CN101861542A - 多区域成像系统 - Google Patents

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Abstract

成像系统包括用于形成光学图像的光学器件，该光学器件提供在光学图像中的第一区域和在光学图像中的第二区域，该第一区域的特征是最佳聚焦的第一范围，该第二区域的特征是最佳聚焦的第二范围。第一和第二范围对应于不连续的物距范围。传感器阵列将光学图像转换成数据流，数字信号处理器处理数据流以产生最终图像。

Description

多区域成像系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年8月4日提交的、序号60/953,998的、标题为“MULTIREGION IMAGING SYSTEMS AND ASSOCIATEDMETHODS(多区域成像系统和相关方法)”的美国临时专利申请的优先权和于2008年5月28日提交的、序号61/056,730的、标题为“MULTIREGION IMAGING SYSTEMS(多区域成像系统)”的美国临时专利申请的优先权。通过引用并入所有上述专利申请的全部内容。
背景技术
传统的成像系统通常被设计为使得最终图像的质量在物空间的狭窄区域上较高；例如，传统的成像系统可以对位于物体共轭距离的狭窄范围上的物体成像，以形成焦点对准的图像。物空间的这个狭窄区域的深度由系统的景深确定。更近来的成像系统可以采用非传统的成像设计和技术，与传统的系统相比，该成像设计和技术允许增加的景深。例如，于1998年5月5日授权的、标题为“EXTENDED DEPTHOF FIELD OPTICAL SYSTEMS(扩展景深的光学系统)”的、序号5,746,371的美国专利公开了被配置来提供增加的景深的成像系统。
发明内容
成像系统包括用于形成光学图像的光学器件，所述光学器件提供在所述光学图像中的第一区域和在所述光学图像中的第二区域，所述第一区域的特征是最佳聚焦的第一范围，所述第二区域的特征是最佳聚焦的第二范围。所述第一范围和所述第二范围对应于不连续的物距范围。传感器阵列将所述光学图像转换成数据流，数字信号处理器处理所述数据流以产生最终图像。
在包括成像光学器件和传感器阵列的成像系统中，改进包括光学元件，其位于所述成像系统内并横断入射在所述传感器阵列上的至少一部分电磁能量。所述光学元件与所述成像光学器件和所述传感器阵列配合以从所述电磁能量形成第一图像部分和第二图像部分。所述第一图像部分在第一共轭距离范围上是焦点对准的，所述第二图像部分在第二共轭距离范围上是焦点对准的。两个共轭距离范围分离开至少40cm。
在利用成像光学器件和传感器阵列成像的方法中，改进包括配置所述成像光学器件，使得通过所述成像光学器件传送的并且入射在所述传感器阵列上的电磁能量形成图像，该图像在对于所述图像的两个各自部分的至少两个共轭距离范围上是焦点对准的。两个共轭距离范围分离开至少40cm。
附图说明
本公开可以参考通过对结合下面简要描述的附图进行的如下详细描述来理解。注意到，为了说明清晰，附图中的某些要素没有按照比例绘出。
图1和图2示出了依照实施方式的适合于使用多区域成像系统的可能应用场景；
图3示出了依照实施方式的多区域成像系统的框图；
图4至图7示出了依照实施方式的用于配置多区域成像系统的分析和设计方法；
图8示出了依照实施方式的示例性一维出射光瞳阶段轮廓的图；
图9示出用于衍射受限成像系统的模糊度函数的图；
图10和图11分别示出了依照实施方式的三次相位成像系统和多区域成像系统的模糊度函数的图；
图12示出了依照实施方式的示例性成像系统的框图；
图13示出了没有专门的相位表面的图12的示例性成像系统的跨焦MTF曲线的图；
图14示出了依照实施方式的图12的成像系统的非球面的一个设计实例的表面凹陷图；
图15示出了依照实施方式的图12的示例性成像系统的跨焦MTF曲线的图，这次包括在图14中指定的非球面；
