主体基板，其包括形成在其上的该光学元件的负第二层。

在一个实施方式中，阵列成像光学器件包括：叠层光学元件阵列，每一个叠层光学元件光学连接于该探测器阵列中的探测器，其中通过顺序运用包括用于限定该叠层光学元件阵列的部件的一个或多个结构主体形成至少一部分该叠层光学元件阵列。

在一个实施方式中，提供叠层光学元件阵列的制造方法，包括：提供具有第一主体基板的第一结构主体，该第一主体基板包括形成在其上的光学元件的负第一层；采用该第一结构主体在公共基底上形成该光学元件的第一层；提供具有第二主体基板的第二结构主体，该第二主体基板包括形成在其上的光学元件的负第二层；采用该第二结构主体在邻近该光学元件的第一层形成该光学元件的第二层，以在该公共基底上形成该叠层光学元件阵列；其中提供包括在该第一主体基板上直接制造该光学元件的该负第一层的该第一结构主体。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：公共基底；具有通过一组工艺在该公共基底上形成的探测器像素的探测器阵列，每一个该探测器像素包括光敏区；以及光学连接于相应的一个该探测器像素的该光敏区的光学器件阵列，从而形成该阵列成像系统，其中至少一个该探测器像素包括结合在其中的至少一个光学部件，并且采用至少该组工艺中的至少一个形成，以影响入射到探测器上覆盖一定波长范围的电磁能。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：公共基底；具有形成在该公共基底上的探测器像素的探测器阵列，每一个该探测器像素包括光敏区；以及光学连接于相应的一个该探测器像素的该光敏区的光学器件阵列，从而形成该阵列成像系统。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：形成在公共基底上探测器阵列；以及光学器件阵列，每一个该光学器件光学连接于该探测器阵列中的至少一个该探测器，以形成阵列成像系统，每一个成像系统包括光学连接于该探测器阵列中的至少一个探测器的光学器件。

在一个实施方式中，叠层光学元件阵列的制造方法，通过：采用第一结构主体在公共基底上形成第一元件阵列，该第一结构主体包括第一主体基板，该第一主体基板包括直接在其上制造的负第一光学元件阵列；以及采用第二结构主体在该公共基底上邻近该第一光学元件阵列形成第二光学元件阵列，以在该公共基底上形成叠层光学元件阵列，该第二结构主体包括第二主体基板，该第二主体基板包括在其上形成的负第二光学元件阵列，该第二主体基板上的该第二光学元件阵列的位置对应于该第一主体基板上的该第一光学元件阵列。

在一个实施方式中，阵列成像系统包括：公共基底，形成在该公共基底上的具有探测器像素的探测器阵列，每一个该探测器像素包括光敏区；以及光学器件阵列光学连接于与一个该探测器像素对应的该光敏区，从而形成阵列成像系统，其中至少一个该光学器件在分别对应于第一和第二放大率的第一和第二状态之间可转换。

在一个实施方式中，叠层光学元件具有光学元件的第一和第二层，该光学元件形成具有抗反射层的公共表面。

在一个实施方式中，照相机形成图像，并具有在公共基底上形成的探测器阵列的阵列成像系统，以及叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件光学连接于该探测器阵列中的探测器；以及信号处理器用于形成图像。

在一个实施方式中，提供用于执行任务的照相机，并且具有：阵列成像系统，其包括在公共基底上形成的探测器阵列，以及叠层光学元件阵列，每一个该叠层光学元件光学连接于该探测器阵列中的探测器；以及信号处理器用于执行任务。

附图说明

本发明可以通过参照以下详细描述，并结合下面简要说明的附图来进行理解。需要指出的是，为了解释清楚，附图中的某些元件不是按照比例绘制的。

图1为根据一个实施方案的成像系统及其相关配置的方框图。

图2A为根据一个实施方案的一个成像系统的剖视图。

图2B为根据一个实施方案的一个成像系统的剖视图。

图3为根据一个实施方案的阵列成像系统的剖视图。

图4为根据一个实施方案的图3所示阵列成像系统中的一个成像系统的剖视图。

图5为根据一个实施方案的一个成像系统的光学配置和光线轨迹示意图。

图6为图5的成像系统从阵列成像系统中切出之后的剖视图。

图7示出了作为图5所示成像系统的空间频率的函数的调制传递函数的曲线图。

图8A-8C所示为图5的成像系统的光程差曲线图。

图9A所示为图5的成像系统的畸变的曲线图。

图9B所示为图5的成像系统的场弯曲的曲线图。

图10所示为图5的成像系统考虑了光学元件的定心公差和厚度变化的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图11为根据一个实施方案的一个成像系统的光学设计和光线轨迹。

图12为根据一个实施方案的、从阵列成像系统中切出的图11所示成像系统的剖视图。

图13所示为图11的成像系统的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图14A-14C所示为图11的成像系统的光程差图。

图15A所示为图11的成像系统的畸变图。

图15B所示为图11的成像系统的场弯曲图。

图16所示为图11的成像系统考虑了光学元件的定心公差和厚度变化的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图17示出了根据一个实施方案的一个成像系统的光学设计和光线轨迹。

图18所示为图17的成像系统的叠置的透镜的波前编码轮廓图。

图19为根据一个实施方案的、从阵列成像系统中切出的图17所示成像系统的透视图。

图20A、20B和21所示为图17的成像系统在不同的物共轭的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图22A、22B和23所示为处理前后的图17的成像系统在不同的物共轭的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图24所示为图5的成像系统的离焦与调制传递函数的函数关系图。

图25所示为图17的成像系统的离焦与调制传递函数的函数关系图。

图26A-26C所示为处理之前的图17的成像系统的点扩散函数图。

图27A-27C所示为滤波之后的图17的成像系统的点扩散函数图。

图28A所示为根据一个实施方案可以与图17的成像系统一起使用的滤波器内核的三维示意图。

图28B所示为图28A的滤波器内核的表格表示。

图29为根据一个实施方案的一个成像系统的光学设计和光线轨迹。

图30为根据一个实施方案的图29的成像系统从阵列成像系统中切出之后的剖视图。

图31A、31B、32A、32B、33A和33B所示为图5和29的成像系统在不同的物共轭的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图34A-34C、35A-35C和36A-36C所示为图5的成像系统在不同的物共轭的横向光线扇面图。

图37A-37C、38A-38C和39A-39C所示为图29的成像系统在不同的物共轭的横向光线扇面图。

图40为根据一个实施方案的成像系统设计的剖视图。

图41所示为图40的成像系统的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图42A-42C所示为图40的成像系统的光程差图。

图43A所示为图40的成像系统的畸变图。

图43B所示为图40的成像系统的场弯曲图。

图44所示为根据一个实施方案的图40的成像系统考虑了光学元件的定心公差和厚度变化的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图45为根据一个实施方案的一个成像系统的光学设计和光线轨迹。

图46A所示为图45的成像系统未进行波前编码的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图46B所示为图45的成像系统在滤波前后进行了波前编码的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图47A-47C所示为图45的成像系统未进行波前编码的横向光线扇面图。

图48A、48B和48C所示为图45的成像系统进行了波前编码的横向光线扇面图。

图49A和49B所示为图45的成像系统包括波前编码的点扩散函数图。

图50A所示为根据一个实施方案可以与图45的成像系统一起使用的滤波器内核的三维示意图。

图50B所示为图50A所示的滤波器内核的表格表示。

图51A和51B所示为根据一个实施方案的缩放成像系统的两种配置的光学设计和光线轨迹。

图52A和52B所示为图51的成像系统的两种配置的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图53A-53C和54A-54C所示为图51A和51B的成像系统的两种配置的光程差图。

图55A和55C所示为图51A和51B的成像系统的两种配置的畸变图。

图55B和55D所示为图51A和51B的成像系统的两种配置的场弯曲图。

图56A和56B所示为根据一个实施方案的缩放成像系统的两种配置的光学设计和光线轨迹。

图57A和57B所示为图56A和56B的成像系统的两种配置的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图58A-58C和59A-59C所示为图56A和56B的成像系统的两种配置的光程差图。

图60A和60C所示为图56A和56B的成像系统的两种配置的畸变图。

图60B和60D所示为图56A和56B的成像系统的两种配置的场弯曲图。

图61A、61B和62所示为根据一个实施方案的缩放成像系统的三种配置的光学设计和光线轨迹。

图63A、63B和64所示为图61A、61B和62的成像系统的三种配置的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图65A-65C、66A-66C和67A-67C所示为图61A、61B和62的成像系统的三种配置的光程差图。

图68A-68D、69A和69B所示为图61A、61B和62的成像系统的三种配置的畸变图和场弯曲图。

图70A、70B和71所示为根据一个实施方案的缩放成像系统的三种配置的光学设计和光线轨迹。

图72A、72B和73所示为图70A、70B和71的成像系统的三种配置在没有预定的相调制的情况下的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图74A、74B和75所示为图70A、70B和71的成像系统在处理前后进行了预定相调制的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图76A-76C所示为图70A、70B和71的成像系统的三种配置在处理之前的点扩散函数图。

图77A-77C所示为图70A、70B和71的成像系统的三种配置在处理之后的点扩散函数图。

图78A所示为根据一个实施方案可以与图70A、70B和71的成像系统一起使用的滤波器内核的三维示意图。

图78B所示为图78A的滤波器内核的表格表示。

图79所示为根据一个实施方案的一个成像系统的光学设计和光线轨迹。

图80所示为图79的成像系统的空间频率与单色调制传递函数的函数关系图。

图81所示为图79的成像系统的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图82A-82C所示为图79的成像系统的光程差图。

图83A所示为图79的成像系统的畸变图。

图83B所示为图79的成像系统的场弯曲图。

图84所示为根据一个实施方案的图79的成像系统的改进配置的空间频率与调制传递函数的函数关系图。

图85A-85C所示为图79的成像系统的改进形式的光程差图。

图86所示为根据一个实施方案的一个多孔成像系统的光学设计和光线轨迹。

图87所示为根据一个实施方案的一个多孔成像系统的光学设计和光线轨迹。

图88为根据一个实施方案用于制造阵列成像系统的示例性过程的流程图。

图89为根据一个实施方案在实现阵列成像系统过程中进行的一组示例性步骤的流程图。

图90为图88的设计步骤的细节的示例性流程图。

图91为根据一个实施方案用于设计探测器子系统的示例性过程的流程图。

图92为根据一个实施方案用于设计与探测器像素一体形成的光学元件的示例性过程的流程图。

图93为根据一个实施方案用于设计光学子系统的示例性过程的流程图。

图94为进行图93的实现过程的一组示例性步骤的流程图。

图95为根据一个实施方案进行制造制备主体的示例性过程的流程图。

图96为根据一个实施方案评估制备主体的可制造性的示例性过程的流程图。

图97为根据一个实施方案分析工具参数的示例性过程的流程图。

图98为根据一个实施方案分析工具路径参数的示例性过程的流程图。

图99为根据一个实施方案生成工具路径的示例性过程的流程图。

图100为根据一个实施方案制造制备主体的示例性过程的流程图。

图101为根据一个实施方案生产改进的光学器件设计的示例性过程的流程图。

图102为根据一个实施方案形成阵列光学器件的示例性复制过程的流程图。

图103为根据一个实施方案评估复制可行性的示例性过程的流程图。

图104为图103的过程的进一步细节的流程图。

图105为根据一个实施方案，考虑收缩效应，生产改进的光学设计的示例性过程的流程图。

图106为根据一个实施方案，基于在光学元件上印刷或传递探测器的能力而制造阵列成像系统的示例性过程的流程图。

图107为根据一个实施方案的成像系统工艺链示意图。

图108为根据一个实施方案的具有色彩处理的成像系统示意图。

图109为诸如前述’371专利公开的包括相修改元件的现有成像系统的示意图。

图110为根据一个实施方案的包括多指数光学元件的成像系统的示意图。

图111为根据一个实施方案的适于成像系统的多指数光学元件的示意图。

图112为根据一个实施方案，直接固定在探测器上的多指数光学元件的示意图，成像系统进一步包括数字信号处理器(DSP)。

图113-117为根据一个实施方案的方法的一组示意图，其中可制造并装配本发明的多指数光学元件。

图118所示为现有技术的GRIN透镜。

图119-123为图118的GRIN透镜的垂直入射和不同散焦值的一系列散焦点示意图(即，点扩散函数或”PSF”)。

图124-128为图118的GRIN透镜在电磁能入射偏离法线5°的一系列散焦点示意图。

图129为图118的GRIN透镜的一系列调制传递函数(”MTF”)的示意图。

图130为在空间频率为每毫米120个周期时，图118的GRIN透镜的毫米级移焦与散焦MTF之间的函数关系图。

图131所示为根据一个实施方案的多指数光学元件的光线轨迹模型，举例说明了不同入射角度的光程。

图132-136为图131的元件的垂直入射和不同散焦值的一系列PSF。

图137-141为图131的元件在电磁能入射偏离法线5°的一系列散焦PSF。

图142为图131的相修改元件的一系列MTF的图。

图143为在空间频率为每毫米120个周期时，涉及图131-141中讨论的经预定相调制的元件的毫米级移焦与散焦MTF之间的函数关系图。

图144所示为根据一个实施方案的多指数光学元件的光线轨迹模型，举例说明了具有垂直入射和偏离法线20°入射的电磁能的适应性调节。

图145为在空间频率为每毫米120个周期时，涉及图143中讨论的未经预定相调制的同一个非均匀元件的毫米级移焦与散焦MTF之间的函数关系图。

图146为在空间频率为每毫米120个周期时，涉及图143-144中讨论的经预定相调制的同一个非均匀元件的毫米级移焦与散焦MTF之间的函数关系图。

图147示出了根据一个实施方案可制造多指数光学元件的另一种方法。

图148所示为根据一个实施方案的包括多指数光学元件阵列的光学系统。

图149-153所示为包括并入各种系统的多指数光学元件的光学系统。

图154所示为现有技术光学元件的晶片级阵列。

图155所示为现有技术的晶片级阵列的组件。

图156所示为根据一个实施方案的阵列成像系统以及其中的一个成像系统的放大图。

图157为示出了图156的成像系统的细节的示意性剖视图。

图158为示出了光线通过图156和157的成像系统的传播至不同场位置的示意性剖视图。

图159-162所示为图156和157的成像系统的数值模拟结果。

图163为根据一个实施方案的示例性成像系统的示意性剖视图。

图164为根据一个实施方案的示例性成像系统的示意性剖视图。

图165为根据一个实施方案的示例性成像系统的示意性剖视图。

图166为根据一个实施方案的示例性成像系统的示意性剖视图。

图167-171所示为图166的示例性成像系统的数值模拟结果。

图172为根据一个实施方案的示例性成像系统的示意性剖视图。

图173A和173B所示分别为根据一个实施方案的包括集成的支架的光学元件的剖视图和俯视图。

图174A和174B所示为根据一个实施方案的适于成像系统的两个矩形孔的俯视图。

图175所示为图165的示例性成像系统的光线轨迹的俯视图，在此展示用于说明为每一个光学元件设计一个圆孔的情况。

图176所示为图165的示例性成像系统的光线轨迹的俯视图，在此展示用于说明当一个光学元件包括矩形孔时光线通过光学系统的传播。

图177所示为晶片级成像系统阵列的一部分的示意性剖视图，在此展示用于说明可能影响图像质量的缺陷的潜在来源。

图178为根据一个实施方案的包括信号处理器的成像系统的示意图。

图179和180所示为适于与图178的成像系统一起使用的示例性出射光瞳的三维相图。

图181为光线通过图178的示例性成像系统传播至不同场位置的示意性剖视图。

图182和183所示为图178的成像系统未经信号处理的数值模拟的性能结果。

图184和185分别为在图158和181的成像系统的孔径光阑附近的光线轨迹示意图，在此展示用于说明在孔径光阑附近附加和未附加相修改表面的光线轨迹的不同之处。

图186和187所示分别为图163和178的成像系统的光学元件的表面轮廓的等值线图。

图188和189所示为图157的成像系统在信号处理前后、以及或有或无组装误差情况下的调制传递函数(MTF)。

图190和191所示为图178的成像系统在信号处理前后、以及或有或无组装误差情况下的MTF。

图192所示为用于图178的成像系统的信号处理器中的二维数字滤波器的三维图。

图193和194所示分别为图157和178的成像系统的散焦MTF。

图195为根据一个实施方案的阵列光学装置的示意图。

图196示出了形成图195的成像系统的一个光学元件阵列的示意图。

图197和198所示为根据一个实施方案的包括光学元件和探测器的多个阵列的阵列成像系统的示意图。

图199和200所示为根据一个实施方案的未形成气隙的阵列成像系统的示意图。

图201为根据一个实施方案光线通过示例性成像系统传播的示意性剖视图。

图202-205所示为图201的示例性成像系统的数值模拟的结果。

图206为根据一个实施方案光线通过示例性成像系统传播的示意性剖视图。

图207和208所示为图206的示例性成像系统的数值模拟的结果。

图209为根据一个实施方案光线通过示例性成像系统传播的示意性剖视图。

图210所示为包括用于形成光学元件的多个部件的示例性的构成制备主体。

图211所示为图210的示例性的构成制备主体的一部分，举例说明了用于形成光学元件的多个部件的一部分的细节。

图212所示为根据一个实施方案的一个示例性加工件(例如，制备主体)，举例说明了在制造过程中用于限定工具方向的轴。

图213所示为传统的金刚石转动工具中的金刚石尖端和工具柄部。

图214为示出了包括工具尖端切割刃的金刚石尖端的细节的示意性正视图。

图215为沿图214的215-215’线的示意性侧视图，示出了金刚石尖端的细节，包括主后角。

图216所示为示例性的多轴加工配置，举例说明了关于轴杆和刀架的不同轴。

图217所示为根据一个实施方案的示例性慢速工具伺服装置/快速工具伺服装置(”STS/FTS”)的配置，用于制造在制备主体上形成的光学元件的多个部件。

图218所示为根据一个实施方案的图217的一部分的进一步细节，举例说明了加工处理的进一步细节。

图219为图218的一部分沿219-219’线的细节的示意性剖视图。

图220A所示为根据一个实施方案的示例性多轴铣削/磨削配置，用于制造在制备主体上形成光学元件的多个部件，图220B提供了工具相对于加工件旋转的附加的细节，图220C示出了工具加工出的结构。

图221A和221B所示为根据一个实施方案的示例性加工配置，包括用于制备在制备主体上形成光学元件的多个部件的成形工具，其中图221B为沿图221A的221B-221B’线的视图。

图222A-222G为根据一个实施方案的可用于制造形成光学元件的部件的示例性成形工具外形的剖视图。

图223所示为根据一个实施方案的包括刻意的加工标记的示例性加工表面的局部正视图。

图224所示为适于形成图223的示例性的加工表面的工具尖端的局部正视图。

图225所示为根据一个实施方案的包括刻意的加工标记的另一个示例性加工表面的局部正视图。

图226所示为适于形成图225的示例性的加工表面的工具尖端的局部正视图。

图227所示为根据一个实施方案的包括刻意的加工标记的、适于形成一个加工表面的转动工具的示意性正视图。

图228为图227所示的转动工具一部分的侧视图。

图229所示为通过使用图227和图228的多轴铣削配置的转动工具，形成的示例性的加工表面的局部正视图。

图230所示为通过使用图227和图228的C-轴模式铣削配置的转动工具，形成的示例性的加工表面的局部正视图。

图231所示为根据一个实施方案制造的构成制备主体，举例说明了可在制备主体表面上加工的各种部件。

图232所示为图231的构成制备主体一部分的进一步细节，举例说明了在构成制备主体上形成光学元件的多个部件的细节。

图233为用于形成在图231和232的构成制备主体上形成的光学元件的部件之一沿图232的233-233’线的剖视图。

图234为根据一个实施方案的示例性制备主体的示意性正视图，其中已制备出可用于形成方形孔的方形凸起。

图235所示为根据一个实施方案图234的示例性制备主体的进一步处理状态，举例说明了用于形成具有已在方形凸起上加工的凸起表面的光学元件的多个部件。

图236所示为与图235的示例性制备主体相关联而形成的配对表面。

图237-239为根据一个实施方案的一系列剖视图，示出了利用负虚数数据处理而制备用于形成光学元件的部件的过程。

图240-242为根据一个实施方案采用正虚数数据处理制造形成光学元件的部件的过程的一系列示意图。

图243为根据一个实施方案形成包括形成的工具痕迹的光学元件的示例性部件的示意性局部剖视图。

图244所示为形成图243的光学元件的示例性部件表面的一部分，在此展示用于说明工具痕迹的示例性的细节。

图245所示为蚀刻处理后形成图243的光学元件的示例性部件。

图246为根据一个实施方案形成的构成制备主体的平面图。

图247-254为用于形成与图246的构成制备主体上所选择的光学元件相关联的光学元件的部件的测定表面误差的示例性等值图。

图255所示为根据一个实施方案的进一步包括用于原位测量系统的附加装配的图216的多轴加工工具的俯视图。

图256示出了根据一个实施方案的图255的原位测定系统的进一步的细节，举例说明了在多轴加工工具中集成了光学计量系统。

图257为根据一个实施方案的用于支撑制备主体的真空卡盘的正视图，举例说明了在真空卡盘上包括校正部件。

图258为根据一个实施方案，包括与图257的真空卡盘上的校正部件相对应的校正部件的构造制备主体的正视图。

图259为图257的真空卡盘的局部剖视图。

图260和261为根据一个实施方案的适于与图257的真空卡盘一起使用的的可选校正部件的局部剖视图。

图262为根据一个实施方案的制备主体、公共基底和真空卡盘的示例性配置的剖视图，举例说明了校正部件的功能。

图263-266示出了根据一个实施方案的示例性多轴加工配置，可用于制造形成光学元件的制备主体上的部件。

图267示出了根据一个实施方案的包括刻意的加工标记的、适于形成加工表面的示例性飞刀切割配置。

图268所示为可利用图267的飞刀切割配置形成的示例性加工表面的局部正视图。

图269所示为根据一个实施方案通过使用制备主体制造叠层光学元件的示意图和流程图。

图270A和270B所示为根据一个实施方案通过使用制备主体制造叠层光学元件的流程图。

图271A-271C所示为用来在公共基底上制造叠层光学元件阵列的多个顺序步骤。

图272A-272E所示为用来制造叠层光学元件阵列的多个顺序步骤。

图273所示为根据图271A-271C的顺序步骤制造的叠层光学元件。

图274所示为根据图272A-272E的顺序步骤制造的叠层光学元件。

图275所示为在制备主体上的形成相修改元件的多个部件的局部正视图。

图276所示为沿图275的276-276’线的剖视图，以提供关于形成相修改元件的部件中的所选的一个部件的附加细节。

图277A-277D所示为在公共基底的两侧形成光学元件的顺序步骤。

图278所示为可用于分离光学装置的示例性间隔物。

图279A和279B所示为使用图278的间隔物形成光学装置阵列的顺序步骤。

图280所示为光学装置阵列。

图281A和281B所示为根据一个实施方案的晶片级缩放光学装置的剖视图。

图282A和282B所示为根据一个实施方案的晶片级缩放光学装置的剖视图。

图283A和283B所示为根据一个实施方案的晶片级缩放光学装置的剖视图。

图284所示为使用视觉系统和机器人技术定位制备主体和真空卡盘的示例性校正系统。

图285为图284所示的系统的剖视图，举例说明其中的细节。

图286为图284所示的系统的俯视图，举例说明使用透明或半透明系统元件。

图287示出了对公共基底的卡盘进行运动学定位的示例性结构。

图288为包括接合的制备主体的图287的结构的剖视图。

图289为根据一个实施方案的制备主体的结构图。

图290为根据一个实施方案的制备主体的结构图。

图291A-291C所示为根据母-子工艺构造图290的制备主体的连续步骤。

图292所示为具有形成光学元件的部件的所选阵列的制备主体。

图293所示为包含通过使用如图292所示的制备主体制造的叠层光学元件阵列的阵列成像系统的分离部分。

图294为沿图293的294-294’线的剖视图。

图295所示为根据一个实施方案的包括多个探测器像素的探测器的一部分，每一个探测器均具有掩埋式光学装置。

图296所示为图295的探测器的一个探测器像素。

图297-304为根据一个实施方案可包含在探测器像素中的多个光学元件。

图305和306所示为根据一个实施方案的包括作为掩埋式光学元件的光波导的探测器像素的两种配置。

图307所示为根据一个实施方案的包括光继电器配置的示例性探测器像素。

图308和309所示为波长分别为0.5和0.25微米的探测器像素中的光敏区的电场幅度的剖视图。

图310所示为用于近似梯形光学元件的双板层结构的示意图。

图311所示为具有不同几何图形的梯形光学元件的功率耦合效率的数值模拟结果。

图312为覆盖一定范围波长的微透镜和双板层结构的功率耦合效率的比较的合成图。

图313所示为根据一个实施方案的用于主射线角(CRA)校正的掩埋式光学元件结构示意图。

图314所示为根据一个实施方案包含用于选择波长滤波的掩埋式光学元件的探测器像素结构的示意图。

图315所示为图314的像素结构中不同层结合的波长与透射的函数关系的数值模拟结果。

图316所示为根据一个实施方案包括多个探测器的示例性晶片的示意图，在此展示用于说明对路径的分隔。

图317所示为单个探测器的仰视图，在此展示用于说明衬垫的接合。

图318所示为根据一个实施方案的可选探测器一部分的示意图，在此展示用于说明附加的平坦化层和覆盖板。

图319所示为根据一个实施方案包括作为元透镜(metalens)的一组掩埋式光学元件的探测器像素的剖视图。

图320所示为图319的元透镜的俯视图。

图321所示为适合用于图319的探测器像素的另一元透镜的俯视图。

图322所示为根据一个实施方案包括作为元透镜的一组多层掩埋式光学元件的探测器像素的剖视图。

图323所示为根据一个实施方案包括作为元透镜的一组非对称掩埋式光学元件的探测器像素的剖视图。

图324所示为根据一个实施方案的适合与探测器像素结构共同使用的另一元透镜的俯视图。

图325所示为图324的元透镜的剖视图。

图326-330所示为根据一个实施方案的适合与探测器像素结构共同使用的可选的光学元件的俯视图。

图331所示为根据一个实施方案的探测器像素的剖视图，在此展示用于说明其中可包括的附加部件。

图332-335所示为根据一个实施方案可结合到探测器像素结构中的附加光学元件的实施例。

图336所示为包括具有用于CRA校正的、非对称部件的探测器像素的探测器的局部剖视图。

图337所示为根据一个实施方案的探测器像素，计算出的未覆盖和覆盖了抗反射(AR)层的硅光敏区的反射率的比较图。

图338所示为根据一个实施方案计算出的红外(IR)截断滤波器的透射特性图。

图339所示为根据一个实施方案计算出的红色-绿色-蓝色(RGB)彩色滤波器的透射特性图。

图340所示为根据一个实施方案计算出的青-洋红-黄(CMY)彩色滤波器的反射特性图。

图341所示为探测器像素阵列的局部剖视图，在此展示用于说明允许定制层光学指数的部件。

图342-344所示为根据一个实施方案获得可结合到掩埋式光学元件中的非平坦表面的一系列处理步骤。

图345为用于优化成像系统的系统的方框图。

图346为根据一个实施方案的用于进行全系统结点优化的示例性优化过程的流程图。

图347所示为根据一个实施方案生产和优化薄膜滤波器设置设计的过程的流程图。

图348所示为根据一个实施方案的包括具有输入和输出的计算系统的薄膜滤波器设置设计系统的方框图。

图349所示为根据一个实施方案的包括薄膜彩色滤波器的探测器像素阵列的剖视图。

图350所示为根据一个实施方案的图349的子部分，在此展示用于说明薄膜滤波器中的薄膜层结构的细节。

图351所示为根据一个实施方案独立地优化的青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器设计的透射特性图。

图352所示为根据一个实施方案优化洋红色滤波器的性能目标和公差图。

图353为根据一个实施方案的图347所示的工艺步骤之一的进一步细节的流程图。

图354所示为根据一个实施方案采用公共低指数层的部分约束的一组青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器设计的透射特性图。

图355所示为根据一个实施方案采用公共低指数层和成对的高指数层的进一步约束的一组青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器设计的透射特性图。

图356所示为根据一个实施方案采用公共低指数层和复成对的高指数层的全面约束的一组青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器设计的透射特性图。

图357所示为根据一个实施方案采用已通过进一步优化形成最终设计的公共低指数层和复成对的高指数层的全面约束的一组青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器设计的透射特性图。

图358所示为根据一个实施方案薄膜滤波器制造工艺的流程图。

图359所示为根据一个实施方案的非平面电磁能修正元件的制造工艺流程图。

图360-364所示为制造过程中示例性的非平面电磁能修正元件的一系列剖视图，在此展示用于说明图359所示的制造工艺。

图365所示为采用图359所示的制造工艺形成的示例性非平面电磁能修正元件的可选实施方案。

图366-368所示为制造过程中的另一示例性非平面电磁能修正元件的另一系列剖视图，在此展示用于说明图359所示的制造工艺的另一种形式。

图369-372所示为制造过程中的另一示例性非平面电磁能修正元件的一系列剖视图，在此展示用于说明图359所示的制造工艺的可选实施方案。

图373所示为根据一个实施方案的包括非平面元件的单个探测器像素。

图374所示为根据一个实施方案的包括银层的洋红色滤波器的透射特性图。

图375所示为现有技术中不具有功率聚焦元件或CRA校正元件的探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明穿过探测器像素的垂直入射电磁能的功率密度。

图376所示为现有技术中另一种探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明穿过具有微透镜的探测器像素的垂直入射电磁能的功率密度。

图377所示为根据一个实施方案的探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明穿过具有元透镜的探测器像素的垂直入射电磁能的功率密度。

图378所示为现有技术中不具有功率聚焦元件或CRA校正元件的探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明在具有移位金属迹线，但没有附加元件影响电磁能传播的探测器像素上的电磁能入射的主射线角为35°的功率密度。

图379所示为现有技术中的探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明在具有移位金属迹线和用于将电磁能指引到光敏区的微透镜的探测器像素上的电磁能入射的主射线角为35°的功率密度。

图380所示为根据本发明的探测器像素阵列的局部剖视图，图上另附有从中穿过的电磁功率密度的模拟结果，在此展示用于说明在具有移位金属迹线和用于将电磁能指引到光敏区的元透镜的探测器像素上的电磁能入射的主射线角为35°的功率密度。

图381所示为根据一个实施方案设计元透镜的示例性设计过程的流程图。

图382所示为根据一个实施方案的现有技术中具有微透镜的探测器像素与包括元透镜的探测器像素的CRA与光敏区的耦合功率的函数关系比较。

图383所示为根据一个实施方案适于集成到探测器像素中的子波长棱镜光栅(SPG)的剖视图。

图384所示为根据一个实施方案的适于集成到探测器像素阵列中的SPG阵列的局部剖视图。

图385所示为根据一个实施方案的设计可制造的SPG的示例性设计工艺的流程图。

图386所示为根据一个实施方案的用于设计SPG的几何结构。

图387所示为根据一个实施方案的用于计算等效SPG参数的示例性的棱镜结构的剖视图。

图388所示为根据一个实施方案的与棱镜结构对应的SPG的剖视图，在此展示用于说明SPG的各种参数，这些参数可以从等效棱镜结构的尺寸计算得出。

图389所示为使用数值求解器对麦克斯韦方程式求解的图，估算了用于CRA校正的可制造的SPG的性能。

图390所示为使用几何光学近似法求解的图，估算了用于CRA校正的棱镜的性能。

图391所示为由不同波长的s-极化电磁能的可制造SPG执行的CRA校正的计算模拟结果的比较图。

图392所示为由不同波长的p-极化电磁能的可制造SPG执行的CRA校正的计算模拟结果的比较图。

图393所示为能同时聚焦电磁能和进行CRA校正的光学器件的示例性相位分布图，在此展示用于说明在倾斜表面增加抛物线表面的实施例。

图394所示为根据一个实施方案的与图393所示的示例性相位分布对应的示例性SPG，从而SPG同时提供CRA校正和在其上聚焦电磁能入射。

图395所示为根据一个实施方案的包括抗反射涂层的一个叠层光学元件的剖视图。

图396所示为根据一个实施方案的由具有和不具有抗反射层的两个叠层光学元件限定的一个表面的波长与反射率之间的函数关系图。

图397所示为根据一个实施方案的具有包括要被施加于光学元件表面的负子波长部件的表面的一个制备主体。

图398所示为图268的加工表面的子部分的数值网格模型。

图399为沿法线方向入射到平坦表面的电磁能的波长与反射率之间的函数关系图，该平坦表面具有利用具有图268的加工表面的制备主体制造的子波长部件。

图400为入射到平坦表面的电磁能的入射角与反射率之间的函数关系图，该平坦表面具有利用具有图268的加工表面的制备主体制造的子波长部件。

图401为入射到示例性光学元件上的电磁能的入射角与反射率之间的函数关系图。

图402为模型固化的光学元件的剖视图，展示了收缩效应。

图403为模型固化的光学元件的剖视图，展示了收缩效应的适应。

图404所示为根据一个实施方案在不同类型的、背侧较薄的硅晶片上形成的两个探测器像素的剖视图。

图405所示为根据一个实施方案的设置成背面发光的一个探测器像素、层状结构，以及可与探测器像素一同使用的三柱元透镜的剖视图。

图406所示为组合色彩和红外阻挡滤波器的波长与透射率之间的函数关系图，该滤波器可被制造为与设置成背面发光的探测器像素一同使用。

图407为根据一个实施方案的设置成背面发光的一个探测器像素的剖视图。

图408为根据一个实施方案的设置成背面发光的一个探测器像素的剖视图。

图409为图408的探测器像素的波长与量子效率之间的函数关系图。

优选实施方式

本说明书讨论了关于阵列成像系统以及相关工艺的多个方面。尤其是公开了设计工艺和相关的软件、多折射率光学元件、光学元件的晶片级排列、形成或者成型多个光学器件的结构主体、阵列成像系统的复制和封装、具有其中形成了光学元件的探测器像素、以及上述系统和工艺的附加实施例。换句话说，本说明书中所描述的实施例提供了阵列成像系统的细节，从设计的形成和优化到制造以及各种使用的应用。

例如，本公开讨论了具有光学精度的大规模生产的可制造成像系统，例如用于消费者和积分器的照相机，的制造。根据本公开制造的该照相机提供较好的光学器件、高质量的成像处理、独特的电子传感器以及在整个照相机上的精确封装。此处之后详细讨论的制造技术允许在大规模生产规模下以纳米精度制造和组装，其能与例如微芯片工业的现代制造相竞争。高级光学材料结合精密半导体制造和组装技术的使用允许成像系统和成像信号处理与最佳性能的精密光学元件以及大规模制造的成像系统的成本相结合。在本公开中所讨论的技术允许光学器件的制造与探测器制造中常用的制造相适应；例如，可配置本公开的精密光学元件以承受高温加工，其例如与探测器制造中所用的回流工艺相适应。精密制造，以及获得的照相机的最佳性能，允许将该成像系统在多种工艺范围内应用；例如，此处公开的成像系统适用于移动成像市场，例如手持或者可穿戴式的照相机和电话，并且适用于运输部门，例如汽车和航运业。另外，根据本公开的成像系统还可用于，或者集成到，家庭或者专业的安全应用、工业控制和监控、玩具和游戏、医疗器械和精密仪器以及业余和专业摄影中。

根据一个实施例，多个照相机可作为耦合单位制造，或者单个照相机单元通过OEM集成器集成为照相机的多视窗系统。在多视窗系统中不是所有的照相机都相同，并且此处所公开的高精度制造和组装技术允许大规模制造的大量配置。多照相机系统中的一些照相机可能低分辨率并且执行单一的任务，然而在紧邻的或者其它地方的其它照相机可合作形成高质量的图像。

在另一个实施例中，用于图像信号处理的处理器、加工任务、和I/O子系统也可以使用精密制造和组装技术集成到照相机中，或者能够分布在整个集成系统。例如，单个的处理器可被任何数量的照相机依靠，当处理器与每个照相机进行通信时，执行类似的或者不同的任务。在其它应用中，集成到单个的成像系统中的单个照相机或者多个照相机可提供输入到，或者用于处理，各种各样的外部处理器和I/O子系统，以执行任务并且提供信息或者控制队列。照相机的高精度制造和组装允许为高质量的大规模制造来优化电器工艺和光学性能。

根据本公开，照相机的封装也可以集成所有的封装，从而为现成的使用形成完整的照相机单元。可定制封装以允许使用与电子器件、半导体和芯片组相关的多种现代组装技术进行大规模制造。封装也可以配置为适应工业和商业使用，例如加工控制和监控、条形码和标签的阅读、安全和监视、以及合作任务。可配置高级光学材料以及精密加工和组装从而合作并且提供有力的解决方案用于可能退化现有技术系统的恶劣环境。增加公差从而与单片组装相结合的热和机械应力在整个应力范围上提供稳定的图像质量。

根据一个实施例，受益于精密封装中提高的图像质量和坚固的使用，成像系统的应用包括应用在手持器件例如手机、GPS单元和佩戴式照相机。手持器件的集成器增加了灵活性并且有能力使用精密制造使光学器件、探测器和信号处理与单个单元结合起来，从而提供“光学系统芯片”。由于低功率处理、更小以及更薄的器件以及开发新的功能，例如用于管理信息的条形码阅读和光学特性识别，所以手持照相机的用户可从更长的电池寿命中获得好处。通过使用具有嵌入到照相机中或者通过网络通信的识别和/或安全性处理的手持器件对例如虹膜识别的生物技术分析，可提供安全性。

移动市场的应用，例如包括汽车和重型卡车的运输、铁路或海上运输、空中旅行和移动安全，所有都从大规模生产的廉价的、高质量的照相机中得到好处。例如，提供视觉反馈和/或警告，在可视化“盲点”或者对附在机架或者在卡车车床上的货物进行监控的帮助下，汽车司机从例如汽车后面和侧面图像的汽车外部的增加的监控能力中获得好处。另外，汽车工业可使用照相机来监控内部活动、乘坐人员的行为和位置并且为安全配置器件提供输入。作为本公开的成像系统的大规模制造的结果，可低成本获得具有大量共同使用的照相机的货物和集装箱的安全和监控、或者航空活动和设备。

在本公开的上下文中，在某种程度上，光学元件被理解为影响穿过其的电磁能的单个元件。例如，光学元件可以是衍射元件、折射元件、反射元件或者全息元件。光学元件的阵列被看作是在公共底座上支撑的多个光学元件。叠置的光学元是包括具有不同光学性质(如折射率)的两个或多个层的单片结构，并且多个叠置的光学元件可在公共底座上支撑以形成叠置的光学元件的阵列。设计和制造该叠置的光学元件的细节在此后合适的接合点处进行讨论。如此后在进一步细节中所讨论的，成像系统被看作是光学元件和叠置的光学元件的组合，其共同作用以形成图像，并且多个成像系统可排列在公共衬底上以形成阵列成像系统。进而，术语光学器件的意思是包括任何光学元件、叠置的光学元件、成像系统、探测器、盖板、隔离物等，它们以合作的方式组装在一起。

例如用于手机照相机、玩具和游戏的成像系统的最近兴趣已经激发了构成成像系统的组件的进一步小型化。在这方面，希望得到降低了与散焦相关的像差的低成本、紧凑的成像系统，其易于对准和制造。

此处所述的实施例提供了阵列成像系统和用于制造该成像系统的方法。本公开有利地提供了具有高性能的光学器件的特定配置，能够增加产量的制造晶片级成像系统的方法，以及与数字成像信号处理算法一前一后使用的组装配置以提高给定晶片级成像系统的图像质量和可制造性中的至少一个。

图1是包括与探测器16进行光通信的光学器件42的成像系统40的框图。光学器件42包括多个光学元件44(如由聚合物材料顺序形成的叠置的光学元件)，并且可包括一个或多个调相元件以在成像系统40中引入预定的相位效应(phase effects)，正如此后在适当的结合点将要详细描述的那样。虽然图1中示出了四个光学元件，但是光学器件42可具有不同数量的光学元件。成像系统40也可包括掩埋式光学元件(未示出)，如下面所描述地结合到探测器16中或者作为光学器件-探测器接口14的一部分。光学器件42由多个附加成像系统形成，其可彼此相同或不同，并且根据本文的教导随后可被分开以形成独立的单元。

成像系统40包括电连接到探测器16的处理器46。处理器46用于处理由探测器16的探测器像素产生的电子数据以产生图像48，其中所述电子数据是根据射入成像系统40且传递到探测器像素的电磁能18而产生的。处理器46可与任何数量的操作47相关联，操作47包括过程、任务、显示操作、信号处理操作以及输入/输出操作。在一个实施例中，处理器46执行解码算法(例如使用滤波器核心对数据进行卷积)来调节由光学器件42内的调相元件编码的图像。或者，处理器46也可以执行，例如，色度处理、基于处理的任务或者噪声抑止。示范性的任务可以是物识别任务。

成像系统40可独立工作或者与一个或多个其他成像系统共同工作。例如，三个成像系统可用于从三个不同的角度观察物体体积(objectvolume)，从而能够完成识别物体体积中的物体的任务。每个成像系统可包括一个或多个阵列成像系统，这一点将参考图293进行详细描述。成像系统可包含在较大的应用程序中，例如封装分类系统或者可包括一个或多个其它成像系统的汽车。

图2A是成像系统10的截面图，成像系统10根据射入其中的电磁能18产生电子图像数据。因此成像系统10可根据关注的图像发射和/或反射的电磁能18来捕获关注的图像(以电子图像数据的形式)。成像系统10可被用于成像系统应用中，其中包括但是不限于数字照相机、移动电话、玩具以及汽车后视照相机。

成像系统10包括探测器16、光学器件-探测器接口14以及光学器件12，它们共同产生电子图像数据。探测器16例如是CMOS探测器或者CCD探测器。探测器16具有多个探测器像素(未示出)；每个像素根据射入其上的电磁能18的一部分来产生电子图像数据的一部分。在图2A所示出的实施例中，探测器16是VGA探测器，其具有2.2微像素尺寸的640×480个探测器像素；这种探测器提供307160个电子数据元素，其中每个电子数据元素表示射入其各自探测器像素的电磁能。

光学器件-探测器接口14可形成在探测器16上。光学器件-探测器接口14可包括一个或多个滤波器，例如红外滤波器以及彩色滤波器。光学器件-探测器接口14也可包括光学元件，如，放置在探测器16的探测器像素上方的微透镜(lenslets)阵列，其中在探测器16的每个探测器像素上方放置一个微透镜。这些微透镜例如指引电磁能18的部分穿过光学器件12到相关的探测器像素。在一个实施例中，微透镜包括在光学器件-探测器接口14中用于提供如此后所要描述的主射线角校正。

光学器件12可形成在光学器件-探测器接口14上并且指引电磁能18到光学器件-探测器接口14和探测器16上。如下所述，光学器件12可包括多个光学元件并且可以以不同的配置形成。光学器件12通常包括后面示出的硬孔径光圈，并且可被包装在不透明材料中以减轻散射光。

虽然成像系统10作为孤立成像系统在图2A中示出，但是它最初被制造成一个阵列成像系统。这个阵列在公共底座上形成，并且例如是可分开的，通过“切割”(即物理切割或分割)来形成多个单独的或者分组的成像系统，其中之一在图2A中示出。或者，成像系统10可保持作为成像系统10的阵列(如九个成像系统共同放置)的一部分，如下所述；即，阵列或者保持完整，或者被分成成像系统10的多个子阵列。

阵列成像系统10可按照如下方法制造。多个探测器16使用例如CMOS工艺形成在通用半导体衬底(如硅)上。光学器件-探测器接口14之后形成在每个探测器16的顶部，并且光学器件12随后形成在每个光学器件-探测器接口14上，例如通过制模工艺。因此，阵列成像系统10的组件可并行制造；例如每个探测器16可同时形成在通用半导体衬底上，随后每个光学器件12的光学元件可同时形成。制造阵列成像系统10的组件的复制方法(replication method)可包括使用结构主体(fabrication master)，其包括所需表面的可能已经补偿了收缩的负分布(negetive profile)。结构主体使用可被处理(如UV固化)以硬化(如聚合)和保持结构主体形状的材料(如液态单体)。制模方法，通常包括将可流动的材料引入模子中，随后冷却或者固化材料，因此材料保持模子的形状。压印方法与复制方法类似，但是引入了柔性的、可成形的结构主体，并且之后随意处理材料以保持表面形状。这些方法中的每个方法的多种变形存在于现有技术中并且可适当使用以符合预期光学设计的设计和质量要求。形成这些成像系统10的阵列的特定工艺在下面的进一步描述中进行论述。

如下所述，附加元件(未示出)可包括在成像系统10中。例如，可变光学元件可包括在成像系统10中；这些可变光学元件可用于成像系统10的像差校正和/或在成像系统10中执行放大功能。光学器件12也可包括一个或多个调相元件来对穿过其传递的电磁能18波前的相位进行调整，以便探测器16处捕获的图像，例如，与没有一个或多个调相元件的探测器处所捕获的相应图像相比，对像差更不敏感。调相元件的如上使用包括，例如，波前编码，其可用于，例如增加成像系统10的景深和/或执行连续的可变放大。

假如目前，一个或多个调相元件通过选择性地调整电磁能18的波前相位，对穿过光学器件12的电磁能18的波前在被探测器16检测到之前进行编码。例如，由探测器16捕获的结果图像可显示出成像效应作为波前编码的结果。在对上述成像效应不敏感的应用中，例如当图像将要被机器分析时，由探测器16捕获的图像(包括成像效应)可在无需进一步处理的情况下被使用。然而，如果想得到焦点对准的图像，所捕获的图像可以由执行解码算法(有时本文称作“后处理”或者“滤波”)的处理器(未示出)进一步处理。

图2B是成像系统20的截面图，成像系统20是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统20包括光学器件22，其是成像系统10的光学器件12的一个实施例。光学器件22包括形成在光学器件-探测器接口14上的多个叠置的光学元件24；因此，光学器件22可看作是不均匀的(non-homogenous)或多折射率(multi-index)光学元件的例子。每个叠置的光学元件24直接邻接至少一个另外的叠置的光学元件24。虽然光学器件22被描述为具有七个叠置的光学元件24，但是光学器件22也可具有不同数量的叠置的光学元件24。特别地，叠置的光学元件24(7)形成在光学器件-探测器接口14上；叠置的光学元件24(6)形成在叠置的光学元件24(7)上；叠置的光学元件24(5)形成在叠置的光学元件24(6)上；叠置的光学元件24(4)形成在叠置的光学元件24(5)上；叠置的光学元件24(3)形成在叠置的光学元件24(4)上；叠置的光学元件24(2)形成在叠置的光学元件24(3)上；叠置的光学元件24(1)形成在叠置的光学元件24(2)上。叠置的光学元件24可通过对例如紫外线固化聚合物或者热固性聚合物进行模制而制成。叠置的光学元件的制造在下面的进一步描述中进行论述。

相邻的叠置的光学元件24具有不同的折射率；例如，叠置的光学元件24(1)具有与叠置的光学元件24(2)不同的折射率。在光学器件22的实施例中，为了减小成像系统20的彩色像差，第一叠置的光学元件24(1)具有比第二叠置的光学元件24(2)更大的Abbe数值或者更小的色散。抗反射涂层由形成有效折射率层或者亚波长厚度的多个层的亚波长部件制成，并且可应用在相邻的光学元件之间。或者，具有第三折射率的第三材料可应用在相邻光学元件之间。使用具有不同折射率的两种不同材料在图2B中示出：从左到右向上延伸的剖面线指出了第一材料，从左到右向下延伸的剖面线指出了第二材料。因此，在本实施例中，叠置的光学元件24(1)、24(3)、24(5)和24(7)由第一材料形成，而叠置的光学元件24(2)、24(4)、24(6)和24(8)由第二材料形成。

虽然在图2B中示出叠置的光学元件由两种材料形成，但是叠置的光学元件24也可由两种以上材料形成。用于形成叠置的光学元件24的材料数量的减少可降低成像系统20的复杂性和/或成本；然而用于形成叠置的光学元件24的材料数量的增大可增加成像系统20的性能和/或成像系统20的设计灵活性。例如，在成像系统20的实施例中，包括轴向颜色的像差可通过增加用于形成叠置的光学元件24的材料数量而降低。

光学器件22可包括一个或多个物理孔径(未示出)。例如，这些孔径可放置在光学器件22的平坦表面26(1)和26(2)上。优选地，孔径可放置在一个或多个叠置的光学元件24上；例如，孔径可放置在使叠置的光学元件24(2)和24(3)分开的平坦表面28(1)和28(2)上。为了举例，孔径可通过在特定的叠置的光学元件24上低温沉积金属或者其它不透明材料而形成。在另一个例子中，孔径可使用光刻形成在薄金属片上，并且该金属片随后被放置在叠置的光学元件24上。

图3是成像系统62的阵列60的截面图，其中每个成像系统例如是图2A的成像系统10的一个实施例。虽然阵列60被示出具有五个成像系统62，但是阵列60能够具有不同数量的成像系统62而不偏离此处的范围。进一步，虽然阵列60的每个成像系统62被示出是相同的，但是阵列60的每个成像系统62也可以是不同的(或者任何一个可以是不同的)。阵列60可再一次被分开以产生子阵列和/或一个或多个孤立的成像系统62。虽然阵列60表示了成像系统62的均匀间隔的组，但是可以注意到可以使一个或多个成像系统62没有形成，从而留下无光学器件的一个区域。

断开(breakout)64表示了一个成像系统62的实例的封闭视图。成像系统62包括光学器件66，光学器件66是在探测器16上制造的光学器件12的一个实施例。探测器16包括探测器像素78，其没有按比例绘制-为了清楚地示出，探测器像素78的尺寸被放大了。探测器78的截面很可能具有至少几百个探测器像素。

光学器件66包括多个叠置的光学元件68，其可与图2B的叠置的光学元件24类似。叠置的光学元件68被示出由两种不同的材料形成，而两种不同的材料由两种不同类型的剖面线指出；然而，叠置的光学元件68可由两种以上材料形成。应当注意到，在此实施例中，叠置的光学元件68的直径随着从探测器16到叠置的光学元件68的距离的增大而减小。因此，叠置的光学元件68(7)具有最大的直径，而叠置的光学元件68(1)具有最小的直径。叠置的光学元件68的上述配置可被称为“多层蛋糕”配置；上述配置可方便地用在成像系统中以降低叠置的光学器件和用于制造叠置的光学元件的结构主体之间的表面区域的数量，如下文描述。叠置的光学元件和结构主体之间的大量表面区域接触是不期望出现的，因为当脱离结构主体时，用于形成叠置的光学元件的材料可能粘附在结构主体上，潜在地从公共底座(如衬底或支撑探测器阵列的晶片)撕掉叠置的光学器件的阵列。

光学器件66包括通光孔径72，电磁能穿过其传输而到达探测器16；如图所示，通光孔径在这个例子中是由放置在光学元件68(1)上的物理孔径70形成的。光学器件66在通光孔径72外部的区域由参考标记74表示并且可被称为“庭院(yards)”——电磁能(例如图1中的18)由于孔径70而被禁止传输穿过该庭院。区域74没有用来对入射的电磁能进行成像并且因此能够适于符合设计要求。类似于孔径70的物理孔径被放置在任何一个叠置的光学元件68上，并且可如参照图2B所描述的那样形成。光学器件62的侧面可以涂覆有防止光学器件受到物理伤害或灰尘污染的不透明保护层；保护层也将防止散射或者环境光到达探测器，例如由于从叠置的光学元件68(2)和68(3)的界面的多次反射而形成的散射光，或者从光学器件62的侧面泄漏穿过的环境光。

在一个实施例中，在成像系统62之间的间隔76被填充材料填满，例如旋涂聚合物。填充材料例如放置在间隔76内，并且阵列60之后高速旋转以便于填充材料均匀地分布在间隔76中。填充材料为成像系统10提供支撑和硬度；如果填充材料是不透明的，那么在分开后它可以使每个成像系统62与不期望的(散射或者环境)电磁能隔离。

图4是包括(未按照比例)探测器像素78的图3的成像系统62的一种情况的截面图。图4包括一个探测器像素78的放大截面图。探测器像素78包括掩埋式光学元件90和92、光敏区域94和金属互连96。光敏区域94根据入射到其上的电磁能而产生电子信号。掩埋式光学元件90和92指引入射到表面98上的电磁能到达光敏区域94。在一个实施例中，掩埋式光学元件90和/或92可进一步配置为执行如下所述的主射线角校正。电互连96被电连接到光敏区域94并且作为电互连点用于将探测器像素78连接到外部子系统(例如图1的处理器46)。

在此讨论了成像系统10的多个实施例，表1和2概述了所述实施例的多个参数。直接在此后详细讨论每个实施例的细节。

表1

表2

图5是成像系统110的光学设计和光线轨迹图，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统110也是一个阵列成像系统；上述阵列可被分成多个子阵列和/或孤立的成像系统，如上述参照图2A和图4所讨论的。在下文中成像系统110可被称为“VGA成像系统”。VGA成像系统包括与探测器112光通信的光学器件114。光学器件-探测器接口(未示出)也在光学器件114和探测器112之间出现。VGA成像系统具有1.5毫米(“mm”)的焦距、62°的视场、1.3的F/#、2.5mm的总轨迹长度以及31°的最大主射线角。剖面线区域显示出电磁能穿过其无法传播的庭院区域或者在通光孔径外部的区域，如之前所述。

探测器112具有“VGA”格式，这表明探测器112包括640列和480行的探测器像素阵列(未示出)。因此，探测器可被称为具有640×480的分辨率。当从入射的电磁能的方向观察时，每个探测器像素一般具有正方形的形状，每个边长为2.2毫米。探测器112具有1.408mm的标称宽度和1.056mm的标称高度。横穿与光学器件14最近的探测器112表面的对角线距离是1.76mm的标称长度。

光学器件114具有七个叠置的光学元件116。叠置的光学元件116由两种不同材料形成并且相邻的叠置的光学元件由不同材料形成。叠置的光学元件116(1)、116(3)、116(5)和116(7)由具有第一折射率的第一材料形成，并且叠置的光学元件116(2)、116(4)和116(6)由具有第二折射率的第二材料形成。在光学器件114的实施例中光学元件之间不存在空气间隙。光线118表示由VGA成像系统成像的电磁能；假设光线118来源于无穷远。sag的方程式由方程式(1)给出，并且表3和4中概述了光学器件114的规格，其半径、厚度和直径使用毫米单位给出。

$\mathrm{Sag}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=2n}{\mathrm{\Σ}}{A}_i{r}^i,$                         方程式(1)

其中

n＝1，2，......，8；

$r=\sqrt{x^2+y^2};$

c＝1/半径；

k＝二次曲线；

直径＝2×max(r)；并且

A_i＝非球面系数。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	0.8531869	0.2778449	1.370	92.00	1.21	0
							3	0.7026177	0.4992371	1.620	32.00	1.192312	0
4	0.5827148	0.1476905	1.370	92.00	1.089324	0
							5	1.07797	0.3685015	1.620	32.00	1.07513	0
6	2.012126	0.6051814	1.370	92.00	1.208095	0
							7	-0.93657	0.1480326	1.620	32.00	1.284121	0
8	4.371518	0.1848199	1.370	92.00	1.712286	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.82	1.772066	0

表3

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2(光圈)	0	0.2200	-0.4457	0.6385	-0.1168	0	0	0
									3	0	-1.103	0.1747	0.5534	-4.640	0	0	0
4	0.3551	-2.624	-5.929	30.30	-63.79	0	0	0
									5	0.8519	-0.9265	-1.117	-1.843	-54.39	0	0	0
6	0	1.063	11.11	-73.31	109.1	0	0	0
									7	0	-7.291	39.95	-106.0	116.4	0	0	0
8	0.5467	-0.6080	-3.590	10.31	-7.759	0	0

表4

从图5中可看到，叠置的光学元件116(1)和116(2)之间的表面113相对较浅(导致低的光功率)；上述浅表面如下所述采用STS方法方便地产生。相反地，可看到叠置的光学元件116(5)和116(6)之间的表面124相对较陡(导致高的光功率)；上述陡表面如下所述采用XYZ铣削方法方便地产生。

图6是从类似的成像系统的阵列分开而获得的图5的VGA成像系统的截面图。相对较直的边146指示了已经从阵列成像系统中分开的VGA成像系统。图6示出了具有多个探测器像素140的探测器112。如图3，探测器像素140没有按比例绘制—为了清楚地示出，它们的尺寸被放大了。进一步，仅有三个探测器像素140被按顺序标注以提高描述的清楚性。

光学器件114使用对应于光学器件114一部分的通光孔径142来示出，电磁能穿过该部分传输而到达探测器112。在通光孔径142外侧的庭院144在图6中由深色剖面线指出。为了提高描述的清楚性，在图6中仅描述了两个探测器像素。VGA成像系统可包括例如放置在叠置的光学元件116(1)上的物理孔径146。

图7-10示出了VGA成像系统的性能图。图7示出了调制传递函数(“MTF”)图160作为VGA成像系统的空间频率函数。MTF曲线平均超过470到650纳米(“nm”)波长。图7示出了与探测器112的对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点(field points)的MTF曲线：三个场点分别是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点、以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图7中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。

图8A-8C分别示出了VGA成像系统的光程差或者波前误差的图182、184和186。每个方向的最大尺寸是+/-五个波长。实线表示具有470nm波长(蓝光)的电磁能。短虚线表示具有550nm波长(绿光)的电磁能。长虚线表示具有650nm波长(红光)的电磁能。每对图表示在探测器112的对角线上不同的实像高度的光程差。图182对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图184对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图186对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图182、184和186中，左列是光线的切向集合的波前误差图，而右列是光线的径向集合的波前误差图。

图9A和9B分别显示了VGA成像系统的畸变图200和场曲图202。最大的半场角是31.101°。实线对应于具有470nm波长的电磁能；短虚线对应于具有550nm波长的电磁能；并且长虚线对应于具有650nm波长的电磁能。

图10显示了作为VGA成像系统的空间频率函数的MTF图250，其中考虑了光学器件114的光学元件的中心公差和厚度。图250包括在蒙特卡洛(Monte Carlo)公差分析上运行产生的轴上场点、0.7场点和全场点的切向及径向场MTF曲线。光学器件114的光学元件的中心公差和厚度假设具有在+2和-2微米之间取样的正态分布并且在图5中进行了描述。因此，期望成像系统110的MTF受曲线252和254的制约。

 

参数	x和y的表面偏离(mm)	x和y的表面倾斜(度)	元件的厚度变化(mm)
				值	±0.002	±0.01	±0.002

表5

图11是成像系统300的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统的一个实施例。成像系统300可以是一个阵列成像系统；上述阵列根据关于图2A的描述可分成多个子阵列和/或孤立的成像系统。成像系统300此后可称为“3MP成像系统”。3MP成像系统包括探测器302和光学器件304。光学器件-探测器接口(未示出)也在光学器件304和探测器302之间出现。3MP成像系统具有4.9毫米的焦距、60°的视场、2.0的F/#、6.3mm的总轨迹长度以及28.5°的最大主射线角。剖面线区域显示了如前所述电磁能通过其无法进行传播的庭院区域(即通光孔径外侧的区域)。

探测器302具有三兆像素“3MP”格式，这意味着它包括2048列和1536行的探测器像素矩阵(未示出)。因此，探测器302可被称为具有2048×1536的分辨率，其显著高于图5的探测器112的分辨率。每个探测器像素具有正方形的形状，每个边长为2.2毫米。探测器112具有4.5mm的标称宽度和3.38mm的标称高度。横穿与光学器件304最近的探测器302表面的对角线距离标称上是5.62mm。

光学器件304在叠置的光学元件306内具有四层光学元件并且在叠置的光学元件309内具有五层光学元件。叠置的光学元件306由两种不同的材料形成，并且相邻的光学元件由不同材料形成。特别地，叠置的光学元件306(1)和306(3)由具有第一折射率的第一材料形成；叠置的光学元件306(2)和306(4)由具有第二折射率的第二材料形成。叠置的光学元件309由两种不同的材料形成，并且相邻的光学元件由不同材料形成。特别地，叠置的光学元件309(1)、309(3)和309(5)由具有第一折射率的第一材料形成；叠置的光学元件309(2)和309(4)由具有第二折射率的第二材料形成。进一步，光学器件304包括中间的公共底座314(如由玻璃板形成)，在光学器件304中共同形成空气间隙312。一个空气间隙312由光学元件306(4)和公共底座314限定，并且另一个空气间隙由公共底座314和光学元件309(1)限定。空气间隙312有利地增大了光学器件304的光功率。光线308表示了由3MP成像系统成像的电磁能；假设光线308来自于无穷远。sag的方程式由方程式(1)给出。表6和7概述了光学器件304的规格，其半径、厚度和直径使用毫米单位给出。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	1.646978	0.7431315	1.370	92.000	2.5	0
							3	2.97575	0.5756877	1.620	32.000	2.454056	0
4	1.855751	1.06786	1.370	92.000	2.291633	0
							5	3.479259	0.2	1.620	32.000	2.390627	0
6	9.857028	0.059	空气		2.418568	0
							7	无穷大	0.2	1.520	64.200	2.420774	0
8	无穷大	0.23	空气		2.462989	0
							9	-9.140551	1.418134	1.620	32.000	2.474236	0
10	-3.892207	0.2	1.370	92.000	3.420696	0
							11	-3.874526	0.1	1.620	32.000	3.557525	0
12	3.712696	1.04	1.370	92.000	4.251807	0
							13	-2.743629	0.4709611	1.620	32.000	4.323436	0
图像	无穷大	0	1.458	67.820	5.718294	0

表6

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2(光圈)	0	-1.746×10-3	1.419×10-3	-1.244×10-3	0	0	0	0
									3	0	-1.517×10-2	-2.777×10-3	7.544×10-3	0	0	0	0
4	-0.1162	1.292×10-2	-3.760×10-2	5.075×10-2	0	0	0	0
									5	0	-4.789×10-2	-2.327×10-3	-6.977×10-3	0	0	0	0
6	0	-7.803×10-3	-3.196×10-3	9.558×10-4	0	0	0	0
									7	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9	0	-3.542×10-2	-4.762×10-3	-1.991×10-3	0	0	0	0
10	0	2.230×10-2	-1.528×10-2	2.399×10-3	0	0	0	0
									11	0	-1.410×10-2	1.866×10-3	6.690×10-4	0	0	0	0
12	0	-1.908×10-2	-2.251×10-3	4.750×10-4	0	0	0	0
									13	0	-4.800×10-4	1.650×10-3	3.881×10-4	0	0	0	0

表7

图12是将类似的成像系统的阵列分开而获得的图11的3MP成像系统的截面图(相对较直的边336指示了3MP成像系统已经分开)。图12示出了具有多个探测器像素330的探测器302。如图3，探测器像素330没有按比例绘制-为了清楚示出，它们的尺寸被放大了。进一步，仅有三个探测器像素330被按顺序标注以提高描述的清楚性。

为了提高描述的清楚性，叠置的光学元件306和309中的每一个仅有一个光学元件在图12中描述。光学元件304还具有与光学器件304的以下部分对应的通光孔径332，其中，电磁能穿过光学器件304的该部分传输而到达探测器302。通光孔径332外部的庭院334由图12中的深色阴影指示。3MP成像系统可包括放置在叠置的光学元件306(1)上的物理孔径338，例如，虽然这些孔径可被放置在其它地方(例如相邻的一个或多个其它叠置的光学元件306)。孔径可根据关于图2B的描述而形成。

图13-16显示了3MP成像系统的性能图。图13是作为3MP成像系统的空间频率函数的MTF模的图350。MTF曲线平均超过470到650nm的波长。图13示出了与探测器302对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(1.58mm，1.18mm)的0.7场点、以及一个具有坐标(2.25mm，1.69mm)的全场点。在图13中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。

图14A、14B和14C分别示出了3MP成像系统的光程差的图362、364和366。每个方向的最大尺寸是+/-五个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。每对图表示在探测器302的对角线上不同的实像高度的光程差。图362对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图364对应于具有坐标(1.58mm，1.18mm)的0.7场点；并且图366对应于具有坐标(2.25mm，1.69mm)的全场点。在图362、364和366中，左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图15A和15B分别显示了3MP成像系统的畸变图380和场曲图382。最大的半场角是30.063°。实线对应于具有470nm波长的电磁能；短虚线对应于具有550nm波长的电磁能；并且长虚线对应于具有650nm波长的电磁能。

图16显示了作为3MP成像系统的空间频率函数的MTF图400，其中考虑了光学器件304的光学元件的中心公差和厚度。图400包括在蒙特卡洛(Monte Carlo)公差分析上运行产生的轴上场点、0.7场点和全场点的切向及径向场MTF曲线，具有+2和-2微米之间取样的正态分布。轴上场点具有坐标(0mm，0mm)；0.7场点具有坐标(1.58mm，1.18mm)；全场点具有坐标(2.25mm，1.69mm)。假设光学器件304的光学元件的中心公差和厚度具有图16的蒙特卡洛运行的正态分布。因此，期望成像系统300的MTF受曲线402和404的制约。

图17是成像系统420的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统的一个实施例。成像系统420与图5的VGA成像系统不同之处在于，成像系统420包括执行预定的相位调节的调相元件，例如波前编码。成像系统420此后可被称为VGA_WFC成像系统，其中“WFC”表示波前编码。波前编码是指在成像系统中引入预定的相位调节以获得多个有益效果的技术，例如像差降低和扩大的景深。例如，Cathey，Jr.等人的美国专利号5,748,371(此后称为’371专利)公开了嵌入到成像系统中用于扩大成像系统景深的调相元件。例如，成像系统可用于将通过成像光学器件和调相元件的物成像到探测器上。调相元件可配置成将来自物的电磁能的波前进行编码，从而将预定的成像效应引入到探测器上的结果图像中。这个图像效应受到调相元件的控制，以致于，与没有上述调相元件的传统成像系统相比，降低了与离焦相关的像差和/或扩大了成像系统的景深。调相元件可被配置为例如引入这样的相位调节，即该相位调节是调相元件表面所在平面中空间变量x和y的可分离的立方函数(如’371专利中所述)。上述预定相位调节的引入在本公开的上下文中指的是波前编码。

VGA_WFC成像系统具有1.60mm的焦距、62°的视场、1.3的F/#、2.25mm的总轨迹长度以及31°的最大主射线角。如前所述，剖面线区域显示了电磁能通过其无法传播的庭院区域或通光孔径外侧的区域。

VGA_WFC成像系统包括具有七元件叠置的光学元件117的光学器件424。光学器件424包括光学元件116(1’)，其包括预定的相位调节。即，光学元件116(1’)的表面432形成为使得光学元件116(1’)额外起到用于执行预定相位调节以扩大VGA_WFC成像系统景深的调相元件的作用。光线428表示由VGA_WFC成像系统成像的电磁能；假设光线428来自于无穷远。光学器件424的sag可使用方程式(2)和方程式(3)表示出。表8-11中概述了光学器件424的细节，其半径、厚度和直径使用毫米单位给出。

$\mathrm{Sag}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=2n}{\mathrm{\Σ}}{A}_i{r}^i+\mathrm{Amp}*\mathrm{OctSag},$             方程式(2)

其中

Amp＝oct形式的振幅

并且

$\mathrm{OctSag}\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{d}^{{\mathrm{\β}}_i}+C{d}^N,$                           方程式(3)

其中

$r=\sqrt{x^2+y^2};$

对所有的区域，-π≤θ≤π， $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{Y}{X}\right);$

区域1： $(\frac{-\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{8})\&cup;(\left|\mathrm{\&theta;}\right|\&GreaterEqual;\frac{7\mathrm{\&pi;}}{8});$

区域2： $(\frac{\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{3\mathrm{\&pi;}}{8})\&cup;(\frac{-7\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{-5\mathrm{\&pi;}}{8});$

区域3： $(\frac{3\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{5\mathrm{\&pi;}}{8})\&cup;(\frac{-5\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{-3\mathrm{\&pi;}}{8});$

区域4： $(\frac{5\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{7\mathrm{\&pi;}}{8})\&cup;(\frac{-3\mathrm{\&pi;}}{8}<\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{-\mathrm{\&pi;}}{8});$

并且

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	0.8531869	0.2778449	1.370	92.00	1.21	0
							3	0.7026177	0.4992371	1.620	32.00	1.188751	0
4	0.5827148	0.1476905	1.370	92.00	1.078165	0
							5	1.07797	0.3685015	1.620	32.00	1.05661	0
6	2.012126	0.6051814	1.370	92.00	1.142809	0
							7	-0.93657	0.1480326	1.620	32.00	1.186191	0
8	4.371518	0.2153112	1.370	92.00	1.655702	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.82	1.814248	0

表8

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0	0	0
2(光圈)	-0.01707	0.2018	-0.2489	0.6059	-0.3912	0	0	0
									3	0.000	-1.103	0.1747	0.5534	-4.640	0	0	0
4	0.3551	-2.624	-5.929	30.30	-63.79	0	0	0
									5	0.8519	-0.9265	-1.117	-1.843	-54.39	0	0	0
6	0.000	1.063	11.11	-73.31	109.1	0	0	0
									7	0.000	-7.291	39.95	-106.0	116.4	0	0	0
8	0.5467	-0.6080	-3.590	10.31	-7.759	0	0	0

表9

 

表面#	Amp	C	N	RO	NR
						2(光圈)	0.34856×10-3	-227.67	10.613	0.48877	0.605

表10

 

α	1.0127	6.6221	4.161	-16.5618	-20.381	-14.766	-5.698	46.167	200.785
										β	1	2	3	4	5	6	7	8	9

表11

图18显示了作为叠置的光学元件116(1’)的X坐标和Y坐标的函数的叠置的光学元件116(1’)的表面432的轮廓图440。使用实线442表示轮廓；该轮廓表示表面432的高度变量的对数。因此表面432是多面的，如虚线444所示，为了清楚地示出仅描述了其中之一。表面432的一个示范性的描述由方程式(3)给出，对应的参数在图18中示出。

图19是使叠置的成像系统中分开而获得的图17的VGA_WFC成像系统的透视图。图19没有按比例绘制；特别是，为了示出在表面432上实施的调相表面，光学元件116(1’)的表面432的轮廓被放大。应当注意，层432形成了成像系统的孔径。

图20-27比较了VGA_WFC成像系统与图5的VGA成像系统的性能。如上所述，VGA_WFC成像系统与VGA成像系统不同之处在于，VGA_WFC成像系统包括用于执行预定的相位调节的调相元件，其将扩大成像系统的景深。特别是，图20A和20B分别显示了图450和452，并且图21显示了在VGA成像系统的多个物共轭处作为空间频率的函数的MTF图454。图450对应于距离无穷远的物共轭；图452对应于距VGA成像系统20厘米(“cm”)的物共轭；并且图454对应于距VGA成像系统10cm的物共轭。物共轭距离是距成像系统的第一光学元件(如光学元件116(1)和/或116(1’))的距离。MTF平均超过470nm到650nm的波长。图20A、20B和21表明VGA成像系统对于位于无穷远的物性能最好，因为它被设计用于无穷远物共轭距离；图452和454的MTF曲线的量值减小表明，随着物越来越接近VGA成像系统，由于存在产生模糊图像的散焦，从而VGA成像系统的性能降低。进一步，如在图454中可看到的，VGA成像系统的MTF在某些情况下可降低为零；当MTF达到零时图像信息丢失。

图22A和22B分别显示了图470和472，并且图23显示了作为VGA_WFC成像系统的空间频率的函数的MTF图474。图470对应于无穷远的物共轭距离；图472对应于20cm的物共轭距离；图474对应于10cm的物共轭距离。MTF平均超过470到650nm的波长。

图470、472和474包括VGA_WFC成像系统的MTF曲线，VGA_WFC成像系统对由VGA_WFC成像系统产生的电子数据进行或者不进行后处理。特别是，图470包括没有滤波的MTF曲线476；图472包括没有滤波的MTF曲线478；并且图474包括没有滤波的MTF曲线480。通过将图22A、22B和23与图20A、20B和21进行比较可知，在无穷远的物距处，VGA_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线与VGA成像系统的MTF曲线相比，通常量值更小。然而，VGA_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线有利地不达到零值；因此，VGA_WFC成像系统可在物共轭距离近达10cm处工作而不损失图像数据。进一步，即使在物共轭距离变化时，VGA_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线也是类似的。MTF曲线中的上述相似性允许由执行一个编码算法的处理器(未示出)使用单个的滤波器核心，如此后在合适的接合点处所要论述的。

如上文对图2A的成像系统10的描述，由调相元件(即光学元件116(1’))引入的编码可由执行解码算法的处理器(未示出)来处理，从而VGA_WFC成像系统比没有进行上述后处理的成像系统产生更清晰的图像。滤波MTF曲线482、484和486表示进行了该后处理的VGA_WFC成像系统的性能。通过将图22A、22B和23与图20A、20B和21进行比较可知，在物共轭距离的范围之外，进行了后处理的VGA_WFC成像系统比VGA成像系统性能更好。因此，VGA_WFC的景深比VGA的景深大。

图24示出了作为VGA成像系统的散焦函数的MTF图500。图500包括与探测器112的实像高度相关联的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、在y上具有坐标(0.704mm，0mm)的全场点，以及在x上具有坐标(0mm，0.528mm)的全场点。在图24中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。轴在MTF502大概在±25微米处达到零。

图25显示了作为VGA_WFC成像系统的散焦的函数的MTF图520。图520与图500同样包括三个不同场点的MTF曲线。轴上MTF522大概在±50微米处达到零；因此，VGA_WFC成像系统具有大约为VGA成像系统的景深两倍的景深。

图26A、26B和26C显示了VGA_WFC成像系统滤波之前的点扩展函数(“PSF”)图。图540对应于无穷远的物共轭距离；图542对应于20cm的物共轭距离；并且图544对应于10cm的物共轭距离。

图27A、27B和27C显示了VGA_WFC成像系统由执行解码算法的处理器(未示出)滤波后的轴上PSF图，该处理器例如为图1的处理器46。该滤波将在下文中参考图28进行讨论。图560对应于无穷远的物共轭距离；图562对应于20cm的物共轭距离；图564对应于10cm的物共轭距离。通过比较图560、562和564，滤波后的PSF比滤波浅的PSF更紧凑。由于使用了相同的滤波器核心为示出的物共轭进行PSF的后处理，已滤波的PSF彼此略有不同。可给每个物共轭使用特别设计的滤波器核心来执行PSF的后处理，在这种情况下每个物共轭的PSF彼此可被制造地更类似。

图28A以图示说明了并且图28B以表格说明了在VGA_WFC成像系统中可以使用的滤波器核心。该滤波器核心可由执行解码算法的处理器使用，以移除由调相元件(如光学元件116(1’)的相位调节表面)引入的成像效应。图580是滤波器核心的三维图，并且表12中概述了滤波系数值。滤波器核心是9×9元件。滤波器被设计用于轴上无限远的物共轭距离PSF。

图29是成像系统600的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统10的一个实施例。如下所述，成像系统600类似于图5的VGA成像系统。成像系统600可以是阵列成像系统中的一个；如参考图2A所述，该阵列可被分成多个子阵列和/或孤立的成像系统。成像系统600在此后被称为VGA_AF成像系统。与前面相同，剖面线区域显示了电磁能穿过其无法传播的庭院区域或通光孔径外侧的区域。光学器件604的sag由方程式(1)给出。表12-14中概述了光学器件604的示范性说明。半径和直径的单位是毫米。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	无穷大	0.06	1.430	60.000	1.6	0
								无穷大	0.2	1.526	62.545	1.6	0
4	无穷大	0.05	空气		1.6	0
							光圈	0.8414661	0.3366751	1.370	92.000	1.21	0
6	0.7257141	0.4340219	1.620	32.000	1.184922	0
							7	0.6002909	0.2037323	1.370	92.000	1.103418	0
8	1.128762	0.3617095	1.620	32.000	1.082999	0
							9	1.872443	0.65	1.370	92.000	1.263734	0
10	-6.776813	0.03803262	1.620	32.000	1.337634	0
							11	2.223674	0.2159973	1.370	92.000	1.709311	0
图像	无穷大	0	1.458	67.820	1.793165	0

表12

应当注意，表面2和A2的厚度随物距而变化，如表13中所示。

 

物距(mm)	无穷大	400	100
				表面2的厚度(mm)	0.06	0.0619	0.063
A2	0.04	0.0429	0.0493

表13

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0.040	0	0	0	0	0	0	0
									3	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0	0	0
									5(光圈)	0	0.2153	-0.4558	0.5998	0.01651	0	0	0
6	0	-1.302	0.3804	0.2710	-3.341	0	0	0
									7	0.3325	-2.274	-5.859	25.50	-50.31	0	0	0
8	0.7246	-0.5474	-1.793	0.6142	-70.88	0	0	0
									9	0	1.017	9.634	-62.33	81.79	0	0	0
10	0	-11.69	56.16	-115.0	85.75	0	0	0
									11	0.6961	-2.400	0.5905	6.770	-7.627	0	0	0

表14

成像系统600包括探测器112和光学器件604。光学器件604包括形成在公共底座614和叠置的光学元件607上的可变光学器件616。公共底座614(如玻璃板)和光学元件607(1)在光学器件604中形成空气间隙612。光学器件-探测器接口(未示出)也存在于光学器件604和探测器602之间。探测器112具有VGA格式。因此，VGA_AF成像系统结构与图5的VGA成像系统结构的不同之处在于，VGA_AF成像系统与VGA成像系统相比具有略微不同的规格，并且VGA_AF成像系统进一步包括形成在公共底座614上的可变光学器件616，其通过空气间隙612与叠置的光学元件607(1)分开。VGA_AF成像系统具有1.50毫米的焦距、62°的视场、1.3的F/#、2.25mm的总轨迹长度以及31°的最大主射线角。光线608表示了由VGA_AF成像系统成像的电磁能；假设光线608来自于无穷远。

在VGA_AF成像系统中可变光学元件616的焦距可对散焦进行部分或者全部校正。例如，可变光学器件616的焦距可针对不同的物距调节成像系统600的焦点。在一个实施例中，使用VGA_AF成像系统手动调节可变光学器件616的焦距；在另一个实施例中，VGA_AF成像系统自动改变可变光学器件616的焦距来校正像差，在此例如散焦。

在一个实施例中，在公共底座614上放置的可变光学器件616由具有足够大的热膨胀系数的材料形成。可变光学器件616的焦距可通过改变材料温度、使得材料膨胀或收缩而改变；该膨胀或收缩导致由该材料形成的光学元件改变焦距。可使用电子加热元件改变材料的温度，其可能形成于庭院区域中。加热元件可由包围着可变光学器件616边缘的多晶硅材料环形成。在一个实施例中，加热器具有1.6mm的外径(“ID”)，2.6mm的外径(“OD”)以及0.6435mm的厚度。包围着可变光学器件616的加热器，其由聚硅氧烷形成并且具有1.6mm的OD、0.645mm的边缘厚度(“ET”)以及大于0.645mm的中心厚度(“CT”)，因此形成正光学元件。多晶硅具有大约700J/Kg·K的热容量、大约6.4e2ΩM的电阻以及大约2.6×10^-6/K的CTE。PDMS具有大约3.1×10^-4/K的CTE。

假设多晶硅加热环的膨胀与PDMS可变光学器件相比是可以忽略的，那么体积膨胀以类似活塞的方式得到抑制。PDMS粘附到底部玻璃上，环的ID因此而收缩。因此，顶部表面的曲率由聚合物的膨胀直接控制。Sag的变化被定义为Δh＝3αh，其中h是初始sag(CT)值并且α是线性膨胀系数。对于上述的PDMS光学元件的尺寸，10℃的温度变化将产生6毫米的sag变化量。由于仅假设了轴向膨胀，而材料的模量将抑制运动并且改变表面曲率且由此改变光功率。所以计算可提供多达33％的过高估计(如圆柱形体积πr³与球形体积0.66πr³相比)，

对于由多晶硅形成的加热器环的一个实施例来说，大约每1秒钟0.3微安的电流足以提高10°的环温度。之后假设大多数热量传导到聚合物光学元件中，该热流驱动膨胀。其它热量将在传导和辐射中损失，但是环可安装在200微米的玻璃衬底(例如公共底座614)上并且进一步隔离热量以最小化传导。其它加热器环可由在厚膜或薄膜电阻的制造中使用的材料和工艺形成。或者，聚合物光学元件可从顶部或底部表面通过如氧化铟锡(“ITO”)的透明阻挡层来加热。进一步，对于合适的聚合物而言，电流可以直接穿过聚合物本身。在其它实施例中，可变光学器件616包括液态透镜或者液晶透镜。

图30是使阵列成像系统分开而获得的图29的VGA_AF成像系统的截面图。相对较直的一侧630指的是已经与阵列成像系统分开的VGA_AF成像系统。为了提高描述的清楚性，在图30中仅描述了两个叠置光学元件116。间隔632用来分开叠置的光学器件116(1)和公共底座614以形成空气间隙612。

光学器件604形成对应于光学器件604一部分的通光孔径634，电磁能穿过该部分传输而到达探测器112。通光孔径634外侧的庭院636由图30中的深色阴影示出。

图31-39对VGA_AF成像系统的性能与图5的VGA成像系统进行了比较。如上所述，VGA_AF成像系统与VGA成像系统不同之处在于，VGA_AF成像系统具有略微不同的规格并且包括形成在光学公共底座614上并且与叠置的光学元件616通过空气间隙612分开的可变光学器件616。特别是，图31-33显示了作为VGA和VGA_AF成像系统的空间频率函数的MTF图。MTF平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112的对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF图；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图31A、31B、32A、32B、33A和33B中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图31A和31B显示了在无穷远的物共轭距离处的MTF曲线图650和652；图650对应于VGA成像系统并且图652对应于VGA_AF成像系统。图650和652的比较显示出VGA成像系统和VGA_AF成像系统在无穷远的物共轭距离处性能类似。

图32A和32B分别显示了在40cm的物共轭距离处的MTF曲线图654和656；图654对应于VGA成像系统并且图656对应于VGA_AF成像系统。类似地，图33A和33B分别包括在10cm的物共轭距离处的MTF曲线图658和660；图658对应于VGA成像系统并且图660对应于VGA_AF成像系统。图31A及31B与33A及33B的比较显示出，当物共轭距离降低时，VGA成像系统的性能降低；然而，由于在VGA_AF成像系统中包括可变光学镜616，因此VGA_AF成像系统的性能在10cm到无穷远的物共轭距离范围内保持相对恒定。进而，正如从图658所看到的那样，与VGA_AF成像系统相反，VGA成像系统的MTF在很小的物共轭距离下可降低到零，从而导致图像信息损失。

图34-36显示了VGA成像系统的横向光线扇面图，并且图37-39显示了VGA_AF成像系统的横向光线扇面图。在图34-39中，最大刻度是+/-20微米。实线对应于470nm波长；短虚线对应于550nm波长；长虚线对应于650nm波长。特别是，图34-36包括对应于无穷远(图682、684和686)、40cm(图702、704和706)以及10cm(图722、724和726)的共轭物距处的VGA成像系统的图。图37-39包括对应于无穷远(图742、744和746)、40cm(图762、764和766)以及10cm(图782、784和786)的共轭物距处的VGA_AF成像系统的图。图682、702、722、742、762和782对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点，图684、704、724、744、764和784对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点，并且图686、706、726、746、766和786对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在每对图中，左列显示了切向光线扇面，并且右列显示了径向光线扇面。

图34-36的比较显示了作为物共轭距离的函数而变化的光线扇面图；特别是，图36A-36C的光线扇面图，其对应于10cm的物共轭距离，明显不同于图34A-34C的光线图，其对应于无穷远的物共轭距离。因此，VGA成像系统的性能作为物共轭距离的函数明显变化。相反，图37-39的对比显示了VGA_AF成像系统的光线扇面图随无穷远到10cm的物共轭距离的改变而变化很小；因此，VGA_AF成像系统的性能随无穷远到10cm的物共轭距离的改变而变化很小。

图42是成像系统800的布局截面图，成像系统800是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统800是阵列成像系统中的一个；正如根据图2A描述的那样，上述阵列可分为多个子阵列和/或孤立的成像系统。成像系统800包括VGA格式的探测器112和光学器件802。成像系统800此后可称为VGA_W成像系统。“W”是指VGA_W成像系统的部分是使用下面要讨论的晶片级光学器件(“WALO”)制造技术来制造的。在本公开的上下文中，“WALO型光学器件”指的是在一个公共底座上分布的两个或多个光学器件(在该术语的一般含义中，指的是一个或多个光学器件，光学元件、叠置的光学元件和成像系统的组合)；类似地，“WALO制造技术”或者，等同地，“WALO技术”指的是通过组装支撑WALO型光学器件的多个公共底座而同时制造多个成像系统。VGA_W成像系统具有1.55毫米的焦距、62°的视场、2.9的F/#、2.35mm的总轨迹长度(包括光学元件、光学元件盖板和探测器盖板，以及在探测器盖板和探测器之间的空气间隙)以及29°的最大主射线角。剖面线区域显示出电磁能穿过其无法传播的庭院区域或者在通光孔径外侧的区域，如前所述。

光学器件802包括通过空气间隙812与探测器112的表面814分开的探测器盖板810。在一个实施例中，空气间隙812具有0.04mm的厚度以容纳表面814的微透镜。可选的光学元件盖板808可以与探测器盖板810相邻放置。在一个实施例中，探测器盖板810厚度为0.4mm。叠置的光学元件804(6)形成在光学元件盖板808上；叠置的光学元件804(5)形成在叠置的光学元件804(6)上；叠置的光学元件804(4)形成在叠置的光学元件804(5)上；叠置的光学元件804(3)形成在叠置的光学元件804(4)上；叠置的光学元件804(2)形成在叠置的光学元件804(3)上；叠置的光学元件804(1)形成在叠置的光学元件804(2)上。在本实施例中，叠置的光学元件804由两种材料形成，每个相邻的叠置的光学元件804由不同的材料形成。特别是，叠置的光学元件804(1)、804(3)和804(5)由具有第一折射率的第一材料形成，并且叠置的光学元件804(2)、804(4)和804(6)由具有第二折射率的第二材料形成。光线806表示由VGA_W成像系统成像的电磁能。表15和16概述了光学器件802的规格。光学器件802的sag由方程式(1)给出，其中半径、厚度和直径使用毫米单位。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	5.270106	0.9399417	1.370	92.000	0.5827785	0
							3	4.106864	0.25	1.620	32.000	0.9450127	0
4	-0.635388	0.2752138	1.370	92.000	0.9507387	0
							光圈	-0.492543	0.07704269	1.620	32.000	0.9519911	0
6	6.003253	0.07204369	1.370	92.000	0.302438	0
							7	无穷大	0.2	1.520	64.200	1.495102	0
8	无穷大	0.4	1.458	67.820	1.581881	0
							9	无穷大	0.04	空气		1.754418	0
图像	无穷大	0	1.458	67.820	1.781543	0

表15

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(表面)	0	0	0	0	0	0	0	0
2(光圈)	0.09594	0.5937	-4.097	0	0	0	0	0
									3	0	-1.680	-4.339	0	0	0	0	0
4	0	2.116	-26.92	26.83	0	0	0	0
									5	0	-1.941	24.02	-159.3	0	0	0	0
6	-0.03206	0.3185	-5.340	0.03144	0	0	0	0
									7	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9	0	0	0	0	0	0	0	0

表16

图41-44显示了VGA_W成像系统的性能图。图41显示了作为对于无穷远的共轭物的VGA_W成像系统的空间频率函数的MTF图830。MTF曲线平均超过470到650nm的波长。图41示出了与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点、以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图7中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。

图42A、42B和42C分别显示了VGA_W成像系统的光程差的图852、854和856。每个方向的最大尺寸是+/-两个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。每个图表示在探测器112的对角线上不同的实像高度处的光程差。图852对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图854对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图856对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在每对图中，左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图43A显示了畸变图880，图43B显示了VGA_W成像系统对于无穷远共轭物的场曲图882。最大的半场角是31.062°。实线对应于具有470nm波长的电磁能；短虚线对应于具有550nm波长的电磁能；并且长虚线对应于具有650nm波长的电磁能。

图44显示了作为VGA_W成像系统的空间频率函数的MTF图900，其中考虑了光学器件802的光学元件的中心公差和厚度。图900包括在蒙特卡洛公差分析上运行产生的轴上场点、0.7场点和全场点的切向及径向场MTF曲线。轴上场点具有坐标(0mm，0mm)；0.7场点具有坐标(0.49mm，0.37mm)；并且全场点具有坐标(0.704mm，0.528mm)。假设光学元件的中心公差和厚度具有在+2到-2微米之间取样的正态分布。因此，期望VGA_W成像系统的MTF受曲线902和904的制约。

图45是成像系统920的光学布局和光线轨迹，其是图2A的成像系统的一个实施例。成像系统920具有0.98毫米的焦距、80°的视场、2.2的F/#、2.1mm的总轨迹长度(包括探测器盖板)以及30°的最大主射线角。

成像系统920包括VGA格式探测器112和光学器件938。光学器件938包括可为玻璃板的光学元件922、在其相对侧形成有光学元件928和930的光学元件924(其也可为玻璃板)、以及探测器盖板926。为了在光学元件928处实现高功率光线传输，光学元件922和924形成空气间隙932；为了在光学元件930处实现高功率光线传输，光学元件924和探测器盖板926形成空气间隙934，并且探测器112的表面940和探测器盖板926形成空气间隙936。成像系统900包括用于给图像中引入预定的成像效应的调相元件。该调相元件可在光学元件928和/或光学元件930上实施，或者调相效应可分布在光学元件928和930之间。在成像系统920中，主要的像差包括场曲和像散；因此，相位调节可在成像系统920中进行以有利于降低该像差效应。成像系统920包括调相元件，此后可称为“VGA_S_WFC成像系统”；此后没有调相元件的成像系统920可称为“VGA_S成像系统。”光线942表示由VGA_S成像系统成像的电磁能。

光学器件938的sag方程式由方程式(4)的高阶可分多项式相位函数给出。

$\mathrm{Sag}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=2n}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{r}^i+\mathrm{WFC},$                   方程式(4)

其中

$\mathrm{WFC}=\underset{j=2k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_j[{\left(\frac{x}{\max \left(r\right)}\right)}^j+{\left(\frac{y}{\max \left(r\right)}\right)}^j],$ 并且

k＝2，3，4和5

应当注意，VGA_S将不包含方程式(4)中sag方程式的WFC部分，而VGA_S_WFC将包括附加在sag方程式上的WFC表达式。表17和18概述了光学器件938的规格，其中半径、厚度和直径以毫米单位给出。在方程式(4)中由WFC术语描述的相位调节函数，是可分的高级多项式。在先前的应用中已经详细描述了这个特定的相位函数(见2006年5月23日提交的第60/802,724号美国临时专利申请、以及2006年5月26日提交的第60/808,790号美国临时专利申请)，这个特定的相位函数是方便的，原因在于它相对比较容易形象化。Otc格式、以及多个其他相位函数，可用来替代方程式(4)的高阶可分多项式相位函数。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷	无穷	空气		无穷	0
光圈	无穷	0.04867617	空气	92.000	0.5827785	0
							3	0.7244954	0.05659412	1.481	32.000	0.9450127	1.438326
4	无穷	0	1.481	92.000	0.9507387	0
							光圈	无穷	0.7	1.525	32.000	0.9519911	0
6	无穷	0.1439282	1.481	92.000	1.302438	0
							7		0.296058	空气		0.898397	-1.367766
8	无穷	0.4	1.525	62.558	1.759104	0
							9	无穷	0.04	空气		1.759104	0
图像	无穷	0	1.458	67.820	1.76	0

表17

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0	0
									3	-0.1275	-0.9764	0.8386	-21.14	0	0	0	0
4(光圈)	0	0	0	0	0	0	0	0
									5	0	0	0	0	0	0	0	0
6	0	0	0	0	0	0	0	0
									7	2.330	-6.933	19.49	-20.96	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9	0	0	0	0	0	0	0	0

表18

表17的表面#3为预定的相位调节而配置，并具有表19中所示的参数。

 

B3	B5	B7	B9
				6.546×10-3	2.988×10-3	-7.252×10-3	7.997×10-3

表19

图46A和46B分别包括图960和962；图960是VGA_S成像系统(没有调相元件的VGA_S_WFC成像系统)的空间频率函数的MTF图，并且图962是VGA_S_WFC成像系统的空间频率函数的MTF图，每个都对应于无穷远的物共轭距离。MFT曲线平均超过470到650nm的波长。图960和962描述了与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有x坐标(0.704mm，0mm)的全场点以及一个具有y坐标(0mm，0.528mm)的全场点。在图960中，“T”表示切向场，而“S”表示径向场。

图960显示了表现出相对较差性能的VGA_S成像系统；特别是，MTF具有相对较小的值并且在某些情况下可达到零。如上所述，不期望MTF达到零，因为这将导致数据信息损失。图962的曲线966表示没有对VGA_S_WFC成像系统产生的电子数据进行后滤波的VGA_S_WFC成像系统的MTF。通过比较图960和962可知，VGA_S_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线966具有比VGA_S成像系统的一些MTF曲线更小的幅度。然而，VGA_S_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线966有利地不达到零，这意味着VGA_S_WFC成像系统保存了贯穿整个受关注的空间频率范围的图像信息。进而，VGA_S_WFC成像系统的没有滤波的MTF曲线966都是十分相似的。如下面将要描述的，MTF曲线的相似性允许处理器使用单个的滤波器核心来执行解码运算。

如上所述，由光学器件938中(如在光学元件928和/或930中)的调相元件引入的编码可进一步由执行解码运算的处理器来处理，从而VGA_S_WFC成像系统比没有该后处理的VGA_S_WFC成像系统产生更清晰的图像。图962的MTF曲线964代表使用该后处理的VGA_S_WFC成像系统的性能。通过比较图960和962可知，进行了后处理的VGA_S_WFC成像系统比VGA_S_WFC成像系统性能更好。

图47A、47B和47C分别显示了VGA_S成像系统的横向光线扇面图992、994和996，并且图48A、48B和48C分别显示了VGA_S_WFC成像系统的横向光线扇面图1012、1014和1016，每个都对于无穷远的物共轭距离。在图47-48中，实线对应于具有470nm的波长；短虚线对应于具有550nm的波长；并且长虚线对应于具有650nm的波长。图992、994和996的最大尺寸是+/-50微米。应注意，图47A、47B和47C中的横向光线扇面图表示VGA_S成像系统中的像散和场曲。在每对光线扇面图中的右列表示光线的切向集合，并且左列表示光线的径向集合。

图47-48中的每一个都包括三对图，并且每对都包括对应于探测器112表面的实像高度的不同场点的光线扇面图。图992和1012对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点。图994和1014对应于具有坐标(0mm，0.528mm)的y轴上的全场点。图996和1016对应于具有坐标(0.704mm，0mm)的x轴上的全场点。从图47A、47B和47C中可知，光线扇面图作为场点的函数而变化；因此，VGA_S成像系统表现出作为场点函数的不同的性能。相反，从图48A、48B和48C中可知，VGA_S_WFC成像系统随场点的变化表现出相对恒定的性能。

图49A和49B分别显示了VGA_S_WFC成像系统的轴上PSF图1030和1032。图1310是由执行解码算法的处理器进行后处理之前的PSF图，而图1312是由执行解码算法的处理器使用图50A和50B的核心进行后处理之后的PSF图。特别是，图50A是滤波器核心的图示说明并且图50B是可用于VGA_S_WFC成像系统的滤波系数表1052。滤波器核心在本文中是21×21元件。该滤波器核心可由执行解码算法的处理器使用，以移除由调相元件引入的成像效应(如模糊)。

图51A和51B是缩放成像系统1070的两个配置的光学设计和光线轨迹，缩放成像系统1070是图2A的成像系统的一个实施例。成像系统1070是具有两个缩放配置的两组、离散缩放成像系统。第一缩放配置，其可被称为远配置，描述为成像系统1070(1)。在远配置中，成像系统1070具有相对较长的焦距。第二缩放配置，其可被称为宽配置，描述为成像系统1070(2)。在宽配置中，成像系统1070具有相对较宽的视场。成像系统1070(1)具有4.29mm的焦距、24°的视场、5.56的F/#、6.05mm的总轨迹长度(包括探测器盖板以及探测器盖板和探测器之间的空气间隙)以及12°的最大主射线角。成像系统1070可被称为Z_VGA_W成像系统。

Z_VGA_W成像系统包括含有公共底座1080的第一光学器件组1072。负光学元件1082形成在公共底座1080的一侧上并且负光学元件1084形成在公共底座1080的另一侧上。例如，公共底座1080可以是玻璃板。光学器件组1072在成像系统1070中的位置是固定的。

Z_VGA_W成像系统包括含有公共底座1086的第二光学器件组1074。负光学元件1088形成在公共底座1086的一侧上，并且平光学元件1090形成在公共底座1086的相对侧。公共底座1086例如是玻璃板。第二光学器件组1074在Z_VGA_W成像系统中沿着两个位置之间由线1096所指出的轴是可移动的。在成像系统1070(1)中示出的光学器件组1074的第一位置，成像系统1070具有远配置。在成像系统1070(2)中示出的光学器件组1074的第二位置，Z_VGA_W成像系统具有宽配置。表20-22概述了远配置和宽配置的规格。光学组装件1070的sag由方程式(1)给出，其中半径，厚度和直径用毫米的单位给出。

远配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	-2.587398	0.02	空气	60.131	1.58	0
							3	无穷大	0.4	1.481	62.558	1.58	0
4	无穷大	0.02	1.481	60.131	1.58	0
							5	3.530633	0.044505	1.525	62.558	1.363373	0
6	1.027796	0.193778	1.481	60.131	0.9885556	0
							7	无穷大	0.4	1.525		1.1	0
8	无穷大	0.07304748	1.481	62.558	1.1	0
							光圈	-7.719257	3.955	空气		0.7516766	0
10	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.723515	0
							11	无穷大	0.04	空气		1.786427	0
图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.776048	0

表20

宽配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	-2.587398	0.02	1.481	60.131	1.58	0
							3	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.58	0
4	无穷大	0.02	1.481	60.131	1.58	0
							5	3.530633	1.401871	空气		1.36	0
6	1.027796	0.193778	1.481	60.131	1.034	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.1	0
8	无穷大	0.07304748	1.481	60.131	1.1	0
							光圈	-7.719257	2.591	空气		0.7508	0
10	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.694	0
							11	无穷大	0.04	空气		1.786	0
图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.78	0

表21

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	-0.04914	0.5497	-4.522	14.91	-21.85	11.94	0
									3	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0	0	0
									5	0	-0.1225	1.440	-12.51	50.96	-95.96	68.30	0
6	0	-0.08855	2.330	-14.67	45.57	-51.41	0	0
									7	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9(光圈)1011	000	0.407800	-2.98600	3.61900	-168.300	295.600	000	000

表22

远配置和宽配置的非球面系数相同。

Z_VGA_W成像系统包括VGA格式的探测器112。空气间隙1094将探测器盖板1076与探测器112分开，从而为最接近探测器盖板1076的探测器112表面上的微透镜提供空间。

光线1092表示由Z_VGA_W成像系统成像的电磁能；光线1092来自于无穷远处。

图52A和52B分别显示了作为Z_VGA_W成像系统的空间频率函数的MTF图1120和1122。MTF平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点、以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图52A和52B中，“T”表示切向场而“S”表示径向场。图1120对应于成像系统1070(1)，其表示具有远配置的成像系统1070，并且图1122对应于成像系统1070(2)，其表示具有宽配置的成像系统1070。

图53A、53B和53C显示了Z_VGA_W成像系统的光程差图1142、1144和1146，并且图54A、54B和54C显示了Z_VGA_W成像系统的光程差图1162、1164和1166。具有远配置的图1142、1144和1146用于Z_VGA_W成像系统，而具有宽配置的图1162、1164和1166用于Z_VGA_W成像系统。图1142、1144和1146的最大尺寸是+/-一个波长，并且图1162、1164和1166的最大尺寸是+/-两个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图53和54中的每对图表示了对应于探测器112对角线上的不同实像高度的光程差。图1142和1162对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图1144和1164对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图1146和1166对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。每对图的左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图55A、55B、55C和55D显示了Z_VGA_W成像系统的畸变图1194和1196以及场曲图1190和1192。具有远配置的图1190和1194对应于Z_VGA_W成像系统，并且具有宽配置的图1192和1196对应于Z_VGA_W成像系统。远配置的最大半场角是11.744°并且具有宽角度配置的最大半场角是25.568。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图56A和56B显示了缩放成像系统1220的两个配置的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统1220是一个具有两种缩放配置的三组、离散缩放成像系统。第一缩放配置，其可被称为远配置，描述为成像系统1220(1)。在远配置中，成像系统1220具有相对较长的焦距。第二缩放配置，其可被称为宽配置，描述为成像系统1220(2)。在宽配置中，成像系统1220具有相对较宽的视场。应当注意，光学器件组的绘制尺寸，例如光学器件组1224，对于远配置和宽配置是不同的。在绘图尺寸上的该差异是由用于产生该设计的光学软件

的绘图比例带来的。实际上，光学器件组的尺寸或者单个光学元件对于不同的缩放配置是不会变化的。这里还要注意，在随后的所有缩放设计中都出现了上述问题。成像系统1220(1)具有3.36mm的焦距、29°的视场、1.9的F/#、8.25mm的总轨迹长度以及25°的最大主射线角。成像系统1220可被称为Z_VGA_LL成像系统。

Z_VGA_LL成像系统包括具有光学元件1228的第一光学器件组1222。正光学元件1230形成在元件1228的一侧，并且正光学元件1232形成在元件1228的相对侧。元件1228例如是玻璃板。Z_VGA_LL成像系统中的第一光学器件组1222的位置是固定的。

Z_VGA_LL成像系统包括具有光学元件1234的第二光学器件组1224。负光学元件1236形成在元件1234的一侧，并且负光学元件1238形成在元件1234的另一侧。元件1234例如是玻璃板。第二光学器件组1224在沿着由线1244所指出的轴的两个位置之间是可移动的。在成像系统1220(1)中示出的光学器件组1224的第一位置，Z_VGA_LL成像系统具有远配置。在成像系统1220(2)中示出的光学器件组1224的第二位置，Z_VGA_LL成像系统具有宽配置。应当注意，由于缩放比例，在宽和远配置中，

使得光学元件的组看上去不同。

Z_VGA_LL成像系统包括形成在VGA格式探测器112上的第三光学器件组1246。光学器件-探测器接口(未示出)从光学器件112的表面分开第三光学器件组1246。叠置的光学元件1226(7)形成在探测器112上；叠置的光学元件1226(6)形成在叠置的光学元件1226(7)上；叠置的光学元件1226(5)形成在叠置的光学元件1226(6)上；叠置的光学元件1226(4)形成在叠置的光学元件1226(5)上；叠置的光学元件1226(3)形成在叠置的光学元件1226(4)上；叠置的光学元件1226(2)形成在叠置的光学元件1226(3)上；叠置的光学元件1226(1)形成在叠置的光学元件1226(2)上。叠置的光学元件1226由两种不同的材料形成，由不同的材料形成相邻的叠置的光学元件。特别是，叠置的光学元件1226(1)、1226(3)、1226(5)和1226(7)由具有第一折射率的第一材料形成，叠置的光学元件1226(2)、1226(4)和1226(6)由具有第二折射率的第二材料形成。光线1242表示由Z_VGA_LL成像系统成像的电磁能；光线1242来自于无穷远。表23-25中概述了远和宽配置的规则。这些配置的sag由方程式(1)给出，其中半径、厚度和直径以毫米单位给出。

远配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	21.01981	0.3053034	1.481	60.131	4.76	0
							3	无穷大	0.2643123	1.525	62.558	4.714341	0
4	无穷大	0.2489378	1.481	60.131	4.549862	0
							5	-6.841404	3.095902	空气		4.530787	0
6	-3.589125	0.02	1.481	60.131	1.668737	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.623728	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	1.459292	0
							9	5.261591	0.04882453	空气		1.428582	0
光圈	0.8309022	0.6992978	1.370	92.000	1.294725	0
							11	7.037158	0.4	1.620	32.000	1.233914	0
12	0.6283516	0.5053543	1.370	92.000	1.157337	0
							13	-4.590466	0.6746035	1.620	32.000	1.204819	0
14	-0.9448569	0.5489904	1.370	92.000	1.480335	0
							15	36.82564	0.1480326	1.620	32.000	1.746687	0
16	3.515415	0.5700821	1.370	92.000	1.757716	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.79263	0

表23

宽配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷	无穷	空气		无穷	0
2	21.01981	0.3053034	1.481	60.131	4.76	0
							3	无穷	0.2643123	1.525	62.558	4.036723	0
4	无穷	0.2489378	1.481	60.131	3.787365	0
							5	-6.841404	0.1097721	空气		3.763112	0
6	-3.589125	0.02	1.481	60.131	3.610554	0
							7	无穷	0.4	1.525	62.558	3.364582	0
8	无穷	0.02	1.481	60.131	3.021448	0
							9	5.261591	3.03466	空气		2.70938	0
光圈	0.8309022	0.6992978	1.370	92.000	1.296265	0
							11	7.037158	0.4	1.620	32.000	1.234651	0
12	0.6283516	0.5053543	1.370	92.000	1.157644	0
							13	-4.590466	0.6746035	1.620	32.000	1.204964	0
14	-0.9448569	0.5489904	1.370	92.000	1.477343	0
							15	36.82564	0.1480326	1.620	32.000	1.74712	0
16	3.515415	0.5700821	1.370	92.000	1.757878	0
							图像	无穷	0	1.458	67.821	1.804693	0

表24

远配置和宽配置的非球面系数相同，并且它们被列在表25中。

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	-2.192×10-3	-1.882×10-3	1.028×10-3	-9.061×10-5	0	0	0
									3	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0	0	0
									5	0	-3.323×10-3	1.121×10-4	8.006×10-4	-8.886×10-5	0	0	0
6	0	0.02534	-1.669×10-4	-2.207×10-4	-2.233×10-5	0	0	0
									7	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9	0	3.035×10-3	0.02305	-2.656×10-3	1.501×10-3	0	0	0
10(光圈)	0	-0.07564	-0.1525	0.2919	-0.4144	0	0	0
									11	0	0.6611	-1.267	6.860	-12.86	0	0	0
12	-0.9991	1.145	-4.218	21.14	-34.56	0	0	0
									13	-0.2285	-0.4463	-2.304	8.371	-18.33	0	0	0
14	0	-0.7106	-1.277	5.748	-6.939	0	0	0
									15	0	-1.852	3.752	-2.818	0.9606	0	0	0
16	0.4195	0.1774	-0.8167	1.600	-1.214	0	0	0

表25

图57A和57B显示了对应于无穷远共轭距离物的作为Z_VGA_LL成像系统的空间频率函数的MTF图1270和1272。MTF图平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点、以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图57A和57B中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图1270对应于成像系统1220(1)，其表示具有远配置的Z_VGA_LL成像系统，并且图1272对应于成像系统1220(2)，其表示具有宽配置的Z_VGA_LL成像系统。

对于无穷远的共轭物，图58A、58B和58C显示了Z_VGA_LL成像系统的光程差图1292、1294和1296并且图59A、59B和59C显示了Z_VGA_LL成像系统的光程差图1322、1324和1326。具有远配置的图1292、1294和1296用于Z_VGA_LL成像系统，并且具有宽配置的图1322、1324和1326用于Z_VGA_LL成像系统。图1292、1294、1296、1322、1324和1326的最大范围是+/-五个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图58和59中的每对图表示探测器112对角线上的不同实像高度处的光程差。图1292和1322对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；第二行图1294和1324对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且第三行图1296和1326对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。每对图的左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图60A、60B、60C和60D显示了Z_VGA_LL成像系统的畸变图1354和1356以及场曲图1350和1352。具有远配置的图1350和1354对应于Z_VGA_LL成像系统，并且具有宽配置的图1352和1356对应于Z_VGA_LL成像系统。远配置的最大半场角是14.374°并且具有宽角度配置的最大半场角是31.450。实线表示具有约470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图61A、61B和62显示了缩放成像系统1380的三个配置的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统1380是一个具有连续可变缩放率达最大放大率1.95的三组的缩放成像系统。通常，为了获得连续缩放，在缩放成像系统中一个以上的光学器件组必须是移动的。在这种情况下，结合对可变光学元件的功率的调节，通过仅移动第二光学器件组1384就能够获得连续的缩放。可变光学元件在本文中从图29开始详细描述。一个缩放配置，其可被称为远配置，描述为成像系统1380(1)。在远配置中，成像系统1380具有相对较长的焦距。另一个缩放配置，其可被称为宽配置，描述为成像系统1380(2)。在宽配置中，成像系统1380具有相对较宽的视场。另一个缩放配置，其可被称为中间配置，被描述为成像系统1380(3)。中间配置具有介于远配置和宽配置之间的焦距和视场。

成像系统1380(1)具有3.34毫米的焦距、28°的视场、1.9的F/#、9.25mm的总轨迹长度以及25°的最大主射线角。成像系统1380(2)具有1.71毫米的焦距、62°的视场、1.9的F/#、9.25mm的总轨迹长度以及25°的最大主射线角。成像系统1380可被称为Z_VGA_LL_AF成像系统。

Z_VGA_LL_AF成像系统包括具有光学元件1388的第一光学器件组1382。正光学元件1390形成在元件1388的一侧，负光学元件1392形成在元件1388的另一侧。元件1388例如可以是玻璃板。在Z_VGA_LL_AF成像系统中的第一光学器件组1382的位置是固定的。

Z_VGA_LL_AF成像系统包括具有光学元件1394的第二光学器件组1384。负光学元件1396形成在元件1394的一侧，并且负光学元件1398形成在元件1394的相反侧。元件1394例如是玻璃板。第二光学器件组1384在沿着由线1400所指出的在端点1410和1412之间的轴是可连续移动的。如果在线1400的端点1412处放置光学器件组1384，其在成像系统1380(1)中示出，那么Z_VGA_LL_AF成像系统具有远配置。如果在线1400的端点1410处放置光学器件组1384，其在成像系统1380(2)中示出，那么Z_VGA_LL_AF成像系统具有宽配置。如果在线1400的中间放置光学器件组1384，其在成像系统1380(3)中示出，那么Z_VGA_LL_AF成像系统具有中间配置。在远和宽之间的任何其它缩放位置可通过移动光学器件组2和调节可变光学元件的功率而获得。在表26-30中概述了远配置、中间配置和宽配置的规格。每个配置的sag由方程式(1)给出，其中半径、厚度和直径由毫米单位给出。

远配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大		空气	无穷大	0
2	10.82221	0.5733523	1.48	60.131	4.8	0
							3	无穷大	0.27	1.525	62.558	4.8	0
4	无穷大	0.06712479	1.481	60.131	4.8	0
							5	-14.27353	3.220371	空气		4.8	0
6	-3.982425	0.02	1.481	60.131	1.946502	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.890202	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	1.721946	0
							9	3.61866	0.08948048	空气		1.669251	0
10	无穷大	0.0711205	1.430	60.000	1.6	0
							11	无穷大	0.5	1.525	62.558	1.6	0
12	无穷大	0.05	空气		1.6	0
							光圈	0.8475955	0.7265116	1.370	92.000	1.397062	0
14	6.993954	0.4	1.620	32.000	1.297315	0
							15	0.6372614	0.4784372	1.370	92.000	1.173958	0
16	-4.577195	0.6867971	1.620	32.000	1.231435	0
							17	-0.9020605	0.5944188	1.370	92.000	1.49169	0
18	-3.290065	0.1480326	1.620	32.000	1.655433	0
							19	3.024577	0.6317016	1.370	92.000	1.690731	0
图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.883715	0