图16至图19示出了依照实施方式的对于在不同的共轭距离处的包括图14的非球面的图12的系统的多色MTF曲线。
图20至图24包括依照实施方式的与涉及图16至图19的系统相同的多色MTF曲线，但是这些多色MTF曲线已经被优化成还提供在25cm共轭距离处的适当成像；
图25示出了依照实施方式的适合于在图12的系统中使用的非球面的另一个实施例；
图26示出了依照实施方式的改变来利用图25的表面的图12的成像系统的跨焦MTF；
图27至图30示出了依照实施方式的与利用图25的表面的图12的系统有关的多色MTF曲线；
图31示出了依照实施方式的多区域成像系统的另一个实施例；
图32示出了依照实施方式的依照表6和7设计的系统的多色跨焦MTF曲线的图；
图33至图35示出了依照实施方式的依照表6和7设计的系统的单色跨焦MTF曲线；
图36至图39示出了依照实施方式的对于依照表6和7设计的系统在多个共轭距离处的多色MTF曲线；
图40示出了依照实施方式的包括子波长特征的多区域成像系统的框图；
图41示出了依照实施方式的适合于用在多区域成像系统上的子波长特征轮廓的实施例；
图42示出了依照实施方式的与衍射受限成像系统和图41的子波长特征的组合有关的模糊函数；
图43示出了依照实施方式的根据表8中归纳的规定的表面凹陷；
图44示出了对于包括图43的表面的系统的多色跨焦MTF；
图45至图48示出了依照实施方式的对于包括图43的表面凹陷的多区域成像系统在多个物距处的MTF曲线；
图49依照实施方式示出在与如图2中描述的类似场景中，当从汽车的内部看时的前视成像系统的透视图；
图50示出了依照实施方式的空间变化的多区域成像系统的框图；
图51示出了依照实施方式的示例性空间变化的多区域成像系统的框图；
图52至图55示出了依照实施方式的图51的空间变化的多区域成像系统的多色衍射MTF曲线；
图56示出了依照实施方式的图51的空间变化的多区域成像系统的跨焦MTF曲线；
图57至图62示出了用于图51的多区域成像系统的不同孔径配置；以及
图63至图75示出了用于图51的多区域成像系统的多种不同组装配置。
具体实施方式
尽管可以使用不同的技术来增加成像系统的景深，但是可能存在一些限制。例如，在一定范围的共轭距离上在特定空间频率处的调制传递函数(“MTF”)(也称为“跨焦MTF(through-focus MTF)”)的高度是与通过成像系统可实现的图像质量有关的量(注意，在整个本申请中，术语“共轭距离”是指在物体共轭距离意义下)。对于给定的应用，因为在特定共轭距离处的MTF的最大值是由衍射受限的MTF决定的，所以成像系统的设计者不可以任意设置跨焦MTF的高度。尽管对于传统成像系统的跨焦MTF曲线在特定共轭距离处通常包括一个峰并且离开峰下降到接近零，但是对于扩展景深的成像系统的跨焦MTF曲线可以在一定范围的共轭距离上具有非零值。在扩展景深的成像系统中，跨焦MTF的高度(和/或成像系统的聚光能力)还可以相对于衍射受限系统的跨焦MTF的高度降低。
理解前述的跨焦MTF随着增加的景深而下降的数学方法是要考虑对于给定孔径的一般的单色出射光瞳相位函数P(x)，这里：
在孔径内|P(x)|＝1                等式(1)
和
在孔径外P(x)＝0                  等式(2)
可以由下面的等式给出对于特定空间频率的跨焦MTF：
跨焦MTF(ω)＝|傅里叶变换(P(x-a)P(x+a)*)| 等式(3)
这里α是与特定空间频率ω有关的常数，*表示复共轭。根据帕斯瓦尔定理，可知由傅里叶变换关联的两个信号的平方幅度和是相等的。换句话说，对于特定的空间频率ω，平方的跨焦MTF值的和对于满足上面定义的所有成像系统都是相等的。因此，
对于所有P(x)，
        ∑跨焦MTF(ω)2＝常数    等式(4)
上面数学描述的结果是限定了在物空间或者像空间中的范围上(例如，在共轭距离的范围内)的跨焦MTF的高度。也就是说，增加在物空间中清晰成像的范围导致MTF高度的降低。在模糊度函数的上下文中，也将这个相同的概念称为“模糊度守恒”。