表26

中间配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大		空气	无穷大	0
2	10.82221	0.5733523	1.48	60.131	4.8	0
							3	无穷大	0.27	1.525	62.558	4.8	0
4	无穷大	0.06712479	1.481	60.131	4.8	0
							5	-14.27353	1.986417	空气		4.8	0
6	-3.982425	0.02	1.481	60.131	2.596293	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	2.491135	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	2.289918	0
							9	3.61866	1.331717	空气		2.183245	0
10	无穷大	0.06310436	1.430	60.000	1.6	0
							11	无穷大	0.5	1.525	62.558	1.6	0
12	无穷大	0.05	空气		1.6	0
							光圈	0.8475955	0.7265116	1.370	92.000	1.397687	0
14	6.993954	0.4	1.620	32.000	1.299614	0
							15	0.6372614	0.4784372	1.370	92.000	1.177502	0
16	-4.577195	0.6867971	1.620	32.000	1.237785	0
							17	-0.9020605	0.5944188	1.370	92.000	1.504015	0
18	-3.290065	0.1480326	1.620	32.000	1.721973	0
							19	3.024577	0.6317016	1.370	92.000	1.707845	0
图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.820635	0

表27

宽配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大		空气	无穷大	0
2	10.82221	0.5733523	1.48	60.131	4.8	0
							3	无穷大	0.27	1.525	62.558	4.8	0
4	无穷大	0.06712479	1.481	60.131	4.8	0
							5	-14.27353	0.3840319	空气		4.8	0
6	-3.982425	0.02	1.481	60.131	3.538305	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	3.316035	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	3.051135	0
							9	3.61866	2.947226	空气		2.798488	0
10	无穷大	0.05	1.430	60.000	1.6	0
							11	无穷大	0.5	1.525	62.558	1.6	0
12	无穷大	0.05	空气		1.6	0
							光圈	0.8475955	0.7265116	1.370	92.000	1.396893	0
14	6.993954	0.4	1.620	32.000	1.298622	0
							15	0.6372614	0.4784372	1.370	92.000	1.176309	0
16	-4.577195	0.6867971	1.620	32.000	1.235759	0
							17	-0.9020605	0.5944188	1.370	92.000	1.499298	0
18	-3.290065	0.1480326	1.620	32.000	1.699436	0
							19	3.024577	0.6317016	1.370	92.000	1.705313	0
图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.786772	0

表28

所有非球面系数，除可变光学元件的表面10的A₂外，对于远配置、中间配置和宽配置(或者在远和宽配置之间的任何其它缩放配置)来说都是相同的，并且它们列在了表29中。

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	6.752×10-3	-1.847×10-3	6.215×10-4	-4.721×10-5	0	0	0
									3	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0	0	0
									5	0	5.516×10-3	-8.048×10-4	6.015×10-4	-6.220×10-5	0	0	0
6	0	0.01164	1.137×10-3	-5.261×10-4	3.999×10-5	1.651×10-5	-5.484×10-6	0
									7	0	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0
									9	0	3.802×10-3	4.945×10-3	1.015×10-3	7.853×10-4	-1.202×10-4	-1.338×10-4	0
10	0.05908	0	0	0	0	0	0	0
									11	0	0	0	0	0	0	0	0
12	0	0	0	0	0	0	0	0
									13(光圈)	0	-0.05935	-0.2946	0.5858	-0.7367	0	0	0
14	0	0.7439	-1.363	6.505	-10.39	0	0	0
									15	-0.9661	1.392	-4.786	21.18	-29.59	0	0	0
16	-0.2265	0.2368	-2.878	8.639	-13.07	0	0	0
									17	0	-0.06562	-1.303	4.230	-4.684	0	0	0
18	0	-1.615	4.122	-4.360	2.159	0	0	0
									19	0.4483	-0.1897	0.001987	0.6048	-0.6845	0	0	0

表29

表30概述了对于不同缩放配置的表面10上的非球面系数A₂。

 

缩放配置	远	中	宽
				A2	0.05908	0.04311	0.02297

表30

Z_VGA_LL_AF成像系统包括形成在VGA格式探测器112上的第三光学器件组1246。上面已经参考图56描述了第三光学器件组1246。光学器件-探测器接口(未示出)将第三光学器件组1246与探测器112的表面分开。只有第三光学器件组1246的一些叠置的光学元件1226在图61和62中被描述以提高描述的清楚性。

Z_VGA_LL_AF成像系统进一步包括与叠置的光学元件1226(1)接触的光学元件1406。在元件1406的与叠置的光学元件1226(1)相对的表面形成可变光学器件1408。可变光学器件1408的焦距可根据第二光学器件组1384的位置而变化，以便于当成像系统1380的缩放位置变化时，成像系统1380保持聚焦。1408的焦距(功率)变化以校正在缩放过程中由于组1384的移动导致的离焦。可变光学器件1408的焦距变化不仅如上所述可用于校正缩放过程中由于元件1384的移动导致的散焦，而且可用于调节不同共轭距离的焦点，如在“VGA_AF”光学元件中所述。在一个实施例中，可变光学器件1408的焦距例如可由成像系统的使用者手动调节；在另一个实施例中，Z_VGA_LL_AF成像系统根据第二光学器件组1384的位置来自动变化可变光学器件1408的焦距。例如，Z_VGA_LL_AF成像系统可包括可变光学器件1408的对应于第二光学器件组1384位置的焦距的仰视工作台；Z_VGA_LL_AF成像系统可从仰视工作台来确定可变光学器件1408的正确焦距并且因此调整可变光学器件1408的焦距。

可变光学器件1408例如是具有可调焦距的光学元件。它可以是放置在元件1406上的具有足够大的热膨胀系数的材料。可变光学器件1408的该实施例的焦距随材料温度的变化而变化，因此导致材料膨胀或者收缩；该膨胀或收缩导致可变光学元件的焦距变化。材料温度可通过使用电子加热元件(未示出)而改变。如附加实施例中，可变光学器件1408可以是液态透镜或者液晶透镜。

因此，在运行中，可配置处理器(见，如图1的处理器46)来控制线性换能器，例如，以移动组1384，然而同时施加电压或者加热以控制可变光学器件1408的焦距。

光线1402表示由Z_VGA_LL_AF成像系统成像的电磁能；虽然Z_VGA_LL_AF成像系统可接近系统1380成像，但是光线1402来自于无穷远，其使用垂直线1404来表示。

图63A和63B显示了图1440和1442并且图64显示了在无穷远的物共轭处作为Z_VGA_LL_AF成像系统的空间频率函数的MTF图1440和1442。MTF平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF图；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图63A、63B和64中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图1440对应于成像系统1380(1)，其表示具有远配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。图1442对应于成像系统1380(2)，其表示具有宽配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。图1460对应于成像系统1380(3)，其表示具有中间配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。

图65A、65B和65C分别显示了Z_VGA_LL_AF成像系统的光程差图1482、1484和1486，并且图66A、66B和66C分别显示了Z_VGA_LL_AF成像系统的光程差图1512、1514和1516，并且图67A、67B和67C分别显示了Z_VGA_LL_AF成像系统的光程差图1542、1544和1546，其中每一个都对应于无穷远的物共轭。图1482、1484和1486用于具有远配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。图1512、1514和1516用于具有宽配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。图1542、1544和1546用于具有中间配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。绘出所有图的最大范围是+/-五个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图65-67中的每对图表示了探测器112对角线上的不同实像高度处的光程差。图1482、1512和1542对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图1484、1514和1544对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图1486、1516和1546对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。每对图的左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图68A和68C显示了图1570和1572，并且图69A显示了Z_VGA_LL_AF成像系统的场曲图1600；图68B和68D显示了图1574和15746，并且图69B显示了Z_VGA_LL_AF成像系统的畸变图1602。图1570和1574对应于具有远配置的Z_VGA_LL_AF成像系统；图1572和1576对应于具有宽配置的Z_VGA_LL_AF成像系统；图1600和1602对应于具有中间配置的Z_VGA_LL_AF成像系统。远配置的最大半场角是14.148°，宽角度配置的最大半场角是31.844°，并且中间配置的最大半场角是20.311°。实线表示具有约470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。

图70A、70B和71显示了缩放成像系统1620的三个配置的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统1620是一个具有连续可变缩放率达最大放大率1.96的三组的缩放成像系统。通常，为了获得连续缩放，在缩放成像系统中一个以上的光学器件组必须是移动的。在这种情况下，通过仅移动第二光学器件组1624就能够获得连续的缩，并且使用调相元件来扩大缩放图像系统的景深。一个缩放配置，其可被称为远配置，描述为成像系统1620(1)。在场配置中，成像系统1620具有相对较长的焦距。另一个缩放配置，其可被称为宽配置，描述为成像系统1620(2)。在宽配置中，成像系统1620具有相对较宽的视场。再一个缩放配置，其可被称为中间配置，被描述为成像系统1620(3)。中间配置具有介于远配置和宽配置之间的焦距和视场。

成像系统1620(1)具有3.37毫米的焦距、28°的视场、1.7的F/#、8.3mm的总轨迹长度以及22°的最大主射线角。成像系统1620(2)具有1.72毫米的焦距、60°的视场、1.7的F/#、8.3mm的总轨迹长度以及22°的最大主射线角。成像系统1620可被称为Z_VGA_LL_WFC成像系统。

Z_VGA_LL_WFC成像系统包括具有光学元件1628的第一光学器件组1622。正光学元件1630形成在元件1628的一侧，并且波前编码表面形成在1646(1)的第一表面上。元件1628例如可以是玻璃板。在Z_VGA_LL_WFC成像系统中的第一光学器件组1622的位置是固定的。

Z_VGA_LL_WFC成像系统包括具有光学元件1634的第二光学器件组1624。负光学元件1636形成在元件1634的一侧，并且负光学元件1638形成在元件1634的相反侧。元件1634例如是玻璃板。第二光学器件组1624在沿着由线1640所指出的在端点1648和1650之间的轴是可连续移动的。如果在线1640的端点1650处放置第二光学器件组1624，其在成像系统1620(1)中示出，那么Z_VGA_LL_WFC成像系统具有远配置。如果在线1640的端点1648处放置光学器件组1624，其在成像系统1620(2)中示出，那么Z_VGA_LL_WFC成像系统具有宽配置。如果在线1640的中间放置光学器件组1624，其在成像系统1620(3)中示出，那么Z_VGA_LL_WFC成像系统具有中间配置。

Z_VGA_LL_WFC成像系统包括形成在VGA格式探测器112上的第三光学器件组1626。光学器件-探测器接口(未示出)将第三光学器件组1626与光学器件112的表面分开。叠置的光学元件1646(7)形成在探测器112上；叠置的光学元件1646(6)形成在叠置的光学元件1646(7)上；叠置的光学元件1646(5)形成在叠置的光学元件1646(6)上；叠置的光学元件1646(4)形成在叠置的光学元件1646(5)上；叠置的光学元件1646(3)形成在叠置的光学元件1646(4)上；叠置的光学元件1646(2)形成在叠置的光学元件1646(3)上；叠置的光学元件1646(1)形成在叠置的光学元件1646(2)上。叠置的光学元件1646由两种不同的材料形成，由不同的材料形成相邻的叠置的光学元件。特别是，叠置的光学元件1646(1)、1646(3)、1646(5)和1646(7)由具有第一折射率的第一材料形成，叠置的光学元件1646(2)、1646(4)和1646(6)由具有第二折射率的第二材料形成。

表31-36概述了远配置、中间配置和宽配置的规格。所有三个配置的sag由方程式(2)给出。由调相元件执行的相位函数是oct格式，其参数由方程式(3)给出并且在图18中示出，其中半径、厚度和直径以毫米单位给出。

远配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	11.5383	0.52953	1.481	60.131	4.76	0
							3	无穷大	0.24435	1.525	62.558	4.76	0
4	无穷大	0.10669	1.481	60.131	4.76	0
							5	-9.858	3.216	空气		4.76	0
6	-4.2642	0.02	1.481	60.131	1.67671	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	1.63284	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	1.45339	0
							9	4.29918	0.051	空气		1.41536	0
光圈	0.82831	0.78696	1.370	92.000	1.28204	0
							11	-22.058	0.4	1.620	32.000	1.23414	0
12	0.68700	0.23208	1.370	92.000	1.15930	0
							13	3.14491	0.57974	1.620	32.000	1.21734	0
14	-1.1075	0.29105	1.370	92.000	1.29760	0
							15	-1.3847	0.14803	1.620	32.000	1.34751	0
16	2.09489	0.96631	1.370	92.000	1.37795	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.90899	0

表31

中间配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	11.5383	0.52953	1.481	60.131	4.76	0
							3	无穷大	0.24435	1.525	62.558	4.76	0
4	无穷大	0.10669	1.481	60.131	4.76	0
							5	-9.858	1.724	空气		4.76	0
6	-4.2642	0.02	1.481	60.131	2.55576	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	2.45598	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	2.22971	0
							9	4.29918	3.015	空气		2.12385	0
光圈	0.82831	0.78696	1.370	92.000	1.2997	0
							11	-22.058	0.4	1.620	32.000	1.24488	0
12	0.687	0.23208	1.370	92.000	1.16685	0
							13	3.14491	0.57974	1.620	32.000	1.22431	0
14	-1.1075	0.29105	1.370	92.000	1.30413	0
							15	-1.3847	0.14803	1.620	32.000	1.35771	0
16	2.09489	0.96631	1.370	92.000	1.39178	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.89533	0

表32

宽配置：

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
2	11.5383	0.52953	1.481	60.131	4.76	0
							3	无穷大	0.24435	1.525	62.558	4.7	0
4	无穷大	0.10669	1.481	60.131	4.7	0
							5	-9.858	1.724	空气		4.7	0
6	-4.2642	0.02	1.481	60.131	3.57065	0
							7	无穷大	0.4	1.525	62.558	3.36	0
8	无穷大	0.02	1.481	60.131	3.04903	0
							9	4.29918	1.543	空气		2.76124	0
光圈	0.82831	0.78696	1.370	92.000	1.28128	0
							11	-22.058	0.4	1.620	32.000	1.23435	0
12	0.687	0.23208	1.370	92.000	1.16015	0
							13	3.14491	0.57974	1.620	32.000	1.21875	0
14	-1.1075	0.29105	1.370	92.000	1.29792	0
							15	-1.3847	0.14803	1.620	32.000	1.34937	0
16	2.09489	0.96631	1.370	92.000	1.38344	0
							图像	无穷大	0	1.458	67.821	1.89055	0

表33

远、中间和宽配置的非球面系数和oct格式表面规则不同，并且被列在表34-36中。

 

A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
								0	0	0	0	0	0	0	0
0	6.371×10-3	-2.286×10-3	8.304×10-4	-7.019×10-5	0	0	0
								0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
								0	4.805×10-3	-3.665×10-4	5.697×10-4	-6.715×10-5	0	0	0
0	0.01626	1.943×10-3	-1.137×10-3	1.220×10-4	0	0	0
								0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
								0	3.980×10-3	0.0242	-9.816×10-3	2.263×10-3	0	0	0
-0.001508	-0.1091	-0.3253	1.115	-1.484	0	0	0
								0	0.9101	-1.604	5.812	-9.733	0	0	0
-0.9113	1.664	-5.057	22.32	-30.98	0	0	0
								0.1087	0.04032	-2.750	9.654	-10.45	0	0	0
0	-0.4609	-0.3817	6.283	-7.484	0	0	0
								0	-0.8859	4.156	-3.681	0.6750	0	0	0
0.5526	-0.1522	-0.5744	1.249	-1.266	0	0	0

表34

 

表面#	Amp	C	N	RO	NR
						10(光圈)	1.0672×10-3	-225.79	11.343	0.50785	0.65

表35

 

α	-1.0949	6.2998	5.8800	-14.746	-21.671	-20.584	-11.127	37.153	199.50
										β	1	2	3	4	5	6	7	8	9

表36

Z_VGA_LL_WFC成像系统包括执行预定相位调节的调相元件。在图70中，光学元件1646(1)的左表面是调相元件；然而，Z_VGA_LL_WFC成像系统的任何光学元件或者光学元件的组合可作为调相元件来执行预定的相位调节。由于预定的相位调节扩大了Z_VGA_LL_WFC成像系统的景深，所以使用预定相位调节的Z_VGA_LL_WFC成像系统支持连续可变的缩放率。光线1642表示了由Z_VGA_LL_WFC成像系统从无穷远处成像的电磁能。

可通过将Z_VGA_LL_WFC成像系统的性能与图56的Z_VGA_LL成像系统的性能比较来评估Z_VGA_LL_WFC成像系统的性能，因为这两个成像系统是类似的；Z_VGA_LL_WFC成像系统和Z_VGA_LL成像系统的主要区别在于Z_VGA_LL_WFC成像系统包括预定的调相系统，然而Z_VGA_LL成像系统不是这样。图72A、72B以及图73分别显示了作为Z_VGA_LL成像系统在无穷远共轭物距离处的空间频率函数的MTF图1670、1672和1690。MTF平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112对角线轴的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、具有坐标(0mm，0.528mm)的y轴上的全场点，以及具有坐标(0.704mm，0mm)的x轴上的全场点。在图72A、72B和73中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图1670对应于成像系统1220(1)，其表示具有远配置的Z_VGA_LL成像系统。图1672对应于成像系统1220(2)，其表示具有宽配置的Z_VGA_LL成像系统。图1690对应于具有中间配置(未示出Z_VGA_LL成像系统的这个配置)的Z_VGA_LL成像系统。正如通过比较图1670、1672和1690所看到的，Z_VGA_LL成像系统的性能作为缩放位置的函数而变化。进而，Z_VGA_LL成像系统在中间缩放配置下的性能是相对较差的，如图1690中的MTF由低幅度和零值所示出的。

图74A、74B和图75分别显示了作为Z_VGA_LL_WFC成像系统的空间频率函数的MTF图1710、1716和1740。MTF平均超过470到650nm的波长。每个图包括与探测器112对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF图；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0mm，0.528mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0mm)的全场点。在图74A、74B和75中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图1710对应于具有远配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；图1716对应于具有宽配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；图1740对应于具有中间配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统。

由虚线所指出的未滤波的曲线表示了由Z_VGA_LL_WFC成像系统产生的电子数据没有经过后滤波的MTF。正如从图1710、1716和1740中可看到的，未滤波MTF曲线1714、1720和1744具有相对较小的幅度。然而，未滤波曲线1714、1720和1744有利地不达到零幅度，这意味着Z_VGA_LL_WFC成像系统在受到关注的所有空间频率范围上都能提供图像。进而，未滤波曲线1714、1720和1744是非常相似的。MTF曲线的相似性允许通过执行解码算法的处理器使用单一的滤波器核心，如下面将要论述的。例如，在光学器件(如光学元件1646(1))中由调相元件引入的编码例如是由图1中执行解码算法的处理器46处理的，以致于Z_VGA_LL_WFC成像系统比没有上述后处理的Z_VGA_LL_WFC成像系统产生更加清晰的图像。由实线指出的滤波后的MTF曲线表示了进行后处理的Z_VGA_LL_WFC成像系统的性能。正如从图1710、1716和1740中看到的，进行了该后处理的Z_VGA_LL_WFC成像系统在所有缩放率下表现出相对一致的性能。

图76A、76B和76C显示了在执行解码算法的处理器进行后处理之前的Z_VGA_LL_WFC成像系统的轴向PSF图1760、1762和1764。图1760对应于具有远配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；图1762对应于具有宽配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；并且图1764对应于具有中间配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统。正如从图76中可看到的，在后处理之前PSF以缩放配置函数来变化。

图77A、77B和77C显示了在执行解码算法的处理器进行后处理之后的Z_VGA_LL_WFC成像系统的轴向PSF图1780、1782和1784。图1780对应于具有远配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；图1782对应于具有宽配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统；并且图1784对应于具有中间配置的Z_VGA_LL_WFC成像系统。正如从图77中可看到的，在后处理之后PSF与缩放配置是相对独立的。因为相同的滤波器核心用于处理，所以对于不同的物共轭PSF略微不同。

图78A是滤波器核心及其值的图示说明，该值可在由处理器执行的解码算法(如卷积)中与Z_VGA_LL_WFC成像系统一起使用。图78A的滤波器核心例如用于产生图77A、77B和77C的PSF图或者图74A、74B和75的已滤波的MTF曲线。该滤波器核心可由执行解码算法以处理由于引入波前编码元件而受到影响的电子数据的处理器使用。图1800是滤波器核心的三维图，并且在图78B的表1802中示出了滤波系数。

图79是成像系统1820的光学设计和光线轨迹图，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统1820可以是阵列成像系统中的一个；上述阵列可被分成多个子阵列和/或孤立成像系统，如根据图2A所述。成像系统1820可被称为VGA_O成像系统。VGA_O成像系统包括光学器件1822和由曲面1826所表示的弯曲像面。VGA_O成像系统具有1.50mm的焦距、62°的视场、1.3的F/#、2.45mm的总轨迹长度以及28°的最大主射线角。

光学器件1822具有七个叠置的光学元件1824。叠置的光学元件由两种不同材料形成并且相邻的光学元件由不同材料形成。叠置的光学元件1824(1)、1824(3)、1824(5)和1824(7)由具有第一折射率的第一材料形成；叠置的光学元件1824(2)、1824(4)和1824(6)由具有第二折射率的第二材料形成。在本文中可使用的两个示范性聚合物材料是：1)由ChemOptics提供的高折射率材料(n＝1.62)；和2)由Optical Po1ymer Research公司提供的低折射率材料(n＝1.37)。应注意，在光学器件1822中没有空气间隙。光线1830表示了由VGA_O成像系统从无穷远处成像的电磁能。

在表37和38中概述了光学器件1822的规格细节。由方程式(1)给出sag，其中半径、厚度和直径使用毫米单位给出。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	0.87115	0.2628	1.370	92.000	1.21	0
							3	0.69471	0.49072	1.620	32.000	1.19324	0
4	0.59367	0.09297	1.370	92.000	1.09178	0
							5	1.07164	0.3541	1.620	32.000	1.07063	0
6	1.8602	0.68	1.370	92.000	1.15153	0
							7	-1.1947	0.14803	1.620	32.000	1.26871	0
8	43.6942	0.19416	1.370	92.000	1.70316	0
							图像	-8.9687	0	1.458	67.821	1.77291	0

表37

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2(光圈)	0	0.2251	-0.4312	0.6812	-0.02185	0	0	0
									3	0	-1.058	0.3286	0.5144	-5.988	0	0	0
4	0.4507	-2.593	-6.754	30.26	-61.12	0	0	0
									5	0.8961	-1.116	-1.168	-0.6283	-51.10	0	0	0
6	0	1.013	11.46	-68.49	104.9	0	0	0
									7	0	-7.726	39.23	-105.7	121.0	0	0	0
8	0.5406	-0.4182	-3.808	10.73	-8.110	0	0	0

表38

探测器1832应用到曲面1826上。光学器件1822可独立于探测器1832而制造。探测器1832可由有机材料制造。探测器1832例如直接形成在表面1836上，例如使用喷墨打印机；或者，探测器1832可应用到随后结合到表面1826上的衬底(如聚乙烯片)。

在一个实施例中，探测器1832具有像素尺寸为2.2微米的VGA格式。在一个实施例中，探测器1832除探测器分辨率所需的像素之外包括附加探测器像素。该附加像素可用于放宽探测器1832中心相对于光轴1834的配准要求。如果探测器1832没有相对于光轴1834正确地对准，那么附加像素可允许探测器1832的轮廓被限定为以光轴1834为中心。

VGA_O成像系统的弯曲像面提供了另一设计自由度，其可在VGA_O成像系统中方便地使用。例如，像面可弯曲以适应于任何实际的表面形状，从而校正例如场曲和/或像散的像差。因此，可能放宽光学器件1822的公差并且因此降低制造成本。

图80显示了在无穷远物共轭距离处作为VGA_O成像系统的空间频率函数的0.55微米波长单色MTF图1850。图80示出了与探测器1832对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。由于弯曲像面、像散和场曲得到了适当的校正，并且MTF几乎限制了衍射。在图80中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。图80还显示了衍射界限，如图中“DIFF.LIMIT”所指出的。

图81显示了作为VGA_O成像系统的空间频率函数的对应于无穷远共轭物的白光MTF图1870。MTF平均超过470到650nm的波长。图81示出了与探测器1832对角线轴的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。在图81中，“T”仍然表示切向场并且“S”表示径向场。图81也显示了衍射界限，如图中“DIFF.LIMIT”所指出的。

通过比较图80和81可知图81的彩色MTF的幅度通常比图80的单色MTF小。幅度的该差异显示出VGA_O成像系统表现了通常被称为轴向颜色的像差。轴向颜色可通过预定的相位调节来校正；然而，对轴向颜色进行校正的预定相位调节的使用可降低用于放宽光学器件1822的光学-机械公差的预定相位调节能力。光学-机械公差的放宽可降低制造光学器件1822的成本；因此，在该情况下尽可能多地使用预定的相位调节效应来放宽光学-机械公差是有利的。因此，在一个或多个叠置的光学元件1824中使用不同的聚合物材料校正轴向颜色是有利的，如下所述。

图82A、82B和82C分别显示了VGA_O成像系统光程差的图1892、1894和1896。每个方向的最大尺寸是+/-五个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。每对图表示在探测器1832的对角线上不同的实像高度的光程差。图1892对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图1894对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图1896对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。每对图的左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。从图中可知系统中最大的像差是轴向颜色。

图83A显示了VGA_O成像系统的场曲图1920，图83B显示了VGA_O成像系统的畸变图1922。最大半场角是31.04°。实线对应于具有470nm波长的电磁能；短虚线对应于具有550nm波长的电磁能；并且长虚线对应于具有650nm波长的电磁能。

图84显示了作为VGA_O成像系统的空间频率函数的MTF图1940，其中在叠置的光学元件1824中使用选定的聚合物以减小轴向颜色。具有选定的聚合物的该成像系统可被称为VGA_O1成像系统。VGA_O1成像系统具有1.55mm的焦距、62°的视场、1.3的F/#、2.45mm的总轨迹长度以及26°的最大主射线角。表39和40中概述了使用选定的聚合物的光学器件1822的详细描述。由方程式(1)给出sag，其中半径、厚度和直径以毫米单位给出。

 

表面	半径	厚度	折射率	Abbe#	直径	二次曲线
							物	无穷大	无穷大	空气		无穷大	0
光圈	0.86985	0.26457	1.370	92.000	1.2	0
							3	0.69585	0.49044	1.620	32.000	1.18553	0
4	0.59384	0.09378	1.370	92.000	1.09062	0
							5	1.07192	0.35286	1.620	32.000	1.07101	0
6	1.89355	0.68279	1.370	92.000	1.14674	0
							7	-1.2097	0.14803	1.620	32.000	1.26218	0
8	-54.165	0.19532	1.370	92.000	1.69492	0
							图像	-8.3058	0	1.458	67.821	1.76576	0

表39

 

表面#	A2	A4	A6	A8	A10	A12	A14	A16
									1(物)	0	0	0	0	0	0	0	0
2(光圈)	0	0.2250	-0.4318	0.6808	-0.02055	0	0	0
									3	0	-1.061	0.3197	0.5032	-5.994	0	0	0
4	0.4526	-2.590	-6.733	30.26	-61.37	0	0	0
									5	0.8957	-1.110	-1.190	-0.6586	-51.21	0	0	0
6	0	1.001	11.47	-68.45	104.9	0	0	0
									7	0	-7.732	39.18	-105.8	120.9	0	0	0
8	0.5053	-0.3366	-3.796	10.64	-8.267	0	0	0

表40

在图84中，MTF图平均超过470到650nm。图84示出了与探测器1832对角线轴上的实像高度相关的三个不同场点的MTF曲线；三个场点是一个具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点、一个具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点以及一个具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。再次，在图84中，“T”表示切向场并且“S”表示径向场。通过比较图81和84可知VGA_O1成像系统的彩色MTF通常比VGA_O成像系统更高。

图85A、85B和85C分别显示了VGA_O1成像系统的光程差图1962、1964和1966。每个方向中的最大尺寸是+/-两个波长。实线表示具有470nm波长的电磁能；短虚线表示具有550nm波长的电磁能；长虚线表示具有650nm波长的电磁能。每对图表示在探测器1832的对角线上不同的实像高度的光程差。图1962对应于具有坐标(0mm，0mm)的轴上场点；图1964对应于具有坐标(0.49mm，0.37mm)的0.7场点；并且图1966对应于具有坐标(0.704mm，0.528mm)的全场点。通过比较图82和85可知，与VGA_O成像系统相比，VGA_O1成像系统的第三聚合物的轴向颜色减小了1.5倍。每对图的左列是光线的切向集合的波前误差图，并且右列是光线的径向集合的波前误差图。

图86是成像系统1990的光学设计和光线轨迹，其是图2A的成像系统10的一个实施例。成像系统1990可以是阵列成像系统中的一个；该阵列根据图2A所述可被分成多个子阵列和/或孤立的成像系统。成像系统1990具有多个孔径1992和1994，其每个指引这电磁能到探测器1996上。

孔径1992捕获图像而孔径1994用于集成光强级检测。在使用成像系统1990捕获图像之前，该光强级检测可用于根据环境光强度调整成像系统1990。成像系统1990包括具有多个光学元件的光学器件2022。光学元件1998(如玻璃板)与探测器1996一起形成。光学器件-探测器接口，例如空气间隙，可将元件1998与探测器1996分开。因此对探测器1996来说元件1998可以是一个盖板。

空气间隙2000将光学元件2002与元件1998分开。正光学元件2002依次形成在光学元件2004(如玻璃板)靠近探测器1996的一侧，并且负光学器件2006形成在元件2004的相对侧。空气间隙2008将负光学元件2006与负光学元件2010分开。负光学元件2010形成在光学元件2012(如玻璃板)靠近探测器1996的一侧；正光学元件2016和2014形成在光学元件2012的相对侧。光学元件2016与孔径1992进行光通信，并且光学元件2014与孔径1994进行光通信。光学元件2020(如玻璃板)通过空气间隙2018与从光学元件2016和2014分开。

从图86可知，光学元件2022包括四个与孔径1992进行光通信的光学元件并且仅有一个光学元件与孔径1994进行光通信。由于孔径1994仅用于电磁能检测，所以少量的光学元件需要使用孔径1994。

图87是WALO型成像系统1990的光学设计和光线轨迹，在此示出以进一步描述细节或者可替换的元件。为了清楚起见，仅对相对于图86增加的或改变的元件进行了编号。系统1990可包括例如有助于在孔径1992和19944中分开电磁能的元件2086、2088、2090和2090的物理孔径元件。

衍射光学元件2076和2080可代替元件2014使用。该衍射元件可具有相对较大的景深，但局限于单一波长的电磁能；或者，该衍射元件可具有相对较小的视场，但是在相对较大的波谱上可以成像。如果光学元件2076和2080是衍射元件，则它们的性能可根据期望的设计目标来选择。

在先部分的阵列成像系统的实现需要构成阵列成像系统的每个组件的设计、优化和制造的仔细配合。例如，暂时回到图3，阵列成像系统62的阵列60的制造迫使在多方面需要探测器16和光学器件66的设计、优化和制造的配合。例如，可考虑光学器件66和探测器16的获得一定图案和检测物的兼容性，以及形成光学器件66的制造步骤的优化的方法。该兼容性和优化可增加产量并且解决多个制造过程的限制。另外，为提高图像质量对已捕获图像数据处理的修整可减轻一些现有的制造和优化限制。虽然阵列成像系统的不同组件公知是分开优化的，但是用于实现阵列成像系统所需的从概念到制造的步骤，例如上述的那些，可通过控制从开始到结束的合作方式中的所有实现的方面而得以提高。实现本公开的阵列成像系统的工艺，考虑到每个组件的目标和限制，此后马上进行描述。

图88是实现阵列成像系统的一个实施例的示范性过程3000的流程图。如图88中所示，在步骤3002，在公共底座上支撑的探测器阵列被制造。光学器件阵列在步骤3004也在公共底座上形成，其中每个光学器件与至少一个探测器光通信。最后，在步骤3006，组合的探测器和光学器件的阵列被分成成像系统。应注意，不同的成像系统的配置可在给定的公共底座上制造。图88中示出的每个步骤与设计、优化和制造控制过程相配合，正如此后所立即描述的。

图89是实现阵列成像系统所实施的示范性过程3010的流程图。示范性过程3010如上所述突出了在制造阵列成像系统中使用的常规步骤，这些常规步骤中的每个细节将随后在本公开内容中在适当的点进行论述。

如图89中所示，开始，在步骤3011，形成用于阵列成像系统的每个成像系统的成像系统设计。在成像系统设计形成步骤3011，软件可用于对成像系统设计进行建模和优化，如在后面的接合点将要详细描述的。成像系统设计之后可在步骤3012中例如通过使用商用软件的数值建模进行测试。如果在步骤3012中所测试的成像系统设计不符合预定的参数，那么过程3010返回到步骤3011，其使用可能的设计参数调节组来调节成像系统设计。预定的参数可包括，例如，MTF值、斯特列尔比(Strehl ratio)、使用光程差的像差分析和光线扇面图以及主射线角值。另外，在步骤3011中要考虑对待成像的物类型及其典型设置的了解。可能的设计参数调节可包括，例如，光学元件的曲率和厚度的变换、光学子阵列设计中的光学元件的数量和相位调节的变换、在成像处理子系统设计中的电子数据加工中的滤波器核心的变换，以及在探测器子系统设计中亚波长的特征宽度和高度的变换。步骤3011和3012被重复执行，直到成像系统设计符合预定的参数为止。

仍参考图89，在步骤3013中，成像系统的组件对应于成像系统的设计而制造；即，至少光学器件、成像处理器和探测器子系统对应于各自的子系统设计而制造。之后在步骤3014中组件被测试。如果任何成像系统组件不符合预定的参数，那么可使用可能的设计参数调节的集合对成像系统设计再次调节，并且使用进一步调节的设计重复执行步骤3012到3014，直到制造的成像系统符合预定的参数为止。

继续参考图89，在步骤3015成像系统组件被组装形成成像系统，并且之后组装的成像系统在步骤3016被测试。如果组装的成像系统不符合预定参数，那么可使用可能的设计参数调节的集合对成像系统设计再次调节，并且使用进一步调节的设计重复执行步骤3012到3016，直到已制造的成像系统符合预定的参数为止。在每个测试步骤中，也可确定性能指标。

图90包括显示了成像系统设计的形成步骤3011和测试步骤3012的进一步细节的流程图3020。如图90所示，在步骤3021，为成像系统设计初始指定一组目标参数。目标参数可包括，例如，设计参数、过程参数和指标。度量是详细的，例如成像系统的MTF中所需的特性或更通常的定义，例如景深、焦深、图像质量、可检测性、低成本、短制造时间或者制造误差的低敏感性。随后在步骤3022为成像系统设计确定了设计参数。设计参数可包括，例如，f数(F/#)、视场(FOV)、光学元件的数量、探测器格式(如640×480探测器像素)、探测器像素尺寸(如2.2μm)和滤波器尺寸(如7×7或者31×31系数)。其他设计参数可以是总光学轨迹长度、单个光学元件的曲率和厚度、缩放透镜中的缩放率、任何调相元件的表面参数、集成到探测器子系统设计中的光学元件的亚波长特征宽度和厚度、最小彗形像差和最小噪声增益。

步骤3011还包括为成像系统的多个组件形成设计的步骤。即，步骤3011包括形成光学子系统设计的步骤3024、形成光学-机械子系统设计的步骤3026、形成探测器子系统设计的步骤3028、形成图像处理器子系统设计的步骤3030和形成测试程序的步骤3032。步骤3024、3026、3028、3030和3032为设置成像系统设计考虑了设计参数，并且这些步骤可以并行地、按照任何顺序串行地或者联合地执行。进而，步骤3024、3026、3028、3030和3032中的某一个是可选的；例如，探测器子系统设计可受到成像系统中使用现货供应的探测器这一事实的限制，从而步骤3028就不需要了。另外，检测程序可由可获得的资源发出指令以致于步骤3032变成无关的。

继续参考图90，成像系统设计的测试步骤3012的进一步细节被示出。步骤3012包括分析成像系统设计在符合预定设计参数时是否满足指定的目标参数的步骤3037。如果成像系统设计不符合预定参数，那么使用可能的设计参数调节的各个集合来调节至少一个子系统设计。分析步骤3037可把来自一个或多个设计步骤3024、3026、3028、3030和3032的单个设计参数或者设计参数的组合作为目标。例如，可在明确的目标参数上实施分析，例如所需的MTF特性。作为另一个实施例，包括在探测器子系统设计中的亚波长光学器件的主射线角校正特性也可以被分析。类似的，图像处理器的性能可通过检验MTF值来分析。分析也可以包括评估与可制造性相关的参数。例如，可分析结构主体的加工时间，或者可评估光学-机械设计组装的公差。如果可制造性由于严格的公差或者增加的制造时间而被确定为太昂贵，则特定的光学子系统设计可能是没有用的。

步骤3012进一步包括判定3038，以确定成像系统是否已满足了目标参数。如果当前成像系统没有满足目标参数，那么可在步骤3039使用可能的设计参数调节集合来调节设计参数。例如，MTF特性的数字分析可被用于确定是否阵列成像系统达到一定的规范。MTF特性的规范可以例如由特定应用的需求来指定。如果成像系统设计达不到一定的规范，则可改变特定的设计参数，例如单个光学元件的曲率和厚度。作为另一个示例，如果主射线角校正没有达到规范，则在探测器像素结构中的亚波长光学元件的设计可通过改变亚波长的特征宽度或者厚度来进行调节。如果信号处理没有达到规范，则可调节滤波器的核心的尺寸，或者可选择另一种类或者指标的滤波器。

如前参考图89所述，使用进一步调节的设计重复执行步骤3011和3012，直到每个子系统设计(因此成像系统设计)符合相关的预定参数为止。不同子系统设计的测试可独立执行(即每个子系统被单独测试或者调节)或者结合执行(即两个或更多子系统在测试和调节处理中耦合)。如果必要的话，使用进一步调节的设计重复执行上述的适当设计处理，直到成像系统设计符合预定的参数为止。

图91是示出了图90的探测器子系统设计形成步骤3028的细节的流程图。在步骤3045(在下面的进一步细节中描述)中，对探测器结构中或接近探测器结构的光学元件进行设计、建模和优化。在步骤3046中，如本领域所公知的，对探测器像素结构进行设计、建模和优化。步骤3045和3046可被分开或者共同实施，其中探测器像素结构的设计以及与探测器像素结构相关的光学元件的设计被结合。

图92是显示了图91的光学元件设计形成步骤3045的进一步细节的流程图。如图92中所示，步骤3051选择特定的探测器像素。步骤3052指定对应于探测器像素的光学元件的位置，该探测器像素与探测器像素结构相关。步骤3054评估当前位置光学元件的功率耦合。步骤3055，如果对光学元件的当前位置的功率耦合被确定为不足以最大化，那么在步骤3056调节光学元件的位置，并且重复执行步骤3054、3055和3056，直到获得最大功率耦合值为止。

在当前位置的计算功率耦合被确定为足够接近最大值的时候，那么如果还保留了需优化的探测器像素(步骤3057)，就从步骤3051开始重复上述处理。可以理解，其它参数可被优化，例如，功率串扰(被相邻的探测器像素不当接收的功率)可被优化为最小值。步骤3045的进一步细节此后在适当的节点进行描述。

图93是显示了图90的光学子系统设计形成步骤3024的进一步细节的流程图。在步骤3061中，用于光学子系统设计的一组目标参数和设计参数从图90的步骤3021和3022中获得。基于目标参数和设计参数，在步骤3062中指定光学子系统设计。在步骤3063中，对光学子系统设计的实现过程(如制造和计量)进行建模，以确定在光学子系统设计中的可行性和效果。在步骤3064中，光学子系统设计被分析以确定参数是否得到满足。进行判定3065以确定当前光学子系统是否满足设计目标和设计参数。

如果目标和设计参数不满足当前光学子系统设计，那么进行判定3066以确定实现过程参数是否可被调节以获得目标参数内的性能。如果在实现过程内的处理调节是可行的，那么基于步骤3064中的分析、优化软件(即“优化器”)和/或使用知识，在步骤3067中调节实现过程参数。在逐个参数(parameter by parameter)基础上或者使用多个参数做出过程参数是否能被调节的决定。对实现过程(步骤3063)建模和随后的步骤，如上所述，可重复执行，直到目标参数得到满足为止或者直到工艺参数调节被确定为不可行为止。如果在判定3066处确定工艺参数调节不可行，那么在步骤3068调节光学子系统设计参数，并且在步骤3062中使用已调节的光学子系统设计。随后的步骤，如果可能的话，如上所述，被重复执行，直到目标参数得到满足为止。或者，对于更强的设计优化，设计参数可被调节(步骤3068)，同时进行工艺参数的调节(步骤3067)。对于任何给定的参数，判定3066可由用户或者优化者做出。作为例子，工具半径可被优化器的用户设定为一个固定值作为约束(即无法被调节)。在问题分析后，优化器中的特定参数和/或优化器中变量的权重可被调节。

图94是显示了图93的步骤3063中所显示的实现过程建模的细节。在步骤3071中，光学子系统设计被分成阵列光学器件设计。例如，以叠置的光学器件排列的每个阵列光学器件设计和/或晶片级光学器件涉及可被分别分析。在步骤3072中，可行性以及与用于每个阵列光学器件设计的制造主体的制造相关的误差被建模。在步骤3074中，可行性以及与从制造主体复制阵列光学器件设计相关的误差被建模。这些步骤中每个的进一步细节随后在合适的节点处进行描述。在所有阵列光学器件设计被建模(步骤3076)之后，在将用来预测光学子系统设计的已获得性能的步骤3077处，阵列光学器件设计与步骤3077重组到光学子系统设计中。得到的光学子系统设计被指定到图93的步骤3064。

图95是显示了为给定结构主体的制造建模的步骤3072(图94)的进一步细节的流程图。在步骤3081中，给定的结构主体的制造被评估。在判定3082中，判定使用当前的阵列光学器件设计制造结构主体是否是可行的。如果判定3082的答案为是，则制造结构主体，然后工具路径以及用于加工机械输入设计和当前工艺参数的相关数字控制部分程序在步骤3084中形成。考虑到结构主体的加工工艺所固有的变化和/或误差，已调节的阵列光学器件设计也可以在步骤3085中形成。如果判定3082的结果为否，使用当前阵列光学器件设计的结构主体在给定的已确定设计要求或工艺参数限制下是不可制造的，然后，在步骤3083，形成了详细描述步骤3081中所确定的限制的报告。例如，报告可指明工艺参数(如机械配置和加工)或者光学子系统设计本身是否是需要的。这样一个报告可被用户看到或者输出到软件或用于评估报告所配置的机器中。

图96是显示了用来评估给定结构主体制造的步骤3081(图95)的进一步细节的流程图。如图96所示，在步骤3091中，阵列光学器件设计被定义为分析方程或者插值。在步骤3092中，为阵列光学器件设计计算了一阶和二阶导数和局部曲率半径。在步骤3093中，为阵列光学器件设计计算了最大斜率和斜率范围。用于加工光学器件所需的工具和工具路径参数在步骤3094和3095中被分别分析，并且在后面进行详细论述。

图97是显示了用来分析工具参数的步骤3094(图96)的进一步细节的流程图。示范性的工具参数包括工具尖端半径、包括角度的工具以及工具的清除。工具使用者的工具参数是可行或可接受的分析可以包括，例如，确定工具尖端半径是否小于表面制造所需的最小局部曲率半径，工具窗口是否得到满足并且工具主体和侧面的清除是否得到满足。

如图97中所示，在判定3101，如果确定在制造给定的结构主体中特定的工具参数不能被使用，那么进行附加评估以确定预期的功能是否可以使用不同的工具来实施(判定3102)，是否可通过改变工具的位置或者例如工具旋转和/或倾斜的方向来实施(判定3013)，或者是否允许表面形态的退化，以致于制造工艺中的异常可被容忍。例如，在金刚石旋转中，如果工具的工具尖端半径大于在半径配合中表面设计的最小曲率半径，那么阵列光学器件设计的特征将不会由该工具可靠地制造，并且可留下和/或移除附加的材料。如果判定3101、3102、3103和3104没有指明有问题的工具的工具参数是可接受的，那么，在步骤3105，形成在那些先前的判定中所确定的相关限制的细节的报告。

图98是描述了分析工具路径参数的步骤3095的进一步细节的流程图。如图98所示，判定3111确定是否为给定的工具路径提供了足够的角取样，以在阵列光学器件设计中形成所需的特性。判定3111包括，例如，频率分析。如果判定3111的结果为是，角取样就是足够的，然后，在判定3112中，确定预期的光学表面粗糙度低于预定的可接受值。如果判定3112的结果为是，表面粗糙度是满意的，然后在步骤3113中进行工具路径参数的第二微分。在判定3114中，判定在结构主体制造工艺中是否超过了制造机器的加速度的限制。

继续参考图98，如果判定3111的结果为否，那么工具路径不具有足够的角取样，然后在判定3115中确定阵列光学器件设计由于不足的角取样而产生的退化是否可允许。如果判定3115的结果为是，阵列光学器件设计的退化是允许的，然后处理继续进行到前面所述的判定3112；如果判定3115的结果为否，阵列光学器件设计的退化是不能允许的，然后在步骤3116形成报告，其详述了当前工具路径参数的相关限制。或者，进行后续判定来确定角取样是否可被调节以降低阵列光学器件设计的退化，如果后续判定的结果为是，随后在角取样中实施上述调节。

还是参考图98，如果判定3112的结果为否，表面粗糙度大于预定的可接受值，那么做出判定3117来确定工艺参数(如制造机器的横向送料空间)是否可被调节到足够减小表面粗糙度。如果判定3117的结果为是，工艺参数可被调节，然后在步骤3118中进行调节工艺参数。如果判定3117的结果为否，加工参数是不能被调节的，那么处理继续进行到报告形成步骤3116。

继续参考图98，如果判定3114的结果为否，没有超过制造工艺中机器加速度的限制，那么进行判定3119来确定工具路径的加速度是否可减小，而不降低超出了可接受限制的结构主体。如果判定3119的结果为是，可减小工具路径加速度，然后考虑将工具路径参数落入可接受的限制中并且处理继续进行到图95的判定3082。如果判定3119的结果为否，在不降低结构主体情况下可不减小工具路径加速度，处理继续进行到报告形成步骤3116。

图99是显示了形成工具路径的步骤3084(图95)的进一步细节的流程图，工具路径是在材料中切削预期表面时，沿着产生工具点(如金刚石工具)或者工具表面(如用于磨床)的工具补偿表面的给定工具的真实位置路径。如图99中所示，在步骤3121，在工具交叉点处计算表面法线。在步骤3122，计算位置偏移。之后在步骤3123，重新定义工具补偿表面分析方程或者插值，并且在步骤3124定义工具路径的光栅。在步骤3125，在光栅点对工具补偿表面进行取样。在步骤3126，当处理继续到步骤3085时，输出数字控制部分程序(图95)。

图100是显示了为制造执行阵列光学器件设计的结构主体的示范性处理3013A的流程图。如图100中所示，开始，在步骤3131，配置了制造结构主体的机器。此后在合适的节点处会更加详细地讨论配置步骤的细节。在步骤3132，数字控制部分程序(如从图99的步骤3126)被加载到机器中。随后在步骤3133制造结构主体。在可选的步骤中，在步骤3134，可在结构主体上使用计量。步骤3131-3133被重复执行，直到预期的结构主体被制造出(每个步骤3135)为止。

图101是显示了形成经调节的光学元件设计的步骤3085(图95)的细节的流程图，其中考虑了结构主体的加工工艺中所固有的变化和/或误差。如图101中所示，在步骤3141，选择光学元件上的取样点((r，θ)，其中r是与结构主体的中心相关的半径并且θ是来自于与取样点交叉的参考点的角度)。在步骤3142，确定每个方向的光栅点的结合对。在步骤3143，使用角方向的插值以找到θ的校正值。在步骤3144，根据θ和定义的光栅对来随后确定r的校正值。在步骤3145，给定r、θ和工具形状，随后计算合适的Z值。对与要取样的光学元件相关的所有点都执行步骤3141到3145(步骤3146)，从而在制造后形成光学元件设计的说明。

图102是显示了制造成像系统组件的步骤3013B的进一步细节的流程图；特别是，图102显示了将阵列光学元件复制到公共底座上的细节。如图102中所示，开始，在步骤3151，准备公共底座以在其上支撑阵列光学元件。在步骤3152中形成用于形成阵列光学元件的结构主体(如通过使用上面所述的并且在图95-101中示出的处理)。在步骤3153，适当的材料，例如透明的聚合物，被施加到上面，同时结构主体与公共底座接合。在步骤3154，随后固化适当的材料以在公共底座上形成一个阵列光学元件。之后重复步骤3152-3154直到阵列光学器件完整为止(每个步骤3155)。

图103是显示了使用结构主体对复制工艺建模的步骤3074(图94)的附加细节的流程图。如图103中所示，在步骤3151评估了复制工艺的可行性。在判定3152，做出复制工艺是否是可行的决定。如果判定3152的输出为是，使用结构主体的复制工艺是可行的，那么在步骤3153形成已调节的光学子系统设计。否则，如果判定3152的结果为否，复制工艺是不可行的，那么在步骤3154形成报告。与图103的流程图所定义的工艺相类似的方式中，执行评估计量可行性的步骤，其中以适当地评估计量可行性代替步骤3151计量。计量可行性可以，例如，包括确定或者分析所要制造的光学元件的曲率以及加工能力，例如干涉，从而表现出那些曲率的特点。

图104是示出了评估复制工艺可行性的步骤3151和3152的附加细节的流程图。如图104中所示，在判定3161中，确定用于复制光学元件的材料是否适合于成像系统；在所关注的、易于处理和固化的波长处，与用在成像系统中的其它材料以及所得光学元件的坚固性相兼容，给定材料的适合度可以根据例如粘性、折射率、固化时间、附着力和脱模性能、散射、给定材料的收缩和半透明材料性质的材料性质进行评估。另一个例子是评估玻璃化转变温度以及超过光学子系统设计的复制工艺温度以及操作和存储温度是否适当。如果UV固化聚合物，例如，具有大概为室温的转变温度，那么这个材料在作为探测器焊接工艺步骤一部分的承受100℃温度的叠置的光学元件设计中很可能是不可行的。

如果判定3161的输出为是，材料适合同光学元件一起复制，之后处理继续进行到判定3162，在此做出阵列光学器件设计是否与步骤3161处所选择的材料兼容的决定。阵列光学器件设计兼容性的决定可包括，例如，固化程序的检查，特别是从哪一侧公共底座被固化。如果阵列光学器件通过先前形成的光学器件固化，那么固化时间会显著增加并且会导致先前形成的光学器件的退化或者变形。虽然这个效应在具有几层或者对过固化和升温敏感的材料的一些设计中是可接受的，但是它在具有多个层和温度敏感材料的设计中是不可接受的。如果判定3161或者3162指明预期的复制工艺超出了可接受的限度，那么在步骤3163形成报告。

图105是显示了形成已调节的光学设计的步骤3153的附加细节的流程图。如图105中所示，在步骤3171，在已制造的光学器件上施加收缩模型。收缩可以改变被复制的光学元件的表面形状，因此影响在光学子系统中存在的潜在像差。这些像差可导致组装件和阵列成像系统的性能的负面影响(如散焦)。接下来，在步骤3172中，要考虑到X、Y和Z轴与公共底座未对准。在步骤3173，考虑中间体的退化和形状的连贯性。然后，在步骤3174，由附着力产生的变形被建模。最后，在步骤3175，不连贯的聚合物组被建模，从而在步骤3176中产生已调节的光学设计。这段话所讨论的所有参数都是主要的复制主题，其能使阵列成像系统比它们被设计的性能更差。在光学子系统的设计中，这些参数被最少化和/或考虑地越多，光学子系统就表现得更接近于它的规范。

图106是显示了基于打印或传递探测器到光学器件的能力制造阵列成像系统的示范性工艺3200的流程图。如图106所示，开始，在步骤3201，制造结构主体。接下来，在步骤3202，使用结构主体，阵列光学器件在公共底座上形成。在步骤3203，探测器阵列被打印或者传递到阵列光学器件(在本公开中的适当点处所后讨论打印处理的细节)。最后，在步骤3204，阵列可被分成多个成像系统。

图107示出了成像系统工艺链。系统3500与探测器3520合作以形成电子数据3525。探测器3520可包括掩埋式光学元件和亚波长部件。特别是，来自探测器3520的电子数据3525被一系列处理块3522、3524、3530、3540、3552、3554和3560处理以产生经处理的图像3570。例如处理块3522、3524、3530、3540、3552、3554和3560表示可被执行本文所述功能的电子逻辑器件执行的图像处理功能。例如这样的块可由执行软件指令的一个或多个数字信号处理器来执行；或者，这些块可包括离散逻辑电路、专用集成电路(“ASICs”)、门阵列、现场可编程门阵列(“FPGAs”)、计算机存储器以及其中的一部分或者组合。

为了降低噪声，处理块3522和3524操作以处理电子数据3525。特别是，固定模式噪声(“FPN”)块3522校正探测器3520的固定模式噪声(如像素增益和偏置，以及非线性响应)；预滤波器3524进一步降低电子数据3525的噪声和/或为后面的处理块准备电子数据3525。彩色转换块3530将颜色分量转换成新的彩色空间。例如，颜色分量的上述转换可以是红-绿-蓝彩色空间的单独的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)通道转换为对亮度-色度(“YUV”)彩色空间的相应通道；优选地，也可以使用例如青-洋红-黄(“CMY”)的其它彩色空间。通过过滤一个或多个新的彩色空间通道，模糊和滤波块3540从新的彩色图像移除了模糊。例如，块3552和3554操作来自块3540的后处理数据以再次减小噪声。特别是，利用对块3540中的数字滤波的了解，单个通道(“SC”)块3552对电子数据的每个单个通道中噪声过滤；用模糊和过滤块3540中的数字过滤的认识，多个通道(“MC”)块3554从多个数据通道过滤噪声。在已处理的电子数据3570之前，另一个彩色转换块3560可例如转换彩色图像分量回到RGB颜色分量。

图108示意性地示出了具有色彩处理的成像系统3600。成像系统3600根据所捕获的形成于探测器3605处的电子数据3625形成已处理的三色图像3600，其中探测器3605包括滤色器阵列3602。滤色器阵列3602和探测器3605可包括掩埋式光学元件和亚波长部件。系统3600使用光学器件3601，其可包括调相元件，用于对传播通过光学器件3601以在探测器3605处形成被捕获的电子数据3625的电磁能的波前相位进行编码。由被捕获的电子数据3625所表示的图像包括由光学器件3601中的调相元件导致的相位调节。光学器件3601可包括一个或多个叠置的光学元件。探测器3605形成由噪声降低处理(“NRP”)和彩色空间转换块3620处理的被捕获电子数据3625。NPR起到例如移除探测器的非线性和附加噪声的作用，而彩色空间转换起到移除复合图像的空间相关性以降低模糊移除处理(其将在块3642和3644中随后进行)所需的逻辑数量和/或存储器资源的作用。NRP和彩色空间转换块3620以电子数据的形式输出，电子数据分成两个通道：1)空间通道3632，和2)一个或多个彩色通道3634。通道3632和3634在此处有时被称为电子数据的“数据组”。空间通道3632具有比彩色通道3634多的空间细节。因此，空间通道3632在模糊移除块3644中可能需要主要的模糊移除。彩色通道3634在模糊移除块3642中可能需要非常少的模糊移除。在由模糊移除块3642和3644处理之后，通道3632和3634再次被合并，以用于在NRP和彩色空间转换块3650中进行处理。NRP和彩色空间转换块3650进而移除由模糊移除而加重的图像噪声，并将合并的图像转变回到RGB格式以形成处理过的三色图像3660。如上所述，处理块3620、3632、3634、3642、3644和3650可包括一个或多个执行软件指令和/或离散逻辑电路、ASIC、门阵列、FPGA、计算机存储器以及它们中的一部分或者组合的数字信号处理器。

图109显示了使用预定相位调节的图像系统的被扩大的景深，所述预定相位调节例如为在’371专利中公开的波前编码。成像系统4010包括由调相元件4014和光学元件4016成像到探测器4018上的物4012。调相元件4014被配置为对来自物4012的电磁能4020的波前编码，从而将预定的成像效应引入到探测器4018处所获得的图像。这个成像效应被调相元件4014控制，以致于，与常规的没有该调相元件的成像系统相比，减小了与离焦相关的像差或者扩大了成像系统的景深。调相元件4014可被配置为例如引入相位调节，该相位调节在调相元件表面的平面中是空间变量x和y的可分离的、立方函数(如’371专利中所述)。

如此处所用，非均匀或多折射率光学元件被看作是在它的三维体积中具有可定制特性的光学元件。非均匀光学元件可具有，例如，折射率或其体吸收的非均匀分布。或者，非均匀光学元件可以是这样的光学元件，即其具有被应用或者嵌入的具有非均匀折射率或吸收的一层或多层。非均匀的折射率分布的例子包括梯度折射率(GRIN)透镜，或者从LightPath Technologies获得的GRADIUM

材料。具有非均匀折射率和/或吸收的例子包括被施加的选择性改变的膜或表面，例如，使用光刻、冲压、刻蚀、沉积、离子注入、外延或者扩散。

图110显示了包括非均匀的调相元件4104的成像系统4100。除了提供预定的相位调节的调相元件4104代替调相元件4014(图109)之外，成像系统4100与成像系统4010(图109)类似。调相元件4104例如可以是具有内部折射率分布4108的GRIN透镜，用于从物4012实现电磁能4020的预定相位调节。内部折射率分布4108例如被设计用于穿过其传输的电磁能的相位调节，从而在成像系统中降低与离焦相关的像差。例如，调相元件4104可以是例如叠置的衍射元件、全息摄影或者多孔径元件的衍射结构。调相元件4104也可是具有空间任意性或者变化的折射率分布的三维结构。图110中示出的原理可适于在紧凑的、坚固的封装中执行光学设计。

图111显示了非均匀调相元件4114的微结构配置的例子。可以理解，此处所示的微结构配置类似于图3和6中所示的配置。如图所示，调相元件4114包括多个层4118A-4118K。例如，层4118A-4118K可以是表现出不同的折射率(并且因此具有不同的相位函数)的材料层，材料层可总体配置为使得调相元件4114将预定的图象效应引入到获得的图象中。每个层4118A-4118K可表现出固定的折射率或者吸收(如在层叠膜的情况下)，并且可选地或者附加地，每层的折射率或者吸收在层内可以是空间非均匀的，例如通过光刻构图、冲压、斜向蒸发、离子注入、刻蚀、外延或扩散。例如，层4118A-4118K的结合可使用计算机运行建模软件来对穿过其的电磁能执行预定的相位调节。该建模软件已参考图88-106进行了详细论述。

图112显示了实施非均匀调相元件的照相机4120。照相机4120包括非均匀调相元件4124，非均匀调相元件4124具有其上集成有折射率分布的前表面4128。在图112中，显示了前表面4128包括用来控制像差和/或降低与离焦相关的已捕获图像的像差敏感性的调相表面。或者，可形成前表面以提供光功率。非均匀的调相元件4124被固定到探测器4130，探测器4130包括多个探测器像素4132。在照相机4120中，非均匀的调相元件4124使用结合层4136直接安装到探测器4130上。可发送在探测器4130处捕获的图像信息到数字信号处理(DSP)4138，其在图像信息上进行后处理。例如，DSP 4138可数字移除由探测器4130处所捕获图像的相位调节所形成的成像效应，从而形成具有与离焦相关的像差的图像4140。

在图112中示出的示范性的非均匀调相元件配置是特别有利的，因为非均匀的调相元件例如被设计为在入射到探测器4130上的角度范围上直接输入电磁能，同时具有可直接粘附到探测器4130的至少一个平表面，在这方面，虽然非均匀的调相元件可对应于探测器像素4132进行排列，但是用于非均匀的调相元件的附加安装软件不是必须的。例如，与现有的照相机配置相比，包括具有大约1毫米直径和大约5毫米长度尺寸的非均匀调相元件4124在内的照相机4120可以是非常紧凑而坚固的(由于缺少用于光学元件的安装软件等)。

图113-117为例如本文所述的非均匀调相元件示出了可能的制造方法。按照与制造光学纤维或者GRIN透镜类似的方式，图113的束4150包括具有不同折射率的多个棒4152A-4152G。可配置每个棒4152A-4152G的折射率的各个值从而在截面内提供非球面的相位分布。然后可加热并拉动束4150，从而形成具有在截面内的非球面相位分布的复合棒4150’，如图114中所示。如图115中所示，之后复合棒4150’可被分成多个晶片4155，每个在截面内都具有非球面的相位分布，每个晶片的厚度根据在特定应用中的相位调节的数量来确定。可修整非球面相位分布以提供特定应用所需的预定相位调节，并且非球面相位分布可包括例如，但是不限于，立方相位分布的多种分布。或者，分量4160(如GRIN透镜或者另一个光学器件组件或者任何其它用于接收输入电磁能的合适的元件)可首先通过结合层4162固定到复合棒4150’，如图116中所示。所需厚度(根据所需的相位调节的数量)的晶片4165，如图117中所示，随后从复合棒4150’的剩余部分被分开。

图118-130显示了现有技术GRIN透镜的数值建模配置和结果，并且图131-143显示了根据本公开而设计的非均匀调相元件的数字建模配置和结果。

图118显示了现有技术的GRIN透镜配置4800。图119-130示出了表征配置4800的散焦PSF和MTF。在配置4800中，为了给物4804成像，GRIN透镜4802具有以距光轴4803半径r的函数来变化的折射率。物4804的电磁能穿过前表面4810并且在GRIN透镜4802的后表面4812聚焦。图118也显示了XYZ坐标系以作为参考。数值建模的细节，如在商用光学设计程序中执行，此后马上进行详细描述。

GRIN透镜4802具有下面的3D折射率分布：

     方程式(5)

并且焦距＝1.76mm、F/#＝1.77、直径＝1.00mm、长度＝5.00mm。

图119-123是对于法线入射处的电磁能以及对于从-50μm到+50μm的不同散焦(即距GRIN透镜4802的最佳聚焦的物距)值的GRIN透镜4802的PSF。类似的，图124-128显示了对于相同散焦范围但是在入射角5°处的电磁能的GRIN透镜4802的PSF。表41显示了图119-128的PSF值之间的对应入射角以及参考数。

 

散焦	法线入射PSF的参考数值	5°入射PSF的参考数值
			-50μm	4250	4260
-25μm	4252	4262
			0μm	4254	4264
+25μm	4256	4266
			+50μm	4258	4268

表41

通过比较图119-128可知，由GRIN透镜4802形成的PSF的尺寸和形状随着法线角度的不同值和散焦而显著变化。因此，仅具有光焦度(focusing power)的GRIN透镜4802作为成像透镜具有性能限制。这些性能限制在图129中进一步示出，图129示出了图118-128中所示的PSF的法线角度和散焦范围的MTF。在图129中，虚椭圆4282指明了对应于衍射限制系统的MTF曲线。虚椭圆4284指明了对应于与PSF4254和4264相关的零微米(即聚焦)成像系统的MTF曲线。另一个虚椭圆4286指明了对应于例如PSF4250、4252、4256、4258、4260、4262、4266和4268的MTF曲线。如图129中所看到的，GRIN透镜4802的MTF在某些空间频率下显示为零，表明在那些特定的空间频率处图像信息的损失是无法挽救的。对于每毫米120个周期的空间频率而言，图130显示了作为以毫米为单位的焦移函数的GRIN透镜4802的离焦MTF。再次，图130中的MTF中的零指明了图像信息的无法挽救的损失。

某个非均匀的调相元件的折射分布可被看作是两个多项式和一个常数折射率n₀的总和：

$I=n_0+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{X}^{L_i}{Y}^M\&CenterDot;Z^{N_i}+\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_j{r}^j,$                     方程式(6)

其中

$r=\sqrt{(X^2+Y^2)}$

因此，变量X、Y、Z和r根据图118中所示的相同坐标系来定义。可使用r中的多项式来确定GRIN透镜中的光焦度，并且可使用X、Y、Z三个变量的多项式来确定预定的相位调节，以致于作为结果而形成的光瞳表现出导致散焦和与散焦相关的像差的敏感性降低的特性。换句话说，可通过GRIN透镜的折射率分布来执行预定的相位调节。因此，在这个例子中，预定的相位调节与GRIN聚焦功能结合并且延伸过GRIN透镜的体积。

图131显示了实施例中的非均匀多折射率光学器件4200。物4204穿过多折射率光学元件4202成像。图131中显示了法线入射的电磁能射线4206(在调相元件4202前表面4210的法线入射处入射到调相元件4202的电磁能射线)和离轴电磁能射线4208(在调相元件4202前表面4210处偏离法线5°入射的电磁能射线)。法线入射的电磁能射线4206和离轴电磁能射线4208穿过调相元件4202并且在点4220和4222处分别聚焦在调相元件4202的后表面4212处。

调相元件4202具有下面的3D折射率分布：

$+[1.2861\&CenterDot;{10}^{-2}(X^3+Y^3)-5.5982\&CenterDot;{10}^{-3}(X^5+Y^5)]$          ，方程式(7)

其中，与GRIN透镜4802类似，r是距光轴4203的半径并且示出了X、Y和Z。另外，类似于GRIN透镜4802，调相元件4202具有焦距＝1.76mm、F/#＝1.77、直径＝1mm和长度＝5.00mm。

图132-141显示了表征调相元件4202的PSF。在图132-141的调相元件4202的数值建模中，在方程式(4)中使用X和Y项的受到影响的相位调节穿过调相元件4202均匀地积累。图132-136显示了对应于法线入射的调相元件以及对应于从-50μm到+50μm范围的不同散焦值(即距调相元件4202的最佳焦点的物距)的PSF。类似的。图137-141显示了相同范围散焦的调相元件4202的PSF，但是对应于5°入射角的电磁能。表42显示了图132-141的PSF值之间的对应入射角和参考数。

 

散焦	法线入射PSF的参考数值	5°入射PSF的参考数值
			-50μm	4300	4310
-25μm	4302	4312
			0μm	4304	4314
+25μm	4306	4316
			+50μm	4308	4318

表42

图142显示了表征元件4202的MTF曲线图4320。对应于衍射限制的情况，预定的相位调节效应在虚椭圆4322中示出。虚椭圆4326指明了对应于图132-141中所示的PSF的散焦值的MTF。MTF4326在形状上都相似并且在图4320中所示的空间频率范围内没有显示出零。

比较图132-141可知，调相元件4202的PSF形式在形状上相似。另外，图142显示出对于不同散焦值的MTF通常差不多高于零。正如比较图119-132中所示PSF和MTF，图132-143的PSF和MTF显示了具有某些优点的调相元件4202。进而，虽然它的三维相位分布使得调相元件4202的MTF与衍射限制系统不同，但是可意识到元件4202的MTF对散焦像差以及光学器件4200本身所固有的像差是相对较敏感的。

图143显示了图4340，与GRIN透镜4802的MTF相比(图130)，图4340进一步示出光学器件4200的标准化的离焦MTF在形状上更宽，并且在移焦范围内没有零值。使用半峰值全宽度(“FWHM”)的测量来定义散焦像差不敏感的范围，图4340指明了具有大约5mm的散焦像差不敏感范围的光学器件4200。同时图4290显示了仅有约1mm的散焦像差不敏感范围的GRIN透镜4802。

图144显示了包括非均匀调相元件4402的非均匀多折射率光学器件4400。如图144所示，物4404穿过调相元件4402成像。图144显示了法线入射的电磁能射线4406(在调相元件4402的前表面4410法线入射的调相元件4402的电磁能射线)和离轴电磁能射线4408(与调相元件4402前表面4410的法线成20°入射的电磁能射线)。法线入射电磁能射线4406和离轴电磁能射线4408穿过调相元件4402并且在电4420和4422处分别聚焦在调相元件4402的后表面4412。

调相元件4402使用作为沿着调相元件4402的长度方向的位置函数的折射率变化来执行预定的相位调节。与调相元件4202一样，调相元件4402中，折射分布可被看作是两个多项式和一个常数折射率n₀之和，但是在调相元件4402中，对应于预定相位调节的项被乘以一个因子，该因子沿着从前表面4410到后表面4412的路径(如图144中所示的从左到右)减小到零：

$I=n_0+[1-{\left(\frac{Z}{Z_{\max }}\right)}^P]\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{X}^{L_i}{Y}^{M_i}{Z}^{N_i}+\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{B}_j{r}^j,$               方程式(8)

其中r在方程式(6)中被定义，并且z_max是调相元件4402的最大长度(如5mm)。

在方程式(5)-(8)中，r的多项式被用来确定调相元件4402中的光焦度，并且X、Y、Z三个变量的多项式被用来确定预定的相位调节。然而，在调相元件4402中，预定的相位调节效应在整个调相元件4402长度范围内衰退。因此，如图144中所示，较宽的场角被捕获(如在图144中所示的离法线20°的情况)，同时给每个场角提供一个相似的预定相位调节。对于调相元件4402，焦距＝1.61mm，F/#＝1.08，直径＝1.5mm并且长度＝5mm。

对于每毫米120个周期的空间频率，图145显示了作为移焦函数的GRIN透镜(具有等于调相元件4402尺寸的外部尺寸)的以毫米为单位的散焦MTF图4470。如图130中，图4430中的零指明了图像信息损失的无法挽救性。

图146显示了调相元件4402的散焦图4470。类似于图142到130的比较，MTF曲线图4470(图146)具有比MTF曲线图4430(图143)更小的强度但是更宽。

图147显示了在单一光学材料中实施折射率范围的另一配置。在图147中，例如，调相元件4500可以是光敏乳胶或者与电磁能反应的另一种光学材料。一对紫外光源4510和4512被配置为照射电磁能到乳胶4502上。电磁能源被配置为从这些源发出的电磁能在乳胶中发生干涉，因此在乳胶4502中形成不同折射率的多个包。以这种方式，乳胶4502全部被赋予三维变化的折射率。

图148显示了与负透镜元件4570结合的包括GRIN透镜4564的多个孔径阵列4560的成像系统4550。系统4550可有效作为GRIN阵列“鱼眼”。因为每个GRIN透镜4564的视场(FOV)被负光学元件4570倾斜成略微不同的方向，成像系统4550以类似于具有宽的、合成视场的复眼的方式工作(如节肢动物中常见的)。

图149显示了具有安装在汽车前面附近的成像系统4602的汽车4600。如上所述，成像系统4602包括非均匀的调相元件。当汽车4600运行时，成像系统4602可被配置成数字地记录图像，以致于例如在与另一辆汽车4610碰撞的情况下，成像系统4602提供了记录碰撞情况的图像。或者，汽车4600可与包括上述非均匀调相元件的第二成像系统4612一起安装。系统4612可进行汽车4600的授权用户的指纹或者虹膜图像识别，并且可在除汽车4600的入门锁之外或者替代汽车4600的入门锁被使用。如上所述，由于集成结构的紧凑性和坚固性，以及由于由预定的相位调节所提供的散焦的敏感性降低，所以包括非均匀调相元件的成像系统可有利于该汽车的应用。

图150显示了具有多个视频游戏控制按钮的视频游戏控制面板4650以及包括非均匀调相元件的成像系统4655。成像系统4655可为用户授权起到用户识别系统部分(如通过指纹或者虹膜模式的识别)的功能。同样，成像系统4655可在视频游戏自身中被使用，例如，通过为跟踪用户动作而提供图像数据，从而提供输入或者视频游戏方面的控制。如上所述，由于集成结构的紧凑性和坚固性，并且由预定的相位调节所提供的散焦的敏感性降低，所以成像系统4655在游戏应用中是有利的。

图151显示了泰迪熊(teddy bear)4670，其具有伪装成(或者结合进入)泰迪熊眼睛的成像系统4672。成像系统4672依次具有多折射率光学元件。与上述成像系统4612和4655类似，可为用户识别目的而配置成像系统4672，以便于当由成像系统4672识别授权用户时，例如，与成像系统4672相连接的声音记录系统4674使用已定制的用户问候作出回答。

图152显示了手机4690。手机4690包括具有非均匀调相元件的照相机4692。在如上所述的应用中，紧凑的尺寸、坚固的结构和散焦的不敏感性有利于照相机4692的品质。

图153显示了包括用于条形码4704图像捕获的非均匀调相元件4702的条形码阅读器4700。

在图149-153中所示的例子中，在成像系统中的非均匀调相元件的使用是有利的，因为它允许成像系统紧凑和坚固。即，组件的紧凑尺寸以及组装件的坚固性质(如不使用附加的安装硬件将平表面安全连接到平表面)使包括非均匀调相元件的成像系统对于如上所述的潜在的高紧凑性应用的使用要求是理想的。进而，预定的相位调节的结合使得这些具有多折射率光学元件的成像系统能够提供具有高品质的图像，与目前可获得的其它紧凑成像系统相比，高品质的图像具有降低的与散焦相关的像差。此外，当数字信号处理被加入成像系统时(例如，见图112)，进一步的图像增强可以依赖于特定应用的需求来实施。例如，当具有非均匀调相元件的成像系统被用作手机照相机时，探测器所捕获的图像的后处理在其中可以从最终的图像中移除与散焦相关的像差，从而提供高质量的图像用于观看。作为另一个例子，在成像系统4602中(图149)，后处理可包括，例如，在碰撞发生之前提醒司机潜在的碰撞危险的目标识别。

本公开所生成的多折射率光学元件实际上可用于包括如图109中的均匀光学器件和非均匀的元件(即多折射率)的系统。因此，非球面相位和/或吸收分量可通过同一成像系统中表面和声音的聚集来执行。非球面表面可被集成到多折射率光学元件的一个表面上或者形成在均匀元件上。这些多折射率光学元件的聚集可被合并成WALO类型，如紧随此后的详细描述。

WALO结构可包括两个或更多的其上形成有阵列光学元件的公共底座(如玻璃板或者半导体晶片)。公共底座根据此处公开的方法沿着光轴排列和组装以相成短轨迹长度成像系统，其可保持为晶片级阵列或者成像系统，或者可替换地分成多个成像系统。

所公开的手段有利于与使用阵列成像系统制造技术以及芯片级封装(CSP)工艺中所用的回流温度相兼容。特别是，此处所述的阵列成像系统的光学元件使用在CSP工艺中能够承受可能的温度，如超过200℃的温度，和机械变形的材料来制造。在陈列成像系统的制造中所用的公共底座材料可被磨削或者成形为平面(或者接近平面)的薄圆盘，薄圆盘具有足以支撑阵列光学元件的横向直径。上述材料包括固态光学材料(如玻璃、硅等)、温度稳定的聚合物、陶瓷聚合物(如溶胶-凝胶)和高温塑料。当这些材料的每个都能够独自承受高温时，所公开的阵列成像系统也可以在CSP回流工艺中承受材料之间的热膨胀变化。例如，使用在表面的结合界面处使，用低模的粘结剂来避免膨胀效应。

图156和157分别示出了成像系统的阵列5100和形成单个成像系统5101的单个阵列5100。阵列成像系统和其中的单个也在图3中示出，并且阵列5100和阵列60之间的相似性是明显的。对于单个成像系统5101，虽然本文随后进行了描述，但是可以理解，如阵列5100中所示，所有或者任何一个成像系统5101可形成为阵列元件。如图147中所示，在其上形成有两个平-凸光学元件(即分别为光学元件5106和5108)的公共底座5102和5104，背对背地与结合材料5110结合，结合材料5110例如为折射率匹配的环氧树脂。用于阻止电磁能的孔径5112在光学元件5106周围的区域中构图。隔离物5114被安装在公共底座5104和5116之间，并且第三光学元件5118被包括在公共底座5116上。在这个例子中，公共底座5116的平表面(plano surface)被用于连接到探测器的盖板5122。这种排列是有利的，因为探测器5124和成像系统5101的光学器件之间的结合表面的面积、以及成像系统5101的结构完整性由于平-平取向而增大。这个例子中描述的另一个组件是使用负光学曲率的至少一个表面从而能够校正例如，成像表面处的场曲。根据组装工艺，盖板5122是可选的并且也可不使用。因此，公共底座5116可同时作为光学元件5118的支撑物以及探测器5124的盖板。光学器件-探测器接口5123可在探测器5124和盖板5122之间限定。

图158-162显示了成像系统5101的一个示范性分析。假定图158-162中所示的分析是探测器5124的具有3.6μm像素尺寸的400×400像素分辨率。在这个分析中所使用的所有公共底座的厚度是从现货8”AF45肖特玻璃的清单中选择的。假设公共底座5102和5104具有0.4mm厚度并且假设公共底座5116具有0.7mm厚度。作为商用的公共底座的这些厚度的选择可为成像系统5101降低制造成本、降低供应风险并缩短开发周期。假设隔离物5114是一个现有的、在每个光学孔径处具有通孔的0.400mm的玻璃组件。如果需要的话，为了阻挡近红外电磁能，可将薄膜滤波器增加到一个或多个光学元件5106、5108和5118或者一个或多个公共底座5102、5104和5106上。或者，红外阻挡滤波器可放置在不同的公共底座上，例如前盖板或者探测器盖板。光学元件5106、5108和5118可通过均匀的非球面折射率描述，并且表43给出了每个光学元件的描述。在这个例子中，假设使用具有折射率n_d＝1.481053以及Abbe常数(V_d)＝60.131160的光学透过聚合物来模制每个光学元件。

 

	半径(mm)	公共底座厚度(mm)	曲率半径(ROC)(mm)	K	A1(r2)	A2(r4)	A3(r6)	A4(r8)	A5(r10)	Sag(μm)
											光学元件5106	0.380	0.400	1.227	2.741	-	0.1617	0.1437	-9.008	-16.3207	64.22
光学元件5108	0.620	0.400	1.181	-16.032	-	-0.6145	1.5741	-0.2670	-0.5298	111.26
											光学元件5118	0.750	0.700	-652.156	-2.587	-	-0.2096	0.1324	0.0677	-0.2186	-48.7

表43

如图157-158中所示并且在表43中所指明的示范性设计，符合所有在表44中给出的预期的最小规范。

 

光学规范	目标	图158中所示的实施例
			平均MTF＠Nyquist/2，轴上	>0.3	0.718
平均MTF＠Nyquist/2，水平	>0.2	0.274
			平均MTF＠Nyquist/4，轴上	>0.4	0.824
平均MTF＠Nyquist/4，水平	>0.4	0.463
			平均MTF＠351p/mm，轴上	>0.5	0.869
平均MTF＠35lp/mm，水平	>0.5	0.577
			平均MTF＠Nyquist/2，中心	>0.1	0.130
相对照明＠角落	>45％	50.5％
			最大光学畸变	±5％	-3.7％
总光轨(TOTR)	<2.5mm	2.48mm
			工作F/#	2.5-3.2	2.82
有效焦距	-	1.447
			全视场(FFOV)	>70°	73.6°

表44

来自于表44的成像系统5101的关键限制是宽的全视场(FFOV>70°)、短的光轨长度(TOTR<2.5mm)以及最大主射线角限制(在全图像高度<30°处的CRA)。由于短的光轨长度和低的主射线角限制以及成像系统5101的光学表面数量相对较小的事实，成像系统5101的成像特性是随场强显著变化的；即成像系统5101的中心图像明显好于角落的图像。

图158是成像系统5101的光线轨迹图。光线轨迹图示出了穿过三组成像系统的电磁能射线的传播，该三组成像系统安装在公共底座5116的平面侧从而覆盖板5122和探测器5124。关于WALO结构正如本文所用的，一“组”指的是具有至少一个光学元件安装在其上的公共底座。

图159显示了成像系统5101的MTF，其在轴上到全视场范围的多个场点处是1/2Nyquist(其是Bayer构造的探测器的探测器截断)的空间频率函数。曲线5140对应于轴上场点，并且曲线5142对应于径向全场点。正如从图159所观察的，成像系统5100在轴上比在全视场的性能更好。

图160显示了成像系统5101的MTF，其是具有每毫米70个线对(1p/mm)的图像高度、具有3.6微米像素尺寸的1/2 Nyquist频率的函数。在图160中可见，由于存在像差，所以这个空间频率处的MTF在整个图像场内降低六倍以上。

图161显示了几个场位置的散焦MTF。光学元件的多个阵列，每个阵列形成在具有厚度变量的公共底座上并且包括盘在的几千个光学元件，可被组装来形成阵列成像系统。这个组装的复杂性和其中的变量使其对于晶片级成像系统来说是关键的，以致于所有的设计MTF被优化到对散焦尽可能地不敏感。图162显示了作为标准化场高度的函数的CRA的线性。成像系统的CRA的线性是首选的特性，因为它在光学器件-探测器接口中允许确定性的照明衰减，其可使用探测器设计进行补偿。

图163显示了成像系统5200的另一个实施例。成像系统5200的配置包括被构图在单个公共底座5204上的双侧光学元件5202。由于系统中的公共底座的数量减少了一个，因此与图157中所示的配置相比，该配置提供了成本的降低并且降低了结合的要求。

图164显示了用于晶片级成像系统5300的四个光学元件的设计。在这个例子中，用于阻挡电磁能的孔径掩模5312被放置在成像系统的最外侧表面(即，距探测器5324最远)。图164中所示的例子的关键部件是互相面对取向的两个凹光学元件(即光学元件5308和光学元件5318)。这个配置包含双高斯(double Gauss)设计的晶片级变量，它实现了最小场曲的宽视场。图164实施例的改良版本在图165中示出。图165中示出的实施例提供了额外的优点，其在于凹光学元件5408和5418通过不必使用隔离物的支架部件而相粘结。

图164和165的设计的附加部件使用主射线角校正(CRAC)作为第三和/或第四光学元件表面(如光学元件5418(2)或5430(2)，图166)的一部分。CRAC的使用使得总轨迹短的成像系统与对允许的主射线角有限制的探测器(如5324、5424)一起使用成为可能。执行CRAC的特定例子在图166中示出。CRAC元件被设计为在场中央附近具有很少的光功率，在场中央处主射线正好与探测器的数字孔径相匹配。在场的边缘，CRA接近或者超过了探测器的可允许的CRA，CRAC的表面斜度增加到将射线倾斜回到探测器的可接受锥形中。CRAC元件可由大的曲率半径(即接近光轴的低光功率)表征，该大的曲率半径与光学元件边缘处球体的较大偏离(表现为大的高阶非球面多项式)相结合。上述设计可使随场强变化的敏感性衰退最小化，但是可以显著增加所得图像边缘附近的畸变。因此，上述CRAC可被调整为与光学耦合所期望的探测器相匹配。另外，探测器的CRA可被共同设计以与成像系统的CRAC一起工作。成像系统5300中，光学器件-探测器接口5323可在探测器5324和盖板5322之间限定。与成像系统5400类似，光学器件-探测器接口5423可在探测器5424和盖板5422之间限定。

 

	半径(mm)	亚厚度(mm)	ROC(mm)	K	A1(r2)	A2(r4)	A3(r6)	A4(r8)	Sag(μ，P-V)
										光学元件5406	0.285	0.300	0.668	-0.42	0.0205	-0.260	6.79	-40.1	64
光学元件5408	0.400	0.300	2.352	25.3	-0.0552	0.422	-2.65	5.1	40
										光学元件5418(2)	0.425	0.300	-4.929	129.3	0.2835	-1.318	7.26	-36.3	26
光学元件5430(2)	0.710	0.300	-22.289	-25.9	0.1175	0.200	-0.63	-0.86	61

表45

图167-171示出了图166中所示的示范性成像系统5400(2)的分析。用在这个例子中的四个光学元件表面可被描述为表45中所给出的偶数非球面多项式，并使用具有折射率n_d＝1.481053和Abbe常数(V_d)＝60.131160的光学聚合物进行设计，但是随着光学设计的细微变化而作为结果很容易被其它材料替代。用于所有公共底座的玻璃被假设是现有的八英寸AF45 Schott玻璃。在这个设计中光学元件5408和5418(2)之间的间隙处的边缘间隔(由隔离物和支架部件提供的公共底座之间的间隔)是175μm并且光学元件5430(2)和盖板5422之间的是100μm。如果需要的话，可在任何光学元件5406、5408、5418(2)和5430(2)处，或者例如在前盖板上，增加用于阻挡近红外电磁能的薄膜滤波器。

图166显示了成像系统5400(2)的光线轨迹图，成像系统使用具有1.6mm对角线像场的VGA分辨率探测器。图167是成像系统5400(2)的OTF模的图5450，其中OTF模是具有2.0μm像素的探测器的高达1/2Nyquist(1251p/mm)频率的空间频率的函数。图168显示了成像系统5400(2)的MTF5452，其作为图像高度的函数。平均起来，MTF5452已经被优化成在整个像场中大概均匀。设计的部件允许图像被“加窗(windowed)”或者在场内的任何地方进行子取样，而不会显著改变图像的质量。图169显示了成像系统5400(2)的离焦MTF分布5454，其由于晶片级制造公差而比期望的移焦大。图170显示了CRA的斜率(由虚线5457(1)表示)以及主射线角(由实线5457(2)表示)的图5456，为了演示CRAC，二者都作为标准化场的函数。从图170中可知，CRA几乎直线上升至图像高度的大约60％，在那儿CRA开始超过25°。CRA攀升到最大角度28°，然后在全像高度处回落至25°以下。CRA的斜率与所需的微透镜和相对于每个探测器光敏区的金属互连的位移相关。

图171显示了由于CRAC的执行而在设计中固有的光学畸变的网格图5458。交叉点表示最佳焦点并且X表示以网格描绘的各个场的估计的真实焦点。注意，这个设计中的畸变符合目标光学规范。然而，畸变可通过晶片级一体化过程而降低，其允许在探测器5424布局中(如通过移动有源的光电探测区域)进行光学设计的补偿。通过调节探测器5424中的像素/微透镜/滤色器阵列的空间和角几何从而与预期的畸变和光学设计的CRA分布相匹配，可进一步改进设计。表46中给出了成像系统5400(2)的光学性能规范。

 

光学规范	目标	轴上
			平均MTF＠125lp/mm，轴上	>0.3	0.574
平均MTF＠125lp/mm，水平	>0.3	0.478
			平均MTF＠88lp/mm，轴上	>0.4	0.680
平均MTF＠88lp/mm，水平	>0.4	0.633
			平均MTF＠63lp/mm，轴上	>0.5	0.768
平均MTF＠63lp/mm，水平	>0.5	0.747
			平均MTF＠125lp/mm，角落	>0.1	0.295
相对照明＠角落	>45％	90％
			最大光学畸变	±5％	-3.02％
总光轨	<2.5mm	2.06mm
			工作F/#	2.5-3.2	3.34
有效焦距	-	1.39
			对角线视场	>60°	60°

表46

图172显示了示范性成像系统5500，其中双侧的、晶片级光学元件5502的使用将所需的公共底座的数量降低到总数为二(即5504、5516)，因而降低粘结和组装的复杂性及成本。光学器件-探测器接口可在探测器5524和盖板5522之间限定。

图173A和173B分别显示了具有凸表面5554和集成支架5552的光学元件5550的截面图和俯视图。支架5552具有与凸表面5554结合的倾斜的壁5556。元件5550可在单个步骤中被替换成光学透明材料，它与隔离物的使用相比具有改善的排列(如图157和163的隔离物5114；图164的隔离物5314和5336；图165的隔离物5436；以及图172的隔离物5514和5536)，实际使用中该隔离物具有由隔离物材料硬化所需的时间所限制的尺寸。光学元件5550形成在公共底座5558上，其也可以由光学透明材料来形成。具有支架5552的被复制的光学器件可用于在先描述的所有设计中以替代隔离物的使用，因此降低了制造和组装的复杂性及公差。

所公开的晶片级阵列的复制方法适用于非圆孔径光学元件的执行，其与常规的圆孔径几何形状相比具有几个优点。给定没有影响成像系统的光学性能的直线形状，矩形孔径形状在光学表面上消除了不必要的区域，其依次在结合工艺中使接触放置的表面区域达到最大。另外，大多数探测器被设计为有源区之外的区域(即探测器像素所在的探测器区域)被最小化，以降低封装尺寸并使每个公共底座(如硅晶片)的有效芯片数达到最大。因此，包围有源区的区域在尺寸上受到限制。圆孔径光学元件侵入包围有源区的区域，这没有给图像模块的光学性能带来任何益处。矩形孔径模块的执行因此允许使探测器有源区达到最大以用于成像系统的结合。

图174A和174B提供了成像系统中的成像区域5560(由虚线连接)的比较，该成像系统具有圆孔径和非圆孔径光学元件。图174A显示了参考图166中最早叙述的成像系统的俯视图，该成像系统包括具有斜壁5556的圆孔5562。除了光学元件5430(2)(图166)具有矩形孔5566之外，图174B中所示的成像系统与图174A中所示的相同。图174B显示了由矩形孔径光学元件5566导致结合区域5564增大的例子。系统被定义为使最大场点位于2.0μm像素VGA分辨率探测器的垂直、水平和对角线范围。在垂直尺寸中，可用的结合表面在调整为直线形状时恢复到略微超过500μm(在光学元件的每一侧上259μm)。在水平尺度中，恢复到略微超过200μm。注意，为了避免在图像的角落出现光晕，矩形孔径5556相对于圆孔径5562应当被加大。在这个例子中，在每个对角线上，角落处的光学元件尺寸的增加是41μm。此外，由于有源区和芯片尺寸典型地为矩形，所以在考虑到封装尺寸时，在垂直和水平尺度的降低超过了对角线尺寸的增加。另外，为了使控制和/或制造容易，使光学元件的方形几何形状的角部变圆是有利的。

图175显示了图165的示范性成像系统的光线轨迹图5570的俯视图，在此示出以描述每个光学元件的圆孔径设计。如图175中所见，光学元件5430侵入包围着VGA探测器5424的有源区的区域5572；该侵入减小了可用于通过隔离物连接公共底座5432到盖板5422上的表面区域。

为了缩小具有圆孔径的光学元件对包围着探测器5424有源区5574的区域5572的侵入，该光学元件可由具有矩形孔径的光学元件替代。图176显示了图165的示范性成像系统的光线轨迹图5580的俯视图，其中光学元件5430已经由具有装配在VGA探测器5424有源区5574内的矩形孔径的光学元件5482所替代。应当理解，为了确保在探测器的成像范围内没有电磁能形成光晕，光学元件应当被充分地放大，在图176中由垂直、水平和对角线场的光线束来表示。因此，可用于粘结到盖板5422的公共底座5432的表面区域达到最大。

具有受控的主射线角的短光轨长度的系统的许多限制，即实际的晶片级成像系统所需类型的限制，导致了不能形成所期望图像的成像系统。甚至在高精度制造和组装时，由于多种像差对于短成像系统是基本的，所以该短成像系统的图像质量不必象所期望的那么高。当光学器件根据现有技术的晶片级方法来制造和组装时，制造和组装的潜在误差进一步有助于产生降低成像效果的光学像差。

例如考虑图158中的成像系统。这个成像系统，即使符合所有的设计限制，也可能不可避免受到系统设计中所固有的像差的影响。实际上，有太少的光学元件能够合适地控制图像参数以确保最高质量的图像。该不可避免的光学像差可作用于降低成为图像位置或者场角的函数的MTF，如图158-160所述。类似地，如图165中所示的成像系统可表现出随着场变化的MTF特性。即，由于存在随着场变化的像差，因此与衍射限制相关的轴上MTF比离轴MTF高得多。

当考虑到晶片级阵列，例如图177中所示的那些时，附加的非理想效应可影响成像系统的基本像差并因此影响图像质量。实际上，公共底座表面不是绝对平面；一些波纹或者扭曲总是存在的。这种扭曲可导致单个光学元件的倾斜以及在阵列成像系统中的每个成像系统高度不同。另外，公共底座的厚度也不是均匀的，并且将公共底座用到成像系统中可导致在整个阵列成像系统中变化的附加的厚度变化。例如，结合层(如图157的5110；图164的5310和5334；以及图165的5410和5434)、隔离物(如图157和163的隔离物5114；图164的隔离物5314和5336；图165的隔离物5436；以及图172的隔离物5514和5536)和支架可在厚度上不同。如图177中所示，实际的晶片级光学器件的许多不同可导致组装的阵列成像系统中的单个光学元件的XYZ位置和厚度的公差相对不固定。

图177显示了可能在晶片级阵列5600中出现的非理想效应的例子，该晶片级阵列具有扭曲的公共底座5156和非均匀厚度的公共底座5602。公共底座5616的扭曲导致光学元件5618(1)、5618(2)和5618(3)的倾斜；该倾斜以及非均匀厚度的公共底座5602可导致由探测器5624探测出的成像电磁能的像差。这些公差的降低可导致一系列制造挑战和高成本。期望使用特定的制造方法来放宽公差、整个成像系统的设计、设计加工完整组件的公差和成本。

考虑示出了成像系统5700的成像系统框图178，其中成像系统5700类似于图1中所示的系统40。成像系统5700包括探测器5724和信号处理器5740。探测器5724和信号处理器5740可被集成在相同的制造材料(如硅片)中，目的是提供低成本、紧凑的仪器。与晶片级光学器件的制造和组装控制效应相同，可以修整特定的调相元件5706、探测器5724和信号处理器5740以控制基本像差效应，该基本像差效应典型地受到短轨迹距离成像系统性能的限制。

图178的专用调相元件5706形成了均匀的成像系统专门出射光瞳，以致于出射光瞳形成对焦点相关像差不敏感的图像。该焦点相关像差包括，但是不限于，彩色像差、像散、非球面像差、场曲、彗形像差、与温度相关的像差以及与组装部件相关的像差。图179显示了来自成像系统5700的出射光瞳的表示法。图180显示了来自图157的成像系统5101的出射光瞳的表示法，其具有球面光学元件5106。出射光瞳5752不需要形成图像5744。相反地，出射光瞳5752形成模糊图像，其可由信号处理器5740处理，如果需要这样的话。当成像系统5700形成具有大量目标信息的图像时，在一些应用中可能就不需要移除所产生的成像效应。然而，在作为条码阅读、定位和/或目标检测、生物识别以及图像质量和/或图像对比度不是主要关注点的非常低成本的图像的应用中，由信号处理器5740进行的后处理可从模糊图形中获取目标信息。

在图178的示范性系统和图158的示范性系统之间唯一的光学差别在于专门的调相元件5706和光学元件5106之间。然而，实际上，由于系统的限制，用于图157的光学元件配置只有很少的选择，而用于图178的各种光学元件中每一个的配置却有多种不同的选择。当图157的成像系统可以例如在图像面板上形成高质量图像时，图178的系统仅需要形成输出光瞳，以便于所形成的图像具有足够高的MTF以通过探测器噪声的污染而不损失信息内容。当图178例子中的MTF在整个场范围内是常数时，不需要MTF在整个参数，例如场、颜色、温度、组装部件的变量和/或极化，的范围内为常数。依赖于具体配置，每个光学元件可以是典型的或者是独特的，特定的配置被选择用来在像平面上为特定应用而形成获取MTF和/或图像信息的出射光瞳。

比较图158-160所描述的系统，考虑图181-183所描述的系统。图181是描述了穿过图178的示范性成像系统的不同主射线角的光线传播的截面图。图182-183显示了图178的系统性能，为了描述的目的没有进行信号处理。如图182中所示，这个系统显示出MTF5750，其作为场函数与图159中所示的数据相比变化非常小。图183也显示出在70lp/mm处作为场角函数的MTF仅变化约1/2。在整个图像的这个空间频率处，这一变化比图158-160所示出的系统在性能上大约低十二倍。依赖于图178的系统的特定设计，MTF变化的范围可以比这个例子大或者小。实际上，真实的成像系统设计被确定为在期望的性能、制造的容易程度以及所需的信号处理器的数量上的一系列折衷。

在图178系统的孔径光圈附近增加用于实施预定的相位调节的表面如何影响系统的、基于射线的描述在图184和185中示出，其显示了穿过场的焦散射线的比较。图184是靠近探测器5124的图156-157的成像系统5101的光线轨迹分析。当获得最集中的电磁能(被箭头5760指出)时，图184显示了延伸穿过像平面5125的光线以显示出随着像平面5125距离的变化。沿着光轴(Z轴)的光束宽度达到最小的位置是对于光束的最佳聚焦像平面的一个度量标准。光束5762表示了轴上成像情况，同时光束5764、5766和5768表示逐渐增大的离轴场角。观察到轴上束5762的电磁能5760最密集处在像平面之前。当场角增大时，电磁能5760的密集区域向前移动并且超过像平面5125，这表明了场曲和像散的典型组合。该移动导致MTF作为图157-162的系统的场角函数而下降。图184和185大体上显示了图157-162的系统的作为像平面位置函数的最佳聚焦像平面。

作为比较，图185中显示了用于图178系统的接近像平面5725的光束。光束5772、5774、5776和5778不会会聚成窄的宽度。实际上，由于射线束的最小宽度出现在沿着Z轴在宽范围内，因此难以发现这些射线束的电磁能的最密集处。射线束的宽度或者作为场角函数的最小宽度的位置不存在明显的变化。图185的射线束5772-5778显示了与图182和183类似的信息，即，图178的系统的最佳聚焦像平面不是像平面位置的函数。

专门的调相元件5706可以是直角可分的表面分布的形式，其可以与光学元件5106的初始光学表面相结合。直角可分的形式由方程式(9)给出：

P(x，y)＝p_x(x)*p_y(y)，            方程式(9)

其中在这个例子中p_x＝p_y。图178中所示的p_x(x)由方程式(10)给出：

P_x(x)＝-564x³+3700x⁵-(1.18×10⁴)x⁷-(5.28×10⁵)x⁹，   方程式(10)

其中p_x(x)的单位是微米，并且使用毫米单位时，空间参数x是一个与光学元件5106的x、y坐标相关的标准化的、无单位的空间参数。可以使用许多其它类型的专用表面形式，包括不可分的圆对称形式。

正如从图179和180的出射光瞳所见，与图158的系统相比，这个专门的表面给图178的系统的峰到谷出射光瞳的光程差“OPD”增加了约十三个波。图186和187分别显示了光学元件5106的AD表面分布以及图158和图178的系统的专门调相元件5706的轮廓图。在图186和187中示出的情况下，专门调相元件5706的表面分布(图178)与光学元件5106(图158)的相比仅有略微的不同。这意味着用于形成图178专门调相元件5706的结构主体中所有困难的高度和角度不会比图158的5106的大得多。如果使用圆对称出射光瞳，那么形成图178的专用调相元件5706的结构主体仍将是容易的。根据所用的晶片级结构主体的类型，可以期望不同类型的出射光瞳。

晶片级光学器件的真实组装部件的公差与传统光学器件组装部件相比可能较大。例如，公共底座的厚度变化，例如图177中所示的，至少可以是5到10微米，依赖于公共底座的尺寸和成本。每个结合层可具有5到10微米量级的厚度变化。依赖于所使用的隔离物的类型，隔离物可具有几十微米量级的附加变化。公共底座的弯曲或者扭曲很容易达到几百微米。在将这些变化加在一起时，晶片级光学元件的总厚度变化可达50到100微米。如果完成的成像系统被粘结到完成的探测器，那么可能无法聚焦每个独立的成像系统。若不执行重新聚焦步骤，这个大的厚度变化则可显著降低图像的质量。

图188和189示出了当导致散焦的组装部件的150微米误差被引入到成像系统5101中时，由于图157的系统存在组装误差而使图像降质的例子。图188显示了在成像系统中不存在组装误差的MTF5790和5792。图188中所示的MTF是图159中所示的MTF的子集。图189显示了存在150微米的组装误差的MTF5794和5796，该组装误差被模拟成图157的成像表面移动150微米。由于这个大的误差，因而存在严重的散焦并且MTF5796显示为模糊(dull)。图157的成像系统的晶片级组装部件中的上述大的误差可导致产量极低。

图178系统组装误差的影响可通过执行专门调相元件而降低，该专门调相元件通过图178成像系统示范并且与图190和191中所示的改进的MTF相关。图190显示了当成像系统中不存在组装误差时，分别在信号处理之前和之后的MTF5798和5800。MTF5798是图182中所示的MTF的子集。在图190中可知，信号处理之后，来自所有像场的MTF5800较高。图191显示了当存在150微米的组装误差时，分别在信号处理之前和之后的MTF5802和5804。可以看到，MTF5802和5804与MTF5798和5800相比有少量的降低。来自于图178的成像系统5700的图像5744因此仅轻微地受到晶片级组装固有的组装误差的影响。因此，在晶片级光学器件中使用专门的调像元件和信号处理可提供重要的优势。即使具有晶片级组装部件的大的公差，图178的成像系统5700的产量也较高，这表明该系统的图像分辨率通常优于图158中所示的甚至没有制造误差的常规系统。

如上所述，成像系统5700的信号处理器5740可执行信号处理以移除成像效应，例如由专门的调相元件5706引入的图像模糊。信号处理器5740可使用2D线性滤波器执行该信号处理。图192显示了一个2D线性滤波器的3D轮廓图。如图178中所示，2D线性数字滤波器具有小的核心，以便于在与探测器相同的硅电路上执行形成最终图像所需的所有信号处理。增加的集成允许低成本和最紧凑的执行。

在图190和191中所示的成像系统5700的数字表达中使用相同的滤波器。不要求晶片级阵列中的每个成像系统仅使用一个滤波器。实际上，在某些情况下针对阵列中的不同成像系统使用不同的信号处理集是有利的。并非如常规的光学器件那样使用重新聚焦步骤，而是可以使用信号处理步骤。例如这个步骤可以使用与专门的物图像完全不同的信号处理。这个步骤也可以包括用于给定成像系统的专门信号处理的选择，该成像系统依赖于特定的系统公差。测试图像也可用于确定使用哪个不同的信号处理参数或者参数集。通过为每个晶片级成像系统选择信号处理，在切削成形之后，依赖于系统的特定误差，总产量可增加到超过信号处理在公共底座上的整个系统内均匀时的可能值。

图178的成像系统比图158的成像系统对组装误差更不敏感的原因将参考图193和194进行描述。图193显示了图157的成像系统5101在70lp/mm处的散焦MTF5806。图194显示了图178的成像系统5700的相同类型的散焦MTF5808。用于图157系统的离焦MTF5806相对于甚至达到50微米的移动而言是较窄的。另外，离焦MTF作为像平面位置的函数而移动。图194是图159和184中所示的场曲的另一种示范。仅具有50微米的图像平面移动，成像系统5101的MTF变化明显并且产生了质量差的图像。成像系统5101对像平面的移动和组装部误差具有较大程度的敏感性。

相比而言，来自图178系统的散焦MTF5808是非常宽的。对于50、100甚至150微米的像平面移动，或者组装误差，可以看到MTF5808的变化是非常小的。场曲作为彩色像差以及与温度相关的像差(虽然后两种现象在图193中未示出)，其值也是非常低的。通过具有宽的MFT，显著降低了对组装误差的敏感性。多个不同的出射光瞳，除了图179中所示的之外，可形成这种类型的不敏感。可使用许多特定的光学配置来形成这些出射光瞳。由图179所表示的图178的特定成像系统只是一个例子。存在几个配置来平衡所期望的规范和获得的出射光瞳，以便在晶片级光学器件中通常存在大的组装误差和大视场的情况下获得高图像质量。

正如在前面部分中所述，晶片级组装包括将容纳有多个光学元件的公共底座层放置在彼此的顶部。如此组装的成像系统也可被直接放置在容纳有多个探测器的公共底座的顶部，从而提供在分离操作中被分开的多个完成的成像系统(光学器件和探测器)。

然而，该方法需要这样一种元件，即该元件被设计用于控制单独的光学元件之间的间隔，还可能用于控制光学组装件和探测器之间的间隔。这些元件通常被称为隔离物并且它们通常(但是不总需要)在光学元件之间提供空气间隙。隔离物增加了成本，并且降低了所得成像系统的产量和可靠性。由于可实施更多数量的光学表面，下面的实施例不需要隔离物，并且提供了物理上坚固、易于排列并且表现出有潜力降低总轨迹长度和较高的成像性能的成像系统。这些实施例为光学系统设计者提供了可精确获得的光学元件之间的更宽范围的距离。

图195显示了组装的晶片级光学元件5810的截面图，其中隔离物已经被放置在组装件一侧(或者两侧)上的大块材料5812所替代。大块材料5812的折射率与用来复制光学元件5810的材料折射率不同，并且当使用软件工具优化光学设计时，如上所述，应当考虑它的存在。大块材料5812用作单片的隔离物，因此消除了在元件之间的单个隔离物的需要。大块材料5812可被旋涂在公共底座5814上，公共底座5814包括用于高均匀性和低成本制造的光学元件5810。单个的公共底座随后被放置为彼此直接接触，简化排列过程、不易受损失和过程误差的影响、并且增加总制造产量。另外，大块材料5812很可能具有基本上大于空气折射率的折射率，有潜力减小完成的成像系统的总轨迹。在实施例中，复制的光学元件5810和大块材料5812是具有相似的热膨胀系数、硬度和强度的聚合物，但是具有不同的折射率。

图196显示了前述晶片级成像系统的一个部分。这个部分包括公共底座5824，该公共底座具有被大块材料5822所围绕的复制光学元件5820。公共底座5824的一个或两个表面可包括有或者没有大块材料5822的复制光学元件5820。复制元件5820可形成在公共底座5824表面上或表面内。特别地，如果表面5827限定了公共底座5824的表面，那么可考虑把元件形成在公共底座5824中。可选的，如果表面5826限定了公共底座5824的表面，那么可考虑把元件5820形成在公共底座5824的表面5826上。可使用本领域技术人员所公知的技术来形成复制光学元件，并且根据形状以及材料之间的折射率的不同，它们可以是会聚或发散元件。光学元件也可以是二次曲线、波前编码、旋转对称、或者它们可以是任意形状和类型，包括衍射元件和全息元件。光学元件也可以被隔离(如5810(1))或者结合(如5810(2))。光学元件也可以被集成到公共底座，和/或它们可以作为大块材料的延伸，如图196所示。在一个实施例中，公共底座由玻璃制成，该玻璃在可见波长范围内透明但是在红外和可能的紫外波长范围内具有吸收性。

上述实施例不需要在元件之间使用隔离物。作为替代，间隔是由构成光学系统的多个部件厚度来控制的。回到图195，系统的间隔由厚度d_s(公共底座)、d₁(叠置光学元件5810(2)的大块材料)、d_c(复制光学元件5810(2)的底座)和d₂(叠置光学元件5810(1)的大块材料)控制。注意，距离d₂也可表现为单个厚度d_a和d_b的总和，d_a和d_b分别为光学元件5810(1)的厚度和光学元件上的大块材料5812的厚度。此外，此处所表达的厚度是可被控制的，但是不必表示可用于总间隔控制的所有可能厚度的详尽列表。任何一个构成的元件可被分成两个元件，例如，提供对厚度进行额外控制的设计。元件之间的垂直间隔的附加准确度可以通过使用嵌入高和低折射率材料中的直径可控的球、柱或圆柱(例如纤维)而获得，这一点是本领域技术人员已知的。

图197显示了包括探测器5838的晶片级成像系统5831的阵列，其中显示了隔离物的去除可在整个成像系统5831中延伸到支撑探测器5838的公共底座5834(2)。在图195中，复制光学元件5810之间的隔离物受控于d_s，公共底座的厚度。图198显示了另一实施例，其中存在于光学元件5830之间的最近垂直间隔受控于大块材料5832的厚度d₂。可以注意到，图197中的元件顺序的多个交换是可能的，并且被隔离的光学元件5830可用于图195和197的例子中，但是被结合的元件，如光学元件5820，也可被使用并且公共底座5834(1)的厚度可被用于控制间隔。进而可以注意到，成像系统中存在的光学元件可包括主射线角校正(CRAC)元件，其在图166中示出并且在此处之前进行了描述。最后，光学元件5830、大块材料5832或者公共底座5834不必在任何晶片级元件中出现。这些元件中的一个或者多个可以随着光学设计的需要而缺少。

图198显示了包括形成在公共底座5860上的探测器5862的晶片级成像系统5850的阵列。晶片级阵列成像系统5850不需要使用隔离物。光学元件5854形成在公共底座5852上以及已填充大块材料5856的光学元件区域上。大块材料5856的厚度d₂控制了从光学元件5854到探测器5860的距离。

复制光学聚合物的使用进而允许新的配置，例如，其中光学元件之间不需要空气间隙。图199和200描述了这样一种配置，其中形成具有不同折射率的两种聚合物以制造没有空气间隔的成像系统。为了减小每个界面处的菲涅耳(Fresnel)损耗和反射，选择用于替代层的材料以使得它们折射率的差别大到足以提供每个关注表面需要的光功率。图199显示了晶片级成像系统的阵列5900的截面图。每个成像系统包括形成在公共底座5903上的叠置的光学元件5904。在公共底座5903上按顺序(即叠置的光学元件5904(1)首先并且叠置的光学元件5904(7)最后)形成叠置的光学元件5904的阵列。叠置的光学元件5904和公共底座5903之后可被结合到形成在公共底座上的探测器(未示出)。或者，公共底座5903可以是包括探测器阵列的公共底座。叠置的光学元件5904(5)可以是弯月形元件，元件5904(1)和5904(3)可以是双凸元件并且元件5902可以是衍射或菲涅耳元件。另外，元件5904(4)可以是平/平元件，其仅有的功能是考虑到了用于成像的足够光程。或者，叠置的光学元件5904可以以相反的顺序(即光学元件5904(7)首先并且光学元件5904(1)最后)直接形成在公共底座5903上。

图200显示了可形成为阵列成像系统一部分的单个成像系统5910的截面图。成像系统5910包括形成在公共底座5914上的叠置的光学元件5912，其包括固态图像探测器，例如CMOS成像器。叠置的光学元件5912可包括任何数量的具有可选折射率的单个层。每层可按照在最接近公共底座5914的光学元件开始形成的光学元件形成顺序来形成。其中具有不同折射率的聚合物被组装在一起的光学组装件的例子，包括叠置的光学元件、包括根据图1B、2、3、5、6、11、12、17、29、40、56、61、70和79的上述元件。附加的例子此后直接参考图201和206进行论述。

在图201中显示了图199和200的设计思想。在这个例子中，选择具有n_hi＝2.2和n_lo＝1.48的折射率并且V_hi＝V_lo＝60的Abbe值的两种材料。用于光学质量UV固化溶胶-凝胶的n_lo值1.48是商用的，并且易于在设计中实施，其中层厚范围从一到几百微米，并具有低吸收和高机械完整性。与在聚合物阵列中嵌入TiO₂纳米颗粒所获得的高折射率聚合物的报道相一致，选择2.2的n_hi值作为合理的上限。图201中所示的成像系统5920包括在叠置的光学元件5924的单个层5924(1)至5924(8)之间的八个折射率转换。这些转换的非球面曲率使用表47中列出的系数来描述。叠置的光学元件5924形成在公共底座5925上，其可用作探测器5926的盖板。注意其上放置有孔径光圈5922的第一表面没有曲率；因此，呈现出的成像系统完全为矩形形状，这样有利于封装。层5924(1)是成像器中的主要聚焦元件。剩余的层5924(2)-5924(7)通过允许场曲校正、主射线控制和彩色像差控制等改进了成像。受到需要每个层非常薄的限制，该结构将获得允许非常准确图像特性控制的连续梯度折射率，并且或许允许远心光学图像。为大块材料(在层5924(2)和5924(3)之间)选择低折射率材料允许光线扇面在匹配图像探测器区域的视场内更迅速传播。在这个意义上，此处低折射率材料的使用允许光学轨迹的更高的可压缩性。

图202至205显示了图201中所示的成像系统5920的多个光学性能度量的数值建模结果，正如在此后要直接详细描述的。表48强调了一些关键的光学标准。特别是，宽视场(70°)、短光轨(2.5mm)以及低F/#(2.6)使这个系统成为用于例如在手机应用中使用的相机模块的理想系统。

 