为了克服前述的限制和满足高级应用的需要，本文公开了多区域成像系统的多个实施方式。依照实施方式，多区域成像系统是单孔径成像系统，该单孔径成像系统被配置用于在单次曝光中提供在两个或者更多空间区域处(例如，在共轭距离、图像区域或者共轭距离和图像区域中)的良好成像性能。可以将多区域成像系统实现为具有例如单色出射光瞳、多色出射光瞳、偏振相关出射光瞳或者偏振相关图像平面或者以上的组合。多区域成像系统还可以与用于执行一个或者多个以下操作的处理器连接：形成人可看到的图像、将捕捉的图像数据传送到另一位置和处理所捕捉的图像数据以执行任务。这样的处理器可以利用形成两个或者更多空间区域的光学器件的信息来处理每个区域，以便提供每个区域的清晰图像。
有成像系统的多种应用，在成像系统的多种应用中，在大范围的物距上的良好的低光照性能和清晰成像是渴望的。在图1中示出一个实施例，该实施例示出对于移动电话照相机的希望的成像特性。图1示出场景10，在场景10中，可以要求移动电话照相机20提供在例如对条形码30成像的近场成像中以及在例如在1/2米或者更远的距离处对肖像物体40成像的远场成像中的良好性能。也就是说，获得从无穷远到肖像距离的物体的锐利成像以及在离照相机大约10cm到12cm的距离下用于对例如条形码和商业名片的近处物体进行读取和解码的非常靠近的成像将是令人希望的。此外，通过使用快镜(例如，≤F/2.0)可以实现在这种移动电话照相机中良好的低光照成像性能。快镜的使用通常转换成降低的景深和带有清晰的无穷远成像的增加的近焦距。具体地，将镜头的速度增加到F/2和更快可以移动近焦共轭距离远离近焦希望距离或者不可接受地降低图像质量。本文的实施方式帮助减少图像质量中的这种降低和其它问题。
需要良好的低光照性能和在大范围的物距上清晰成像的应用的另一实例是在汽车成像系统中，例如在图2中示出的那样。图2示出场景50，在场景50中，汽车60接近路标70。汽车60可以包括用于捕捉汽车外面的物体图像的照相机75。照相机75可以用在用于物体识别的前视成像系统中，例如，来识别路标、步行者和车道分界线。照相机75可以进一步与处理器80连接，处理器80可以在由照相机75捕获的图像上执行例如物体识别的功能。尽管对于物体识别人可看到的图像不是一直必需的，但是对于远离供在例如基于任务的图像捕获和处理应用中使用的照相机75的物体(例如，位于无穷远的物体)，有时捕获信息可能是需要的。此外，在一些情况中对于成像系统能够在例如汽车60的挡风玻璃85的近场距离处直接成像可以是需要的；例如，可以将近场成像集成进雨量传感器的激活中和/或集成来当挡风玻璃85干燥时警告司机。可以将处理器80进一步与汽车60的中央计算机90连接，以便反应于检测到的触发(例如在下雨情况下的挡风玻璃雨刮器的激活)，由汽车60实行某些动作。由于汽车设计的限制，在某些汽车中从照相机75到挡风玻璃85的距离可以低至5cm。如在图1的移动电话应用中，在照相机75中使用快镜可以提高低光照性能，虽然由此可能增加近焦共轭距离。
在图3中示出示例性多区域成像系统的示例性框图。多区域成像系统300包括多区域光学器件310、传感器320和处理器325。多区域光学器件310可以包括，例如用于将在一个图像中的近处物体330和远处物体335都成像到传感器325上的专门的光学器件。传感器320捕捉图像以便依照所捕捉的图像产生图像数据315。处理器325可以执行图像信号处理(“ISP”)以对图像数据315进行处理，例如，以产生人可看到的图像340或者与任务有关的处理结果345，例如，对条形码、商业名片或者路标进行读取和解码。处理器325可以利用多区域光学器件310的信息来优化每个区域的处理，以产生每个区域的清晰图像。可选地，如下文中将进一步描述的那样，可以配置多区域成像系统300，以同时产生人可看到的图像340和任务有关的结果345。
结合图4至图12描述例如多区域成像系统300的多区域成像系统背后的操作概念。为了简便，在这些附图中考虑了一维光学器件，假设来自无穷远的平行光线入射在每个透镜的一侧(从每个图的左侧)。考虑图4的传统成像系统400的基于光线的图和如图5中所示的扩展景深(“EDoF”)的成像系统500。传统成像系统400包括带有光轴412的光学器件410，光学器件410配置用于将来自图4的左侧的入射光线415聚焦在最佳聚焦的平面420处，在图4中，入射光线415在光学器件410的左侧如虚线指示。传统的成像系统400基本上具有一个最佳聚焦的平面；也就是说，通过光学器件410的所有部分的平行光线415一般到达在同一平面420处的焦点。相比之下，EDoF成像系统500包括相位改变元件510与光学器件410的组合；相位改变元件510的一个适当的例子是相位掩模，例如在由Cathey等人完成的题为“Extended depth of field optical systems(扩展景深的光学系统)”的第5,748,371号美国专利(在下文中，称为“‘371专利”)中描述的相位掩模。光学器件410和相位改变元件510的组合被配置为使得将入射光线415在成像距离的范围(或者，换言之，最佳聚焦的平面)成像到延伸的成像区520(如由括号指示的)。最佳聚焦的平面可以是连续的，以使得由EDoF成像系统500提供的景深在成像或者共轭距离的范围上延伸，由此导致了扩展景深的成像系统。
例如，对于包括三次相位函数的扩展景深成像系统(例如，在’371专利中描述的扩展景深成像系统)，其中三次相位函数用于修改传输通过扩展景深的成像系统的电磁能量波前，生成的成像系统的单色出射光瞳相位函数由作为x的函数的一维相位函数P(x)给出：
在孔径内，P(x)＝exp(jαx3)                等式(5)
这里α是常数， j = - 1 , 并且
在孔径外P(x)＝0                           等式(6)
也就是说，在此情况中，由光学器件410和相位改变元件510的组合施加在入射光线415的波前上的相位改变量是αx3。这个相位改变量的二阶导数是与作为位置的函数的、横跨出射光瞳的焦距近似的表达式：
        焦距≈α*6x                       等式(7)
换句话说，由在EDoF成像系统500中的相位改变元件510的存在提供的三次相位改变量导致了横跨出射光瞳的近似线性的焦距变化。
在EDoF成像系统500中考虑相位改变元件510的效果的一种方法是将相位改变元件510看作为由多个小的光学部分组成，例如在图6中所示，这些透镜的焦距依照如上面导出的表达式α*6x横跨孔径线性地变化。在图6中示出的实施例中，EDoF成像系统600包括从多个光学部分612A至612F形成的相位改变元件610。依照表达式α*6x，相位改变元件610和光学器件510的组合提供了线性变化的焦距，由此提供了与如在图5中所示的相位改变元件510和光学器件410的组合提供的扩展景深效果相等的扩展景深效果，假设光学部分612的数量足够大使得在部分612A至612F中的阶梯的每一个的高度是例如大约波长或者更少的长度。换句话说，相位改变元件610和光学器件410的组合在成像距离范围上的延伸的成像区域620(如由括号表示的)上成像，延伸的成像区域620等于如在图5中所示由相位改变元件510和光学器件410的组合提供的延伸的成像区域520。
尽管在图6中示出了六个光学部分612A至612F，但是在给定的EDoF成像系统中可以使用更多或者更少的光学部分。EDoF成像系统的设计者可以考虑具有几乎近似于感兴趣的入射照明的波长的尺寸的光学部分612A至612F，使得在近似EDoF成像系统600的性能中将使用有限数量的光学部分。在这种考虑下，可以在概念上认为EDoF成像系统用光学部分612A至612F分割入射光线，其中，每个光学部分均具有沿着成像距离的范围在特定区域处近似聚焦的焦距。具有扩展景深意味着可以使用更少的光学部分来对物体的任何一个点成像。相反，具有缩短的景深意味着使用更多的这些光学部分对物体的每一个点成像。观察这种情况的另一种方式是，随着使用更多的这些光学部分来对给定物体的每个点成像，然后对于这些物体点生成的跨焦调制传递函数(“MTF”)的高度将增加；另一方面，随着使用更少的光学部分来对每个物体点成像，对于这些点生成的跨焦MTF的高度将降低。应当注意到，这个描述是本系统的简化的一维一阶近似，应当认为这个描述仅是说明性的。