	折射率	半径(mm)	层的中心厚度(mm)	A1(r2)	A2(r4)	A3(r6)	A4(r8)	A5(r10)	Sag(μm，P-V)
										5924(1)	1.48	0.300	0.110	0	0	0	0	0	0
5924(2)	2.2	0.377	0.095	0.449	0.834	-1.268	-5.428	-35.310	73
										5924(3)	1.48	0.381	1.224	0.035	0.370	1.288	-10.063	-52.442	9
5924(4)	2.2	0.593	0.135	0.077	-0.572	-0.535	-0.202	-3.525	90
										5924(5)	1.48	0.673	0.290	-0.037	0.109	-0.116	-0.620	0.091	29
5924(6)	2.2	0.821	0.059	-0.009	0.057	0.088	-0.004	-0.391	16
										5924(7)	1.48	0.821	0.128	0.019	-0.071	-0.115	-0.101	0.057	67
5924(8)	2.2	0.890	0.025	-0.178	0.091	0.093	0.006	0	54

表47

 

光学规范	物	轴
			平均MTF＠Nyquist/2，轴上	>0.3	0.624
平均MTF＠Nyquist/2，水平	>0.3	0.469
			平均MTF＠Nyquist/4，轴上	>0.4	0.845
平均MTF＠Nyquist/4，水平	>0.4	0.780
			平均MTF＠Nyquist/2，角落	>0.1	0.295
相对照明＠角落	>45％	52.8％
			最大光学畸变	±5％	-5.35％
总光轨	<2.5mm	2.50mm
			工作F/#	2.5-3.2	2.60
有效焦距	-	1.65
			对角线视场	>70°	70.0°
最大主射线角(CRA)	<30°	30°

表48

图202显示了成像系统5920的MTF图5930。空间频率截断被选择为与使用3.6μm像素尺寸的Bayer截断(即灰度级Nyquist频率的一半)相一致。图5930显示出成像系统5920的空间频率响应优于图158的成像系统5101所显示出的相似响应。提高的性能可主要归功于使用根据图201的制造方法比使用组装的公共底座的方法易于执行更高数量的光学表面，由于图158中所示系统的大直径、薄公共底座的机械完整性，在组装的公共底座中具有能够使用的公共底座最小厚度的基本限制。图203显示了成像系统5920的全部场的MTF变量图5935。图204显示了离焦MTF图5940，并且图205显示了成像系统5920的网格畸变图5945。

如前所述，选择折射率差异较大的聚合物的优点在于在每个表面所需的曲率最小。然而，使用具有较大Δn的材料存在以下缺点，包括在每个界面处存在大的菲涅耳损失以及折射率超过1.9的聚合物的高吸收特征。低损耗、高折射率的聚合物存在介于1.4和1.8之间的折射率。图206显示了成像系统5960，其中所使用的材料具有n_lo＝1.48以及n_hi＝1.7的折射率。成像系统5960包括形成在叠置的光学元件5964的层5964(1)表面上的孔径5962。叠置的光学元件5964包括形成在公共底座上的光学元件5964(1)-5964(8)的八个独立层，公共底座可用来作为探测器5968的盖板。这些光学元件的非球面曲率使用表49中所列出的折射率进行描述并且成像系统5960的规范在表50中列出。

图206中可看到转换界面的曲率比图201中的显著扩大。进而，图207的全部场MTF图5970以及图208的散焦MTF图5975中所示的MTF比图202和203的MTF略微有所减小。然而，成像系统5960在图158的整个公共底座组装成像系统5101的成像性能方面提供了有效的改善。

可以注意到，图201-205以及206-208中所描述的设计与晶片级复制技术相兼容。具有可替换折射率的层叠材料的使用允许全部成像系统没有空气间隙。复制层的使用进一步允许在元件中形成比使用玻璃公共底座所可能达到的非球面曲率更薄并且更动态的非球面曲率。注意，所使用材料的数量没有限制，并且选择折射率以进一步降低由于穿过聚合物散射而产生的彩色像差是有利的。

 

	折射率	半径(mm)	层的中心厚度(mm)	A1(r2)	A2(r4)	A3(r6)	A4(r8)	A5(r10)	A6(r12)	A7(r14)	A8(r16)	Sag(μm，P-V)
													5964(1)	1.48	0.300	0.043	0.050	-0.593	-2.697	-7.406	230.1	2467	6045	-2.7e5	0
5964(2)	1.7	0.335	0.191	0.375	0.414	3.859	-10.22	-520.8	-4381	1.55e4	2.8e5	73
													5964(3)	1.48	0.354	0.917	-0.538	-1.22	2.58	-17.15	-260.5	-1207	2529	-9.96e4	9
5964(4)	1.7	0.602	0.156	-0.323	0.023	-0.259	-2.57	1.709	8.548	7.905	-19.1	90
													5964(5)	1.48	0.614	0.174	-0.674	0.125	-0.038	0.308	-3.03	-7.06	3.07	45.76	29
5964(6)	1.7	0.708	0.251	0.0716	-0.0511	-0.568	0.182	1.074	0.159	-0.981	-7.253	16
													5964(7)	1.48	0.721	0.701	-0.491	0.019	0.124	-0.061	0.103	-0.735	-0.296	1.221	67
5964(8)	1.7	0.859	0.025	-1.028	0.731	0.069	0.037	-0.489	0.132	0.115	0.161	54

表49

 

光学规范	物	轴
			平均MTF＠Nyquist/2，轴上	>0.3	0.808
平均MTF＠Nyquist/2，水平	>0.3	0.608
			平均MTF＠Nyquist/4，轴上	>0.4	0.913
平均MTF＠Nyquist/4，水平	>0.4	0.841
			平均MTF＠Nyquist/2，角落	>0.1	0.234
相对照明＠角落	>45％	73.4％
			最大光学畸变	±5％	-12.7％
总光轨	<2.5mm	2.89mm
			工作F/#	2.5-3.2	2.79
有效焦距	-	1.72
			对角线视场	>70°	70.0°
最大主射线角(CRA)	<30°	30°

表50

图209示出了阻挡或者吸收层5980的电磁能的使用，该层可作为例如系统5960的成像系统中的不透明障碍和/或孔径来使用，从而控制杂散电磁能以及成像系统中的伪影，该伪影来源于从视场外的物所发射或者折射的电磁能。这些层的成分可以是金属的、聚合物的或者基于染料的。这些障碍中的每一个可削弱反射光或者吸收来自于场对象(如太阳)之外的不期望的杂散光或来自于之前表面的反射光。

通过使用透射率可变的材料，可变的直径可并入例如图158、166、201、206和209中所示的任何系统中。这个配置的一个例子是，在孔径光圈处(如图206的元件5962)使用例如电致变色材料(如，氧化钨(WO₃)或者普鲁士蓝(PB))，其在电场存在下具有可变的透射率。例如存在应用场的情况下，WO₃在大多数红光和绿光波段强吸收，形成蓝光材料。施加圆形电场到孔径光圈处的材料层上。应用场的强度将决定吸收光圈的直径。在光线明亮的情况下，强视场会减小传递区域的直径，这会产生降低孔径光圈并因此增大图像分辨率的效果。在光线低的情况下，视场会衰减到允许最大孔径光圈直径，因此使图像的光线集合能力最大。这种场的衰减会降低图像的清晰度，但是这种效果通常在低光照情况下是期望的，如在人眼中产生相同的现象。同样，由于孔径光圈的边缘现在将会变得模糊(与采用金属或染料时将会出现的急剧转变相反)，因此虹膜会被略微切趾(apodize)，这会导致由于在孔径光圈周围存在衍射而使图像伪影最小化。

在例如如上所述的阵列成像系统的制造中，不期望将用于形成光学元件(即属性单元)的多个部件制造为例如在结构主体表面上的阵列，该结构主体例如为八英寸或者十二英寸的结构主体。可结合到结构主体中的光学元件的例子包括折射元件、衍射元件、反射元件、光栅、GRIN元件、亚波长结构、抗反射涂层和滤波器。

图210显示了包括形成光学元件(即形成光学元件的属性单元)的多个部件的结构主体6000的例子，其一部分由虚线矩形6002来识别。图211提供了对应于矩形6002中形成光学元件的部件的附加细节。形成光学元件的多个部件6004可以以极度精确的行-列关系而形成在结构主体6000上。在一个例子中，行-列元件的位置排列可在X、Y和/或Z方向上在理想精确度上变化不超过几十纳米。

图212显示了相对于结构主体6000运动的轴的常规定义。对于给定的结构主体表面，X和Y轴对应于在平行于结构主体表面6006的平面内的线性平移。Z轴对应于与结构主体表面6006正交的方向内的线性平移。另外，A轴对应于关于X轴的旋转，B轴对应于关于Y轴的旋转，并且C轴对应于关于Z轴的旋转。

图213到215显示了常规金刚石车削配置，其可用于对在衬底上形成单个光学元件的部件进行机加工。特别是，图213显示了包括在刀具柄部6012上的刀具尖端6010的常规金刚石车削配置6008，刀具柄部用于在衬底6016上制造部件6014。虚线6018表明了衬底6016的旋转轴，同时线6020表明了用来形成部件6014的刀具尖端6010的路径。图214显示了刀具尖端6010的刀具尖端切削边缘6022的细节。对于刀具尖端切削边缘6022，主后角θ(见图215)限制了可能部件的陡度，该部件可能使用刀具尖端6010来切削。图215显示了刀具尖端6010和刀具柄部6012的一部分的侧视图。

使用图213到215中所示的配置的金刚石车削工艺可用于制造，例如，单个的、轴上的、轴对称的表面，例如单折射元件。正如在背景部分所提到的，我们知道，八英寸结构主体通过形成具有一个或者几个(如三个或者四个)该光学元件的部分结构主体而形成，然后使用部分结构主体来“冲压”结构阵列，以形成横跨整个八英寸结构主体的光学元件。然而，这个现有技术仅仅生产具有多个微米级数的制造精确度和位置的公差，其不满足于晶片级成像系统所获得的光学公差排列。实际上，很难适用于在整个结构主体上形成光学元件阵列的多个部件的制造工艺。例如，很难将结构主体进行准确索引，以获得主体彼此的合适位置的精确性。当想获得远离结构主体中心的结构部件时，结构主体在支撑和旋转结构主体的卡盘上无法平衡。不平衡的加载在卡盘上的这个效应会加剧位置正确性的问题并且降低了部件的制造精确性。被部件彼此和在结构主体上的部件所确定，使用这些技术，只可能获得几十微米级数的位置正确性。在形成光学元件的部件的制造中所需的精确性是几十纳米的技术(如在关注的电磁能的波长级数)。换句话说，以常规技术的整个结构主体的光学公差，不可能增加大尺寸(如八英寸或者更大)的具有位置正确性和制造精确性的结构主体。然而，根据此处所描述的手段提高制造的精确性是可能的。

根据多个实施例，下面的描述提供了用来制造在结构主体上形成光学元件的多个部件的方法和配置。晶片级成像系统(如图3中示出的那些)通常需要多个光学元件在Z方向上叠置并且在X和Y方向(也被称为“规则阵列”)的整个结构主体中分布。例如参见图212关于结构主体定义的X、Y和Z方向。叠置的光学元件可形成在，例如单侧的玻璃晶片、双侧的玻璃晶片和/或顺序叠置的光学元件组上。如下所述，提供在结构主体上形成光学元件的大量部件的改善的精确性可通过使用高精度的结构主体来提供。例如，在四层的每一层中，Z方向上±4微米的变化(假设零平均数时，对应于四希格玛变量)会导致光学元件组在Z方向上变化±16微米。当应用于具有小像素(如小于2.2微米)和快速光学器件(如f/2.8或者更快)的成像系统时，对于大量由四层组装的晶片级成像系统而言，Z方向上的变化会导致聚焦损耗。该聚焦损耗难以在晶片级照相机中进行校正。类似的由制造公差带来的产量问题和图像质量在X和Y尺度内出现。

光学元件的晶片级组装件的在先制造方法不允许以获得高图像质量所需的光学精确性进行组装；即，虽然当前制造系统允许以机械公差(以多个波长测得的)进行组装，但是它们不允许以光学公差(波长量级)进行制造和组装，其中光学公差是例如晶片级照相机阵列的阵列成像系统所需要的。

直接制造全功能结构主体可能是有利的，该结构主体上包括这样的部件，该部件用于形成多个光学元件以例如消除对冲压工艺的需要从而在板上组装结构主体。进而，在一个结构中制造用于形成光学元件的所有部件是有利的，以便将这些部件相对于彼此的定位控制到较高程度(如纳米)。进一步，以比使用当前方法更少的时间制造高产量结构主体是有利的。

在下面的公开中，术语“光学元件”被可替换地使用以表示通过使用结构主体，以及结构主体自身的部件所形成的最终的元件。例如，提及“形成于结构主体上的光学元件”并不是以字面意义表示光学元件自身是在结构主体上的；而是表示旨在用于形成光学元件的部件。

对于示范性的多轴加工配置6024，图216显示了在常规金刚石车削工艺中定义的轴。该多轴加工配置例如可与慢刀伺服(“STS”)方法和快刀伺服(“FTS”)方法一起使用。如图216中所示，慢刀伺服或者快刀伺服(“STS/FTS”)方法可在多轴金刚石车削车床(如在X、Z、B和/或C轴上具有可控运动的车床)上实现。例如，在Bayan的发明名称为“形成工件部分的非旋转对称的系统和方法”的美国专利号7,089,835中，描述了慢刀伺服的一个例子，在此通过引用相同内容的方式并入本文中，正如完全复制到本文中一样。

工件可安装到卡盘6026上，其可关于C轴旋转，同时在心轴6028上沿X轴被操纵。同时，切削刀具6030被安装和旋转在刀具架6032上。相反，卡盘6026可替代刀具架6032安装并且沿Z轴被操纵，同时切削刀具6030在心轴6028上放置和旋转。另外，每个卡盘6026和切削刀具6030可关于B轴旋转和放置。

现在结合图217来参考图218，结构主体6034包括前表面6036，其上制造了形成光学元件的多个部件6038。当结构主体6034关于旋转轴(由短线-点线6040指出)进行旋转时，切削刀具6030扫过和扑过每个部件6038并且在前表面6036上制造多个部件6038。在结构主体6034的成为自由表面的整个前表面上，部件6038的制造过程可由程序控制。或者，将要在结构主体6034上形成的部件6038中的每一种类型都可分别定义，并且可通过为待形成的每个部件6038指定坐标和角取向而占据结构主体6034。这样，所有部件6038以相同的格局制造，例如每个部件6038的位置和取向可保持在纳米水平上。虽然结构主体6034被示出包括部件6038的规则阵列(即在二维中均匀隔开)，但是应当理解，部件6038的不规则阵列(如至少在一个尺度上非均匀隔开)也可同时或者可替换地包括在结构主体6034上。

图217中的嵌入物6042(被虚线圆指出)的细节在图218和219中示出。切削刀具6030，包括在刀具柄部6046上支撑的刀具尖端6044，可沿着圆凿轨迹6050在方向6048上反复扫过，以在结构主体6034中形成每个部件6038。

根据一个实施例，使用STS/FTS可生产出3nmRa数量级的良好加工表面。另外，用于STS/FTS的单点金刚石车削(SPDT)切削刀具可以是便宜的，并且具有足够的刀具寿命来切削整个结构主体。在示范性的实施例中，如图94-100中所示，根据设计过程中所指定的Ra要求，八英寸的结构主体6034在一小时到三天内可分布有两千个以上的部件6038。在一些应用中，刀具后角可限制离轴部件的最大表面斜度。

在一个实施例中，如图220A-220C中所示，多轴铣削/磨削可用来形成多个部件以在结构主体6052上形成光学元件。在图220A-220C的例子中，结构主体6052的表面6054使用旋转切削刀具6056(如金刚石球端铣块和/或磨块)加工。旋转切削刀具6056以螺旋形刀具路径相对于表面6054在X、Y和Z轴方向上动作，从而形成了多个部件6058。虽然螺旋形刀具路径在图220B和220C中示出，但是也可使用其它的刀具路径形状，例如一系列S形或放射状的刀具路径。

图220A-220C中所示的多轴铣削工艺可允许陡度高达90°的加工。虽然给定几何形状的内部角可具有与刀具半径相同的半径或者圆角，但是多轴铣削允许形成非圆形形状或者自由形状，例如，矩形孔径形状。与使用STS和FTS类似，部件6058以相同的格局制造，所以多轴定位保持在纳米级别上。然而，多轴铣削通常花费比使用STS或者FTS更长的时间来组装八英寸结构主体6052。

将使用STS/FTS和使用多轴铣削进行比较，可知STS/FTS更适合制造具有低斜率的浅表面，而多轴铣削更适合于制造较深的表面和/或具有高斜率的表面。因为表面几何形状直接与刀具几何形状相关，所有光学设计方针可促进更有效的加工参数的指定。

虽然前述的每个实施例已经通过具有特定的各自取向的多个组件示出，但是应理解在本公开中所描述的实施例可采用多种特定配置，其具有放置在多个位置并且相互取向的多个组件，并且仍保持在本公开的精神和范围内。例如，在形成光学元件的实际部件被加工之前，尖锐组装的部件可使用，例如，常规切削方法而不是金刚石旋转或者磨削，被“变粗糙”。进而，可使用切削刀具而不是金刚石切削刀具(如高速钢、碳化硅、以及氮化钛)。

作为另一个实施例，旋转切削刀具可被修整为用于形成待制造的光学元件的部件的期望形状；即，如在图221A和221B中所示，特定的成形刀具可用来制造每个部件(如在公知的“插入”工艺中)。图221A显示了配置6060，其描述了用于在结构主体6064的前表面6066上形成光学元件的部件6062的形成。使用特定的成形刀具6068将部件6062形成在结构主体6064的前表面6066上。在配置6060中，特定的成形刀具6068关于轴6070旋转。如在图221B(在部分截面中，配置6060的俯视图)中所看到的，特定的成形刀具6068包括在刀具柄部6074上支撑的非圆形切削边缘6072，从而一旦在结构主体6064前表面6066上应用特定的成形刀具6068，则会如浮雕一般在前表面6066上形成具有非球面形状的部件6062。通过修整切削边缘6072，可以以这种方式形成多种定制的部件6062。进而，使用特定的成形刀具与其它制造方法相比可减小切削时间并且允许高达90°的切削斜度。

作为上述的“变粗糙”工艺的一个例子，具有适当直径的商用切削刀具可被用于首先加工最适合的球面，然后使用具有特定切削边缘(例如切削边缘6072可用于形成部件6062)的定制的切削刀具。这个“变粗糙”工艺可通过减少必须由特定的成形刀具切削的材料的数量而降低加工时间和刀具磨损。

如果使用具有合适几何形状的成形刀具，则非球面光学元件的几何形状可通过单纯插入切削刀具而形成。在刀具制造中目前可用的技术允许使用一系列线和弧段而接近真实的非球面形状。如果给定成形刀具的几何形状不完全符合所期望的非球面光学元件的几何形状，那么可以测量切削部件以及之后在随后的主体结构上使其成形，从而解决偏差问题。虽然可改变其它光学元件的组装部件变量，如模制的光学元件的层厚度，以适合成形刀具几何形状的偏差，但是使用非近似的、准确的成形刀具几何形状是有利的。当前的金刚石成形方法限制了线和弧段的数量；即，具有超过三条线或弧段的成形刀具可能由于一个弧段有误差而难以制造。图222A-222D分别显示了成形刀具6076A-6076D的例子，其分别包括凸切削边缘6078A-6078D。图222E显示了包括凹切削边缘6080的成形刀具6076E。刀具制造工艺的当前限制将大约350微米的最小半径用作凹切削边缘，虽然该限制可在制造技术的提高中得以消除。图222F显示了包括成角度的切削边缘6082的成形刀具6076F。如图222G中所示，凹和凸切削边缘相结合的刀具也是可能的。成形刀具6076G包括切削边缘6084，切削边缘包括凹切削边缘6086和凸切削边缘6088的组合。在每个图222A-222G中，成形刀具的相应旋转轴6090A到6090G由短线-点线以及曲线箭头指出。

当刀具旋转6090A到6090G形成了完整的光学元件几何形状时，每个成形刀具6076A-6076G仅结合了所需的光学元件几何形状的一部分(如一半)。成形刀具6070A-6070G的边缘质量高(如750×到1000×边缘质量)到足以直接切削光学表面，而不需后处理和/或抛光，这是有利的。典型地，成形刀具6076A-6076G可以以5,000到50,000圈每分钟(RPM)的量级旋转并且以刀具每圈移除1微米厚芯片的速度被插入；这一工艺允许在一分钟内产生用于形成光学元件的完整部件以及在两个或者三个小时内产生完全组装的结构主体。成形刀具6076A-6076G也显示出它们没有表面坡度限制的优势；即，包括高达90°的坡度的光学元件几何形状是可获得的。进而，通过为结构主体选择合适的结构主体材料，可极大地延长成形刀具6076A-6076G的刀具寿命。例如，刀具6076A-6076G可形成几万个到几十万个的部件，用于在例如由黄铜制造的结构主体中形成单个的光学元件。

例如，可使用聚焦离子束(FIB)加工，使成形刀具6076A-6076G成形。金刚石成形工艺可用于获得真实的具有多个曲率(如，凸/凹)变化的非球面形状，例如成形刀具6076G的切削边缘6092。边缘6092所期望的曲率可以例如小于250纳米(峰到谷)。

直接制造用于形成光学元件的部件表面通过在部件表面包含刻意的加工痕迹而得以提高。例如，在C轴模式切削(如慢刀伺服)中，使用改进的切削刀具在加工表面上可制造抗反射(AR)光栅。在加工部件上制造刻意的加工痕迹来影响电磁能的细节将参考图223-224进行描述。

图223显示了结构主体6096的一部分6094的局部立面图。结构主体6096包括形成光学元件的部件6098，该光学元件具有形成在它表面上的多个刻意的加工痕迹6100。刻意的加工痕迹6100的尺度可被设计为，除了指出部件6098的功能的电磁能之外，刻意的加工痕迹6100提供功能性(如抗反射)。抗反射层的常规描述可见于，例如Gaylord等人的美国专利5,007,708、Ophey等人的美国专利5,694,247以及Hikmet等人的美国专利6,366,335，此处通过引用的方式将其内容并入本文。在形成光学元件的部件形成过程中，该刻意的加工痕迹的一体化形成，例如通过使用特定的刀具尖端而获得，如图224中所示。

图224显示了刀具尖端6104的局部立面图6102，该刀具尖端已被调整为在切削边缘6108上形成多个凹槽6106。金刚石切削刀具可使用，例如FIB方法或者本领域所公知的其它合适的方法来成形。作为例子，刀具尖端6104被配置成，在部件6098的制造过程中，切削边缘形成部件6098的所有形状，同时凹槽6106刻意地形成加工痕迹6100(见图223)。凹槽6106的间隔(即周期6110)可以例如大约是所影响的电磁能波长的一半(或更小)。凹槽6106的深度6121可例如是大约相同波长的四分之一。虽然凹槽6106显示出具有矩形的截面，但是其它的几何形状也可用于提供相似的抗反射性能。进而，或者切削边缘6108的所有扫过的部分可改进以提供凹槽6106，或者可选的，加工配置的B轴定位能力可用于刀具常规加工中，其中刀具尖端6104的相同部分总与要切削的表面接触。

图225和226示出了用于影响电磁能的另一套刻意的加工痕迹的制造。在C轴模式切削中(如使用STS方法)，AR光栅(以及Fresnel-like表面)可通过使用通常称为“半半径刀具(half radius tool)”的刀具来形成。图225显示了结构主体6116的一部分6114的局部立面图。结构主体6116包括用于形成光学元件的部件6118，该光学元件在其表面包括具有多个刻意的加工痕迹6120。正如图226中所示，在使用特定的刀具尖端形成光学元件6118的同时可形成刻意的加工痕迹6120。

图226显示了切削刀具6124的局部立面图6112。切削刀具6124包括支撑刀具尖端6128的刀具柄部6126。刀具尖端6128可例如具有嵌入切削边缘6130的半半径金刚石，其具有与刻意的加工痕迹相匹配6120的尺寸。对于所影响的电磁波的给定波长，刻意的加工痕迹6120的间隔和深度可例如在周期上约为半波长并且在深度上为四分之一波长。

图227-230示出了适用于在多轴铣削和C轴模式铣削二者中制造其它刻意的加工痕迹的切削刀具。图227显示了包括刀具柄部6130的切削刀具6128，刀具柄部6130被配置成关于旋转轴6132旋转。刀具柄部6130支撑包括切削边缘6136的刀具尖端6134。切削边缘6136是具有突出6140的金刚石嵌入6138的一部分。图228显示了刀具尖端6134一部分的截面图。

在多轴铣削中，使用切削刀具6128可形成抗反射光栅，如图229中所示。用于形成光学元件的部件6144的一部分6142包括螺旋形刀具路径6146，当与切削刀具6128的旋转结合时，其形成复杂螺旋痕迹6148。在刀具尖端6134上包括一个或多个凹槽和/或突出6140(图227中示出)可用于在表面上形成正和/或负痕迹的图案。这些加工痕迹的空间平均周期大约是受到影响的电磁能波长的一半，而深度大概是相同波长的四分之一。

现在结合图230参考图227到228，切削刀具6128可用于C轴模式铣削或者加工(例如替换SPDT使用的旋转切削刀具的慢刀伺服)。这种情况下，具有一个或多个凹槽或者突出6140的改进切削边缘6136可形成作为抗反射光栅的刻意的加工痕迹。图230中示出了形成光学元件的另一个部件6150的一部分。部件6150包括线性刀具路径6152和螺旋形痕迹6154。这些刻意的加工痕迹的螺旋形平均周期大概是波长的一半，然而深度大概是受到影响的电磁能波长的四分之一。

图231-233示出了根据一个实施方案制造的板上组装的结构主体的一个例子。如图231中所示，结构主体6156形成了具有多个部件6160的表面6158，该部件6160用于在其上制造光学元件。结构主体6156进一步包括识别标记6162和对准标记6164及6166。所有的部件6160、识别标记6162和对准标记6164及6166可直接加工到结构主体6156的表面6158上。例如，对准标记6164和6166在与部件形成相同的安装过程中被加工，以保持与部件6160的对准。可使用多种方法来加入识别标记6162，例如，但不限于，铣削、刻模和FTS，并且可包括作为日期码或者序列号的识别部件。进而，结构主体6156的区域可保留为空白(例如由虚线椭圆所指出的空白区域6168)，用于包括附加的对准部件(如运动安装架)。同样，可包括划线的对准光6170；该对准部件可有利于组装的结构主体关于其它装置的对准，该其它装置例如用于随后的复制工艺。进而，一个或多个加工间隔也可直接制造在结构主体上，同时作为部件6160。

图232显示了结构主体6156的嵌入物6172(由虚线圆指出)的进一步细节。正如在图232中可看到的，在阵列配置中，结构主体6156包括其上形成的多个部件6160。

图233显示了一个部件6160的截面图。如图233中所示，一些附加部件可结合到部件6160的形状中，以便在随后形成主体结构6156的“子体”的复制工艺中起辅助作用(结构主体的“子体”因此被定义为使用结构主体而形成的对应物)。这些部件可与部件6160同时形成或者在二级加工工艺(如平端面铣块加工)中形成。在图233中所示的例子中，部件6160形成了用于复制工艺中的凹表面6174和圆柱形部件6176。虽然在图233中示出了圆柱形几何形状，但是也可以包括附加的特征(如加强肋、台阶等)(例如用于在复制工艺中设置密封)。

对于光学元件来说，包括非圆孔径或者自由形式/形状的几何形状是有优势的。例如，正方孔径有利于光学元件与探测器的配合。实现该正方孔径的方法是除形成凹表面6174之外，在结构主体上执行铣削加工。这个铣削加工在小于全部直径的某一直径上进行，并且可移除一定深度的材料从而留下包括了所期望的正方孔径几何形状的支柱或者岛部。图234显示了结构主体6178，其上支柱6180通过在正方支柱6180之间铣削掉材料而形成，因此仅留下正方支柱6180和环形物6182，其在结构主体6178的边缘附近延伸。虽然图234显示了正方支柱6180，但是也可能是其它的几何形状(如圆形、矩形、八角形和三角形)。同时可以使用具有亚微米级公差的金刚石铣削工具进行铣削；如果希望得到粗糙的、不透射的表面，则铣削工艺可刻意留下粗糙的加工痕迹。

虽然加工顺序可能不影响结构主体的加工质量，但是形成支柱6180的铣削加工可以在形成光学元件的部件的形成之前进行。在进行铣削加工后，可面对所有的结构主体，从而切割支柱的顶端和环形物6182。在面对结构主体后，考虑到环形物6182和光学元件高度之间的光学精确度公差，所需光学元件的几何形状可使用一个在先描述的工艺而直接制造出。另外，支架部件可在支柱6180之间形成，如果需要的话，支柱6180有利于相对于复制设备的Z对准。图235显示了结构主体6178的进一步处理状态；结构主体6178’包括多个改进的正方支柱6180’，正方支柱6180’具有其上形成的凹表面6184、6186。

可模压的材料，例如UV固化聚合物，可用于结构主体6178’以形成配合的子体部分。图236显示了由图235的结构主体6178’形成的配合的子体部分6188。模压的子体部分6188包括用于形成光学元件的环形物6190和多个部件6192。每个部件6192包括凹部件6194，其凹陷进常规的正方孔径6196中。

虽然多个部件被显示为具有相同的尺寸和形状，但是在结构主体中可以通过改变改进的正方支柱6178’的形状来改变凹部件6194。例如，改进的正方支柱6178’的子集可通过改变铣削工艺而被加工成不同的厚度或者形状。另外，在改进的正方支柱6180’已经形成之后可加入填充材料(如可流动和可固化的塑料)，从而进一步调整改进的正方支柱6180’的高度。该填充材料可，例如，旋涂以获得可接受的平整度规格。凹平面6184可额外地或者替换地具有可变的表面分布。对于在大的阵列中直接加工凹光学元件的几何形状，这种技术是有益的，因为凸起的支柱6180’提供了加强的工具清除。

结构主体的加工可考虑到结构主体的材料特性。相关的材料特性可包括，但是不限于，材料的硬度、脆度、密度、切割的容易程度、芯片形成、材料的模量和温度。加工程序的特性可根据材料的特性来考虑。该加工程序的特性可包括，例如，工具材料、尺寸和形状、切割速度、送料速度、工具轨迹、FTS、STS、结构主体的RPM以及程序化(如G代码)的功能。所得的加工结构主体的表面特性依赖于结构主体的材料特性以及加工程序的特性。例如，表面特性可包括表面Ra，尖端尺寸和形状、粘附物的存在、角部半径和/或形成光学元件的加工部件的形状和尺寸。

当加工非平面几何形状时(如光学元件中常见的)，切割工具及机床的动力学和相互作用可引起影响光学质量和/或组装的结构主体的加工速度的问题。一个常见的问题是结构主体的表面与切割工具接触可导致机械振动，其可导致所得部件的表面形状的误差。根据一个实施方案，解决这个问题的一个方法将结合图237-239进行描述，图237-239显示了根据一个实施例在加工的不同阶段的结构主体部分的一系列描述，该加工使用负性虚拟基准处理来形成光学元件的部件。

图237显示了结构主体6198的一部分的截面图。结构主体6198包括由不被加工的材料形成的第一区域6200以及由将被加工去除的材料形成的第二区域6202。划分线6204的期望形状的轮廓分开了第一和第二区域6200、6202。划分线6204包括了光学元件的期望形状的部分6208。在图237所示的例子中，虚拟基准面6206(由加重的虚线表示)被定义为与线6204的部分共面。虚拟基准面6206被限定平放在结构主体6198中，以便于跟随划分线6204的切割工具与结构主体6198总是接触的。由于这种情况下切割工具总是偏离于结构主体6198，所以因工具间断地与结构主体6198接触而形成的挤压和振动基本被消除。

图238显示了使用虚拟基准面6206的加工工艺的结果，其中虚拟基准面6206根据需要具有形成部分6208，但是留下了相对于期望的加工表面(由加重的虚线表示)过多的材料6210、6210’。可使过多的材料6210、6210’的表面光滑(如通过铣削、金刚石车削或者研磨)，以获得期望的sag值。

图239显示了结构主体6198的改进的第一区域6200’的最终状态，该结构主体6198包括最终部件6214。部件6214的sag可通过改变表面加工操作中所去除的材料数量来进行附加调节。由于整个部件形成在用于形成部分6208(见图237和238)的切割操作和用于形成加工表面的表面加工操作的交叉点，所以形成在部件6214上部边缘的角部6216可能是尖锐的。角部6216的尖锐度可超过通过单机床单独形成的相应角部的尖锐度，该角部必须反复接触结构主体6198并且因而每当结构主体6198的材料接触工具时都会振动或者“震颤”。

现在转到图240-242，其中描述了使用多种正性虚拟基准面来加工结构主体。正常操作期间，在结构主图6218上制造形成光学元件的部件时，切割工具可跟随或者平行于结构主体6218的顶面6220。当达到尖锐的轨迹改变(如，相对于结构主体的表面，工具轨迹坡度的大的或者不连续的改变)时，由于预测尖锐的轨迹改变并减慢旋转的控制器具有“预测”功能，因而加工机械可自动减小结构主体的RPM，从而减小由尖锐的轨迹改变(分别由虚线圆6228、6230和6232指出)而导致的加速度。

继续参考图240-242，为了减轻尖锐的轨迹改变，虚拟基准技术(如根据图237-图239所述)可应用到图240-242中所示的例子中。在图240-242中所示的例子中，虚拟基准面6234被限定在结构主体6218的顶面6220上；在该情况下，虚拟基准可被看作是正性虚拟基准。图240包括了示范性的工具轨迹6222，与切割工具跟随着顶面6220而非虚拟基准面6234相比，工具轨迹6222在过渡到弯曲的部件表面6236时更加平缓。图241显示了另一个示范性的工具轨迹6224，与工具轨迹6234相比，其更加急剧地从虚拟基准面6234过渡到部件表面6236。图242显示了图240中所示的工具轨迹的离散版本。

图240-242中所示的正性虚拟基准的使用可减小工具挤压动力和机床从旋转结构主体降低RPM所固有的激烈性。因此，与不使用正性虚拟基准相比，结构主体可在更短的时间(如3小时而不是14小时)内加工。工具轨迹，如在正性虚拟基准技术中所限定的，可以插入从虚拟基准面6234到部件表面6236的工具轨迹中。部件表面6236外部的工具轨迹6222、6224和6226，可使用任何合适的数学形式来表达，其中包括，但不限于，切向弧线、样条(spline)和任何级数的多项式。使用正性虚拟基准无需像使用负性虚拟基准时那样要求零件面向彼此。正性虚拟基准的使用允许虚拟工具轨迹的程序化，从而减小出现尖锐工具轨迹的变化。

在执行虚拟基准技术中定义工具轨迹时，插入的虚拟轨迹具有平缓的、小而连续的微分以最小化加速度(轨迹的二阶微分)和脉冲(轨迹的三阶和更高阶微分)是有益的。在工具轨迹中最小化该突变可获得改进的加工表面(如低Ra的)并且期望部件的sag更均匀。进而，除了使用STS之外(或者代替STS)，可使用FTS加工。虽然FTS加工具有加工质量降低的(如高Ra的)的潜在缺陷，但是由于其沿着Z轴振动非常少的重量(如低于一磅而不是高于一百磅)，因此FTS加工可提供比STS更大的带宽(如大十倍或更多)。然而，使用FTS加工，工具挤压动力由于较快的加工速度而截然不同，并且工具可能更容易对轨迹的急剧变化做出响应。

如图242中所示，工具轨迹6226可离散成一系列孤立点(由沿着轨迹6226的点表示)。一个点可由XYZ笛卡尔坐标三元组或者类似的柱坐标(rθz)或球坐标(ρθφ)来表示。根据离散的密度，完全自由的结构主体的工具轨迹可在其上限定数百万个点。例如，离散成10×10微米正方形的八英寸直径的结构主体可包括大约300万个轨迹点。高离散化的十二英寸的结构主体可包括大约十亿个轨迹点。这种大的数据量可产生机械控制器的问题。在一些情况下，可以通过给机械控制器或者计算机增加更多的存储器或远程缓冲来解决数据组的尺寸问题。

另一方法是通过降低离散的分辨率来降低所使用的轨迹点的数量。在离散中降低的分辨率可通过改变机床的轨迹插值而得以补偿。例如，线性插值(如G代码G01)典型地需要大量点，用于定义常规的非球面。通过使用更高阶的参数表示，例如立方样条插值(如G代码G01.1)或者圆插值(如G代码G02/G03)，需要较少的点来定义同一工具轨迹。第二种解决方法是不将结构主体的表面看作是单个自由曲面，而是离散成用于形成光学元件的相似部件的一个或多个阵列的表面。例如，其上形成有一种类型的多个光学元件的结构主体，可被看作是应用了合适变换和旋转的一类元件的阵列。因此，只需要定义该种类型的元件。利用该表面离散，可减小数据组的尺寸；例如，在具有一千个部件、每个部件需要一千个轨迹点的结构主体上，数据组包括一千个点，然而使用离散和线性变换方法仅需要三千个点(即一千个用于部件，两千个用于平移和旋转三元组)。

加工操作可在加工零件的表面留下加工痕迹。对于光学元件，某些类型的加工痕迹可增加散射并且导致有害的电磁能损失或者导致像差。图243显示了具有部件6240的结构主体6238的一部分的截面图，部件6240用于形成在其上限定的光学元件。部件6240的表面6244包括类似扇贝的加工痕迹。表面6244的子部分(由虚线圆6246指明)在图245中被放大。

图244显示了在虚线圆6246区域中的表面6244的一部分的放大图。使用一定的近似法，示范性的扇贝表面的形状可由下面的工具及机械等式和参数限定：

$h=\frac{w^2}{8R_t}=\frac{f^2}{8R_t{\left(\mathrm{RPM}\right)}^2};$                       方程式(11)

$w=\frac{f}{\mathrm{RPM}};$                               方程式(12)

$t=\frac{x_{\max }}{f};$ 并且                           方程式(13)

$f=2\mathrm{RPM}\sqrt{2h{R}_t},$                        方程式(14)

其中：

R_t＝单点金刚石车削(SPDT)工具尖端半径＝0/500mm；

h＝峰到谷的尖端/扇贝高度(“工具压印”)＝10nm；

X_max＝部件6240的半径＝100mm；

RPM＝估计的心轴速度＝150转/分(估计的心轴速度)；

f＝整个部件的横向送料速度(在STS模式中不直接控制)，用mm/min来限定；

w＝扇贝间隔(即每心轴旋转的横向送料)，用mm限定；以及

t＝分钟(切割时间)。

继续参考图244，尖端6248可不规则地形成并且额外包括多个毛口6250，毛口6250是由于工具路径的叠置和变形而不是由于从结构主体6238去除材料而形成的。这些毛口和不规则形状的尖端6248可增加获得的表面的Ra，并且负面影响了随之形成的光学元件的光学性能。部件6240的表面6244通过去除毛口6250和/或在尖端6248形成倒角而变得更平整。作为一个例子，可使用多种蚀刻工艺来去除毛口6250。与表面6244的其它部分相比，毛口6250是高表面比率(即被封闭的体积所分开的表面区域)的部件并且因此将蚀刻得更快。对于由铝或者黄铜制成的结构主体6238，可使用蚀刻剂，如氯化铁、氯化铁和盐酸、氯化铁和磷酸以及硝酸、过硫酸铵、硝酸或者例如来自Transene公司的A型铝蚀刻剂的商用产品。作为另一个例子，如果结构主体6238由镍形成或者由镍涂覆，例如可使用由例如5份HNO₃+5份CH₃COOH+2份H₂SO₄+28份H₂O的混合物形成的蚀刻剂。另外，蚀刻剂可结合搅拌使用，以确保各向同性的作用(即在所有方向上蚀刻速度相同)。对于某些金属和蚀刻剂来说需要之后进行清洁或者出光处理(desmutting)操作。典型的出光处理或者增亮蚀刻剂，例如，可以是硝酸、盐酸和氢氟酸在水中的稀释混合物。对于塑料和玻璃的结构主体，毛口和尖端可使用机械摩擦、火焰抛光和/或热回流来处理。图245显示了图244在蚀刻后的截面图，可见，毛口6250已经被去除了。虽然湿法蚀刻处理更常用于蚀刻金属，但是如等离子体蚀刻处理的干法蚀刻处理也可使用。

通过测量部件的某些特征，可以估计用于形成光学元件的制造部件的性能。利用测量，可修整该部件的制造程序以提高部件的质量和/或准确性。例如可使用白光干涉仪来执行部件的测量。图246是结构主体6252的组装制造的示意图，在此示出用于描述如何测量部件以及制造程序的校正是如何确定的。测量实际制造的主体的选定部件6254、6256、6258、6260、6262、6264、6266、6268(共同被称为部件6254-6268)从而对它们的光学质量进行表征，因而对所执行的加工方法的性能进行表征。图247-254显示了6254、6256、6258、6260、6262、6264、6266、6268的各自部件的被测表面误差(即从期望表面高度的偏离)的轮廓图。在各自轮廓线上的加重黑色箭头6286、6288、6290、6292、6294、6296、6298和6300指明了从结构主体的旋转中心指向结构主体6252的部件位置的矢量；即在与这个矢量正交的方向上工具移动穿过部件。如图247-254中所见，区域的最大表面误差是在工具进入和离开处，对应于与加重黑色箭头所指明的矢量正交的直径。每个轮廓线表示大约40nm的轮廓水平移动；如图247-254中所示的，被测量的部件的sag从期望值偏离大约200nm的范围。与每个轮廓图相关的是与理想表面相对应的被测量表面的RMS值(被上述每个轮廓图示出)。在图247-254中所示的例子中，RMS值从大概200nm变化到300nm。

图247-254显示了至少两个与加工工艺相关的系统效应。首先，制造部件的偏离通常关于切割方向对称(即偏离可被称为与切割方向“同步”)。其次，虽然由这些图所指明的RMS值比使用其它当前的可用制造方法可获得的低，但是其仍然大于在结构中所期望的。进而，这些图显示了RMS值和对称性二者都对与结构主体相对应的相应部件的半径和方位位置敏感。表面误差的对称性和RMS值是所制造部件的可测量特征的例子，并且所得到的测量结果用于校准或者校正制造部件的制造程序。这些效应会削弱所制造部件的性能，从而需要重新加工(如表面加工)或者刮擦组装的结构主体。虽然由于重新对准是非常困难的，不可能进行结构主体的重新加工，但是对结构主体进行刮擦在时间和成本上是非常浪费的。

为了减轻图247-254中所示的对称效应，为该效应在制造和实施校准或者校正的过程中测量部件是有优势的。例如，为了在制造过程中测量部件(原位)，在加工工具上增加了附加的性能。现在结合图216来参考图255，其中示出了加工配置6024的调节。多轴机床6302包括原位测量子系统6304，该子系统可用于计量和校准。测量子系统6304可安装到例如工具架上与工具6030相协调的方式来移动。机床6302可用于执行与工具架6032相关的子系统6304的位置校准。

作为校准处理的一个例子，为了测量几何形状变化的切割部件，可延缓制造程序的执行。或者，该测量可在制造程序进行的同时来实施。之后，测量可用于执行反馈处理，从而校正剩余部件所需的制造程序。该反馈工艺可以例如对切割工具损耗和其它可影响产量的处理变量进行补偿。测量例如可通过接触触针(例如线性可变差动变换器(LVDT)探针)来实施，接触触针相对于被测表面而被驱动并且单次或者多次扫过结构主体。作为替代，可使用干涉仪实施部件的整个孔径的测量，例如，通过使用在切割工具制造新部件的同时与已经形成的部件相接触的LVDT探针。

图256显示了将原位测量系统集成到图255的多轴机床中的示范。在图256中，为清楚起见没有示出工具架6032。当工具6030在结构主体6306上形成部件(例如利用其形成光学元件)时，测量子系统6304(在虚线方块中封闭)测量其它部件(或者其中的部分)，该其它部件之前由工具6030形成在结构主体6306上。如图256中所示，测量子系统6304包括电磁能源6308、分束器6310和探测器排列6310。可优选增加镜子6312，例如，用于对从结构主体6306散射的电磁能重定向。

继续参考图256，电磁能源6308产生了传播穿过分束器6310的电磁能准直光束6314，并且因此作为反射部分6316和穿透部分6318被部分反射。在第一方法中，反射部分6316作为参考束，同时穿透部分6318询问结构主体6306(或者其上的部件)。穿透部分6318通过结构主体6306的询问而改变，结构主体6306将穿透部分6318的部分散射回分束器6310并且散射向镜子6312。镜子6312将穿透部分6318的这一部分的方向改变为数据束6320。之后，被反射的部分6316和数据束6320进行干涉，从而产生由探测器排列6310所记录的干涉图。

仍然参考图256，在第二方法中，分束器6310顺时针或者逆时针旋转90°，以致于不形成参考光束，并且测量子系统6310仅捕获来自穿透部分6318的信息。在这个第二方法中，不需要镜子6312。使用第二方法捕获的信息仅包括放大信息，或者如果结构主体6306是透明的，则可包括干涉信息。

由于C轴(和其它轴)被编码到制造程序中，部件相对于计量系统的中心轴的位置是已知的，或者是可以确定的。测量子系统6304可被触发从而在特定的位置测量结构主体6306或者被设定为对结构主体6306连续取样。例如，为了允许结构主体6306的连续处理，测量子系统6304可使用适当的快速脉冲(如斩波的或者频闪的)激光器或者具有几微秒时间的脉冲灯，从而有效冻结结构主体6306相对于测量子系统6304的运动。

例如，可以通过图案匹配到已知结果或者通过在结构主体6306上的相同类型多个部件之间的相互关系来实施由测量系统6304记录的关于结构主体6306的信息的分析。信息的适当参数确定以及所涉及的相互关系或者图案匹配值的函数可使用反馈系统来控制和调整机械操作。第一个例子包括在金属结构主体中测量非球面凹部件的特征。在忽略衍射时，从该部件反射的电磁能的图像应当强度均匀并且有圆形边界。如果部件椭圆形地变形，那么探测器排列6310的图像将显示出像散并且具有椭圆形边界。因此，强度和像散、或者强度和像散的缺乏，可表明结构主体6306的某些特征。第二个例子关注表面光洁度和表面缺陷。当表面光洁度较差时，由于从表面缺陷散射导致图像强度降低并且在探测器排列6310处记录的图像不均匀。根据由测量系统6304记录的信息而确定的用来控制的参数例如包括，捕获数据的强度、高宽比和一致性。随后在两个不同部件之间、在作用于相同部件的两个不同测量工具之间、在制造部件和预定参考的参数(例如基于部件的在先计算模拟的参数)之间对这些参数中的任何一个进行比较，从而确定结构主体6306的特性。

在一个实施例中，来自于两个不同传感器或者来自于两个不同波长的光学系统的信息的结合有利于将多个相关测量转换成绝对的质量。例如，LVDT与光学测量系统一起使用能够帮助提供物理距离(如从结构主体到光学测量系统)，其可用于确定捕获图像的适当缩放。

在使用结构主体来复制部件时，组装的结构主体相对于复制装置的精确对准是重要的。例如，在制造叠置的光学元件时，结构主体的对准可确定不同部件之间以及部件与探测器的对准。在结构主体本身上的对准部件的制造可有利于结构主体相对于复制装置精确对准。例如，上述的高精度制造方法，例如金刚石车削，可与结构主体上的部件的同时用来制造这些对准部件，或者在与结构主体上的部件相同的制造程序中用来制造这些对准部件。在本申请的上下文范围内，对准部件被理解为在结构主体表面上的部件，该部件被配置为与独立目标上相应的对准部件合作，从而定义或者指明分隔距离、在结构主体和分隔目标的表面之间的平移和/或旋转。

对准部件例如包括机械定义结构主体的表面和分隔目标之间的相对位置和/或取向的部件或结构。运动学上对准部件是可使用上述方法制造的对准部件的例子。当施加到目标之间的运动轴数量以及物理限制数量为六(即三个平移和三个旋转)时，在两个目标之间可获得真正的运动对准。当小于六个轴并且因此限制了对准时，可获得准运动对准。运动对准部件在光学公差处具有可重复对准(如在几十纳米级上)。对准部件可在组装的结构主体本身上制造，而光学元件在组装区域之外制造。额外地或者可选地，对准部件可包括指明了结构主体和分隔目标表面之间的相关布局和取向的部件或者结构。例如，该对准部件可结合视觉系统(如显微镜)和运动系统(如机器人技术)来使用，从而相对定位结构主体和分隔目标的表面，从而启动阵列成像系统的自动组装。

图257显示了其上支撑有结构主体6324的真空吸盘6322。结构主体6324例如由玻璃或者其它材料形成，该其它材料在关注的某个波长是半透明的。真空吸盘6322包括圆柱形元件6326、6326’和6326”，其作为准运动对准部件的组合的一部分。配置真空吸盘6322使其与结构主体6328(见图258)相匹配。结构主体6328包括凹元件6330、6330’和6330”，其形成了准运动对准部件的补偿部件，从而在真空吸盘6322上匹配圆柱形元件6326、6326’和6326”。由于，正如所述的那样，在真空吸盘6322和结构主体6328之间的旋转运动没有被完全限定，所以圆柱形元件6326、6326’和6326”以及凹元件6330、6330’和6330”提供了准运动对准，而不是真正的运动对准。真正的运动对准具有与真空吸盘6322的圆柱形轴相对排列的圆柱形元件6326、6326’和6326”(即所有的圆柱形元件可旋转90°)。例如，每个凹元件6330、6330’和6330”可以是半球体，其可在结构主体6328上加工，或者放置在精确钻孔径中的精密工具球。运动对准部件的组合的另一个例子包括，但不限于，圆锥体中的球体嵌套以及球体中的球体嵌套。或者，圆柱形元件6326、6326’和6326”和/或凹元件6330、6330’和6330”是局部的近似连续的环，其形成在真空吸盘6322和/或结构主体6328附近。这些运动对准部件例如使用超精密金刚石车床形成。

图259-261显示了对准部件的不同组合。图259是卡盘6322的截面图，显示了圆柱形元件6326的截面。图260和261显示了运动对准部件的可选配置，其适于用来替代圆柱形元件6326和凹元件6330的组合。在图260中，真空吸盘6332包括V-凹槽6334，其配置用于匹配凹元件6330。图261中，凹元件6330在平面表面6338处与真空吸盘6336相匹配。图260和261中所示的运动对准部件的配置都允许控制结构主体6324和结构主体6328之间的Z方向高度(即结构主体6324的平面法线方向)。在结构主体6328上形成光学元件的阵列部件时，例如，凹元件6330在相同的结构中形成，因此，在结构主体6324和结构主体6328之间的Z方向的对准受到亚微米公差的控制。

返回到图257和258，完成了附加对准部件的形成。例如，当图257和258中示出的准运动对准部件的组合可帮助结构主体6328相对真空吸盘6322对准，并且因此结构主体6324，对应于Z-方向平移，真空吸盘6322和结构主体6328彼此保持可旋转。

作为一种解决办法，可通过在结构主体6328和/或真空吸盘6322上使用附加的基准来获得旋转对准。在本申请的上下文中，基准可理解为形成在结构主体6324上、以指明与分隔目标相对应的结构主体6324的对准的部件。这些基准包括，但不限于，用划线器划的半径线(如图258中的线6340和6340’)、同心环(如图258中的环6342)和游标6344、6346、6348和6350。通过在整个结构主体6328上以～0.5μm的半径线深度径向缓慢移动工具而保持心轴不动(不旋转)，半径线部件6340例如使用金刚石切割工具形成。通过在整个真空吸盘6322或结构主体6328上以～0.5μm的半径线深度轴向重复缓慢移动工具而保持心轴不动，使用金刚石切割工具制造游标6344和6348，其分别放置在真空吸盘6322和结构主体6328的外边缘上；然后将工具和旋转心轴分开。通过在整个结构主体6328上以～0.5μm的半径线深度轴向重复缓慢移动工具而保持心轴不动，使用金刚石切割工具制造游标6346和6350，其分别放置在真空吸盘6322和结构主体6328的匹配表面上；然后将工具分开并且旋转心轴。通过将切割工具插入结构主体很小的量(～0.5μm)，同时旋转支撑结构主体6328的心轴，可制造出同心环。之后工具从结构主体返出，留下细微的、环状线。半径和环状线的这些交叉点可使用显微镜或者干涉仪观察到。例如，可使用或者透明卡盘或者透明结构主体来制造用于基准的对准。

图257-261中所示的对准部件配置是格外有利的，因为对准元件的位置和功能独立于结构主体6324，因而结构主体6324的某些物理尺度和特征(如厚度、直径、平整度和应力)对于对准而言变得不重要。在结构主体6324和结构主体6328的表面之间的间隙通过增加例如环6342的对准元件的额外高度而刻意形成，该间隙比结构主体厚度的公差大。如果结构主体偏离标称厚度，则随后在结构主体的厚度中填满复制聚合物。

图262显示了复制系统6352的示范性实施例的截面图，在此示出用于描述在公共基底上复制光学元件期间不同组件的对准。通过组合对准元件6360、6362和6364，结构主体6354、公共基底6356以及真空吸盘6358彼此对准。例如，使用力传感伺服压力机6366将真空吸盘6358和结构主体6354压在一起。通过细微控制卡装力，系统的可重复性在X、Y和Z方向上为微米量级。一旦适当地对准和加压，复制材料，例如UV-固化聚合物，则可注入到被限定在结构主体6354和公共基底6356之间的块体6368中；或者，在一起对准和加压之前，复制材料可注入到结构主体6354和公共基底6356之间。因此，UV固化系统6370将聚合物暴露于UV电磁能并且将聚合物固化成光学元件子体。在聚合物固化之后，通过释放由压力机6366施加的压力，结构主体6354从真空吸盘6358移开。

可使用多个不同的机床配置来制造形成光学元件的结构主体。每个机床配置具有某些有点，其有利于在结构主体上形成某些类型部件。另外，某些机床配置允许使用特殊类型的工具，其可用于形成某些类型的部件。进而，多工具和/或某些机床配置的使用便于以极高的准确度和精确度来进行形成结构主体所需的所有机械操作，而不需要从机床上移除给定的结构主体。

为了有利地保持光学精度，使用多轴机床形成包括形成光学元件阵列所用部件的结构主体可包括下面的步骤序列：1)在固定器(如卡盘或者其等价物)上安装结构主体；2)在结构主体上执行预备的机械操作；3)在结构主体的表面上直接制造光学元件阵列；4)在结构主体的表面上直接制造至少一个对准部件；其中在形成和直接制造步骤中，结构主体保持安装在结构主体固定器上。附加或者优选地，支撑结构主体的固定器的预先机械加工可在其上安装结构主体之前进行。预先机械加工的例子是旋转外侧直径或者“面对”(用机器弄平)结构主体，从而使由卡装力(以及当部件离开时所发生的“弹跳”)导致的任何偏离/变形达到最小。

图263-266显示了多轴机械配置的示范，其可用在形成光学元件的部件的制造中。图263显示了包括多个工具的配置6372。虽然依赖于每个工具的尺寸和Z轴台架的配置，示出的第一和第二工具6374和6376可包括附加工具。第一工具6374具有XYZ轴动作自由度，如由标志为X、Y和Z的箭头所示。如图263中所示，例如，使用STS方法放置用于在结构主体6378上形成部件的第一工具6374。放置用于旋转结构主体6378外径(OD)的第二工具。在此结合上面的图234和235进行讨论，第一和第二工具6374和6376可以二者都是SPDT工具或者一个工具为不同类型，例如用于形成例如岛状支柱元件的更大、低精度部件的高速钢。

图264显示了包括工具6382(如SPDT工具)和第二心轴6384的机床6380。除了第二心轴6348改变了一个工具之外，机床6380与机床6372相同。机床6380有利于包括铣削和旋转二者的机械加工。例如，工具6382可以使结构主体6368或者切割刻意的加工痕迹或者对准游标成为表面；反之，第二心轴6384可使用成形刀具或者球形立铣在用于形成光学元件的结构主体6368上制造陡或者深的部件结构主体6368可安装到第一心轴或者第二心轴6384上或者安装在例如角板的产品上。第二心轴6384是以50,000或者100,000RPM的速度旋转的高速心轴。100,000RPM的心轴提供了较不精确的心轴运动但是提供了更快的材料移除。例如，因为心轴684可加工自由形状的陡坡并且使用成形刀具，反之可使用刀具6382例如用来形成对准标记和基准，所以第二心轴6384补偿了刀具6382。