不是要求在大范围的成像距离上成像，而是可以将多区域成像系统配置来同时对位于在物空间中特定的、可能非临近的区域处的物体成像。例如，这些非临近区域在物空间中可以不是连续的。结果，如将在下文中立即进一步讨论的，与现有的成像系统相比，多区域成像系统可以展示更高的MTF高度和更简单的配置。
考虑在图7中示出的多区域成像系统。不是如在图5和图6中示出的要求光学器件的组合沿着大范围的成像距离对物体成像，而是使用成像系统孔径的每个部分来仅对物空间中的特定区域成像。在图7中示出的实施例中，多区域成像系统700包括相位改变元件710，相位改变元件710包括多个光学部分712A至712D。将光学部分712A和712B配置来与光学器件410配合，以便在近成像距离的范围上在近区720中(如由括号指示的)成像。将光学部分712C和712D配置来与光学器件410配合，以便在远成像距离的范围上在远区725中(如由另一个括号指示的)成像。在物空间中的某些共轭距离可以落入不需要成像的“不在意”区730。由于先前描述的有限的总体MTF限制，具有不同的物体区和/或“不在意”区允许对于那些有兴趣的物体区(具体地在近区720和远区725中)的更高的跨焦MTF高度。从另一种方式来看，多区域成像系统700提供了在性能上与使用用于在物空间中的非相邻的狭窄区域上进行成像的不同组的成像光学器件的另一系统相等的单个成像系统。与将相位改变元件610(图6)分割成六个部分621A至612F类似，仅为了说明目的，将相位改变元件710示出为部分712A至712F。也就是说，相位改变元件710可以具有其它配置，例如弯曲的部分或者连续的非球面。
仍然参考图7，配置多区域成像系统700，使得孔径的上半部分(即，光学部分712A和712B)可以用来对物空间中一个区域成像，下半部分(即，光学部分712C和712D)可以用来对物空间中的另一区域成像。尽管将光学部分712A和712B示出为分成孔径的上半部分和下半部分，但是将认识到在本文中还可能是其它配置。可以将相应的多区域出射光瞳相位表达为：
相位多区域(x)＝αx3+Lower(X)βx2        等式(8)
这里αx3项对应于三次相位项。Lower(x)项对于孔径的上半部分(即，光学部分712A和712B)等于零，对于孔径的下半部分(即，光学部分712C和712D)等于1。βx2项是聚焦或者光功率项。对于具体的系统，设计者可以指定常数α和β。将上述表达式与由等式(5)和等式(6)给出的用于三次相位改变的相位函数比较，用于多区域相位的表达式包含额外的Lower(x)βx2项，该项对于孔径的特定部分是特定的。
图8示出了依照α＝5和β＝40的等式(8)的上述多区域出射光瞳相位表达式的示例性一维出射光瞳相位轮廓的绘图800。竖直轴代表以弧度为单位的孔径相位，而水平轴示出以任意单位的孔径尺寸x。如可以在图7中看出的，对于孔径的上半部分(即，通过光学部分712A和712B)，孔径相位是零或者更小，而孔径的下半部分(即，光学部分712C和712D)提供依赖位置的相位改变。