图265显示了包括第二心轴6390和B轴旋转运动的机床6388。例如，使用机床6388有利于正在加工的结构主体的表面外侧切割刀具的非移动中心的旋转，并且有利于以飞刀或端刀不连贯地刻成凹表面。可选地，可使用例如附接至图264的机床6380的高速心轴。

图266显示了机床6392，其包括B轴移动、多个刀具支架6394和6396、以及第二心轴。刀具支架6394和6396可用于固定设备SPDTs、高速钢切割刀具、计量系统和/或其任何组合。机床6392可用于更复杂的机械加工操作，该操作例如需要车削、铣削、计量、SPDT、粗车削或铣削。在一个实施例中，机床6392包括固定在刀具架6394上的SPDT刀具(未示出)、固定在刀具架6396上的干涉仪计量系统(未示出)以及卡在心轴6398上的成形刀具(未示出)。与不使用B轴时相比，B轴旋转可提供额外的空间以适应刀具架或者更大范围的刀具以及刀具位置。

虽然现在不常见，但是可使用结合了悬臂心轴的垂直悬挂在工件之上的机床。在悬臂配置中，通过安装在Z轴台架上的臂和工件，心轴自XY轴悬挂下来。具有该配置的机床有利于铣削非常大的结构主体。进而，当加工大的工件时，测量和表征轴滑动的线性和偏离(线性误差)是重要的。滑动偏差典型地小于一微米，但是受到温度、工件重量、刀具温度和其它刺激的影响。然而对于短距离移动，这不会受到关注；如果加工大的零件，对于线性轴或者旋转轴，具有校正值的仰视工作台可结合到软件或者控制器中。在完成加工制造过程中通过不直接操作可避免滞后现象。

通过实施一系列加工操作和所形成部件的测量，可使多个刀具在位置上相关联。例如，对于每个刀具：1)设定了机床坐标的初始设定；2)使用该刀具将第一部件，例如半球体，形成在表面上；并且3)测量刀具的排列，例如沿轴或者离轴的干涉仪，用来确定所形成的测试表面的形状以及从表面的偏离。例如，如果切割半球体，那么从半球体规定的任何偏离(如在半径和/或深度上偏离)与机械坐标的初始设置和刀具的“真正”机械坐标的偏移相关。使用偏离分析，可确定并且设定用于刀具的一组校正机械坐标。这个过程可用于任何数量的刀具。使用G-代码命令G92(“坐标系统设定”)，可为每个刀具存储并编程坐标系统的偏移。通过使用轴上的测量子系统而不是离轴干涉仪来确定所形成的测试表面的形状，轴上的测量子系统，例如图255的子系统6304，也可以与任何刀具在位置上相关联。对于具有超过一个心轴的机械配置来说，例如C轴心轴和安装在B轴或者Z轴上的第二心轴，当在它的轴上旋转并且随后在XY内移动C轴时，通过测量指针总读数(“TIR”)使其上安装的心轴或者工件在位置上(如轴向上)相关联。上述方法可在任何方向上将机床子系统、轴和刀具之间的位置关系确定为优于1微米。

图267显示了适于形成加工表面的飞刀切割配置6400的示范，其中包括刻意的加工痕迹。通过选择例如图265的配置6388的两心轴机械配置来实现飞刀切割配置6400。飞刀切割刀具6402附到C轴心轴上并且面对着结构主体6404工作和旋转。飞刀切割刀具6402面对着结构主体6404旋转导致在结构主体6404的表面上形成了一系列凹槽。结构主体6404以第一个120°并且随后以第二个120°在第二心轴6408上旋转，并且每次都执行切槽处理。所获得的凹槽图案在图268中示出。除了形成凹槽图案，飞刀切割配置有利于用于使结构主体的表面变平并且与心轴正交。

图268显示了部分水平上的加工表面6410的示范，其使用图267的飞刀切割配置而形成。通过每次给第二心轴计时120°，刻意的加工痕迹6412的三角或者六角组可在表面上形成。在一个例子中，刻意的标记6412可用于在光学元件内形成AR脱模图案，该光学元件由结构主体形成。例如，具有120nm切割尖端的SPDT可用于切割凹槽，这些凹槽大约分开400nm并且深度100nm。所形成的凹槽形成AR脱模结构，该AR脱模结构在形成于例如聚合物的合适材料中时，会为大约400到700nm的波长提供AR效应。

在结构主体上制造光学元件时，另一个有用的制造过程是来自于QED Technologies公司的Magnetorheological Finish(

)。另外，使用STS/FTS、多轴铣削和多轴磨削法中的一个或者同时使用其他方法，用附加部件而不是光学元件来标记结构主体，例如取向、对准和识别标记。

本公开的教导允许在例如八英寸或更大的结构主体上直接制造多个光学元件。即，结构主体上的光学元件通过直接制造而形成，而不需例如对结构主体的小部分进行复制以形成完全组装的结构主体。例如，通过加工、铣削、磨削、金刚石车削、研磨、抛光、飞刀切割和/或商用特殊刀具来实施直接的制造。因此，多个光学元件可在至少一个方向(例如X、Y和Z方向中的至少一个)上在它们彼此的位置处以亚微米的精度形成在结构主体上。本公开的加工配置是灵活的，例如具有多种旋转对称、非旋转对称、以及非球面表面的结构主体以高位置精度制造。即，不像现有技术中制造结构主体的方法那样，现有技术的方法包括在整个晶片上形成一个或一组少量的光学元件并复制它们，此处所公开的加工配置允许在整个结构主体上、在一个制造步骤中制造出多个光学元件和多个其它部件(如对准标记、机械隔离物和识别部件)。另外，根据本发明的特定加工配置提供了影响穿过它的电磁能传播的表面部件，因此给光学元件的设计者提供了附加的自由度，以将刻意的机械标记结合到光学元件的设计中。特别是，正如上面所详细描述的，此处公开的机械配置包括C轴位置模式加工、多轴铣削以及多轴磨削。

图269-272显示了叠置的光学元件的示意性制造的三个不同的方法。可以注意到，虽然所描述的叠置的光学元件包括三个或更少的层，但是以这些方法可以形成的层的数量是没有上限的。

图269描述了这样的流程图，其中使用具有高或低折射率的材料层对公共基底进行构图，从而在公共基底上形成叠置的光学元件。如上所述，叠置的光学元件包括至少一个可选地连接到公共基底的一部分的光学元件。为了描述清楚起见，图269仅显示了单个层叠置的光学元件；然而，图269的过程能够(并且可能会)用于在公共基底上形成叠置的光学元件的阵列。例如，公共基底可以是形成在硅晶片上的CMOS探测器阵列；在这种情况下，叠置的光学元件的阵列和探测器阵列的组合可形成阵列成像系统。由流程图所描述的方法以公共基底和结构主体开始，而公共基底和结构主体分别通过粘附剂或者表面脱模剂处理。在这个过程中，可模压材料珠放置在结构主体或者公共基底上。可模压材料可以是此处公开的任何可模压材料，其被选择以共形地填充结构主体，但是在加工后其应当能够固化或者硬化。例如，可模压材料是商用的光学聚合物，其可通过暴露在紫外电磁能或者高温下而固化。为了减轻由残留气泡带来的光学缺陷，可模压材料在被施加到公共基底前在真空作用下去气。

图269示出了根据一个实施例用于制造叠置的光学元件的工艺8000。在步骤8002中，在公共基底8006和晶片级结构主体8008A之间沉积可模压材料8004A(如UV固化聚合物)，公共基底8006可以是包括CMOS探测器阵列的硅晶片。结构主体8008A在精确的公差下加工以表现出用于限定使用可模压材料模制的叠置的光学元件阵列的部件。通过设计用于限定结构主体8008A的光学元件阵列的内部空间或部件，结构主体8008A与公共基底8006结合而将可模压材料8004A形成为预定的形状。可模压材料8004A可被选择为提供与材料在固化或非固化状态中的设计考虑有关的期望的折射率以及其它的材料性质，例如粘性、附着性和杨氏模量。微样进样器阵列或者可控体积喷射器(未示出)可用于输送所需的精确量的可模压材料8004。虽然此处结合可模压的材料和相关的固化步骤进行了描述，但是形成光学元件的工艺可通过使用例如可模压材料的热压的技术来实施。

使用此处作出一般性描述的技术，在精确对准的情况下，步骤8010承担可模压材料与结构主体8008A的固化。可模压材料8004A可光学或者热学固化成由结构主体8008A成形的坚硬的可模压材料8004A。依赖于可模压材料8004A的反应，例如紫外灯8012的催化剂可以例如用作可穿透半透明或者透明结构主体8008A的紫外电磁能的来源。半透明和/或透明的结构主体之后会进行描述。固化可模压材料8004A的化学反应能够使可模压材料8004A在体积和/或线性尺度上各向同性或各向异性地收缩。例如，很多通用的UV可固化聚合物在固化中显示出3％到4％的线性收缩。因此，可设计并加工结构主体本身以提供与该收缩相适应的额外体积。所获得的固化的可模压材料保持了依照结构主体8008A的预先设计的形状。如步骤8016所示，在脱离结构主体之后，固化的可模压材料保持在公共基底8006上以形成叠置的光学元件8014的第一光学元件8014A。

在步骤8018中，结构主体8008A由第二结构主体8008B代替。结构主体8008B与结构主体8008A不同之处在于部件的预定形状不同，该部件用来定义叠置的光学元件的阵列。第二可模压材料8004B沉积在结构主体8008B上或者沉积在叠置的光学元件的单层8014A上。可选择第二可模压材料8004B形成不同的材料特性，例如折射率，然后由可模压材料8004A提供。为这个“B”层重复步骤8002、8010、8016产生了固化的可模压材料层，该固化的可模压材料层形成了叠置的光学元件8014的第二光学元件。根据在预定设计的叠置的光学元件中限定所有的光学器件(光学元件、隔离物、光圈等)所需的光学元件层数，重复执行上述过程。

在硬化过程中及硬化过程之后，根据硬化后材料的光学特性和材料的机械特性来选择可模压材料。通常，当该材料用于光学元件时，它应当在关注的波段中具有高能见度、低吸收性和低散射性。如果用于形成光圈或者其它光学器件，例如隔离物，则材料可具有高吸收性或者常规不适合用于透明光学元件的其它光学特性。在机械方面，材料应当选择为在成像系统的操作温度和湿度范围内，整个材料的膨胀不会在可接受值之外降低图像的性能。材料应当选择为在固化过程中具有可接受的收缩和外部去气。进而，材料应当能够承受例如可能在成像系统的封装过程中使用的回流焊接和凸起焊接的加工。

一旦叠置的光学元件的所有单个层已经被构图，那么，如果必要的话，可在顶层(如由光学元件8014B所指出的层)上施加一层，其中顶层具有保护特性并且可以是其上将构图电磁能阻挡光圈的期望表面。该层由坚硬的材料形成，例如玻璃、金属或者陶瓷材料，或者可以由灌封材料形成以适合于叠置的光学元件的更好的结构完整性。在使用隔离物的情况下，为了确保隔离物阵列中的通孔适当对准到叠置的光学元件上，隔离物阵列可结合到公共基底上或者结合到叠置的光学元件的任何所形成的层的庭院区域上。在使用胶囊密封材料的情况下，形成在叠置的光学元件附近的胶囊密封材料以液态形式分散。胶囊密封材料随后硬化，并且如果需要的话随后进行层的平面化。

图270A和270B提供了图269中所示的工艺8000的变体。工艺8020在步骤8022中以结构主体、公共基底和为极精确对准而配置的真空吸盘开始。由主动或被动对准部件和系统来提供该对准。主动对准系统包括用来放置结构主体、公共基底和真空吸盘的视觉系统或者机器人技术。被动对准系统包括运动安装结构。形成在结构主体上的对准部件、公共基底和真空吸盘可用于以任何顺序将这些元件彼此定位或者可用于相对于外部坐标系或者参考系来定位这些元件。通过执行操作而加工公共基底和/或结构主体，例如在步骤8024中使用表面脱模剂来处理结构主体、在步骤8026中在公共基底(或其上的任何光学元件)上构图光圈或对准部件、以及在步骤8028中使用粘附促进物来调节公共基底。步骤8030承担在结构主体和公共基底中的一个或两个上沉积可模压材料，例如可固化的聚合物材料。使用确保精确定位的系统，结构主体和公共基底在步骤8032中精确对准并且在步骤8034中结合。

初始能量源，例如紫外灯或加热源，在步骤8036中将可模压材料固化为硬的状态。例如，可模压材料是UV可固化丙烯酸类聚合物或者共聚物。可以意识到，可模压的材料也可由弹性熔融树脂沉积和/或成型，该弹性熔融树脂在冷却中硬化或者形成了低温玻璃。在低温玻璃的情况下，在沉积之前玻璃被加热，并且在冷却中硬化。结构主体和公共基底在步骤8038中未使用从而在公共基底上留下了可模压材料。

步骤8040为检查步骤，用于确定是否已经制造了叠置的光学元件的所有层。如果没有，则在步骤8042中优选将抗反射涂层、光圈或者光阻挡层施加到叠置的光学元件中最后形成的层上，并且工艺在步骤8044中使用下一个结构主体或者其它工艺继续进行。一旦可模压材料硬化并且结合到公共基底上，那么结构主体从公共基底和/或真空吸盘上分离。选择下一个结构主体，并且工艺重复进行，直到所有期望的层都已经形成为止。

如下面所要更详细描述的，除了上面直接描述的叠置的光学元件之外，制造具有空气间隙或者移动零件的成像系统是有用的。在这种情况下，可以使用隔离物阵列来适应空气间隙或者移动零件。如果步骤8040确定所有层都已被制造，那么可以在步骤8046中确定隔离物的类型。如果不需要隔离物，那么在步骤8048中生产产品(即叠置的光学元件的阵列)。如果需要玻璃隔离物，那么在步骤8050中将玻璃隔离物的阵列结合到公共基底上，并且步骤8052在叠置的光学元件的顶上放置光圈，如果需要的话，在步骤8048中生产产品。如果需要聚合物隔离物，那么在步骤8054中在叠置的光学元件的顶上沉积填充聚合物。在步骤8056中固化填充物并且在步骤8058中对填充物进行平面化。在叠置的光学元件的顶上放置光圈8060，如果需要的话，生产产品8048。

图271A-271C示出了用来加工的结构主体的几何形状，其中设计叠置的光学元件的顺序层的外径以便于它们可顺序形成，每个形成的层减少了与每个使用的结构主体的潜在接触表面并且为每个顺序层提供可获得的庭院区域。虽然图271A-C中示出了放置在叠置的光学元件、公共基底和真空吸盘的“顶上”的结构主体，但是使这个排列颠倒也是有利的。颠倒的顺序特别适合与低粘性聚合物一起使用，其中低粘性聚合物在没有固化时保留在结构主体的凹进部分中。

图271A-271C显示了描述叠置的光学元件阵列的形成的一系列截面，每个叠置的光学元件包括三个“多层蛋糕”设计的光学元件(如光学元件)层，其中每个随后形成的光学元件具有比前述的光学元件小的外径。例如图273和238中所示配置的截面不同于多层蛋糕设计，其可通过与形成“多层蛋糕”配置相同的工艺而形成。该配置的最终截面可以与如本文所述的庭院部件中的某些变化相关。公共基底8062可以是探测器阵列，其安装在真空吸盘8064上，如前所述真空吸盘包括运动对准部件。为了与结构主体8066精确对准，公共基底8062首先相对于真空吸盘8064精确对准。然后，单个结构主体8066A、8066B、8066C的运动对准部件与真空吸盘8064的运动部件一起将真空吸盘8064与结构主体进行精确对准放置；因此精确对准结构主体8066和公共基底8062。在叠置的光学元件8068、8070、8072形成之后，复制的叠置的光学元件之间的区域由可固化聚合物或者被可用于平面化、光阻挡、电磁干涉(“EMI”)屏蔽或其它用途的其它材料填充。因此，通过第一沉积在公共基底8062顶上形成光学元件层8068。通过第二沉积在光学元件8068顶上形成光学元件层8070，并且通过第三沉积在光学元件8070顶上形成光学元件层8072。可意识到，成型工艺会将小量的额外材料推入通光孔径(在庭院区域内)外部的开放空间8074。虚线8076和8078用于说明在图271A-271C中所示的元件没有在任何尺度上按比例绘制，并且可包括通常以光学元件8080来表示的任何数量的叠置的光学元件的阵列。

图272A至272E示出了形成叠置的光学元件的阵列的另一个工艺。可模压材料沉积到主体模具的空腔中，随后结构主体与主体模具结合，并且可模压材料形成到空腔中；从而形成叠置的光学元件的第一层。一旦结合结构主体，可模压材料就会固化并且结构主体离开该结构。之后重复该工艺便获得图272E中所示的第二层。公共基底(未示出)可施加到光学元件的最后形成的层上，因而形成叠置的光学元件的阵列。虽然图272A至272E显示了三个、两层叠置的光学元件的阵列的形成，但是图272A至272E中所示的工艺可用于形成任何数量、任何层数的叠置的光学元件的阵列。

在一个实施例中，主体模具8084与光学刚性基板8086一起使用从而使主体模具8084变硬。例如，由PDMS形成的主体模具8084可由金属、玻璃或者塑料基底8086支撑。如图272A中所示，由例如金属或电磁能吸收材料等不透明材料形成的环形孔8088、8090和8092同心放置在每个壁8094、8096和8098内。根据图272B中的壁8096所示，预定数量的可模压材料8100可通过微样进样器或者受控制的可控体积喷射器放置在壁8096内。如图272C所示，结构主体8102与壁8096进行精确定位。使用结构主体8102和主体模具8084来成型可模压材料并且迫使额外材料8104进入结构主体部件8108和壁8096之间的环形空间8106中。例如，通过UV电磁能和/或热能的作用来固化可模压材料，之后使结构主体8102从主体模具8084离开，留下图272D中所示的固化的光学元件8107。第二可模压材料8109(如液态聚合物)放置在光学元件8107顶上，如图272E中所示，从而准备使用第二结构主体(未示出)成型。在叠置的光学元件的阵列中形成额外的叠置的光学元件的工艺可重复任意次。

示意性地而非限定性地，为了示范的目的图273和274中所示的叠置的光学元件的配置用于提供从图271A-271C与图272A-272E的替代方法中获得的叠置的光学元件配置之间的比较。可以理解，此处所述的任何制造方法，或者其中部分方法的组合，可用于制造任何叠置的光学元件配置，或者其中的一部分。图273对应于在图271A-271C中示出的方法，图274对应于图272A-272E的方法。虽然模制工艺在整个叠置的光学元件8110和8112上形成很大的差异，但是在线8116和8116’中存在结构8114的一致性。线8116和8116’限定了叠置的光学元件8110和8112各自的通光孔径，然而在8116和8116’的径向外侧的材料构成了额外的材料或者庭院。如图273中所示，层8118、8120、8121、8122、8124、8126和8128按照形成的连续顺序来编号，以表明它们已经从公共基底向上进行了顺序沉积。例如，这些层的相邻层具有从1.3到1.8的折射率。叠置的光学元件8110与图3和271的“多层蛋糕”设计的不同之处在于交错直径而不是按顺序变小的直径形成连续层。叠置的光学元件的庭院区域的不同设计可用于与加工参数协调，加工参数例如为光学元件尺寸和可模压材料的性质。相反，如图274中所示，层8130、8132、8134、8136、8138、8140和8142的连续编号显示出根据图272A-E的方法首先形成层8130。当最接近探测器的成像区域的光学元件的直径小于远离探测器的成像区域的光学元件的直径时，这种配置是可取的。另外，图274中所示的配置如果根据图272A-272E的方法形成，则可提供常规方法以用于对例如孔径8088的孔径进行构图。虽然上面直接描述的示范性配置与叠置的光学元件的某些层的形成顺序相关，但是应当理解，这些形成顺序可以进行调整，例如顺序颠倒、重新编号、替换和/或省略。

图275以局部立面图显示了结构主体8144的截面，结构主体8144包括形成调相元件的多个部件8146和8148，其可用于波前编码应用中。如图所示，每个部件的表面具有八重对称“oct格式”元件8150和8152。图276是沿着图275的线276-276’的结构主体的截面图，并且进一步描述了包括多面表面8152的调相元件，多面表面8152由庭院形成表面8154来限制。

图277A-C显示了关于在公共基底一侧或两侧形成叠置的光学元件的一系列截面图。该叠置的光学元件可分别称为单侧或者双侧WALO组装部件。图277A显示了公共基底8156，其根据图271A中所示的公共基底8062以类似的方式加工。公共基底8156是包括微透镜的探测器阵列在内的硅片，其安装在如前所述包括运动对准部件的真空吸盘8158上。结构主体8164的运动对准部件8160与真空吸盘8158的部件一起将公共基底与结构主体8164进行精确定位。在复制的叠置的光学元件之间的区域由固化聚合物或者用于平面化、光阻挡、EMI屏蔽或者其它用处的其它材料填充。因此，第一沉积在公共基底8156的一侧8174上形成光学元件8166的层。图277B显示了离开了真空吸盘8158的公共基底8156，但是公共基底8156仍保留在结构主体8164内。图277C中，第二沉积使用结构主体8168，从而在公共基底8156的第二侧8172上形成光学元件8170的层。使用运动对准部件8176有利于第二沉积。运动对准部件8176也限定了层8166和层8170的表面之间的距离，并且因此公共基底8156的厚度变化或者厚度公差可由运动对准部件8176进行补偿。图277D显示了公共基底8156上的所得结构8178，同时结构主体8164离开。光学元件8166的层包括光学元件8180、8182和8190。在光学元件8166和/或8170得一个或者两个的顶部形成附加层。由于组装部件仍安装在真空吸盘8158或者结构主体8164上，所以公共基底8156仍然与运动对准部件8176对准。

图278显示了执行的隔离物阵列8192，隔离物阵列8192包括多个圆柱形通孔8194、8196和8198。隔离物阵列8192由玻璃、塑料或者其它适合的材料形成，并且可具有约100微米到1mm或者更大的厚度。如图279A中所示，隔离物阵列8092可在光学器件8178上对准和放置(见图277D)以粘附到公共基底8156。图279B显示了粘附到隔离物8192顶部的第二公共基底8156’。光学元件的阵列可以之前已使用结构主体形成在公共基底8156’上并且保持在其上。通过使用运动对准部件8202，结构主体8200之后可精确对准到结构主体8168。

图280显示了所得到的叠置的光学元件的阵列成像系统8204，其包括连接到隔离物8192的公共基底8156和8156’。叠置的光学元件8206、8208和8210中的每一个由光学元件和空气间隙形成。例如，叠置的光学元件8206由被构造和排列为提供空气间隙8212的光学元件8166、8166’、8170、8170’形成。空气间隙可用于提高成像系统各自的光功率。

图281到283显示了晶片级放大成像系统的截面图，其使用隔离物元件提供用于一个或多个光学器件移动的空间以形成光学元件的集团。成像系统的每组光学器件具有位于公共基底的一侧或者两侧上的一个或多个光学元件。

图281A-281B显示了具有两个移动的双侧WALO组装部件8216和8218的成像系统8214。WALO组装部件8216和8218作为放大配置的中心和第一移动组而使用。中心和第一组移动受到成比例的弹簧8220和8222的控制，以致于移动与Δ(x1)/Δ(x2)的比例是一个常数。通过调整由施加在WALO组装部件8212上的力F的作用而产生的距离X1、X2的相对移动而获得放大移动。

图282和283显示了晶片级放大成像系统的截面图，其中使用从WALO组装部件的两侧形成的中心组。在282A-282B中，WALO组装部件8226充满铁磁材料，从而来自于螺线管8228的电动势能够使WALO组装部件8226在如图282A所示的位置和如图282B所示的位置之间移动。在图283A-283B中，WALO组装部件8236将容器8238和8240分开，容器8238和8240与允许流入物8246和8248以及流出物8250和8252的孔8242和8244分别耦合，以便通过液压作用或气动作用重新定位中心组8236。

图284显示了对准系统8254的正视图，对准系统8254包括真空吸盘8256、结构主体8258以及视觉系统8260。球形或圆柱形部件8262包括在附接至真空吸盘8256上的安装块内的圆柱孔中安装的弹簧偏置球。在一种可控结合方法中，在结构主体8258与真空吸盘8256之间结合之前，当结构主体8258和真空吸盘8256的方向彼此成θ角放置时，球形或圆柱形部件8262与附着在结构主体上的邻接块8266相接触。视觉系统8260一经确定结构主体8258上的指示标记8268与真空吸盘上的指示标记8270之间达到相对的位置对准，便可以电子感测出该结合。这些指示标记8268和8270也可以是游标或者基准。视觉系统8260产生传送给计算机处理系统(未示出)的信号，该计算机处理系统翻译给信号以提供给机器人进行定位控制。翻译结果驱动Z和θ方向(如此处所描述的，半径R对准由形成在真空吸盘8256和结构主体8258上的环形准运动对准部件来控制)的准运动对准。在上面直接描述的例子中，被动机械对准部件和视觉系统结合，用于定位结构主体和真空吸盘。或者，被动机械对准部件和视觉系统可单独用于定位。图285是显示了公共基底8272的截面图，其具有在结构主体8258和真空吸盘8256之间形成的叠置的光学元件8274。

图286显示了图284的对准系统的俯视图，其中示出了透明或者半透明系统组件的使用。在使用不透明或者非半透明的结构主体的情况下，某些常规隐藏的部件以虚线显示出来。圆形的虚线表明公共基底8272的部件，包括具有指示标记8278和叠置的光学元件8274的圆周。结构主体8258具有至少一个圆形部件8276并呈现用于对准的指示标记8268。真空吸盘8256显示出指示标记8270。当公共基底8272放置在真空吸盘8256中时，指示标记8278与指示标记8270对准。视觉系统8260感测指示标记8268和8270的对准，从而以θ旋转的方式在纳米范围的精度下驱动对准。虽然图286中示出视觉系统在垂直于公共基底8272表面的平面内取向，但是它也可以其它方式取向以便能够观察到任何需要的对准或者指示标记。

图287显示了其上安装有公共基底8292的真空吸盘8290。公共基底8292包括叠置的光学元件8294、8296和8298的阵列。(为了提高描述的清楚性，没有标出所有的叠置的光学元件。)虽然所示出的叠置的光学元件8294、8296和8298具有三层，但是可以理解，真正的公共基底可支撑具有更多层的叠置的光学元件。适用于VGA分辨率CMOS探测器的大约两千个叠置的光学元件形成在直径为八英寸的公共基底上。真空吸盘8290具有形成运动安装的一部分的截头圆锥形部件8300、8302和8304。图288是安装在具有球体8306和8308的真空吸盘8290中的公共基底8292的截面图，其中球体8306和8308用于提供分别放置在真空吸盘8290和结构主体8313上的截头圆锥部件8304和8310之间的对准。

图289显示了构造结构主体的两种可选方法，结构主体可包括透明的、半透明的或者热传导的区域，用来与图286中的系统8254结合。图289是结构主体8320的截面图，结构主体8320含有透明的、半透明的或者热传导材料8322，所述材料固定到在其表面限定出运动部件8326的不同的环形部件8324。材料8322包括用于形成阵列光学元件的部件8334。材料8322可以是玻璃、塑料或者其它透明或半透明材料。或者，材料8322可以是高热传导材料。环形部件8326由例如黄铜的金属或者陶瓷形成。图290是形成在三部分结构上的结构主体8328的截面图。圆柱形嵌入物8330为玻璃，其支撑着例如PDMS的低模量材料8332，材料8332结合部件8334以形成阵列光学元件。

材料8332可被加工、模制或者铸造。在一个例子中，利用金刚石加工主体以聚合物模制构图的材料8332。图291A显示了在嵌入和模制三部分主体8338的第三部分8332之前，金刚石加工主体8336和三部分主体8338的截面。环形部件8340包围圆柱形嵌入物8342。可模压材料8343加入到块体8346中，并且金刚石加工主体8336与图291B中显示的可模压材料8343以及三部分主体8338一起使用运动对准部件8348。如图291C中所示，移除金刚石主体8336，从而留下金刚石主体8336的子体复制图案8350。

图292显示了结构主体8360的俯视图。结构主体8360包括形成光学元件的多个有组织的部件阵列。由虚线轮廓选择一个上述阵列8361。虽然在很多情况下，阵列成像系统可切割成形为独立的成像系统，但是成像系统的某些排列可以聚集在一起而不分割。因此，结构主体可适用于支撑未分割的成像系统。

图293显示了包括叠置的光学元件8364、8366和8368的3×3阵列的分离阵列，叠置的光学元件8364、8366和8368与用于形成图292的结构主体8360的光学元件的部件的阵列8361相结合形成。分离阵列8362中的每个叠置的光学元件可与单独的探测器相关，或者可选地，每个光学元件可与公共探测器的一部分相关。在各个光学元件之间的空间8370已经被填满，因此为分离阵列8362增加了强度，分离阵列8362已经由锯或劈从叠置的光学元件(未示出)的较大阵列中分开。阵列形成了“超级照相机”结构，其中任何一个光学元件，例如光学元件8364、8366、8368，彼此不同或者它们可具有相同的结构。截面图294中示出了这些区别，其中叠置的光学元件8366与叠置的光学元件8364和8368不同。叠置的光学元件8364、8366和8368可具有本文所述的任何光学元件。该超级照相机模块有利于具备多个放大配置，而不引入光学器件的机械移动，因此简化了成像系统设计。或者，超级照相机模块有利于立体成像和/或测距。

通过使用为现有的用于制造掩埋到探测器的探测器像素中的光学元件的制造工艺(如CMOS工艺)提供了补偿的材料和方法，此处所示的实施例为现有的电磁检测系统以及其中的制造方法提供了好处。即，在本公开的上下文中，“掩埋的光学元件”被理解为集成到探测器像素结构中的部件，用于以预定的方式在探测器像素中重新分布电磁能，并且由可用于探测器像素自身的制造中的材料和工艺来形成。获得的探测器具有潜在的低成本、高产量和较好性能的优点。特别是，性能的提高是可能的，因为光学元件是在了解像素结构(如金属层和光敏区域的位置)的情况下设计的。这种了解允许探测器像素设计者优化光学元件，尤其是对于给定的探测器像素，因此允许例如用于检测为每个特定颜色所定制的不同颜色(如红、绿和蓝)的像素。另外，包含探测器制造工艺的掩埋式光学元件的集成工艺可提供额外的优势，例如，但不限于，更好的工艺控制、更少的污染物、更小的工艺扰动以及制造成本的降低。

将注意力转向图295，其中显示了包括多个探测器像素10001的探测器10000，这一点也参考图4进行了讨论。通常，使用已知的半导体制造工艺，例如CMOS工艺，同时制造多个探测器像素10001以形成探测器10000。图295的一个探测器像素的细节在图296中示出，如在图296中所见，探测器像素10001包括与公共基底10004(如结晶硅层)整体形成的光敏区10002。在半导体加工中使用例如PEOX的常规材料而形成的支撑层10006在其中支撑多个金属层10008以及掩埋式光学元件。如图296中所示，探测器像素10001中的掩埋式光学元件包括元透镜10010以及衍射元件10012。在本公开的上下文中，元透镜被理解为集中结构，其被配置为影响穿过它的电磁能的传播，此处的结构至少在一个尺度上比关注的某些波长要小。衍射元件10012被示出与被动层10014的沉积一起整体形成，其中被动层10014在探测器像素10001顶部沉积。被动层10014以及之后的衍射元件10012，可由用于半导体制造中的常规材料形成，例如氮化硅(Si₃N₄)或等离子体增强氮化硅(PESiN)。其它合适的材料包括，但不限于，碳化硅(SiC)、正硅酸乙酯(TEOS)、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、掺氟硅玻璃(FSG)以及BLACK DIAMOND

(BD)。

继续参照图295，在探测器像素的制造过程中，采用相同的制造工艺(例如，光刻)形成掩埋式光学元件，例如，光敏区10002，支撑层10006，金属层10008和钝化层10014。通过对支撑层10006中的其它材料加工成形，例如，碳化硅，掩埋式光学元件也可以集成到探测器像素10001中。例如，在探测器像素的制造过程中光刻形成掩埋式光学元件，从而除去了在形成探测器像素之后附加光学元件所需要的制造工艺。或者，通过毡毯式沉积层状结构形成掩埋式光学元件。元透镜(metalens)10010和衍射元件10012可以协作完成任务，例如，协作完成入射到其上的电磁能的主射线角校正。在本文中PESiN和PEOX的组合特别值得关注，因为它们提供了大的折射率增量，有利于例如薄膜滤波器的制造，在下文中的合适位置将参照图303对此进行详细描述。

图297所示为与图295和296的探测器像素10001共同使用的元透镜10010的进一步细节。通过多个亚波长结构10040可以形成元透镜10010。例如，对于给定的目标波长λ，每一个亚波长结构10040为边长为λ/4的立方体，并且相互之间隔开λ/2。元透镜10010也可以包括共同形成光子晶体的周期性的介电结构。亚波长结构10040可以由例如PESiN、SiC或这两种材料的组合形成。

图298-304说明了与本公开相对应的适于包含在作为掩埋式光学元件的探测器像素10001中的附加光学元件。图298所示为梯形元件10045。图299所示为折射元件10050。图300所示为炫耀光栅10052。图301所示为共鸣腔10054。图302所示为亚波长、线性调频光栅10056。图303所示为包括例如用于波长选择滤波的多个层10060、10062和10064的薄膜滤波器10058。图304所示为电磁能屏蔽腔10070。

图305所示为探测器像素10100的实施方案，该探测器像素10100包括用于将入射的电磁能10112指引到光敏区10002的波导10110。波导10110被配置为形成波导10110的材料的折射率沿着偏离中心线10115的r方向向外径向地变化；也就是说，波导10110的折射率n由r决定，因此折射率n＝n(r)。折射率的变化可以通过例如对形成波导10110的材料进行注入和热处理，或者例如通过此前描述的用于制造非同质光学元件(图113-115，131和144)的方法而实现。波导10110有利于将电磁能10112更有效地指引到光敏区10002，电磁能在光敏区10002被转化为电信号。此外，波导10110允许将光敏区10002置于探测器像素10001的内部深处，从而允许例如使用大量的金属层10008。

图306所示为包括波导10122的探测器像素10120的另一实施方式。波导10122包括由低系数材料10126环绕着的高系数材料10124，低系数材料10126与高系数材料10124相互合作将入射的电磁能10112指引到光敏区10002的，类似于光纤中的内核与覆层的配置方式。可以用空隙空间代替低系数材料10126。与上一个实施方式相同，本实施方式有利于将电磁能10112有效地指引到光敏区10002，即使光敏区深埋在探测器像素10001中。

图307所示为探测器像素10150的另一个实施方式，其中分别包括第一和第二组元透镜10152和10154，二者配合以形成中继结构。由于元透镜显示出很强的依赖波长行为，所以第一和第二组元透镜10152和10154的组合可进行有效地依赖于波长的滤波。尽管示出的元透镜10152和10154是单个元件的阵列形式，但是这些元件可以由单个统一的元件形成。例如，图308示出了沿图307中的虚线双箭头所示的空间s轴的光敏区10002的0.5μm波长的电场幅度横截面。图308证实了在该波长的光敏区10002的中心，电场幅度处于中间值。相反，图309示出了沿s轴的光敏区10002的0.25μm波长的电场幅度横截面；此时，由于第一和第二组元透镜10152和10154依赖于波长，因此穿透该中继结构的电磁能的电场幅度在光敏区10002的中心显示为零。因此，通过调整形成中继结构中的元透镜的亚波长结构的尺寸和间距，可以使中继结构进行色彩滤波。此外，可以使多个光学元件中继，利用它们组合的效果改善滤波操作或者提高它们的性能。例如，通过组合具有互补滤波通带的中继的光学元件，可以配置多通带滤波器。

图310所示为用作本公开的掩埋式光学元件(例如，图295和296中的衍射元件10012)的双板层近似结构。通过分别组合第一和第二板层10220和10230，双板层结构近似为高度h、且底宽和顶宽分别为b₁和b₂的梯形光学元件10210。为了优化双板层的几何结构，可以改变板层的高度以优化功率耦合。根据功率耦合而求解得出的双板层结构的宽度分别为W₁＝(3b₁+b₂)/4和W₂＝(3b₂+b₁)/4，高度h₁＝h₂＝h/2。

图311示出了波长在525nm到575nm之间时梯形光学元件的功率耦合作为高度h和顶宽b₂的函数的分析结果。所有的光学元件的基层宽度为2.2μm。从图311中可以看出，顶宽b₂＝1600nm的梯形光学元件比顶宽1400nm和1700nm的梯形光学元件为光敏区(元件10002)提供了更多的电磁能。该数据表明顶宽在这两个值之间的梯形光学元件可以提供局部最大的耦合功率。

可以进一步用多板层结构代替传统的例如双板层结构的微透镜。由于用像素灵敏度表征多个探测器像素中的每一个的特性，因而多板层结构可进一步得到优化，从而提高特定的探测器像素的工作波长的灵敏度。图312示出了覆盖一定波长范围的微透镜和双板层结构的功率耦合效率的比较图。表51总结了各种颜色的双板层的几何参数。根据上述的表达式W₁和W₂，每一个波段最优的梯形光学元件用于确定板层的宽度。通过改变高度以使得功率耦合最大化，可以进一步优化双板层光学元件。例如，计算得出的绿色波长的W₁和W₂可能对应如图311所示的几何结构，但是高度可能并不理想。

 

	蓝色	绿色	红色
				宽度1(nm)	1975	2050	1950
宽度2(nm)	1525	1750	1450
				高度(nm)	120	173	213

表51

图313示出了使用移位的嵌入式光学元件和中继元透镜的主射线角校正的实施例。系统10300包括探测器像素10302(用框形边界示出的)，金属层10308以及偏移探测器像素10302的中心线10314的第一和第二掩埋式光学元件10310和10312。图313的第一掩埋式光学元件10310是图296的衍射元件10012或图298所示的衍射元件10045的衍生变体。所示的第二掩埋式光学元件10312为元透镜。沿箭头10317指示的方向传播的电磁能10315遇到第一掩埋式光学元件10310，随后遇到金属层10308和第二掩埋式光学元件10312，从元透镜(metalens)中产生的电磁能10315′沿10317′指示的方向垂直入射在探测器像素10302(其上将放置光敏区)的底面10320上。这样，第一和第二掩埋式光学元件的组合提高了探测器像素的灵敏度，从而高于不具有掩埋式光学元件的相似像素的灵敏度。

如图314所示，探测器系统的一个实施方式可包括附加的薄膜层的，用于针对不同色彩像素进行波长选择滤波。通过例如在整个晶片上进行毡毯式沉积而形成这些附加层。光刻掩埋可用于限定上层(例如，定制的，波长选择层)，并且附加的波长选择结构，例如元透镜，可以被额外地作为掩埋式光学元件而包含在内。

图315示出了为不同波长范围优化的波长选择薄膜滤波器层的数字建模结果。图315的图表10355所示结果假定在七层普通层(组成局部反射镜)上根据色彩有三个或四个波长选择层。图表10355仅包括探测器像素顶部形成的层状结构的效果；也就是说，在计算中未包括掩埋式元透镜的效果。实线10360表示在红色波长范围内传播光的层状结构中波长与透射率的函数关系图。虚线10365表示在绿色波长范围内传播光的层状结构中波长与透射率的函数关系图。点线10370表示在蓝色波长范围内传播光的层状结构中波长与透射率的函数关系图。

在此描述的实施方式可以单独使用，也可以组合使用。例如，可以使用嵌入式微透镜，同时使用传统的色彩滤波器而享有改进的像素灵敏度，或者可以采用由传统微透镜覆盖的薄膜滤波器进行IR截止滤波。然而，当用掩埋式光学元件替代传统的色彩滤波器和微透镜时，将探测器制造的多个步骤集成到单一制造设备中的潜在的附加优势得以实现，从而减少了对探测器的处理和可能的颗粒污染，从而提高了制造产量。

本公开的实施方式还具有另一优势，即探测器的最终封装得以简化，这是由于不存在外部光学元件。在这点上，图316示出了包括多个探测器10308的示范性晶片10375，也示出了多个分离带10385，沿着分离带10385切割晶片，从而将多个探测器10380分成独立的器件。也就是说，多个探测器10380中的每一个已经包括掩埋式光学元件，例如，微透镜和波长选择滤波器，因此，沿着分离带很容易将探测器分离以得到完整的探测器，而不需要额外的封装。图317示出了一个探测器10380，从底部可以看到多个接合衬垫10390。换句话说，可以在每一个探测器10380的底部制造接合衬垫10390，这样就不需要附加封装步骤来提供电连接，从而潜在地降低了生产成本。图318示出了探测器10380的一部分10400的结构图。如图318所示的实施方式，部分10400包括多个探测器像素10405，其中每一个包括至少一个掩埋式光学元件10410和薄膜滤波器10415(由与制造探测器像素10405相兼容的材料形成)。每一个探测器像素10405的顶部覆盖了钝化层10420，之后整个探测器由平坦化层10425和盖板10430覆盖。在本实施方式的一个实施例中，钝化层10420可以由PESiN形成；钝化层10420、平坦化层10425和盖板10430的组合，例如，进一步防止探测器受环境因素的影响，并且在不需要附加封装步骤的情况下，使探测器被分离和直接使用。平坦化层10425，例如，仅在探测器的顶面不平坦的情况下需要。另外，如果使用了盖板，则可以不需要钝化层。

图319示出了包括一组用作元透镜的掩埋式光学元件的探测器像素10450的横截面图。在半导体公共基底10460中或在半导体公共基底10460上制造光敏区10455。半导体公共基底10460可例如由晶体硅、砷化镓、锗或有机半导体形成。多个金属层10465提供探测器像素元件之间的电接触，例如，光敏区10455和读出电子装置(未示出)。探测器像素10450包括元透镜10470，元透镜10470包括外部、中部和内部元件10472，10476和10478。在如图319所示的实施例中，外部、中部和内部元件10472，10476和10478对称配置；更具体地说，元透镜10470中的外部、中部和内部元件10472，10476和10478都具有相同的高度，并且由相同的材料形成。外部、中部和内部元件10472，10476和10478由与COMS工艺兼容的材料构成，例如，PESiN。通过例如在采用单个掩膜步骤之后进行蚀刻，然后沉积预期材料，以限定外部、中部和内部元件10472，10476和10478的结构。另外，在沉积之后可以进行化学机械抛光。尽管所示的元透镜10470位于特定的位置，但是可以对元透镜进行调整以提高类似性能，并确定其位置，类似于图296中的元透镜。由于元透镜10470的元件10472，10476和10478都具有相同的高度，它们同时与层组10480邻接。因此，层组10480可以在进一步的加工中直接加入，而不用加入例如平坦化步骤的加工步骤。层组10480可以包括用于金属化、钝化、滤波或安装外部部件的部分或层。无论偏振态如何，对称的元透镜10470都使电磁能的方向在方位上一致。在图319对应的上下文中，方位角定义为围绕垂直于探测器像素10450的光敏区10455的轴的角取向。电磁能通常沿箭头10490的方向入射到探测器像素上。另外，示出了由元透镜10470指引的电磁能密度10475(由虚线椭圆覆盖的区域)的模拟结果。从图319可以看出，电磁能密度10475由元透镜10470指引远离金属层10465而到达光敏区10455的中心。

图320示出了用作图319E所示的探测器像素10450的一个实施方式10500的俯视图。实施方式10500包括相对于实施方式10500的中心对称设置的外部、中部和内部元件10505，10510和10515。外部、中部和内部元件10505，10510和10515分别与图319的元件10472，10476和10478对应。在图320的实施例中，外部、中部和内部元件10505，10510和10515由PESiN构成，并具有相同的高度360nm。内部元件10515宽490nm，中部元件10510对称安置邻近每个边，并与元件10515共平面。中部元件10510的直的部分宽220nm，外部元件10510的直的部分宽150nm。

图321示出了图319的探测器像素10450的另一个实施方式的俯视图。与图320的元件10505，10510和10515不同的是，元件10525，10530和10535为阵列结构。然而，应当指出的是，图320和321描述的结构对穿透的电磁能的影响实质上相同。由于这些元件的特征尺寸小于目标电磁能波长，因此衍射效应(如果元件的最小特征尺寸不小于感兴趣的波长的一半则会出现该结果)可以忽略。图320和321中的元件的相对尺寸和位置可以例如通过反比关系式来定义。例如，元件10525的尺寸与从元件10535中心到元件10525中心的距离的平方成反比。

图322示出了探测器像素10540的横截面图，该探测器像素10540包括一组多层的用作元透镜的掩埋式光学元件。元透镜10545包括两排元件。第一排包括元件10555和10553。第二排包括10550，10560和10565。在图322描述的实施例中，这些排中的每一个元件的厚度为图319中的元透镜10470的相同结构的厚度的一半。两层的元透镜10545展示出与元透镜10470相同的电磁能发射性能。由于元透镜10470更容易制造，因而在许多情况下元透镜10470的成本效率更高。然而，更为复杂的元透镜10545为了适应特殊用途而具有更多参数，因此，在特定的应用中提供更高的自由度。例如，可以调整元透镜10545，使其提供特定的依赖于波长的行为、主射线角校正、偏振变化或其它效果。

图323示出了探测器像素10570的横截面图，探测器像素10570包括一组非对称的用作元透镜10575的掩埋式光学元件10580，10585，10590，10595和10600。元透镜设计使用非对称设置的元件，例如元透镜10575，其具有比对称设计更大的设计参数空间。通过改变与元透镜在探测器像素阵列中的位置相关的特性，校正阵列的与探测器像素阵列共同使用的成像系统的主射线角偏差或者其它空间地(例如，横穿阵列)变化的方面。通过规定其空间、几何结构、材料和光学系数参数，对元透镜10575的每一个元件10580，10590，10595和10600进行描述。

 

元件	位置	材料	系数	形状	方位	长度	宽度	高度
									10625(10715)	-1，0	PESiN	1.7	方形	对准	0.2	0.2	0.6
10630(10720)	0，0	PESiN	1.7	方形	对准	0.2	0.2	0.7
									10635(10725)	1，0	PESiN	1.7	方形	对准	0.2	0.2	0.55

表52

图324和325示出了一组掩埋式光学元件10605的俯视图和横截面图。一组轴(线10610和10615所指示的)叠加在掩埋式元件10605上。表52(列出的位置、长度、宽度和高度为归一化单位)中规定的左侧、中部和右侧元件10625，10630和10635是分别相对于原点10620而言的。尽管这个实施例使用的是正交笛卡儿坐标系，但是也可以使用其它坐标系，例如圆柱坐标系或球坐标系。当轴线10610和10615在位于中心元件10630中心的原点10620相交时，原点将被置于其它相对位置，例如掩埋式光学元件10605的边缘或拐角。

图325示出了掩埋式光学元件10605的一部分横截面图10640。箭头10645和10650显示了左侧、中部和右侧元件10625，10630和10635之间的高度差。应当指出的是，尽管展示的左侧、中部和右侧元件10625，10630和10635为方形，并且与轴线对准，但是它们也可以是任意形状(圆形，三角形等)，并且其方位可以与轴线之间呈任意角度。

图326-330示出了与图320类似的另一个掩埋式光学元件的二维投影。掩埋式光学元件10655包括圆对称的元件10665，10675，10680和10685。展示的这些元件轴对称。区域10670也可以由元透镜的边界10660限定。在本实施例中，元件10670，106875和10685可由TEOS构成，元件10665和10680可由PESiN构成。在图327中，掩埋式光学元件10690包括元透镜结构，其与使用同轴对称的方形元件的掩埋式光学元件10655相同。在图328中，掩埋式光学元件10695包括元透镜边界10700，对元透镜边界10700进行非对称修正，以执行特定类型的电磁能指引或与相关的探测器像素的光敏区的不规则边界相匹配。

图329示出了包括通用的混合对称元透镜的掩埋式光学元件10705。元件10710，10715，10720和10725都具有方形的横截面，但不是全部同轴对称，如图327中所示的掩埋式光学元件10690。元件10710和10720对准且同轴，但是元件10715和10725至少在一个方向非对称。非对称和混合对称的元透镜有助于指引具有特定波长、方向或角度的电磁能以校正设计参数，例如，图314所示的由于使用波长选择滤波而产生的主射线角偏差或依赖于角度的色彩偏差。作为其它方面的考虑，尽管预期的元透镜可以是图327所示的具有陡直边缘的方形形状，但是出于实际加工过程的实际情况，拐角可以是圆的。图330示出了这样一个具有圆角的掩埋式光学元件10730的实施例。既然这样，边界10735与探测器像素的光敏区的边界并不精确匹配，但是入射的电磁能的整体效果与掩埋式光学元件10690实质上相同。

图331示出了探测器像素10740的横截面，其类似于图307所示的带有用于有效地主射线角校正和滤波的附加部件的探测器像素。在此前讨论的图307中的相关元件的基础上附加或与其结合，探测器像素10740可以包括主射线角校正器(CRAC)10745、滤波层组10750和滤波层组10755。主射线角校正器10745可用于校正入射电磁能的主射线10760的入射角方向。如果不对相对于光敏区10002的入射表面的非垂直入射进行校正，主射线10760和伴随射线(未示出)就不能入射到光敏区10002，也就不能被探测到。主射线10760和伴随射线的非垂直入射还会改变滤波层组10750和10755的依赖于波长的滤波。本领域公知的是，非垂直入射电磁能引起“蓝移”(例如，降低滤波器的中央工作波长)，并且使滤波器对入射电磁能的偏振态敏感。附加的主射线角校正器10745可以减轻这些影响。

滤波层组10750和10755可以是图341所示的红-绿-蓝(RGB)类型的色彩滤波器，也可以是图342所示的青-洋红-黄(CMY)类型的色彩滤波器。或者，滤波层组10750和10755可以包括具有如图340所示的透射特性的IR截止滤波器。滤波层组10755还可以包括以下将描述的与图339相关的抗反射涂层滤波器。滤波层组10750和10755可以将此前提及的滤波器类型的功能和特征进行合并而成为多功能滤波器，例如，IR截止滤波或RGB颜色滤波。相对于探测器像素中的任一个或所有其它电磁能指引、滤波或探测元件，可以对滤波层组10750和10755的滤波功能进行共同优化。层组10755可以包括缓冲或停止层，其参与光敏区10002与电子、空穴和/或粒子供给迁移的隔离。缓冲层可以置于层组10755和光敏区10002之间的界面10770。

当薄膜波长选择滤波器，例如层组10750，被亚波长CRAC 10475叠加时，CRAC修正入射光线的CRA，通常使其接近垂直入射。因此，薄膜滤波器(层组10750)对每一探测器像素(或当薄膜滤波器用作色彩选择滤波器时，相同颜色的每一个探测器像素)而言接近相同，并且仅仅CRAC发生横穿探测器像素阵列的空间变化。按照这种方法校正CRA偏差具有以下优势：1)提高探测器像素灵敏度，这是由于探测到的电磁能以接近垂直入射的角度传播到光敏区10002，从而较少部分被导电金属层10008阻止，2)由于电磁能的入射角接近垂直，探测器像素变得对电磁能的偏振状态不敏感。

或者，通过空间地改变基于每一个探测器像素的色彩滤波响应的色彩校正，可以减轻滤波层组10750和10755的依赖于波长滤波的CRA偏差。HP实验室的成像系统实验室的Lim等人在“SpatiallyVarying Color Correction Matrices for Reduced Noise”中详述了空间地改变校正矩阵以允许基于多个因素的色彩校正的应用。空间地改变CRA引起空间地改变色彩混合。由于空间地改变色彩混合对于任何一个探测器像素可以是静态的，因此，通过使用空间并列信号处理，为探测器像素设计的静态色彩校正矩阵可以得到应用。

图332-335示出了可用作CRAC的多个不同的光学元件。图330的光学元件10310为图313的光学元件的衍生物或非对称衍射类型。图333的光学元件10775为亚波长，由于其空间变化的水平，线性调频光栅结构可提供依赖入射角的主射线角校正。光学元件10780合并了光学元件10310和10775的一些特征而成为合成元件，可提供所物波长和角度的衍射和折射效果。CRA校正器10780可以被描述为具有棱镜的亚波长光学元件；棱镜由亚波长柱的空间变化高度形成，其通过引入倾斜的有效折射率而进行CRA校正，该倾斜的有效折射率对依照Snell定律引入的电磁能的传播方向进行校正。类似地，亚波长光学元件通过有效折射率分布形成，有效折射率分布将入射的电磁能聚焦在像素的光敏区上。在图335中，示出了掩埋式光学元件10785，通过对掩埋式光学元件10785进行构造，可以修正一层或多层的光学折射率。可以将掩埋式光学元件10785设置到图311所示的探测器像素中，替代滤波器10750或与滤波器10750结合。掩埋式光学元件10785包括两种类型的材料10790和10795，其可并成复合结构，形成修正的光学系数。材料10795可以是例如氧化硅，材料10790可以是高光学折射率材料，例如氮化硅，或者低系数材料，例如，BLACKDIAMOND

或物理间隙或空隙。材料层10795可以沉积形成毯状层，然后经掩膜和蚀刻得到一组子特征，其由材料10790填充。Burggeman有效介质近似法声称当两种不同的材料混合在一起时，得到的介电函数ε_eff由下式定义：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_2+2{\mathrm{\&epsiv;}}_1^2+2{\mathrm{\&epsiv;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{2}f-2{\mathrm{\&epsiv;}}_1^{2}f}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2+2{\mathrm{\&epsiv;}}_1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{2}f+{\mathrm{\&epsiv;}}_{1}f}$                           方程式(15)

其中ε₁是第一种材料的介电函数，ε₂是第二种材料的介电函数。新的有效光学折射率由ε_eff的正平方根给定。变量f是混合材料的分数部分，混合材料的第二种材料的介电函数为ε₂。材料的混合比由比率(1-f)/f给定。使用亚波长混合组合物层或结构能容许空间地改变使用光刻技术的指定层或结构中的有效折射率，其中混合比由子特征水平决定。光刻技术的使用对于决定空间改变有效折射率非常有力，这是由于即使是一个光刻掩膜，也在空间变化平面中提供了足够的自由度，从而允许：1)改变探测器像素之间的波长选择性(色彩滤波器响应)；2)空间地校正从中心探测器像素(例如，CRA＝0°)到边缘探测器像素(例如，CRA＝25°)的主射线角变化。而且，有效折射率的空间变化可以由与一个光刻掩膜一样大小的层来完成。尽管在此讨论的是关于一层的修正，但是通过对一系列层的蚀刻穿透，以及随后的多层沉积，可以同时修正多个层。

现在转到图336，其中示出了两个探测器像素10835和10835′的横截面10800，探测器像素10835和10835′包括可用于主射线角校正的非对称特征。通过主射线角校正器10805单独作用、或与元透镜10810配合使用，入射在探测器像素10835上的主射线10820(其方向由箭头和角10825的方向指示)可被校正为垂直或接近垂直。主射线角校正器10805可以偏离探测器像素10835的光敏区10002的中心垂直轴10830。配合探测器像素10835′的第二主射线角校正器10805′可用于校正主射线10820′(其方向由箭头和角10825′的方向指示)的方向。主射线角校正器10805′可以偏离探测器像素10835′的光敏区10002′的中心垂直轴10830′。

主射线角校正器10805(10805′)、元透镜10810(10810′)和金属迹线10815(10815′)与轴10830(10830′)的相对位置不依赖于阵列探测器像素的空间变化。例如，对于阵列中的每一个探测器像素，它们的相对位置可以是相对于探测器像素阵列中心原点对称，并径向地改变。

图337示出了探测器像素的硅光敏区未被覆盖和由抗反射层(AR)覆盖的比较图表10840。图表10840的横坐标为单位为纳米的波长，纵坐标为以百分比表示的反射率。实线10845代表当电磁能从等离子增强氧化物(PEOX)中进入光敏区时，未被覆盖的硅光敏区的反射比。点线10850代表通过增加如图331所示的层组10755的抗反射层组，硅光敏区的反射比得到改进。表53详细列举了线10850所描绘的用于滤波器的设计信息。低反射比的光敏区允许该光敏区探测到更多的电磁能，从而增强了与该光敏区关联的探测器像素的灵敏度。

表53示出了按照本公开的AR涂层的层设计信息。表53包括层数、层材料、材料折射率、材料消光系数、层全波光学厚度(FWOT)以及层物理厚度。这些值用于设计400-900nm的波长范围。尽管表53描述了六个层所使用的特定材料，但是也可以使用更多或更少的层，所使用的材料也可以被替代，例如，BLACK DIAMOND

可以替代PEOX，其厚度也相应改变。

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)	锁定	最小物理厚度
								介质	PEOX	1.45450	0
1	PESiN	1.94870	0.00502	0.04944401	13.96	否	0.00
								2	PEOX	1.45450	0	0.54392188	205.68	否	0.00
3	PESiN	1.94870	0.00502	0.47372846	133.70	否	0.00
								4	PEOX	1.45450	0	0.20914491	79.09	否	0.00
5	PESiE	1.94870	0.00502	0.19365435	54.66	否	0.00
								6	PEOX	1.45450	0	0.02644970	10.00	是	10.00
公共基底	Si(晶体)	4.03555	0.1
												1.49634331	497.08

表53

图338示出了按照本公开设计的IR截止滤波器的透射特性图。图10855的横坐标是以纳米单位为的波长，纵坐标为以百分比表示的透射率。实线10860展示了表53所示的滤波器设计信息的数字模拟结果。线10860示出了400-700nm的高透射率和700-1100nm的低透射率的预期结果。由于硅基光探测器在较长波长时响应低，因此将IR截止设计限定在1100nm以下的波长。单独使用IR截止滤波器，而不使用RGB或CMY色彩滤波器，可制造出白色(亮度)探测器像素。亮度探测器像素可以与RGB或CMY色彩滤波器探测器像素组合而制造红-绿-蓝-白(RGBW)或青-洋红-黄-白(CMYW)系统。

表54示出了按照本公开的IR截止滤波器的层设计信息。表54包括层数、层材料、材料折射率、材料消光系数、层全波光学厚度(FWOT)以及层物理厚度。IR截止滤波器可以合并到如图331所示的探测器像素中，作为层组10750。

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)
						介质	空气	1.00000	0
1	BD	1.40885	0.00023	0.15955076	62.29
						2	SiC	1.93050	0.00025	0.32929623	93.82
3	BD	1.40885	0.00023	0.37906600	147.98
						4	SiC	1.93050	0.00025	0.34953615	99.58
5	BD	1.40885	0.00023	0.34142968	133.29
						6	SiC	1.93050	0.00025	0.35500331	101.14
7	BD	1.40885	0.00023	0.35788610	139.71
						8	SiC	1.93050	0.00025	0.35536138	101.24
9	BD	1.40885	0.00023	0.36320577	141.79
						10	SiC	1.93050	0.00025	0.36007781	102.59
11	BD	1.40885	0.00023	0.35506681	138.61
						12	SiC	1.93050	0.00025	0.34443494	98.13
13	BD	1.40885	0.00023	0.34401518	134.30
						14	SiC	1.93050	0.00025	0.35107128	100.02
15	BD	1.40885	0.00023	0.35557636	138.81
						16	SiC	1.93050	0.00025	0.40616019	115.72
17	BD	1.40885	0.00023	0.48739873	190.28
						18	SiC	1.93050	0.00025	0.07396945	21.07
19	BD	1.40885	0.00023	0.03382620	13.21
						20	SiC	1.93050	0.00025	0.39837959	113.50
21	BD	1.40885	0.00023	0.42542942	166.08
						22	SiC	1.93050	0.00025	0.37320789	106.33
23	BD	1.40885	0.00023	0.40488690	158.06
						24	SiC	1.93050	0.00025	0.45969232	130.97
25	BD	1.40885	0.00023	0.49936328	194.95
						26	SiC	1.93050	0.00025	0.42641059	121.48
27	BD	1.40885	0.00023	0.41200720	160.84
						28	SiC	1.93050	0.00025	0.42563653	121.26
29	BD	1.40885	0.00023	0.47972623	187.28
						30	SiC	1.93050	0.00025	0.47195352	134.46
31	BD	1.40885	0.00023	0.43059570	168.10
						32	SiC	1.93050	0.00025	0.42911097	122.25
33	BD	140885	0.00023	0.46369294	181.02
						34	SiC	1.93050	0.00025	0.48956915	139.48
35	BD	1.40885	0.00023	0.46739998	182.47
						36	SiC	1.93050	0.00025	0.44564062	126.96
公共基底	BD	1.40885	0.00023
										13.60463515	4589.08

表54

图339示出了按照本公开的红色-绿色-蓝色(RGB)色彩滤波器设计的透射特性图表10865。在图表10865中，实线代表垂直入射(例如，0°入射角)的滤波器特性，点线代表25°入射角的滤波器特性(假定平均偏振)。线10890和10895示出了蓝色波长选择滤波器的透射率。线10880和10885示出了绿色波长选择滤波器的透射率。线10870和10875示出了红色波长选择滤波器的透射率。如图表10865(或以下讨论的CMY滤波器)所描述的RGB滤波器可以进行优化，从而对入射变化的主射线角的依赖降到最低。该优化可通过例如反复进行滤波器设计和优化滤波器设计，使用入射的角度处于主射线角变化范围的中间值而得以实现。例如，如果主射线角从0到20°变化，则初始设计角可采用10°。在某种意义上，与上面讨论的关于图336的主射线角校正器10805相似，RGB滤波器(如图表10865和图331中的层组10750所示)可以相对于相关联的光敏区非对称地设置。

表55-57示出了按照本公开的RGB滤波器的设计信息。表55-57包括层数、层材料、材料折射率、材料消光系数、层全波光学厚度(FWOT)以及层物理厚度。单独的红色(表56)、绿色(表55)和蓝色(表57)色彩滤波器可以共同设计和优化，通过限制非公共层的数量，可提供有效的成本效率制造。例如在表55中，层1-5所进行的优化专门针对绿色色彩滤波器。这些层在表55的“锁定”列中用“否”作标志。在设计和优化过程中，这些层的厚度可以变化。层6-19是RGB滤波器的三种单独滤波器的公共层。这些层在表55的“锁定”列中用“是”作标志。在设计和优化过程中，这些层的厚度可以变化。本实施例中，层19表示10nm缓冲层或PEOX隔离层。表55的层14-18表示用作探测器像素的光敏区的AR涂层的公共层。

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)	锁定	最小物理厚度
								介质	空气	1.00000	0.00000
1	BD	1.40885	0.00023	0.74842968	292.18	否	0.00
								2	PESiN	1.94870	0.00502	0.20512538	57.89	否	0.00
3	BD	1.40885	0.00023	0.22456184	87.67	否	0.00
								4	PESiN	1.94870	0.00502	0.20988185	59.24	否	0.00
5	BD	1.40885	0.00023	0.52762161	205.98	否	0.00
								6	PESiN	1.94870	0.00502	0.21796433	61.52	是	0.00
7	BD	1.40885	0.00023	0.22733524	88.75	是	0.00
								8	PESiN	1.94870	0.00502	0.22283590	62.89	是	0.00
9	BD	1.40885	0.00023	0.22522496	87.93	是	0.00
								10	PESiN	1.94870	0.00502	0.40188690	113.43	是	0.00
11	BD	1.40885	0.00023	0.34653670	135.28	是	0.00
								12	PESiN	1.94870	0.00502	0.42388198	119.64	是	0.00
13	PEOX	1.45450	0.00000	7.91486037	2992.90	是	0.00
								14	PESiN	1.94870	0.00502	0.04985349	14.07	是	0.00
15	PEOX	1.45450	0.00000	0.55014658	208.03	是	0.00
								16	PESiN	1.94870	0.00502	0.47678155	134.57	是	0.00
17	PEOX	1.45450	0.00000	0.21139733	79.94	是	0.00
								18	PESiN	1.94870	0.00502	0.19542167	55.16	是	0.00
19	PEOX	1.45450	0.00000	0.02644970	10.00	是	10.00
								公共基底	Si(晶体)	4.03555	0.10000
				13.40619706	4867.05

表55

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)	锁定	最小物理厚度
								介质	空气	1.00000	0.00000
1	BD	1.40885	0.00023	0.00724416	2.83	否	0.00
								2	PESiN	1.94870	0.00502	0.20071884	56.65	否	0.00
3	BD	1.40885	0.00023	0.22509108	87.87	否	0.00
								4	PESiN	1.94870	0.00502	0.21322830	60.18	否	0.00
5	BD	1.40885	0.00023	0.20495078	80.01	否	0.00
								6	PESiN	1.94870	0.00502	0.21796433	61.52	是	0.00
7	BD	1.40885	0.00023	0.22733524	88.75	是	0.00
								8	PESiN	1.94870	0.00502	0.22283590	62.89	是	0.00
9	BD	1.40885	0.00023	0.22522496	87.93	是	0.00
								10	PESiN	1.94870	0.00502	0.40188690	113.43	是	0.00
11	BD	1.40885	0.00023	0.34653670	135.28	是	0.00
								12	PESiN	1.94870	0.00502	0.42388198	119.64	是	0.00
13	PEOX	1.45450	0.00000	7.91486037	2992.90	是	0.00
								14	PESiN	1.94870	0.00502	0.04985349	14.07	是	0.00
15	PEOX	1.45450	0.00000	0.55014658	208.03	是	0.00
								16	PESiN	1.94870	0.00502	0.47678155	134.57	是	0.00
17	PEOX	1.45450	0.00000	0.21139733	79.94	是	0.00
								18	PESiN	1.94870	0.00502	0.19542167	55.16	是	0.00
19	PEOX	1.45450	0.00000	0.02644970	10.00	是	10.00
								公共基底	Si(晶体)	4.03555	0.10000
				12.34180987	4451.64

表56

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)	锁定	最小物理厚度
								介质	空气	1.00000	0.00000
1	BD	1.40885	0.00023	0.00541313	2.11	否	0.00
								2	PESiN	1.94870	0.00502	0.27924960	78.82	否	0.00
3	BD	1.40885	0.00023	0.24751375	96.63	否	0.00
								4	PESiN	1.94870	0.00502	0.08224837	23.21	否	0.00
5	PESiN	1.94870	0.00502	0.21796433	61.52	是	0.00
								6	BD	1.40885	0.00023	0.22733524	88.75	是	0.00
7	PESiN	1.94870	0.00502	0.22283590	62.89	是	0.00
								8	BD	1.40885	0.00023	0.22522496	87.93	是	0.00
9	PESiN	1.94870	0.00502	0.40188690	113.43	是	0.00
								10	BD	1.40885	0.00023	0.34653670	135.28	是	0.00
11	PESiN	1.94870	0.00502	0.42388198	119.64	是	0.00
								12	PEOX	1.45450	0.00000	7.91486037	2992.90	是	0.00
13	PESiN	1.94870	0.00502	0.04985349	14.07	是	0.00
								14	PEOX	1.45450	0.00000	0.55014658	208.03	是	0.00
15	PESiN	1.94870	0.00502	0.47678155	134.57	是	0.00
								16	PEOX	1.45450	0.00000	0.21139733	79.94	是	0.00
17	PESiN	1.94870	0.00502	0.19542167	55.16	是	0.00
								18	PEOX	1.45450	0.00000	0.02644970	10.00	是	10.00
公共基底	Si(晶体)	4.03555	0.10000
												12.10500155	4364.87

表57

图340示出了按照本公开的青-洋红-黄(CMY)色彩滤波器设计的反射特性图表10900。图表10900的横坐标为单位为纳米的波长，纵坐标为以百分比表示的反射率。实线10905表示为黄色波长设计的滤波器的反射特性。虚线10910表示为洋红色波长设计的滤波器的反射特性。点线10915表示为青色波长设计的滤波器的反射特性。表58-60示出了按照本公开的CMY滤波器的层设计信息。表58-60包括层数、层材料、材料折射率、材料消光系数、层全波光学厚度(FWOT)以及层物理厚度。单独的青色(表58)、洋红色(表59)和黄色(表60)色彩滤波器可以共同设计和优化，通过限制非公共层的数量，可提供有效的成本效率制造。

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	锁定
						介质	空气	1.00000	0.00000
1	PESiN	1.94870	0.00502	0.36868504	否
						2	BD	1.40885	0.00023	0.27238572	否
3	PESiN	1.94870	0.00502	0.29881664	否
						4	BD	1.40885	0.00023	0.33657477	否
5	PESiN	1.94870	0.00502	0.24127519	否
						6	BD	1.40885	0.00023	0.34909899	否
7	PESiN	1.94870	0.00502	0.27084130	否
						8	BD	1.40885	0.00023	0.31788644	否
9	PESiN	1.94870	0.00502	0.34908992	否
						公共基底	PEOX	1.45450	0.00000
				2.80465401

表58

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	锁定
						介质	空气	1.00000	0.00000
1	PESiN	1.94870	0.00502	0.68763199	否
						2	BD	1.40885	0.00023	0.30382166	否
3	PESiN	1.94870	0.00502	0.16574009	否
						4	BD	1.40885	0.00023	0.32146259	否
5	PESiN	1.94870	0.00502	0.22127414	否
						6	BD	1.40885	0.00023	0.70844036	否
7	PESiN	1.94870	0.00502	0.22350715	否
						8	BD	1.40885	0.00023	0.32083548	否
9	PESiN	1.94870	0.00502	0.67496963	否
						公共基底	PEOX	1.45450	0.00000
				3.62768309

表59

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	锁定
						介质	空气	1.00000	0.00000
1	PESiN	1.94870	0.00502	0.10950665	否
						2	BD	1.40885	0.00023	0.19960789	否
3	PESiN	1.94870	0.00502	0.18728215	否
						4	BD	1.40885	0.00023	0.22017928	否
5	PESiN	1.94870	0.00502	0.18424423	否
						6	BD	1.40885	0.00023	0.20640656	否
7	PESiN	1.94870	0.00502	0.15680853	否
						8	BD	1.40885	0.00023	0.18277888	否
9	PESiN	1.94870	0.00502	0.16546678	否
						公共基底	PEOX	1.45450	0.00000
				1.61228094

表60

图341示出了两个探测器像素10935和10935′的横截面10920，探测器像素10935和10935′具有允许定制层光学折射率的特点。探测器像素10935(10935′)包括修正其光学折射率的层10930(10930′)和辅助修正的层10925(10925′)。层10930和10930′包括一个或多个此前讨论的任一个滤波器或掩埋式光学元件的层。层10925和10925′包括一层或多层，其材料例如但不限于光刻胶(PR)和氧化硅。层10925和10925′可成为探测器像素最终结构的一部分，或者在对层10930和10930进行修正之后去除。层10925和10925′可分别为层10930和10930′提供相同或不同的修正。在一个实施例中，层10925和10925′可由光刻胶形成。层10930和10930′由氧化硅或PEOX形成。通过对包括探测器像素10935和10935′的晶片进行离子注入工艺，对层10930和10930′进行修正。正如本领域所公知的，离子注入是一种半导体制造工艺，在特定的能量、离子电荷和剂量条件下注入例如，氮、硼和磷，但并不限于上述离子。在该工艺中，离子通过并且部分离子被层10925和10925′阻障和减速。

层10925和10925′的厚度、密度和材料组成的变化可能导致注入到层10930和10930′的离子的量和深度发生变化。变化的离子导致修正材料层的光学折射率发生变化。例如，向由氧化硅构成的层10930和10930′中注入氮，导致氧化硅(SiO₂)转变成硅氧氮化物(SiO_xN_y)。在图341所示的实施例中，当层10925′比层10925薄时，层10930′的光学折射率比层10930的光学折射率修正的多。根据注入的氮的量，可以增加光学折射率。在一些情况下，增加的光学折射率可达8％或更多(从～1.45到～1.6)。连续地和/或平滑地修正例如10930和10930′层的折射率的能力允许依照梳状设计而非层状设计制造此前讨论的滤波器。梳状滤波器设计的材料的光学折射率是连续变化的，而不是离散变化的。梳状设计在制造时具有更高的成本效率，并且提供改进的滤波器设计。

图342-344示出了可作为光学元件的一部分的非平坦(锥形的)表面的一系列横截面，该非平坦(锥形的)表面由相关半导体工艺步骤制造。在现有技术中，这些类型的非平坦部件是目前半导体制造工艺中面临的难题；然而，依照本公开的光学元件设计，可以使用这些非平坦部件制造预期的元件。如图342所示，初始层10860形成有平坦上表面10940。初始层10860经光刻掩膜和蚀刻而改造成包括蚀刻区域10950的修正层10955，如图343所示。然后，通过非平坦化沉积，在蚀刻区域10950部分填充保形材料层10960，如图344所示。初始层10860、修正层10955和保形材料层10960可由相同的材料或不同的材料形成。尽管描述的实施例所示的是对称的锥形部件，但是通过现有的半导体材料处理方法，附加掩膜、蚀刻和沉积步骤，可制造出非对称、倾斜和其它一般化的锥形或非平坦的部件。上述的非平坦部件可用于制造主射线角校正器。具有特定波长依赖的滤波器可由非平坦部件形成，或者形成在非平坦部件上部。

图345示出了使用指定参数，例如，评价函数，对按照本公开的掩埋式光学元件进行优化的优化方法原理图。图345与图1的E.R.Dowski，Jr.等人共同未决和共同拥有的申请号为11/000,819的美国专利申请实质上相同，在此展示用于说明一种适用于对掩埋式光学元件设计进行优化的光学和数字系统设计方法。设计优化系统10970可用于优化光学系统设计10975。通过实施例的方法，光学系统设计10975可成为与如图295-307，313-314，318-338和341所示的那些探测器像素设计相关联的掩埋式光学元件的初始限定。

继续参照图345，光学系统设计10975和用户限定的目标10980通向设计优化系统10970。设计优化系统10970包括光学系统模型10985，其提供与光学系统设计10975和在此提供的其它输入相一致的计算模型。光学系统模型10985生成第一数据10990，第一数据10990流向设计优化系统10970的分析器10995。第一数据10990可以包括，例如，光学元件的描述，光学系统设计10975的各种元件的材料和相关几何形状，并计算出例如在此前限定的容积，例如，探测器像素中的电磁场能量密度的矩阵的结果。分析器10995使用例如第一数据10990，计算一个或多个度量11000，以生成第二数据11005。度量11000的一个实施例是将进入光敏区的电磁能耦合与预先设定值进行比较的度量函数计算。第二数据11005可以包括，例如，表征光学系统设计10975的性能相对于度量函数的百分比耦合值或评分。

第二数据11005流入设计优化系统10970的优化模块11010中。优化模块11010比较第二数据11005和目标11015，目标11015包括用户定义目标10980，并提供第三数据11020返回到光学系统模块10985。例如，如果优化模块11010推断出第二数据11005不满足目标11015，第三数据11020提示对光学系统模块10985进行改进；也就是说，第三数据11020可以提示对光学系统模块10985的特定参数进行调整，从而引起第一数据10990和第二数据11005的变化。设计优化系统10970对光学系统模块10985评估，生成新的第二数据11005。设计优化系统10970继续对光学系统模块10985反复修正，直到满足目标11015，设计优化系统10970在该点形成优化的光学系统设计111025，其基于依照优化模块11010的第三数据11020修正的光学系统设计10975。目标11015之一可以是，例如，达到入射到指定光学系统的电磁能的特定耦合值。设计优化系统10970还可以生成预测的性能11030，例如，总结优化的光学系统设计111025计算的性能。

图346为进行全系统结合点优化的示范性优化过程11035。优化过程11035视为交易空间11040，考虑了多种因素，其中包括实施例中示出的目标数据11045、电磁能传播数据11050、光学数据11055、探测器数据11060、信号处理数据11065和输出数据11070。将交易空间11040中考虑的多种因素的设计限制作为一个整体而共同考虑，从而，权衡在多个反馈路径11075中的多种因素上施加影响，将系统作为一个整体进行优化。

例如，在早先描述的包括掩埋式光学元件的探测器系统中，在设计与特定成像光学器件共同使用的CRAC和色彩滤波器(对探测器数据11060起作用)的过程中，考虑了特定成像光学器件(对光学数据11055起作用)的场角和f/#，而且，在探测器(对信号处理数据11065起作用)处获得的信息的处理可以被修正，以补充合并成像光学器件和探测器设计的结果。设计的其它方面，例如从目标传播到光学器件的电磁能，也可以考虑进来。例如，感兴趣的宽视场(对目标数据11045起作用)和低f/#(光学数据11055的一部分)的要求，使得有必要对具有高入射角的入射电磁能射线进行处理。因此，优化过程11035需要CRAC的配置与最差的情况或随机分布的入射电磁能相匹配。在其它情况下，一些成像系统可以包含光学器件(对光学数据11055起作用)，其刻意扭曲或“重新绘制”场点(例如经典的鱼眼透镜或360度全景透镜)，从而提供独特的CRAC需求。这种扭曲系统的CRAC(对探测器数据11060起作用)可以和光学数据11055所代表的畸变相应的预期的重新绘制功能一起设计。另外，光学器件对不同波长的电磁能的扭曲程度不同，从而为光学设计11055增加了依赖于波长的组件。因此，在交易空间11040中，将色彩滤波器和CRAC或探测器(探测器数据11060的一部分)的能量引导特征考虑在内，以解决各种系统的波长所固有的特性。色彩滤波器和CRAC以及能量引导特征可以合并到基于取样像的可用处理过程(例如，信号处理数据11065)的像素设计(与，因此，探测器数据11060)中。例如，信号处理数据11065可以包括空间变化的色彩校正。空间变化处理包括色彩校正和畸变校正(信号处理数据11065的一部分)，成像光学器件设计(光学数据11055的一部分)和强度以及CRA变化(电磁能传播数据的一部分)可以在优化过程11035的交易空间11040中共同优化，从而形成优化设计11080。

图347示出了形成和优化薄膜滤波器组设计的工艺11085的流程图，该薄膜滤波器组设计适于和依照本公开的包括掩埋式光学元件的探测器系统共同使用。尽管特定滤波器组可能包括两个或更多独特的滤波器，滤波器组设计的优化需要同时优化两个或更多的独特的滤波器设计。例如，红-绿-蓝(RGB)和青-洋红-黄(CMY)滤波器组设计需要优化三个滤波器设计中的每一个，而红-绿-蓝-白(RGBW)滤波器组设计需要优化四个滤波器设计。

继续参照图347，工艺11085从准备步骤11090开始，其中包含工艺11085的计算系统的必要结构和配置在此执行操作。另外，在步骤11090中，各种需求11095可以被限定为在执行工艺11085过程中进行考虑。需求11095例如可以包括与一个或多个与滤波器设计相关的约束条件11100，性能目标11105，评价函数11110，优化器数据11115和设计限制11120。另外，需求11095可以包括允许在工艺11085中进行修正的一个或多个参数11125。约束条件11100的实施例可以规定为需求11095的一部分，其包括制造工艺对最终的滤波器设计的制造过程中所使用的材料类型、材料厚度范围、材料折射率、公共层的数量、工艺步骤的数量、掩膜操作的数量，以及蚀刻步骤的数量所施加的限制。性能目标11105例如可以包括透射率、吸收率和反射率的百分比目标，以及吸收率、透射率和反射率的公差目标。评价函数11110可以包括卡方(chi-squared)和、加权卡方和以及绝对差总和。优化器数据11115在需求11095中具体表现为包括模拟退火优化程序、单工优化程序、共轭梯度优化程序和群优化程序。设计限制11120可以规定为需求的一部分，包括，例如，可用的制造工艺，允许材料和薄膜层先后顺序。参数11125可以包括例如，层厚、组成各种层的材料、层折射率、层透射比、光程差、层光学厚度、层数和层次序。

需求11095可以由用户输入定义或者从基于一套规则的计算系统的数据库中自动选取。在一些情况下，各种需求可以是相关联的。例如，当层厚受限于最大和最小厚度范围的制造限制以及用户定义的厚度范围限制时，在优化工艺过程中所使用的层厚值可以通过优化器进行修正，该优化器使用了优化性能目标的评价函数。

在步骤11090之后，工艺11085进一步到达步骤11130，在此形成无约束薄膜滤波器设计11135。在本公开的内容中，无约束薄膜滤波器设计应理解为不考虑限制11095中指定的约束条件11100，但是要考虑步骤11090中限定的至少一部分设计限制11120的薄膜滤波器设计。例如，包括在无约束薄膜滤波器设计11135的生产中的设计限制11120，例如氧化硅层，然而，氧化硅层的真实厚度可以在步骤11130中存在自由变量参数。无约束薄膜滤波器设计11135可以在薄膜设计程序，例如EXXENTIAL MACLEOD

的辅助下生产。例如，可以在薄膜设计程序中设定用于生产薄膜滤波器设计的一组材料和一定数量的层(例如，设计限制11120)。然后，薄膜设计程序优化选择的参数(例如，从参数11125中选择)，例如每一个定义层选择的材料的厚度，因此，计算出的滤波器设计的透射性能接近于此前定义的滤波器设计的预定性能目标(例如，性能目标11105)。无约束薄膜滤波器设计11135将各种因素，例如，与一组薄膜滤波器中的可用的材料、薄膜层次序(例如，薄膜滤波器中的高折射率材料和低折射率材料的次序)以及分享的公共层数相关的限制。材料选择和层数定义操作可以通过反馈回路11140反复进行，以提供备选的无约束薄膜滤波器设计。另外，薄膜设计程序可以单独优化至少一些备选的无约束薄膜滤波器设计。术语“无约束设计”通常是指可以根据设计优化的需要将薄膜层的参数，例如，层的厚度、层的折射率，或层的透射参数设定为任意值。步骤11130生产的每一个无约束设计11135可以用无约束设计中的材料和其相关厚度的有序列表来代表，在下文中的合适时候将详细讨论。

仍然参照图347，在步骤11145中，通过在无约束薄膜滤波器设计11135上施加约束条件11100，形成有约束的薄膜滤波器设计11150。通过薄膜设计软件或用户的选择性指定可以自动施加约束条件。约束条件11100可以反复地、顺序地或随机地施加，因此，逐渐增多的设计不断地满足设计需求11095的至少一部分。

接下来，在步骤11155中，对一个或更多的有约束的薄膜滤波器设计11150进行优化，形成优化的薄膜滤波器设计11160，其相对于无约束薄膜滤波器设计11135和有约束的薄膜滤波器设计11150而言更好地满足需求11095。

作为一个实施例，工艺11085可用来同时优化两个或两个以上的多种结构的薄膜滤波器。例如，对多重滤波器设计进行优化，从而执行校正功能，例如，CMY探测器中的色彩选择滤波，其中不同的薄膜滤波器为不同色彩进行滤波。一旦形成了优化的薄膜滤波器设计11160，工艺以步骤11165结束。工艺11085可应用于生产和优化薄膜滤波器设计的多种功能，例如，但不局限于，带通滤波、边缘滤波、色彩滤波、高通滤波、低通滤波、抗反射、陷波滤波、间歇滤波和其它波长选择滤波。

图348示出了示范性薄膜滤波器组设计系统11170的结构图。薄膜滤波器组设计系统11170包括计算系统11175，其进一步包括包含软件或固件程序11185的处理器11180。程序11185适合用于薄膜滤波器组设计系统11170，其包括但不限于，例如软件工具ZEMAX

、MATLAB

、ESSENTIAL MACLEOD

和其它光学设计和数学分析程序。计算系统11175配置成接收输入11190，例如工艺11085的需求11095，形成输出11195，例如图347的无约束薄膜滤波器设计11135，有约束的薄膜滤波器设计11150以及优化的薄膜滤波器设计11160。计算系统11175执行操作，例如，但不限于，选择层，定义层次序，优化层厚度和配对层。

图349示出了示范性探测器像素的一部分11200的横截面。部分11200包括第一、第二和第三探测器像素11205，11220和11235(由双头箭头指示)。第一、第二和第三探测器像素11205，11220和11235包括分别与第一、第二和第三支撑层11215，11230和11245整体形成的第一、第二和第三光敏区11210，11225和11240。第一、第二和第三支撑层11215，11230和11245可由不同的材料形成或由一种材料的连续层形成。第一、第二和第三光敏区11210，11225和11240可由相同的材料形成相同的尺寸，或者，每一个配置成探测特定的波长范围。进一步地，第一、第二和第三探测器像素11205，11220和11235分别包括第一、第二和第三薄膜滤波器11250，11255和11260(形成第一、第二和第三薄膜滤波器11250，11255和11260的层由虚线椭圆指示)，其共同形成滤波器组11265(由虚线矩形包围)。第一、第二和第三薄膜滤波器的每一个包括多个层，其作为特定波长范围的色彩滤波器。图349所示的示范性探测器像素阵列中，第一薄膜滤波器11250经配置担当青色滤波器，第二薄膜滤波器11255经设计担当黄色滤波器，第三薄膜滤波器11260经配置担当洋红色滤波器，因此，滤波器组11265担当CMY滤波器。如图349中所示的第一、第二和第三薄膜滤波器11250，11255和11260由高系数层(由交叉阴影指示)和低系数层(例如，无交叉阴影的层)交替组合而成的11层形成。适合用于低折射率层的材料，例如，低损耗材料，例如Black Diamond

，其与现有的CMOS硅工艺兼容。类似地，高折射率层可由另一种低损耗材料形成，高折射率材料与现有的CMOS硅工艺兼容，例如SiN。

图350示出了图349的区域11270(由虚线矩形指示)的进一步细节。区域11270包括第一和第二薄膜滤波器11250和11255(还是由虚线椭圆指示)的一部分。如图350所示，第一层对11275和第二层对11276是公共层，其分别由第一和第二薄膜滤波器11250和11255的最下面两层组成。也就是说，配对层11277和11289由共同的材料形成，具有相同的厚度，并且类似地，配对层11278和11290由另一共同的材料形成，具有相同的厚度。第一层组11279(例如，层11280-11288)和第二层组(例如，层11291-11299)的相应指数层具有共同的厚度(例如，层11281和11293)的对应层，以及具有不同的厚度(例如，层11282和11293)的对应层。第一层组11279和第二层组11300中层的组合被优化分别用于青色和黄色滤波器，而第一层对11275和第二层对11276为图349的工艺11200描述的滤波器设计优化提供额外的设计适应性。

薄膜滤波器设计可以通过设计表来描述，该设计表列举了例如滤波器中使用的材料和材料的次序，以及滤波器的每一层的厚度。通过优化例如指定薄膜滤波器中的材料次序和每一层的厚度，可以形成优化薄膜滤波器的设计表。这样的设计表可以针对例如图349的第一、第二和第三薄膜滤波器11250，11255和11260生成。

表61

表61是示范性CMY滤波器组设计的设计表，其中对第一、第二和第三薄膜滤波器11250，11255和11260的设计进行单独优化(即，在滤波器组的不同滤波器之间不存在共同优化)。图351所示为三个滤波器设计各自的模拟性能图11305。虚线11310代表单独优化并用作青色滤波器的第一薄膜滤波器11250的透射率。点线11315代表单独优化并用作洋红色滤波器的第二薄膜滤波器11255的透射率。实线11320代表单独优化并用作黄色滤波器的第三薄膜滤波器11260的透射率。在形成图11305中使用的设计细节源于表61中的信息。从图351中可以看到，所有三种颜色CMY对于它们各自的涉及波长范围得到了满意的性能；也就是说，所有通带都接近90％的透射率，所有阻带都接近10％的透射率，并且所有波带边缘的波长都约为500nm和600nm。

采用本领域公知的薄膜滤波器设计原理，可以确定的是具有交替的高(H)和低(L)折射率层(HLHLHLHLH)的九层薄膜滤波器将得到一组满意的CMY滤波器，以单独满足需求11095。在任意数量的层中使用两种或更多材料的层次序的其它配置也是可能的。例如，由三种不同材料按照HLHL-M-LHLH顺序，其中M是中等折射率材料，可以形成类似Fabry-Perot的结构。不同材料的数量的选择和先后顺序的种类的选择可取决于滤波器的需求或设计者的经验。对于表61中的实施例，从材料的备选制造调色板(palette)中选择的合适材料为高折射率PESiN材料(n≈2.0)和低折射率BLACK DIAMOND

材料(n≈21.4)。由于每一个薄膜滤波器的层数相同，所以可以为层相应地编索引。例如，在表61中，索引为1的层列举了对应于青色、洋红色和黄色滤波器的PESiN薄膜层，其厚度分别为232.78、198.97和162.958nm。

紧接着在下文中将详细描述用于对指定的薄膜滤波器组中的不同薄膜滤波器进行共同优化的示范性工艺，从而形成满足需求11095且在不同薄膜滤波器之间提供特定关系的优化设计表。

参照图352与图347和349，采用工艺11085形成薄膜滤波器组设计需要一组需求11095的规格。参考图352讨论示范性洋红色滤波器的需求的某些特定实施例。图352示出了用于优化示范性洋红色滤波器(如图349的薄膜滤波器11260)的性能目标和容许偏差的图11325。点状曲线11330示出了第三探测器像素11235的典型波长依赖灵敏度。探测器像素灵敏可以是，例如并入探测器像素的任一掩埋式光学元件和滤波器(例如IR截止滤波器和AR滤波器)以及与之相关联的光敏区的结构的函数。给定该探测器像素灵敏度，有效的洋红色滤波器应当使电磁光谱中红色和蓝色范围的电磁能量通过，而阻断接近绿色波长的电磁能量。性能目标的一个示范性定义(例如，性能目标11105之一)是薄膜滤波器使波长带为400到490和610到700nm(例如，通带)的电磁能通过90％或者更多。在图352中，实线11335和11340代表滤波器通带(例如，在红色和蓝色波长范围)的90％阈值透射率目标。相对地，在500和600nm的示范性性能目标为滤波器在波带边缘的透射率为25％到65％。垂直线11345指示了图11325的波带边缘的相应性能目标。最后，图352的示范性图中另一个性能目标是阻带区域(例如，波长为510至590nm)具有低于10％的透射率。线11350代表图352的示范性图的阻带性能目标。

继续参照图349和352，细实线11355代表满足上述的示范性性能目标的理想的洋红色滤波器响应。对应地，可以采用效益函数对滤波器设计进行优化，以满足性能目标，该效益函数可以合并波长依赖函数，例如，但不限于，光敏区的量子效率、人眼的白昼视觉响应、三色刺激响应曲线以及探测器像素灵敏度的光谱依赖。进一步地，指定为需求11095的一部分的示范性制造约束可以是，在薄膜滤波器的制造过程中不超过5个掩膜操作。

在采用图347的工艺11085设计滤波器组时，薄膜设计程序，例如ESSENTIAL MACLEOD

可用作工具，计算基于需求11095的各种薄膜滤波器设计，例如，选择的材料，每个薄膜滤波器的层数，层材料(即，高折射率和低折射率)次序以及每个参数的初始值。薄膜滤波器设计程序可以被命令通过改变例如至少一些薄膜层的厚度，而对每一个薄膜滤波器进行优化。而ESSENTIAL MACLEOD

和现有技术中已知的类似程序在优化满足单一目标的单一薄膜滤波器方面是很熟练的，应当指出的是，这些程序仅仅是计算工具；特别地，这些程序不能设计用于共同优化满足不同需求的多重薄膜滤波器，也不能设计用于适应设计中或设计之间的复杂的约束条件、约束条件的连续增加或者层配对。本公开能进行这种共同优化，形成有相互关系的薄膜滤波器组设计。

图353的流程图示出了图347的步骤11145的进一步细节。如图353所示，在示范性CMY滤波器组设计的内容部分详述了分等级地施加约束条件的示范性顺序工艺。步骤11145开始于接收到图347的步骤11130中的无约束的薄膜滤波器设计11135。在步骤11365中，共同的性质或状态被分配给低折射率层(例如，图349和350中的无交叉阴影的层)。也就是说，无约束设计中的至少一些相关层(例如，层11278和11290，层11281和11292，等等)的厚度和/或材料组成被设定为共同值。例如，在对图349所示的示范性CMY滤波器组进行优化时，第一和第二薄膜滤波器11250和11255的低折射率层的材料类型和厚度被设定为与第三薄膜滤波器11260的相应层的相应材料和厚度值相同(例如，如表61所示)。由于洋红色滤波器设计相对于青色和黄色滤波器的复杂性，因而选择洋红色滤波器设计为基准(即，其它滤波器设计的低折射率层的材料和厚度将与该滤波器设计相匹配)。也就是说，如图352中描述，将洋红色滤波器设计成具有两组边界条件的(由垂直线11345指示的每一个波带边缘具有一组边界条件)陷波滤波器。相反，每一个青色和黄色滤波器设计仅需要一个波带边缘，因此，它们的薄膜滤波器结构具有较简单的需求。洋红色滤波器设计还提出了滤波器组设计在中波长范围的需求，以及使薄膜滤波器组符合洋红色滤波器需求，最终的滤波器组设计可以达到对称。选择洋红色滤波器作为基准是此前提及的分等级施加约束条件的一个实施例。在示范性滤波器组设计工艺中，选择洋红色滤波器作为基准是最高等级的施加约束条件的应用。

表62

继续参照图353，在步骤11370中，为了在更好地满足需求11095的同时保持低折射率层的共同的性质或状态，在步骤11370中对高折射率层进行单独地重新优化。例如，第一、第二和第三薄膜滤波器11250、11255和11260的所有高折射率层都可依照各自的滤波器设计相关的需求11095而单独地进行重新优化。表62示出了在图353的步骤11370过程中的重新优化之后，示范性CMY滤波器组设计的相关设计厚度值。应当特别指出的是，对于所有三种薄膜滤波器，低折射率层(即，Black Diamond

层2，4，6和8)被设定为共同值。图354的图11400示出了表62的滤波器组设计的模拟性能。如图351所示，青色滤波器性能由虚线11405表示，洋红色滤波器性能由点线11410示出，黄色滤波器性能由实线11415表示。将图354和351进行比较，可以看到，相对于单独优化的滤波器组而言，透射率的降低和阻带透射率的增加表明性能的微小降低。然而，由于为低折射率层建立的共同的性质或状态，因而图11400所模拟的设计的确代表全部滤波器组设计的简化。

再回到图353，在至少一些层上可以执行步骤11375的配对程序。图353所示的实施例中，在配对的高折射率层上执行配对程序。步骤11375的配对程序包括计算滤波器的相应高折射率层对之间的厚度差(即，在表62中，青色和洋红色滤波器的相应层之间的厚度差在标记为“CM”的标题下方列出，洋红色和黄色滤波器的相应层之间的厚度差在标记为“MY”的标题下方列出，青色和黄色滤波器的相应层之间的厚度差在标记为“CY”的标题下方列出)。为每一层选取最小差异(例如，层1的CM值33.81nm比该层1对应的MY和CY值小)。这样，就汇集了一组不同高折射率层的厚度差(即，对于层1是33.81nm，对于层3是32.77nm，对于层5是29.21nm，对于层7是24.02nm以及对于层9是24.08nm)。

步骤11375中选取了这组最小厚度差，然后步骤11380选择最大的“最小差异”对及其相关的层(即，在表62所示的实施例中，对于层1为33.81nm)。在本实施例中，为层1选择的厚度差异值33.81nm进一步限制青色和洋红色滤波器设计的层1固定为层的配对组。步骤11375和11380执行的配对程序是分等级顺序程序步骤的另一个实施例。已经确定的是，最小差异配对对滤波器设计组的优化影响小于最大差异配对对滤波器设计组的优化影响。

仍参照图353，步骤11385执行进一步的单独优化工艺，从而根据相关的青色和洋红色滤波器设计的需求，在所有其它参数固定不变的情况下，共同优化配对层的厚度。与此前一样，通过优化器程序对配对层的厚度进行修正，以形成青色和洋红色滤波器设计，其具有共同地并且最接近地匹配需求11095的性能。

表63

接下来，为了使每个滤波器设计更好地获得滤波器设计的性能目标，同时保持步骤11385中确定的优化配对层的厚度，在步骤11390中对剩余的高折射率层的厚度进行优化。表63示出了在完成步骤11390之后示范性CMY滤波器组设计的设计厚度信息。从表63中可以看到，青色和洋红色滤波器设计的层1的厚度确定为214nm。图355示出了在步骤11390之后，具有共同的低折射率层和配对的高折射率层(例如，表63中的层1)的示范性CMY滤波器组设计的模拟性能图11420。虚线11425代表表63中的青色滤波器的透射率性能。点线11430为表63中说明的洋红色滤波器的透射率性能。实线11425代表表63中的黄色滤波器的透射率性能。通过比较图11420和图354的图11400可以看到，由于在图353的步骤11390中施加了进一步的约束条件，青色和黄色滤波器发生了进一步的改变。

再回到图353，在步骤11390之后，关于是否还有未进行配对和优化的层而作出决定11395。如果决定11395的结果是“是”，有更多的层需要配对，则工艺11145返回到步骤11375。如果决定11395的结果是“否”，没有更多的层需要配对，则工艺11145生成约束设计11150，并且进行到图347的步骤11155。如表63所示，示范性CMY滤波器组设计包括五个三元组相应的高折射率层。步骤11375到11390每执行一次，三元组的其中之一便减少为配对层组和单态。也就是说，例如，在第一次通过步骤11375到11390之后，三元组中还有四层没有进行配对和优化。

表64

表64示出了在完成从步骤11375到11390的五个配对和优化循环之后，示范性CMY滤波器组设计的设计厚度信息。图356示出了具有表64限定的共同的低折射率层和多个配对的高折射率层的示范性青色、洋红色和黄色(CMY)滤波器组的透射特性图11440。虚线11445代表青色滤波器的透射性能。点线11450代表洋红色滤波器的透射性能。实线11455代表黄色滤波器的透射性能。青色和黄色滤波器的性能相比图354和355所示的青色和黄色滤波器的性能再次发生了微小的变化。

表65

暂时回到图347和图353，约束设计11150(在如图347描述的步骤11145中形成)在步骤11155中进行优化，形成优化的薄膜滤波器设计11160。任选地，作为步骤11155中的最后的优化的一部分，还可以考虑如下校正和修改：1)改善滤波器对比度的附加层，以及2)考虑到CRA大于零的校正。例如，应当了解，当入射电磁能的CRA大于零时，滤波器的性能就会偏离预期的垂直入射的情况。本领域技术人员知晓，非垂直入射角导致滤波器透射光谱蓝移。因此，为了补偿这方面的影响，可以通过少量地增加每一层的厚度，来使最终的滤波器设计适当地红移。如果发生的红移足够小，则在不对滤波器组的性能产生其它的负面影响的情况下，全部的滤波器光谱可能发生移位。

表65示出了按照本公开的图347和353描述的工艺形成的示范性的优化的CMY滤波器组设计。图357示出了表65描述的具有共同低折射率层和多个配对的高折射率层的青色、洋红色和黄色(CMY)彩色滤波器的透射特性。表65和图357所示的优化的CMY滤波器组设计通过对每一层增加1％的厚度，将偏离垂直的CRA考虑在内。虚线11465代表青色滤波器的透射特性。点线11470代表洋红色滤波器的透射特性。实线11475代表黄色滤波器的透射特性。青色、洋红色和黄色滤波器各自的性能代表了性能目标和施加的约束条件之间的优化权衡。可以注意到，对比图11460与图351和354-356所示的图，尽管图11460确实没有达到与图351展示的单独优化的滤波器组相同的性能，但是由于若干层配对形成薄膜滤波器，其的确显示出了可相比的性能，具有改进的制造性的附加优势。

尽管展示的工艺11085以步骤11165结束，但应当理解，依赖于例如，设计的复杂性、约束条件的数量以及设计组中的滤波器的数量，工艺11085可能包括额外的回路，附加的工艺步骤和/或修正的工艺步骤。例如，当对包含三个以上的滤波器进行共同优化时，有必要改变与图353的配对操作和配对层相关的任何步骤。配对操作或配对层的基准可以被相似的“n-元组”操作或基准替代。“n-元组”可定义为整数n项一组(例如，三元组，六元组)。例如，当共同优化包括四个滤波器的滤波器组时，所有配对操作可能重复进行，从而四个相应索引的层被分成两对，而不是制造CMY滤波器的示范性工艺中的一对和单态。

进一步地，在图353描述的示范性工艺中，通过专业知识和实验来确定滤波器组设计进行处理的影响并按照每一步对其进行分等级，以确定步骤11365到11395的顺序。在一个实施例的内容中阐释了图353的步骤11365到11395，应当认识到，上述图353所示的步骤可以改变其类型、重复和顺序。例如，在步骤11365中，可以选择高折射率层，而不是向低折射率层分配共同的性质或状态。如步骤11385所示，配对层厚度的单独优化可以为配对层执行，而不是在单独的层上。或者，可以采用其它标准，而不是基于步骤11380所示的最大的“最小差异”选择配对层。另外，尽管图353所示的示范性CMY滤波器组设计优化过程设法优化滤波器中薄膜层的物理厚度，但本领域技术人员应当清楚，优化可以改变，例如，改为光学厚度。本领域公知的是光学厚度定义为物理厚度和指定材料在特定波长的折射率的乘积。为了优化光学厚度，优化过程可变材料或材料的折射率，以获得与仅改变层的物理厚度的优化器相同或相似的结果。

现在转到图358，其示出了制造薄膜滤波器的工艺11480的流程图。工艺11480开始于准备步骤11485，其中进行任何开始和起始工艺，例如，但不限于，材料准备、设备开始工作和确认。步骤11485还可以包括在增加薄膜滤波器之前对探测器像素阵列进行的任何处理。步骤11490中，沉积一层或多层材料。接下来，在步骤11500中，对在步骤11490中沉积的层进行平版的或其它方式的构图，然后进行蚀刻，从而选择性地修正所沉积的层。在步骤11505中，如果应当沉积和/或修正更多层，则作出决定。如果决定11505的答案是“是”，应当沉积和/或修正更多层，则工艺11480返回到步骤11490。如果决定11505的答案是“否”，无需沉积和/或修正更多层，则工艺11480以步骤11510结束。

表66

表67

表66和67列举了如表64所示的示范性CMY滤波器组的薄膜色彩滤波器的两种示范性制造方法的工艺顺序。表66和67列举的半导体工艺步骤中的每一个步骤在半导体加工领域都是众所周知的。介电材料，例如SiN和BLACK DIAMOND

可以采用公知的方法进行沉积，例如，等离子体强化学气相沉积(PECVD)。光刻胶可以旋涂在设计用来执行这些功能的装备上。掩膜曝光可以在商用光刻设备上进行。光刻胶去除，也是我们熟悉的“光刻胶剥离”或“灰化”可以在商用设备上进行。等离子体蚀刻可采用我们熟悉的湿法或干法化学工艺。

表66和67中确定的两种工艺顺序的不同点在于，两者使用的等离子体蚀刻方法不同。表66列举的顺序中，包括配对厚度的每一个色彩滤波器的高折射率层采用两步进行沉积，其间插入掩膜和蚀刻操作。材料沉积的厚度与配对层的厚度和非配对层的厚度之间的差异相同。然后，选择性掩盖沉积层。如果不对选择的薄膜层进行保护而对其进行蚀刻，则膜将被去除直至膜与其下面层的界面，采用对选择的层进行蚀刻比对下面层进行蚀刻的速率更大的选择性蚀刻工艺。如果膜被去除直至膜与其下面层的界面，则之后由于蚀刻工艺的选择性，其下面的层实质上还未被蚀刻。实质上未被蚀刻的意思是在蚀刻过程中，指定层仅有可忽略的量被蚀刻。可忽略的量可以按照绝对厚度或层厚度的相对百分比进行测定。为了保持滤波器的可接受的性能，过蚀刻的均值为几纳米或10％，在某些情况下，过蚀刻的均值更少。然后，进行第二沉积以便增加足够的材料，从而确定为相应的三元组的层中最厚的的厚度。示范性CMY滤波器组设计的相关工艺中，SiN是被蚀刻的材料，Black Diamond

充当阻挡层。该“蚀刻阻挡”工艺可以采用，例如，公知的CF₄/O₂等离子体蚀刻工艺，或者例如，采用Padmapani等人的第5,877,090号、发明名称为“Selective plasma etching of siliconnitride in presence of silicon or silicon oxides using mixture of NH₃ or SF₆and HBr and N₂(采用NH₃或SF₆和HBr和N₂对存在于硅或氧化硅中的氮化硅进行选择性等离子体蚀刻)”的美国专利中介绍的方法和设备。还可以采用湿法化学腐蚀法，加入热磷酸H₃PO₄对SiN或HF或缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)进行选择性蚀刻，或者对BlackDiamond

/SiO₂进行选择性蚀刻。

表67中列出的工艺顺序阐明了沉积相应的三元组的层的最大厚度的工艺，然后，使三元组的层中的特定层进行控制蚀刻而变薄，但不完全去除。

表68

表68列举了掩膜操作和由表66和67描述的工艺的顺序步骤的每一步中的每一个掩膜所保护的特定滤波器的顺序。在示范性CMY设计中，例如，青色滤波器总是由掩膜保护，黄色滤波器从来不被掩膜保护，而洋红色滤波器在交替进行的掩膜操作中被保护。

图359是形成非平坦光学元件的制造工艺11515的流程图。制造工艺11515开始于准备步骤11520，其中进行任何开始和起始工艺，例如，但不限于，材料准备、设备开始工作和确认。步骤11520还可以包括在增加非平坦光学元件之前对探测器像素阵列进行的任何处理。步骤11525中，例如在共同的基底上沉积一层或多层材料。在步骤11530中，对步骤11525中沉积的层进行光刻的或其它方式的构图，并于之后进行蚀刻，从而选择性修正沉积的层。在步骤11535中，进一步沉积一层或多层材料。在可选的步骤11540中，通过化学机械抛光工艺对沉积和蚀刻层的最上层表面进行平坦化。利用一组回路11545，可以根据需要将形成制造工艺11515的步骤重新排列或重复。工艺11515以步骤11550结束。应该理解，为了使非平坦光学元件与其它部件进行结合，工艺11515可以在其它工艺之前或之后进行。

图360-364示出了非平坦光学元件的一系列横截面图，在此展示用于说明图359的制造工艺11515。参照图360-364和图359，在步骤11525中沉积第一材料，以形成第一层11555。然后，在步骤11530中蚀刻第一层11555，以形成例如包括基本上平坦的表面11565的释放区域11560。在本公开的上下文中，释放区域理解为这样的区域，即，其在例如第一层11555的指定层的最上表面的下面延伸。另外，基本上平坦的表面理解为相对于该表面的尺寸而言具有大的曲率半径的表面。释放区域11560可以通过例如各向异性蚀刻形成。在步骤11535中，在释放区域11560中的第一层11555上共形沉积第二材料，以形成第二层11570。在本公开的上下文中，共形沉积应理解为不考虑表面的方位，在接收沉积的所有表面上沉积的材料厚度相似的沉积工艺。第二层11570包括形成在释放区域11560中的至少一个非平坦部件11575。非平面部件可以是这样的部件，该部件的至少一个表面的曲率半径与部件的尺寸大小相似。非平坦部件11575还可以包括平坦区域11580。通过修正释放区域11560的长宽比(高度与宽度的比率)和/或通过修正为形成第二层11570而沉积的材料的化学、物理、速率或沉积特性，非平坦部件11575的曲率半径、宽度和其它几何特性可以得到修正。在层11570上共形沉积第三材料，其至少部分填充非平坦部件11575，从而形成第三层11585。也就是说，当第三层11585的上表面11595的最低区域在与第二层11570的平坦区域11580对准的基准11605(由虚线指示)附近或在基准11605上面时，非平坦部件11575被完全填充。当非平坦部件11590低于基准11605时，非平坦部件11575被认为是部分填充。第三层11585包括至少一个与非平坦部件11575相关联形成的非平坦部件11590。第三层11585上表面的其它区域(例如，区域11600)可以是基本上平坦的。可选地，如图364所示，第三层11585可以进行平坦化以形成填充的非平坦部件11610。第一、第二和第三材料形成的层11555、11570和11585可以是相同的材料或不同的材料。当形成非平坦部件的至少一种材料的折射率(对于电磁能的至少一个波长)不同于其它材料时，就形成了光学元件。可选地，如果不通过平坦化去除，非平坦部件11590以及采用例如蚀刻工艺对其的修正可用于形成附加的非平坦部件。

图365示出了沉积第三材料层的另一工艺。在沉积第三层11615的过程中形成填充的非平坦部件11630。第三层11615包括非平坦表面11620和基本上平坦的表面11625。通过例如非共形沉积(例如，采用旋涂工艺沉积液体或浆料材料，并随后固化材料，从而形成固体或半固体)形成第三层11615。如果形成第三层的材料与第二层的材料不同(对于电磁能的至少一个波长)，则填充的非平坦部件11630形成光学元件。

图366-368为图359所示的另一种制造工艺的图解。沉积第一材料以形成层11635，然后蚀刻形成释放区域11640和具有基本上平坦的表面的凸出11650。凸出可定义为在蚀刻后的例如层11635的层的局部表面11645上延伸的区域。释放区域11640和凸出11650可以通过各向异性蚀刻形成。在层11635上以及释放区域11640中共形沉积第二材料，以便形成层11655。层11655的表面的凸出11665是非平坦的，并形成光学元件。表面的其它凸出11660基本上是平坦的。

图369-372示出依照图359的方法11515的另一种可选制造工艺的步骤。沉积第一材料形成层11670，然后蚀刻形成具有基本上非平坦的表面的释放区域11675。通过例如各向同性蚀刻形成释放区域11675。在层11670上以及释放区域11675中共形沉积第二材料，以便形成层11680。层11680定义了可用于形成附加的非平坦元件的非平坦区域11685。或者，可对层11680进行平坦化以形成非平坦元件11690，其上表面与层11670的上表面基本上共面。形成层11680的另一种方法包括类似于用来形成图363的第三层11585的非共形沉积。

图373示出了一个包括非平坦光学元件11700和元件阵列11705的探测器像素11695。非平坦光学元件11700，11710和11715可用来将探测器像素11695中的电磁能指引到光敏区11720。将非平坦光学元件包括在探测器像素设计中的能力增加了仅有平坦元件可能不具有的额外的设计自由度。单个或多个光学元件被直接置于邻近于其它单个或多个光学元件，因此，光学元件组构成的复合表面近似为曲线轮廓，比如球形或非球形光学元件，或者近似为斜面轮廓，比如梯形或圆锥形部分。

例如，图310的梯形光学元件10200，其近似为此前描述的双板层结构，或者也可以采用一个或更多的非平坦光学元件来近似，而不是所述的平坦光学元件。非平坦光学元件还可用于形成例如元透镜、主射线角度校正器、衍射元件、折射元件和/或类似于此前描述的与图297-304相关联的其它结构。

 

层	材料	折射率	消光系数	光学厚度(FWOT)	物理厚度(nm)
						介质	空气	1.00000	0.00000
1	SiO2	1.45654	0.00000	0.58508249	261.10
						2	Ag	0.07000	4.20000	0.00288746	26.81
3	SiO2	1.45654	0.00000	0.30649839	136.78
						4	Ag	0.07000	4.20000	0.00356512	33.10
5	SiO2	1.45654	0.00000	0.33795733	150.82
						6	Ag	0.07000	4.20000	0.00186378	17.31
7	SiO2	1.45654	0.00000	0.31612296	141.07
						8	Ag	0.07000	4.20000	0.00159816	14.84
公共基底	玻璃	1.51452	0.00000
										1.55557570	781.83

表69

图374示出了采用银和氧化硅层形成的洋红色彩滤波器的模拟透射特性图11725。图11725的横坐标是单位为纳米的波长，纵坐标是以百分比表示的透射率。实线11730代表洋红色滤波器的透射性能，其设计表如表69所示。尽管在制造探测器像素阵列的工艺中通常不使用银，但是如果满足特定的条件，可使用银来形成与探测器像素整体形成的滤波器。这些条件包括，但不限于是1)采用低温工艺沉积银和任何的探测器像素的随后工艺，以及2)使用合适的钝化层和保护层用于探测器像素。如果采用了高温工艺和不合适的保护层，银可能迁移或扩散至探测器像素的光敏区中并将其损坏。

 

参数名称	参考#	尺寸	备注
				像素	11735	4.4×10-6m	假定一个探测器像素(2.2微米宽)具有各在一边的两个半像素
空气	11750	5×10-8m	假定电磁能从空气中入射
				FOC	11755	2.498×10-7m
ARC		6×10-8m
				氮化物		2×10-7m
SiO2		3.0877×10-6m
				结合氧化物		3.5×10-8m
结合氮化物		4×10-8m
				Si		6×10-6m
连接宽度		1.6×10-6m
				高斯波直径(1/e2)		3000nm
目标波长		455nm，535nm，630nm

表70

图375示出了现有技术探测器像素11735的局部横截面示意图，图上附有从中透射的电磁功率密度的模拟结果。表70总结了现有技术中各种规格的探测器像素11735。假定电磁能11740(由大箭头指示)垂直入射在探测器像素11735上。如图375所示，探测器像素11735包括多个与商用探测器中的层对应的层。电磁能11740穿透探测器像素阵列11735，其电磁功率密度由轮廓线指示。从图375中可以看到，像素中的金属迹线11745阻止电磁能11740穿透探测器像素11735。也就是说，无微透镜的光敏区11790的功率密度非常发散。

图376示出了另一种现有技术探测器像素11795的一个实施方式，这次包括微透镜11800。微透镜11800经配置用于聚焦穿透的电磁能11740，因此，在传播穿透探测器像素11795时，电磁能11740避开金属迹线11745，并以更大的能量密度在光敏区11790聚集。然而，在制造了探测器像素11795的其它组件后，现有技术探测器像素11795需要分离加工以及将微透镜11800对准到探测器像素11795的表面上。

图377示出了探测器像素11805的示范性实施方式，探测器像素11805包括用作将电磁能聚焦在光敏区11790上的元透镜11810的掩埋式光学元件。图377所示的实施例中，元透镜11810形成为钝化氮化物的构图层，其与用来形成剩余的探测器像素11805的现有工艺相兼容。元透镜11810包括宽的中心柱子和围在侧边的两个小柱子的对称设计。

在图377中可以看到，在提供与微透镜11800相似的聚焦效果的同时，元透镜11810包括掩埋式光学元件所固有的附加优势。特别地，由于元透镜11810由与探测器像素制造工艺相兼容的材料形成，因而可以将其结合到探测器像素本身的设计中，而不需要在探测器像素制造之后增加微透镜所必须的附加的制造步骤。

图378示出了现有技术探测器像素11815以及非垂直的电磁能11820穿透传播。应当指出，为了适应非垂直的电磁能11820的非垂直入射角，相对于由光敏区11790围绕的金属迹线11745，金属迹线11841发生了位移。如图378所示，非垂直的电磁能11820部分被金属迹线11845阻断，大部分未到达光敏区11790。

图379示出了另一现有技术探测器像素11825，这次包括微透镜11830。应当指出，为了适应非垂直的电磁能11820的非垂直入射角，相对于光敏区11790，微透镜11830和金属迹线11841发生位移。如图379所示，尽管比没有微透镜11830更集中，但非垂直的电磁能还是集中在光敏区11790的边缘。此外，现有技术探测器像素11825需要额外考虑将微透镜11830置于偏离光敏区11790位置的需求施加的装配复杂性。

图380示出了探测器像素11835的示范性实施方式，探测器像素11835包括用作将非垂直电磁能11820指引到光敏区11790的用作元透镜11840的掩埋式光学元件。元透镜11840具有略微地偏离光敏区11790的非对称的、由一个宽柱子和一对小柱子构成的三柱设计。然而，不像图379的微透镜11830，元透镜11840和探测器像素11835，以及光敏区11790和金属迹线11841整体形成，因此，元透镜11840的位置相对于光敏区11790和金属迹线11845而言，具有与光刻工艺关联的高精度。也就是说，元透镜11840提供优良的或可比的电磁能指引性能，其精度比包括微透镜11830的现有技术探测器像素11825更高。

图381示出了用于设计和优化元透镜的设计工艺11845的流程图，例如如图377和380所示的设计工艺。设计工艺11845开始于起始步骤11850，其中包括各种准备步骤，例如软件初始化。然后，在步骤11855中，定义了探测器像素的大体形状。例如，步骤11855中列举了探测器像素的各种组件的折射率和厚度，光敏区的位置和几何形状，以及形成探测器像素的各种层。

表71总结了探测器像素几何形状的示范性规定(如果没有指出的话，尺寸的单位为米)：

像素宽度                    2.2×10^-6               像素宽度

像素                        4.4×10^-6               一个2.2微米、两个半像素各

                                                   在一边的探测器像素

空气                        5×10^-8                 通过空气发射电磁能

FOC                         2.498×10^-7             入射到平坦化层的EM能量，

                                                   n=1．58

ARC                         6×10^-8                 下一层＝抗反射涂层，n＝1.58

氮化物                      2×10^-7                 下一层＝氮化硅层

Si02                        3.0877×10^-6            下一层＝氧化硅层

结合氧化物                  3.5×10^-8               下一层＝第一抗反射涂层

结合氮化物                  4×10^-8                 下一层＝第二抗反射涂层

Si：                        6×10^-6                 支承光敏区的硅层

结合XY：                    [1.6×10^-6 3.5×10^-7]   光敏区的尺寸

结合至远金属迹线边缘         2.687×10^-6             从光敏区到远金属迹线边缘

                                                   (铝)的距离

结合至近金属迹线边缘         1.588×10^-6             从光敏区到近金属迹线边缘

                                                   的距离

远金属宽度高度左边缘         [4.09×10^-7 6.5×10^-7   远金属迹线的几何形状和方

                            -1.302×10^-6]           位

近金属宽度高度左边缘         [5.97×10^-7 3.5×10^-7   近金属迹线的几何形状和方

                            -1.396×10^-6]           位

表71

在步骤11860中列举了输入参数和设计目标，例如电磁能入射角，工艺运行时间和设计约束条件。表72总结了输入参数和设计目标的示范性组：

FEM：5×10^-9                           有限元模式中物间的最小间隔

温度最大值最小值：[11×10^-10]           模拟退火优化器的温度范围(当T<Tmin时优化器停止工作)

小时：8                                模拟应采用的小时数

波导节：0                              选择是否改变优化过程中的SiO₂宽度

SiO2宽度最小：2.612×10^-6               几何上允许的最小尺寸

SiO2宽度最大：7×10^-6                   优化器假定的最大SiO₂宽度

最小部件：1.1×10^-7                     加工工艺允许的最小部件尺寸

加工最大透镜高度：7×10^-7               加工工艺允许的最大光学元件高度

最小透镜高度：4×10^-8                   加工工艺允许的最小光学元件高度，受光学元件的材料控制

偏移＝                                 由非零CRA产生的偏移量值

si基底：3.8×10^-6                       在有限元模式中硅基底的位置

固有的：2.5×10^-7                       硅/氧化物界面与光敏区之间的距离

透镜：0                                偏移.透镜...偏移.底部指示由于主射线角

光束：0                                度非零造成的偏移。这些值可以进行调整

结合：0                                从而允许EM能量通过探测器像素传播到

                                       到光敏区(即，“结合”)

迹线顶部：0

迹线底部：0

空气CRA角度：0                          来自空气的主射线角度

最小值：5.5×10^-7                       最小波长

最大值：5.5×10^-7                       最大波长

点：3                                   波长点的#

表72

在步骤11865中列举了元透镜几何形状的初始猜测。表73总结了示范性的几何结构：

 

元透镜.高度1	124×10-9	掩膜1的总高度
			元透镜.高度2	124×10-9	掩膜2的总高度，如果使用
元透镜.柱子.宽度1	[60651466]*1×10-9	柱宽数值，对于[中心右左]，假设3根柱子
			元透镜.柱子.边缘1	[3001580-2.4]*1×10-9	柱位置
元透镜材料：	钝化氮化物

表73

在步骤11870中，优化器程序开始用于修正元透镜设计，以提高穿过探测器像素到达光敏区的功率。在步骤11875中，对修正元透镜设计的性能进行评价，以确定是否满足了在步骤11860中明确的设计目标。在决定11880中，根据是否满足了设计目标作出决定。如果决定11880的答案是“是”，已经满足设计目标，则设计工艺11845以步骤11883结束。如果决定11880的答案是“否”，还没有满足设计目标，则重复步骤11870和11875。图382示出了作为主射线角(单位为“度”)的函数的耦合功率(任意单位)的示范性评价，展示的图11885与例如图376和379所示的包括微透镜的探测器像素的功率耦合性能进行比较，以及与例如图377和380所示的在内部集成有三柱元透镜的探测器像素的功率耦合性能进行比较。从图382可以看出，与包括覆盖一定范围CRA值的微透镜的探测器像素系统相比，采用设计工艺11845优化的三柱元透镜设计在光敏区始终提供具有可比性或者更优越的功率耦合性能。

形成结合在掩埋式光学元件的探测器像素结构中的CRA校正的另一种方法是采用亚波长棱镜光栅(SPG)。在本公开的上下文中，亚波长光栅的光栅周期小于波长，即， $\frac{\mathrm{\&Delta;}}{\mathrm{\&lambda;}}<\frac{1}{2n_1},$ 其中Δ是光栅周期，λ是设计波长，n₁是形成亚波长光栅的材料的折射率。亚波长光栅通常仅以零阶衍射级次传播，同时所有其它级次都有效地渐近于零。通过对横过亚波长光栅的占空因数(定义为W/Δ，其中W是光栅中柱的宽度)进行修正，有效介质理论可用于设计起到透镜、棱镜、偏光器等作用的亚波长光栅。亚波长光栅棱镜(SPG)对于探测器像素中的CRA校正特别有利。

图383示出了示范性SPG 11890，其适合用于掩埋式光学元件的探测器像素结构。SPG 11890由折射率为n₁的材料形成。SPG 11890包括具有一系列柱11895，具有不同柱宽W₁，W₂等，以及光栅周期Δ₁，Δ₂等，因此，占空因数(即，W₁/Δ₁，W₂/Δ₂等)横过SPG 11890而变化。采用例如Farn，“Binary gratings with increased efficiency”，Appl.Opt.，vol.31，no.22，pp.4453-4458，以及Prather，“Design and application ofsubwavelength diffractive elements for integration with infraredphotodetectors”，Opt.Eng.，vol.38，no.5，pp.870-878中描述的方法描述SPGs的性能。在本公开中，考虑了专门用于具有特殊制造限制的探测器像素中的CRA校正的SPG设计。

图384示出了SPG 11900的阵列，其结合在探测器像素阵列11905中。探测器像素阵列11905包括多个探测器像素11910(每一个都由虚线矩形指示)。每一个探测器像素11910都包括形成在公共基底11920上或形成在公共基底11920中的光敏区11915，以及由相邻探测器像素所共有的多个金属迹线11925。入射在探测器像素11910其中之一上的电磁能11930(由箭头指示)穿透SPG 11900阵列，其将电磁能11930指引到用于探测的光敏区11915。应当指出，图384中，探测器像素11910中的金属迹线11925发生移位，以适应16°或更小的θ_out值。

图384所示的实施例中，考虑了某些制造约束条件。特别地，假定电磁能11930从空气(折射率为n_空气＝1.0)入射到SPG 11900阵列上(由折射率为n₁＝2.0的Si₃N₄形成)，并穿透支撑材料11935(由折射率为n₀＝1.45的SiO₂形成)。此外，假定最小柱宽和柱之间的最小距离为65nm，最大长宽比(即，柱高与柱宽的比率)为10。在当今的CMOS光刻工艺中，这些材料和几何形状是可以达到的。

图385示出的流程图总结了用于设计SPG的设计工艺11940，该SPG适合用作探测器像素中的掩埋式光学元件。设计工艺11940开始于步骤11942。在步骤11944中，规定了各种设计目标；设计目标包括，例如，输入和输出角度值的预期范围(即，SPG需要的CRA校正性能)以及探测器像素的光敏区的输出功率。在步骤11946中，执行几何光学分析形成几何光学设计；也就是说，采用几何光学方法，确定能提供CRA校正性能(在步骤11944中描述)的等效常规棱镜的特性。在步骤11948中，采用基于耦合波分析的方法将几何光学设计转化为初始SPG设计。尽管初始SPG设计提供理想SPG的性质，但是该设计可能不能采用当前可用的制造技术进行制造。因此，在步骤11950中，规定了各种约束条件；相关的制造约束条件包括，例如，最小柱宽，最大柱高，最大长宽比(即，柱高与柱宽的比率)，以及形成SPG的材料。然后，在步骤11952中，按照步骤11950中规定的制造约束条件对初始SPG设计进行修正，以形成可制造的SPG设计。在步骤11954中，根据步骤11944中规定的设计目标对可制造的SPG设计的性能进行评价。步骤11954包括，例如，在例如

的商用软件上模拟可制造的SPG设计的性能。然后，根据可制造的SPG设计是否满足步骤11944的设计目标作出决定11956。如果决定11956的结果是“否-可制造的SPG设计不满足设计目标”，则设计工艺11940返回到步骤11952，再次修正SPG设计。如果决定11956的结果是“是-可制造的SPG设计满足设计目标”，则可制造的SPG设计被指定为最终SPG设计，设计工艺11940以步骤11958结束。下文中将进一步描述设计工艺11940中的每一个步骤。

图386示出了图385所示的设计工艺11940的步骤11944和11946中的SPG设计中采用的几何结构的示意图。在步骤11944和11946中，可以从辨识常规棱镜11960的特性开始，常规棱镜11960执行预期数量的CRA校正。由棱镜11960定义的参数为：

θ_in＝电磁能在棱镜的第一表面的入射角度；

θ_out＝电磁能在假想的SPG表面上的输出角度；

θ_A＝棱镜的顶角；

n₁＝棱镜材料的折射率；

n₀＝支撑材料的折射率；

α＝第一中间角；以及

β＝第二中间角。

继续参照图386，通过使用Snell定律和三角关系，输出角θ_out可以表达为θ_in，θ_A，n₁和n₀的方程式，如方程式(16)所示：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{out}}({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{in}},{\mathrm{\&theta;}}_A,n_1,n_0)={\sin }^{-1}\left\{\frac{n_1}{n_0}\sin \{{\mathrm{\&theta;}}_A-{\sin }^{-1}\left[\frac{1}{n_1}\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{in}}\right)\right]\}\right\}-{\mathrm{\&theta;}}_A$   方程式(16)

例如，根据方程式(16)，为了得到θ_out＝16°的输出角，采用由折射率n₁＝2.0的材料形成的棱镜给定输入角θ_in＝35°，则棱镜的顶角应为θ_A＝18.3°。也就是说，设定出各种参数的这些值，常规棱镜11960以输入角θ_in＝35°校正入射电磁能的传播，因此棱镜的输出角为θ_out＝16°，其位于例如CMOS探测器的光敏区的接收角光锥区中。根据实现必须的CRA校正的需要，设定常规棱镜的顶角，通过几何学就可以计算出指定棱镜的基底尺寸中常规棱镜的棱镜高度。

现在参照图387，示出了模型棱镜11962，SPG设计将基于该模型棱镜11962。模型棱镜11962由折射率为n₁的材料形成。模型棱镜11962包括与普通的探测器的像素宽度相对应的宽度为2.2微米的棱镜基底。模型棱镜11962还包括棱镜高度H和顶角θ_A，在这种情况下，根据方程式(16)可以计算出棱镜顶角为18.3°。从图387中可以看出，棱镜高度H与棱镜基底宽度和顶角θ_A之间的几何学相关表现为方程式(17)：

H＝(2.2μm)tan(θ_A)＝(2.2μm)tan(18.3°)＝0.68μm   方程式(17)

参照图388和图387，示出了包括将要计算出的尺寸的SPG 11964的示意图。SPG 11964的特性是如图385所示的设计工艺11940的步骤11948的结果；也就是，SPG 11964代表了将几何光学设计(由模型棱镜11962描述)转化成初始SPG设计的结果。假定SPG 11964的宽度(即，S_w)是模型棱镜11962的棱镜基底宽度(也就是2.2微米)，则棱镜高度H的以上计算结果将作为SPG柱的高度(即，P_H)。SPG11964的设计计算假定SPG 11964由Si₃N₄形成，并且电磁能(波长为0.45微米)从空气中入射到SPG 11964上，并从SPG 11964中出射到SiO₂。为了简单起见，忽略SPG 11964中的散射和损耗。因此，SPG11964的相关参数可由方程式(18)计算得出：

$W_i=\frac{{\mathrm{iS}}_w(N+1)-{\mathrm{iS}}_{w}N}{N(N+1)}=\frac{{\mathrm{iS}}_w}{N(N+1)}$                   方程式(18)

其中，

S_w＝2.2μm；

P_H＝H＝0.68μm；

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2n_1}=\frac{0.45\mathrm{\&mu;m}}{2\left(2\right)}=0.114\mathrm{\&mu;m};$

以及

i＝1，2，3，...，19.

 

柱子序号	宽度(nm)
		1	5
2	11
		3	16
4	22
		5	27
6	33
		7	38
8	44
		9	49
10	55
		11	60
12	66
		13	71
14	77
		15	82
16	88
		17	93
18	99
		19	104

表74

表74总结了对于i＝1，2，3，...，19时，计算出的本实施例的柱宽W_i的值。也就是说，相关SPG参数的上表和表74总结了图385所示的设计工艺11940的步骤11948的结果。

虽然以上计算结果代表了理想的SPG特性，但是应当认识到，一些柱宽W_i太小，以至于无法真正采用现有可用的制造技术进行制造。考虑到最终的SPG设计的可制造性，将最小柱宽设定为65nm，柱高P_H设定为650nm，这是由于该高度值代表了最大长宽比(即，柱高P_H与柱宽W_i的比率)约为10的现有可用制造工艺的上限。在适应制造约束条件的同时，对柱子的数量N和周期相应地修正，以简化SPG结构。施加的这些限制包括在图385所示的设计工艺11940的步骤11950中。

然后，依照设计工艺11940的步骤11952中的制造约束条件对初始SPG结构设计进行优化。

表75

表75总结了简化工艺中使用的参数。然后，利用这些参数确定可制造SPG的合适柱宽。

 

柱子序号	柱宽度(nm)
		1	65
2	67
		3	68
4	70.5
		5	70.5
6	84.6
		7	98.7
8	107.8
		9	112.9
10	115.3
		11	118.3
12	118.3

表76

表76总结了可制造SPG的修正柱宽。

设计工艺11940的步骤11954包括对可制造的SPG设计(例如，表75和76中总结的)的性能评价。图389示出了如图388所示的可制造的SPG设计接收波长535nm的s-偏振的入射电磁能时，对于输入角覆盖0°到35°范围的条件下，输入角θ_in与输出角θ_out之间的函数关系的数值计算结果图11966。采用FEMLAB

生成图11966，考虑了电磁能传播通过表76描述的可制造的SPG。在图389中可以看到，即使输入角大于30°，得到的输出角也在16°左右，从而说明可制造的SPG仍提供足够的CRA校正，使得大于30°的入射电磁能处于相关联的探测器像素的光敏区的接收角光锥区范围内。

图390示出了对于输入角覆盖0°到35°范围的条件下，输入角θ_in(例如，图386所示)与输出角θ_out(又例如，图386所示)之间的函数关系的数值计算结果图表11968，但是，这次的计算是基于图386所示装置中的几何光学器件。通过比较图表11968和图389的图表11966可以看出，尽管几何光学器件预期比可制造的SPG有更大的CRA校正，图389和390所示的线的斜率非常相近。因此，图389和390的数值计算结果通常认为可制造的SPG提供了足够的CRA校正，由于在对谐波形的麦克斯韦方程式进行求解的仿真模型中考虑了实际的制造约束条件，因此图表11966对预期的器件性能的提供了更可靠的评价。总而言之，图389和390的比较说明图385的设计工艺(例如，开始于形成特定SPG的几何光学设计)提供了制造合适SPG设计的可行方法。

图391和392分别示出了输入角θ_in以及s偏振和p偏振与入射到可制造的SPG上的电磁能的函数关系的数值计算结果图表11970和11972。尽管利用FEMLAB

生成图表11970和11972，也可以利用其它合适的软件生成图表。比较图表11970和11972，可以看到表76的可制造的SPG在目标波长和不同的偏振的范围内提供相似的CRA校正性能。并且，即使输入角大于30°，输出角也在16°左右。也就是说，在波长和偏振的一定范围内，依照本公开设计的可制造的SPG具有可制造性和一致的CRA校正。换句话说，图389-392(例如，作出设计工艺11940的决定11956)表明该可制造的SPG的确满足了设计目标。

尽管图383-392是关于进行CRA校正的SPG的设计，也可以设计能够聚集入射电磁能的SPG，并同时通过例如图380所示的包括元透镜的探测器像素结构进行CRA校正。图393和394分别示出了示范性相位分布11976的图表11974以及相应的SPG 11979，用于同时提供CRA校正和将电磁能聚焦入射到其上。相位分布11974为空间距离(任意单位)与相位(单位为弧度)之间的函数关系图，其被看作是抛物线形状的相位表面与倾斜的相位表面的组合。图393中，空间距离零对应于示范性光学元件的中心。

图394示出了具有与相位分布11976相同的相位分布的示范性SPG 11979。SPG 11979包括多个柱子11980，其中受SPG 11979的影响，相位分布正比于柱子的浓度和尺寸；也就是说，低浓度的柱子对应图393所示的低相位。换句话说，在低相位区域有较少的柱子，因此，少量的材料能够修正传输穿透的电磁能的波前；相反，高相位区域包括高浓度的柱子，提供更多的材料影响波前相位。SPG 11979的设计采用的柱子11980由折射率高于周围媒介的材料形成。进一步，SPG 11979中，柱宽和斜度设定为小于λ/(2n)，其中n为形成柱子11980的材料的折射率。

尽管之前描述的每一个实施例中，形成CMOS探测器像素阵列以及包括色彩滤波器在内的整体形成的元件的工艺都与特定的CMOS兼容工艺相关，已经证实，对于本领域技术人员而言，此前描述的方法、系统和元件可以由其它类型的半导体工艺替代，例如，BICMOS工艺，GaAs工艺和CCD工艺。类似地，应当理解，此前描述的方法、系统和元件可以采用电磁能发射器替代探测器，并且仍在本公开的精神和范围内。进一步，合适的等价物可用于替代或附加于各种元件，这些替代和附加的作用和用途为本本领域技术人员熟知，因此，视为落入本公开的范围。

由不同折射率的两种媒体形成的表面将入射在其上的电磁能部分反射。例如，由不同折射率的两个邻接的光学元件(例如，叠置的光学元件)形成的表面将入射在其上的电磁能部分反射。

由两种媒体形成的表面反射电磁能的程度与表面的反射率(“R”)成正比。反射率由方程式(19)确定：

$R=\frac{{(a\cos \mathrm{\&theta;}+b)}^2{(\cos \mathrm{\&theta;}-b)}^2+{(\cos \mathrm{\&theta;}+b)}^2{(a\cos \mathrm{\&theta;}-b)}^2}{2{(\cos \mathrm{\&theta;}+b)}^2{(a\cos \mathrm{\&theta;}+b)}^2}$               方程式(19)

其中

a＝(n₂/n₁)²

$b=\sqrt{a-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}},$

n₁＝第一媒介的折射率，

n₂＝第二媒介的折射率，以及

θ为入射角。

因此，n₁和n₂之间的差距越大，表面的反射率更大。

在成像系统中，表面的电磁能反射经常不理想。例如，由成像系统中的两个或更多表面反射电磁能将在成像系统的探测器中形成干扰的鬼像。反射还降低了到达探测器的电磁能的量。为了避免上述成像系统中电磁能的不理想反射，在上述阵列成像系统的光学元件(例如，叠置的光学元件)表面上制造抗反射层。例如，此前的图2B中，在叠置的光学元件24的一个或多个表面上制造抗反射层，例如由叠置的光学元件24(1)和24(2)确定的表面。

通过在表面上施加一层折射率匹配材料，在光学元件表面上制造抗反射层。理想的折射率匹配材料的折射率(“n_匹配”)等于方程式(20)确定的折射率：

                           方程式(20)

其中，n₁为形成第一媒介的折射率，n₂为形成第二媒介的折射率。例如，如果n₁＝1.37并且n₂＝1.60，那么n_匹配等于1.48，表面的抗反射层理想的折射率为1.48。

理想的折射率匹配材料层的厚度为折射率匹配材料中目标电磁能的波长的四分之一。这个厚度是合适的，因为其导致了从折射率匹配材料的表面反射的目标电磁能的相消干扰，从而防止了表面的反射。折射率匹配材料中电磁能的波长由如下方程式(21)确定：

                  方程式(21)

其中，λ₀为真空中的电磁能的波长。例如，假定目标电磁能为绿光，其在真空中的波长为550nm，匹配材料的折射率为1.26。那么在匹配材料中，绿光的波长为437nm，理想的匹配材料的厚度为该波长的四分之一，或109nm。

一种可能的匹配材料是低温沉积的氧化硅。在这种情况下，采用气相或等离子氧化硅沉积系统在表面上施加匹配材料。氧化硅有利地保护表面免受机械和/或化学外部影响，并用作抗反射层。

另一种可能的匹配材料是聚合物材料。这种材料可以通过使用结构主体制模而旋涂或施加在光学器件(例如，叠置的光学器件)表面上。例如，使用与用于形成叠置的光学器件的特定层的同一个结构主体在叠置的光学器件表面施加匹配材料层，该结构主体沿Z轴(例如，沿光轴)平移适当的距离(例如，匹配材料中的目标波长的四分之一)，以在叠置的光学器件上形成匹配材料层。相对于具有相对较高曲率半径的光学元件上，该工艺在具有相对较低曲率半径的光学元件上更容易进行，这是由于光学元件的曲率导致该工艺施加的匹配材料层的厚度不均匀。或者，使用结构主体在叠置的光学器件上施加匹配材料层，该结构主体不用于形成叠置的光学器件的特定层。该结构主体沿Z轴(例如，沿光轴的匹配材料中的目标波长的四分之一)进行必要的平移，设计成其表面部件或外部对准部件。

图395示出了用匹配材料作为抗反射层的实施例，其是由公共基底12008及其上的光学元件层12004和12006形成的叠置的光学器件的横截面图12000。抗反射层12002位于层12004和12006之间。抗反射层12002为匹配材料，意味着理想的抗反射层12002的折射率n_匹配由方程式(21)确定，其中n₁为层12004的折射率，n₂为层12006的折射率。抗反射层12002的厚度12014等于抗反射层12002中目标电磁能波长的四分之一。公共基底12008可以是探测器(例如，图2A的探测器16)或者用于WALO型光学器件的玻璃板。图395还示出了图例12000的两个局部图12010。局部图12010(1)描述了折射率由方程式(20)确定的折射率匹配材料形成的抗反射层12002。局部图12010(2)描述了由两个子层形成的抗反射层12002，下文即将描述这两个子层。

抗反射层还可以由多个子层制造，其中多个子层共同具有的有效折射率(“n_eff”)理想地等于由方程式(21)确定的n_匹配。另外，抗反射层可以由使用相同材料两个子层方便地制造，用于制造两个光学元件形成表面。局部图12010(2)示出了元件12004和12006以及抗反射层12003的细节。第一和第二子层12003(1)和12003(2)的厚度分别近似等于子层中目标电磁能的波长的1/16。

表77总结了由图395的局部图12010(2)中的叠层的光学元件的两个层(以下称作“LL1”和“LL2”)所确定的表面上的两层抗反射层的示范性设计。在该实施例中，抗反射层包括由相同材料制造的称作“AR1”和“AR2”的两个子层，用于制造层LL1和LL2。表77中指出，第一子层与层LL2由相同的材料形成，第二子层与层LL1由相同的材料形成。表77中目标电磁能的波长为505nm。

 

层	材料	折射率	消光系数	物理厚度(nm)
					LL1	低折射率聚合物	1.37363	0
AR1	高折射率聚合物	1.61743	0	25.3
					AR2	低折射率聚合物	1.37363	0	29.9
LL2	高折射率聚合物	1.61743	0
总厚度				55.2

表77

图396的图表12040为由表77的LL1和LL2确定的表面的波长与反射率之间的函数关系，具有和不具有表77中确定的抗反射层的层。曲线12042代表层LL1和LL2之间的表面的反射率，不具有表77中确定的抗反射层；曲线12044代表具有表77中确定的抗反射层的反射率。从图表10204中可以观察到，抗反射层降低了由层LL1和LL2确定的表面的反射率。

通过在光学元件的表面制造(例如，制模或蚀刻)亚波长部件，在光学元件表面形成抗反射层。该亚波长部件例如包括位于光学元件表面的凹进处，其中至少一个凹进处的尺寸(例如，高度、宽度或深度)小于抗反射层中的目标电磁能的波长。凹进处例如由填充材料填充，该填充材料的折射率不同于制造光学元件的材料。该填充材料可以例如是聚合物，其用于在已有的光学器件上形成另一个光学元件。例如，如果亚波长部件形成在第一叠层光学元件上，第二叠层光学元件在第一叠层光学元件上直接施加，填充材料为用于制造第二叠层光学元件的材料。或者，如果光学元件的表面与其它光学元件的不接触，填充材料为空气(或者是在光学元件的环境中的其它气体)。任何一种方法，填充材料(例如，聚合物或空气)与用于制造光学元件的材料的折射率不同。因此，亚波长部件、填充材料、以及未校正的光学元件的表面(光学元件的表面部分不包括亚波长部件)形成有效折射率为n_eff的有效媒介层。如果n_eff约等于方程式(20)确定的n_匹配，该有效媒介层用作抗反射层。布拉格方程式给出了由两种不同材料的组合确定的有效折射率的关系，由方程式(21)给定：

$p\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_A-{\mathrm{\&epsiv;}}_e}{{\mathrm{\&epsiv;}}_A+2{\mathrm{\&epsiv;}}_e}+(1-p)\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_B-{\mathrm{\&epsiv;}}_e}{{\mathrm{\&epsiv;}}_B+2{\mathrm{\&epsiv;}}_e}=0$                 方程式(21)

其中，p为第一组成材料A的体积分数，ε_A为第一组成材料A的复数介电方程式，ε_B为第二组成材料B的复数介电方程式，ε_e为有效媒介的合成复数介电方程式。复数介电方程式ε通过方程式(22)与折射率n和吸收常数k相关：

ε＝(n+ik)²                         方程式(22)

有效折射率为亚波长部件的尺寸和几何形状以及光学元件表面的填充因素的函数，其中填充因素定义为未校正表面部分(例如，不具有亚波长部件)与整个表面的比率。如果亚波长部件相对于目标电磁能波长足够小，并且沿着光学元件表面充分地均匀分布，有效媒介层的有效折射率完全近似为填充材料和用于制造光学元件的材料的折射率的函数。

亚波长部件可以是周期的(例如，正弦波)或者非周期的(例如，随意的)。亚波长部件可以是平行的或非平行的。平行的亚波长部件可导致穿透有效媒介层的电磁能的偏振状态选择性，该偏振可能是理想的，也可能是不理想的，其取决于应用。

如上所述，至少一个亚波长部件的尺寸小于有效媒介层中目标电磁能的波长，这是很重要的。在一个实施方案子中，至少一个亚波长部件的尺寸小于或等于尺寸D_max，其由方程式(23)确定：

$D_{\max }=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2n_{\mathrm{eff}}}$                            方程式(23)

其中，λ₀为真空中目标电磁能的波长，n_eff为有效媒介层的有效折射率。

亚波长部件可以模制在光学元件的表面，该光学元件采用具有定义了负亚波长部件的表面的结构主体；该负亚波长部件为亚波长部件的倒转，其中负亚波长部件上的凸起表面与形成在光学元件上的亚波长部件的凹进处相对应。例如，图397描述了结构主体12070，其具有包括负亚波长部件12076的表面，该负亚波长部件12076应用于可模制材料12078的表面12086，该可模制材料12078将用于在公共基底12080上制造光学元件。结构主体12070与可模制材料12078衔接，由箭头12084指示，以在最终的光学元件表面12086上模制亚波长部件。

表面12072上的负亚波长部件12076太小了，以致于无法通过眼看到。表面12072的局部图示出了负亚波长部件12076的示范性细节。尽管图397中展示的负亚波长部件12076为正弦波，负亚波长部件12076可以任何周期或非周期结构。负亚波长部件12076的最大“深度”12082小于由亚波长部件模制表面12086形成的有效媒介层中的物电磁能的波长。

如果邻近于表面12086形成另一个光学元件，模制在表面12086上的亚波长部件由填充材料填充，该填充材料的折射率不同于制造光学器件12078的材料。填充材料可用于在表面12086上制造附加的光学元件；或者，填充材料可以是空气或者表面12086的环境中的另一种气体。亚波长部件形成在可模制材料12078中，当其被第二材料填充共同形成有效媒介层时，该亚波长部件用作抗反射层。

图398示出了图268的加工表面6410的子部分12110的数字栅格模型。应当指出的是，数字模型近似于飞刀切削加工表面6410。子部分12110被离散，以进行电磁能建模。因此，下述的基于离散模型的最终性能图表也是近似值。加工表面6410可以包括在结构主体表面上，以形成负亚波长部件。例如，加工表面6410可形成图397的结构主体12070的负亚波长部件12076。子部分12110区域由黑色块12112代表，刀具已经从结构主体去除该区域的材料；该区域为凹进处。子部分12110区域由白色块12114代表，保留表面的该区域材料；该区域为支柱。为了描述清楚，图398仅标注了凹进处和支柱。

子部分12110包括重复横跨加工表面6410表面的四个格子单元阵列，以形成周期结构的负亚波长部件。子部分12110左下方的格子单元具有周期12116(“W”)和高度12118(“H”)。W与H的比率或格子单元的深宽比由方程式(24)确定：

$H=\sqrt{3}W$                    方程式(24)

可以将加工表面6410确定的负亚波长部件的周期定为W。至少一个部件或格子单元的尺寸(例如，图398所示的W)小于由具有加工表面6410的结构主体形成的有效媒介层的目标电磁能的波长，这一点是很重要的。加工表面6410的每一个格子单元具有如下特性：(1)支柱填充因数(“f_H”)0.444；(2)凹进处填充因数(“f_L”)0.556；(3)周期(W)200nm；(4)厚度等于凹进处12112的深度104.5nm。

图399为垂直入射到平坦表面上的电磁能的波长与反射率的函数关系图表12140，该平坦表面具有由加工表面6410的结构主体形成的亚波长部件。曲线12146对应于周期为400nm的格子单元；曲线12144对应于周期为200nm的格子单元；曲线12142对应于周期为600nm的格子单元。从图399中可以观察到，如果格子单元的周期为200nm或400nm，表面的反射率在波长0.5微米左右几乎为零。然而，当格子单元的周期为600nm时，表面的反射率在小于0.525微米的波长范围显著提高，这是由于对于这些尺寸的周期，表面轮廓不再表现为超材料(metamaterial)，而成为衍射材料。因此，图399示出了保证格子单元的周期足够小的重要性。

图400为入射到平坦表面上的电磁能入射角与反射率的函数关系图表12170，该平坦表面具有由加工表面6410的结构主体形成的亚波长部件。图表12170假定格子单元的周期为200nm。曲线12174对应于波长为500nm的电磁能；曲线12172对应于波长为700nm的电磁能。曲线12172和12174的比较说明亚波长部件不但依赖于入射角，而且依赖于波长。

图401为入射到曲率半径为500微米的示范性半球状的光学元件上的电磁能入射角与反射率的函数关系图表12200，该平坦表面具有由加工表面6410的结构主体形成的亚波长部件。曲线12204对应于具有用具有加工表面6410的结构主体形成的亚波长部件的光学元件，曲线12202对应于不具有亚波长部件的光学元件。可以观察到，具有亚波长部件的光学元件的反射率低于不具有亚波长部件的光学元件的反射率。

如上论述，用作抗反射层的有效媒介层可通过在光学元件表面模制亚波长部件形成在光学元件表面，该亚波长部件可用具有包括负亚波长部件的表面的结构主体模制。该负亚波长部件可采用多种工艺形成在结构主体表面。下文将讨论这些工艺的实施例。

负亚波长部件可通过飞刀切削工艺形成在结构主体表面，例如此前在图267-268中论述的。采用飞刀切削工艺形成的负亚波长部件可以是周期性的。例如加工表面6410的子部分12110(图398)可以采用刀具进行飞刀切削，该刀具的尺寸大小根据格子单元的宽度而定。在图398的情况下，如果格子单元的宽度为200nm，高度为340nm，则刀具的宽度接近60nm。

在结构主体表面上形成负亚波长部件的另一个方法是采用如图224所示的金刚石刀具。金刚石刀具在图223所示的表面(例如，结构主体表面)切出沟槽。然而，金刚石刀具只能形成与平行和周期的亚波长部件对应的负亚波长部件。可以采用光栅化纳米压痕图案化在结构主体表面上形成负亚波长部件。这种图案化方法是一种冲压工艺，可用于形成周期或非周期的负亚波长部件。

在结构主体表面上形成负亚波长部件的另一个方法是激光烧蚀。激光烧蚀可用于形成周期或非周期的负亚波长部件。高功率脉冲受激准分子激光器，例如，KrF激光器，能振荡型同步产生几个微焦耳或光量开关的脉冲能量，在248nm产生超过1焦耳的脉冲能量，进而在结构主体表面进行该激光烧蚀。例如，采用如下所述的KrF激光器的受激准分子激光烧蚀形成特征尺寸小于300nm的负亚波长部件表面的浮雕结构。激光经由CaF₂光学器件聚焦在衍射极限点，并光栅横跨结构主体表面。对激光脉冲能量或脉冲数量进行修正，将部件(例如，凹陷)烧蚀到预期深度。调整部件的间隔，以获得与负亚波长部件设计相应的填充因数。其它激光器也适于进行激光烧蚀，包括ArF激光器和CO₂激光器。

采用蚀刻工艺在结构主体表面上进一步形成负亚波长部件。在该工艺中，采用蚀刻剂蚀刻结构主体表面的凹陷。凹陷与结构主体表面材料的晶粒大小和结构有关；该晶粒大小和结构是结构主体表面材料(例如，金属合金)、材料温度以及材料的机械加工的函数。材料的晶格板和缺陷(例如，晶界和结晶错位)将影响凹陷形成的速率。晶界和错位通常随机取向或者一致性较低；因此，凹陷的空间分布和尺寸也是随机的。凹陷的尺寸大小取决于如下特性，蚀刻化学、结构主体和蚀刻剂的温度、晶粒尺寸大小以及蚀刻工艺持续的时间。可选的蚀刻剂包括腐蚀性物质，例如盐和酸。作为一个实施例，结构主体具有黄铜表面。由重铬酸钠和硫酸组成的蚀刻剂可用于蚀刻黄铜表面，结果得到的凹陷包括立方形和正方形。

如果抗反射层形成在光学元件表面，邻近光学元件边缘的抗反射层或层要比光学元件中心的抗反射层或层更厚。该需求是由于光学元件的曲率引起的，邻近光学元件边缘的表面的电磁能入射角增大。

光学器件通过模制形成，例如在公共基底或叠层的光学元件(例如，之前的图2B的叠层的光学元件24)上制造的一个光学元件通常在固化过程中收缩。图402示出了图表12230，其描述了该收缩的实施例。图表12230示出了模子(例如，结构主体的一部分)和固化的光学元件的横截面；垂直轴代表模子和固化的光学元件的轮廓尺寸，水平轴代表模子和固化的光学元件的径向尺寸。曲线12232代表模子的横截面，曲线12234代表固化的光学元件的横截面。由于固化而收缩的光学元件可以通过曲线12234通常小于曲线12232而观察到。该收缩导致光学元件的高度、宽度以及曲率的变化，可能导致像差例如离焦。

为了避免光学元件收缩引起的像差，形成光学元件所使用的模子可以大于光学元件的预期尺寸，以补偿固化过程中光学元件的收缩。图403示出了图表12260，其为模子(例如，结构主体的一部分)和固化的光学元件的横截面。曲线12262代表模子的横截面，曲线12264代表光学元件的横截面。图表12260(图403)与图表12230(图402)不同，因为图403的模子的大小被调整以补偿固化过程中光学元件的收缩。因此，图403的曲线12264对应于图402的曲线12232；所以，图403的光学元件的横截面对应于图402的光学元件经模制而得到的预期横截面。

光学元件急弯表面处的收缩，例如，图403的拐角12266和12268，通过形成光学元件的材料的粘度和模量而控制。拐角12266和12268最好不进入光学元件的清洗孔径，因此，拐角12266和12268的曲率半径在光学元件模子中相对较小，从而降低拐角12266和12268进入光学元件的清洗孔径的可能性。

探测器像素，例如图4的探测器像素78，通常配置成“前面发光”。在前面发光的探测器像素中，电磁能进入探测器像素(例如，探测器像素78的表面98)的前表面，在穿过金属互连(例如，探测器像素78的金属互连96)的层中传播到光敏区(例如，探测器像素78的光敏区94)。成像系统通常形成在前面发光的探测器像素的前表面。另外，掩埋式光学器件可以形成在如上所述的前面发光像素的支撑层的邻近处。

然而，在该特定实施方式中，探测器像素还可以配置成“背面发光”，上述成像系统可经配置与该背面发光探测器像素共同使用。在背面发光探测器像素中，电磁能进入探测器像素的背面，并直接撞击光敏区。因此，电磁能方便地传播到光敏区，而不需要通过一系列层；层中的金属互连阻止电磁能到达光敏区。如上所述的成像系统可施加在背面发光的探测器像素的背面。

在制造过程中，探测器像素的背面通常由厚硅晶片覆盖。该硅晶片必须通过例如蚀刻或研磨晶片变薄，以便于电磁能能够穿透晶片到达光敏区。图404示出了包括硅晶片12308和12310的探测器像素12290和12292的横截面图。每一个硅晶片12308和12310包括区域12306，其包括光敏区12298。硅晶片12308是一种通常称为绝缘体上硅(“SOI”)晶片，还包括额外硅部分12294和埋氧层12304；硅晶片12310还包括额外硅部分12296。额外硅部分12294和12296必须去除，从而电磁能18可以到达光敏区12298。在去除了额外硅部分12294之后，探测器像素12290将具有背面12300，并且，在去除了额外硅层12296之后，探测器像素12292将具有背面12302。

由氧化硅形成的埋氧层12304防止区域12306在去除额外硅部分12294的过程中被损坏。通常很难精确控制硅的蚀刻和研磨；因此，存在区域12306被损坏的危险，这是由于如果区域12306与额外硅部分12294不分开，就无法精确停止硅晶片的蚀刻和研磨。埋氧层12304将区域12306与额外硅部分12294分开，从而防止在去除额外硅部分12294的过程中意外地去除区域12306。埋氧层12304还有利于邻近探测器像素12290表面12300形成下述的掩埋式光学元件。

图405示出了背面发光的探测器像素12330、层结构12338以及与探测器像素12330共同使用的三柱元透镜12340的横截面图。为了建模，光敏区12336可近似为区域12342中央的矩形体。可以为探测器像素12330增加层(例如，滤波器)，以改进电磁能收集性能。另外，可以修正探测器像素12330的已有层，以改进其性能。例如，可以对层12332和/或12234进行修正，以改进滤波器像素12330的性能，如下文所述。

可以对层12332和/或12234进行修正，以形成一个或多个滤波器，例如色彩滤波器和/或红外截断滤波器。在一个实施例中，将层12334修正成叠层结构12238，用作色彩滤波器和/或红外截断滤波器。还可以对层12332和/或12234进行修正，从而将电磁能18指引到光敏区12336上。例如，层12334可形成元透镜，将电磁能18指引到光敏区12336上。元透镜的一个实施例如图405所示的三柱元透镜12340。另一个实施例，层12332和12234可由薄膜替代，从而层12332和12234共同形成共鸣器，其通过光敏区12336增加电磁能的吸收。

图406的图表12370示出了组合色彩和红外阻挡滤波器的波长与透射的函数关系，该滤波器可形成在配置成背面发光的探测器像素中。例如，滤波器可以形成在图405的探测器像素12330的层12334中。由虚线表示的曲线12374代表青色光的透射；由点线表示的曲线12376代表黄光的透射；由实线表示的曲线12372代表洋红色光的透射。表78总结了550nm参考波长和垂直入射的IR截止CMY滤波器的示范性设计。

表78

图407示出了配置成背面发光的探测器像素12400的横截面图。探测器像素12400包括光敏区12402，其具有1微米边长的正方形横截面。光敏区12402与抗反射层12420之间分开的距离12408为500nm。抗反射层12420由厚度12404为30nm的氧化硅子层和厚度12406为40nm的氮化硅子层组成。

用于将电磁能18指引到光敏区12402的元透镜12422邻近抗反射层12420。除了由氮化硅制成的大柱子12410和小柱子12412之外，元透镜12422由氧化硅制成。大柱子12410的宽度12416为1微米，小柱子12412的宽度为120nm。大柱子12410和小柱子12412的深度12418为300nm。小柱子12412与大柱子12410之间分开90nm的距离。包括元透镜12422的探测器像素12400的量子效率比不包括元透镜12422的探测器像素12400的实施方式高出近33％。轮廓12426代表探测器像素12400中的电磁能密度。从图407中可以观察到，轮廓示出电磁能18通过元透镜12422垂直入射在光敏区12402上。

从探测器像素12400背面去除了额外硅层之后，抗反射层12420和元透镜12422可以形成在探测器像素12400中或其上。例如，如果探测器像素12400为图405的探测器像素12330的一个实施方式，抗反射层12420和元透镜12422可以形成在探测器像素12330的层12334中。

图408为配制成背面发光的探测器像素12450的横截面图。探测器像素12450包括光敏区12452和两柱元透镜12454。通过研磨或蚀刻去除探测器像素12450背面的额外硅片直至表面12470，形成元透镜12454。然后，进一步对蚀刻区域12456进行蚀刻直至探测器像素12450的硅片。每一个蚀刻区域12456的宽度12472为600nm，厚度12460为200nm。每一个蚀刻区域12456围绕光敏区12452，与中心线的距离12464为1.1微米。蚀刻材料由填充材料填充，例如氧化硅。填充材料还可以形成厚度12468为600nm的层12458，其作为钝化层。因此，元透镜12454包括硅未蚀刻区域12474和填充的蚀刻区域12456。轮廓12466代表探测器像素12450中的电磁能密度。从图408中可以观察到，轮廓示出通过元透镜12454垂直入射到光敏区12452上的电磁能18。图409为图408的探测器像素12450的波长与量子效率的图表12490。曲线12492代表具有元透镜12454的探测器像素12450，曲线12494代表不具有元透镜12454的探测器像素12450。从图409中可以观察到，元透镜12454增加了近15％的探测器像素12450的量子效率。

在不偏离本范围的情况下，可以对在此描述的成像系统作出上述变化或其它变化。因此，应当指出的以上描述包括的内容或附图所示的的内容应当理解为解释性的，并不是限制性的。以下权利要求旨在覆盖在此描述的一般的或特定的部件，本方法和系统的范围的所有声明，根据语言的表达方式，可能落入其间。

Claims (67)

1.一种阵列成像系统，包括：

与公共基底一起形成的探测器阵列；以及

叠层光学元件的第一阵列，每一个叠层光学元件与所述探测器阵列中的探测器光学连接，以在所述阵列成像系统中形成一个成像系统，

其中所述叠层光学元件之间以小于所述探测器可探测到的电磁能的两个波长的光学公差相互对准。

2.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中通过顺序运用至少一个结构主体而至少部分形成所述叠层光学元件的第一阵列，其中每一个所述结构主体具有用于限定所述叠层光学元件的第一阵列的部件。

3.如权利要求2所述的阵列成像系统，其中所述部件以小于所述探测器可探测到的电磁能的两个波长的光学公差形成。

4.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件的第一阵列支撑在所述公共基底上。

5.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件的第一阵列支撑在相对于所述公共基底定位的分立的基底上，从而使每一个所述叠层光学元件与所述探测器光学连接。

6.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括选自(a)所述探测器的盖板和(b)光学带通滤波器中至少一个的组件。

7.如权利要求6所述的阵列成像系统，其中所述盖板部分覆盖所述叠层光学元件的第一阵列。

8.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述公共基底包含半导体晶片、玻璃板、晶体板、聚合物片以及金属板其中之一。

9.如权利要求2所述的阵列成像系统，其中，在制造过程中，所述公共基底、所述结构主体以及卡盘中的至少两个相互对准。

10.如权利要求9所述的阵列成像系统，其中所述公共基底、所述结构主体以及所述卡盘中的至少两个采用在其上限定的对准部件对准。

11.如权利要求9所述的阵列成像系统，其中所述公共基底、所述结构主体以及所述卡盘中的至少两个相对于公用坐标系对准。

12.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括相对于所述叠层光学元件的第一阵列定位的叠层光学元件的第二阵列。

13.如权利要求12所述的阵列成像系统，进一步包括设置在所述叠层光学元件的第一阵列和第二阵列之间的至少一个隔板装置，其中所述隔板装置包括密封剂、支架部件和隔板中的至少一个。

14.如权利要求12所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件的第二阵列中的至少一个叠层光学元件可在至少两个位置之间活动，以便根据所述至少两个位置，使所述探测器处的图像具有可变的放大率。

15.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括相对于所述叠层光学元件的第一阵列定位的单独光学元件阵列。

16.如权利要求15所述的阵列成像系统，进一步包括设置在所述叠层光学元件的第一阵列和所述单独光学元件阵列之间的隔板装置。

17.如权利要求16所述的阵列成像系统，其中所述隔板装置包括密封剂、支架部件和隔板中的至少一个。

18.如权利要求15所述的阵列成像系统，其中所述单独光学元件中至少一个可以在两个位置之间活动，以便根据所述至少两个位置，使所述探测器处的图像具有可变的放大率。

19.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件中的每一个相对于所述探测器中相应的一个探测器、所述公共基底、公用坐标系、卡盘以及在其上形成的对准部件中的至少一个按照光学公差对准。

20.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括可变焦距元件，其与所述叠层光学元件中的至少一个合作以调节成像系统的焦距。

21.如权利要求20所述的阵列成像系统，其中所述可变焦距元件包括液体透镜、液晶透镜和热可调整透镜中的至少一个。

22.如权利要求20所述的阵列成像系统，其中所述光学元件中至少一个被配置成与所述叠层光学元件中的其它光学元件以及与之光学连接的探测器合作，以使所述探测器处的图像具有可变的放大率。

23.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括用于调节至少一个所述阵列成像系统的焦距的可变焦距元件。

24.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中使所述叠层光学元件中至少一个对通过其传播的电磁能波前进行预定编码。

25.如权利要求1所述的阵列成像系统，所述探测器中至少一个包括多个探测器像素，所述阵列成像系统进一步包括与所述探测器中至少一个像素整体形成的光学器件，以在所述至少一个探测器像素内重新分布电磁能。

26.如权利要求25所述的阵列成像系统，其中所述光学器件包括主射线校正器、滤波器和元透镜中的至少一个。

27.如权利要求1所述的阵列成像系统，所述探测器中至少一个具有多个探测器像素和微透镜阵列，每一个所述微透镜与至少一个所述多个探测器像素光学连接。

28.如权利要求1所述的阵列成像系统，所述探测器中至少一个具有多个探测器像素和滤波器阵列，每一个所述滤波器与至少一个所述多个探测器像素光学连接。

29.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件的第一阵列包括可模压材料。

30.如权利要求29所述的阵列成像系统，其中所述可模压材料包括低温玻璃、丙烯酸树脂、丙烯酸氨基甲酸酯、环氧树脂、环烯共聚物、硅树脂和具有溴化聚合物链的材料中的至少一个。

31.如权利要求30所述的阵列成像系统，其中所述可模压材料进一步包括二氧化钛、氧化铝、二氧化铪、氧化锆和高折射率玻璃粒中的一种。

32.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述探测器阵列包括印刷在所述公共基底上的印刷探测器。

33.如权利要求1所述的阵列成像系统，进一步包括在至少一个所述叠层光学元件表面形成的抗反射层。

34.如权利要求33所述的阵列成像系统，所述抗反射层包括在所述至少一个叠层光学元件表面的多个亚波长部件。

35.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中每一对探测器和叠层光学元件包括位于两者之间的平坦界面。

36.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中通过在公共基底上堆叠多种材料形成所述叠层光学元件的第一阵列。

37.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中每一个叠层光学元件包括位于所述公共基底上的多层光学元件。

38.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件的第一阵列由与晶片级封装工艺兼容的材料形成。

39.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述阵列成像系统被分成多个不同的成像系统。

40.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述探测器阵列包括CMOS探测器阵列。

41.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述探测器阵列包括CCD探测器阵列。

42.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述阵列成像系统分成多个成像组，每一个成像组包括两个或两个以上的成像系统。

43.如权利要求42所述的阵列成像系统，其中每一个成像组进一步包括处理器。

44.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括第一、第二和第三曲面，所述第一、第二和第三曲面中的至少两个通过隔板分开。

45.如权利要求44所述的阵列成像系统，其中所述第一、第二和第三曲面分别具有正曲率、正曲率和负面曲率。

46.如权利要求45所述的阵列成像系统，其中每一个成像系统的总光轨小于3.0mm。

47.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括第一、第二、第三和第四曲面，所述第二和第三曲面通过第一隔板分开，所述第四曲面和与之光学连接的探测器通过第二隔板分开。

48.如权利要求47所述的阵列成像系统，其中所述第一、第二、第三和第四曲面分别具有正曲率、负面曲率、负面曲率和正曲率。

49.如权利要求48所述的阵列成像系统，其中每一个成像系统的总光轨小于2.5mm。

50.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括主射线校正器。

51.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中所述叠层光学元件与至少一个所述成像系统的探测器合作，以在预选的空间频率范围内显示出基本一致的调制传递函数。

52.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括一体化支架。

53.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括矩形光圈、方形光圈、圆形光圈、椭圆形光圈、多边形光圈和三角形光圈中的至少一种。

54.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括对传播通过所述至少一个叠层光学元件的电磁能波前进行预定编码的非球面光学元件。

55.如权利要求54所述的阵列成像系统，其中与所述至少一个叠层光学元件光学连接的所述探测器被配置成将入射在其上的电磁能转换成电信号，并且所述阵列成像系统进一步包括与所述探测器电连接的处理器，对所述电信号进行处理以去除所述非球面光学元件引入到电磁能中的成像效应。

56.如权利要求55所述的阵列成像系统，其中，相对于不具有非球面光学元件和处理器的成像系统，所述非球面光学元件和处理器进一步被配置成共同减少由场曲、叠层光学元件的高度变化、依赖于视场的像差、制造相关像差、依赖于温度的像差、所述公共基底的厚度和平面度变化中的至少一个引入到电磁能中的伪像。

57.如权利要求55所述的阵列成像系统，其中所述处理器执行可调整的滤波器核心。

58.如权利要求55所述的阵列成像系统，其中所述处理器与形成所述探测器的电路集成。

59.如权利要求58所述的阵列成像系统，其中在所述公共基底的一个硅层中形成所述探测器和所述处理器。

60.如权利要求54所述的阵列成像系统，其中至少一个成像系统的至少一个散焦MTF显示出比不具有非球面光学元件的相同的成像系统更宽的峰宽。

61.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中每一个成像系统形成照相机。

62.如权利要求1所述的阵列成像系统，至少一个所述叠层光学元件是消色差的。

63.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中每一个探测器包括多个探测器像素，所述阵列成像系统进一步包括直接邻近至少一个探测器布置并且与该探测器的探测器像素对应以提高该探测器的聚光能力的多个微透镜。

64.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括阻板，用于阻挡通过反射、吸收和散射中的至少一种穿过所述叠层光学元件的光程之外的杂光。

65.如权利要求64所述的阵列成像系统，其中所述阻板包括染料聚合物、多个薄膜以及光栅中的至少一个。

66.如权利要求1所述的阵列成像系统，其中至少一个所述叠层光学元件包括抗反射元件。

67.如权利要求66所述的阵列成像系统，其中所述抗反射元件包括多个薄膜和光栅中的至少一个。

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