在图9中示出了与衍射受限成像系统有关的模糊度函数(“AF”)绘图900，例如由图4例示的成像系统。在绘图900中的水平轴(“u轴”)代表与MTF绘图的空间频率轴类似的空间频率。如在AF分析技术领域公知的，竖直轴(“v轴”)与物理成像系统没有直接关系，但是可以将AF的径向片到水平轴上的投影解释为对于变化量的离焦的这个成像系统的MTF。如在AF分析技术领域中公知的，在图9中更暗的阴影代表更高的MTF值。换句话说，AF的径向截面片产生对于离焦和空间频率的不同值的MTF曲线。如本技术领域众所周知的，AF代表作为离焦函数的MTF的极性显示，并且通过AF绘图900的原点940的径向线代表在离焦的变化度数下的MTF。具有零斜率的径向线(例如，点线910)对应于在零离焦处的MTF，具有增加的斜率的径向线(例如，点线920)对应于在增加的离焦处的MTF，并且通过AF绘图900的竖直线(例如，点线930)对应于在特定空间频率u处的跨焦MTF。可以注意到，如由绘图900表示的，衍射受限AF在竖直方向上是狭窄的，由此指示产生的MTF对于离焦的高灵敏度；也就是说，远离与为零的离焦值对应的水平径向线(即，点线910)，与AF绘图900对应的MTF曲线表现出非常尖锐的峰，低MTF值远离尖锐峰，由此指示在非常狭窄的共轭距离范围外部的较差的成像质量。
图10和图11分别示出对于α＝10的三次相位成像系统(例如，在图4中示出的和依照等式(5)和等式(6)的成像系统)和对于α＝5和β＝40的多区域成像系统(例如，在图7中示出的和依照等式(8)的成像系统)的AF绘图1000和1100。在图10中，倾斜的径向线1020对应于对于三次相位成像系统的非零离焦处的MTF，竖直线1030对应于在特定空间频率处的跨焦MTF。类似地，在图11中，倾斜的径向线1120对应于对于多区域成像系统在非零离焦处的MTF，竖直线1130对应于在特定空间频率处的跨焦MTF。可以看出，与图9的衍射受限成像系统AF绘图相反，三次相位成像系统和多区域成像系统都展示在竖直方向上具有更宽暗区的模糊度函数，对应于更高的MTF值；也就是说，不是如在AF绘图900中在零值的斜率处狭窄的暗线，AF绘图1000和1100包括以水平领结状的更宽的阴影部分，显示出在与AF绘图1000和1100对应的更宽的MTF峰上的更高的值。换句话说，图10和图11的AF绘图表示这些成像系统展示甚至带有非零离焦值的良好的成像质量。公知的是，模糊度函数代表光学MTF，系统的传感器空间频率极限典型地是系统的光学极限的一半或者比系统的光学极限小；在图10和图11中，对于数字传感器的典型的空间频率范围的范围分别由括号1035和1135表示。此外，对应于多区域成像系统的AF绘图1100展示由“不在意”区(由两个虚线椭圆1140A和1140B表示)分离的两个清晰的最佳聚焦区。
对于多区域成像系统的多种变化是可能的。尽管在图7和图11中示出的实施例假设了矩形可分离的出射光瞳相位，但是根据希望的应用，还可以使用其它类型的相位改变，例如但是不限制于圆形对称相位、对称相位或者非对称出射光瞳相位。使用多色(也就是，依赖波长的)出射光瞳相位设计也是可能的，而且可以由例如带有子波长特征的相位调制光学器件实行相位改变。可选地，使用偏振相关的光学元件可以实现相位改变。
图12示出了示例性多区域成像系统1200的框图。图12是如在图3中示出的一般的多区域成像系统框图的一个具体例子。多区域成像系统1200包括光学器件组1210，光学器件组1210依次分别包括在成像系统前面的平的/非球面的元件1220(1)、以及第一和第二K5/F2双合透镜1230和1240。平的/非球面的元件1220(1)可以由例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(“PMMA”)构成。平的/非球面的元件1220(1)具有在下文中描述的非球面的表面1292(1)；下面还进一步描述利用平的/平的元件1220(2)或者改变的平的/非球面的元件1220(3)或者1220(4)替代元件1220(1)的相关光学系统。将光学器件组1210配置成将入射光线1250朝向传感器1260引导。传感器1260可以是但不限于，互补型金属氧化物半导体(“CMOS”)传感器，将该互补型金属氧化物半导体传感器配置用于接收入射光线1250的一部分1265并且用于响应于入射光线1250的一部分1265产生图像数据1270(由黑色箭头代表的)。然后可以在处理器1280处接收图像数据1270用于图像处理，以形成例如人可看到的图像和/或对于例如条形码读取的任务的处理结果。如下面讨论的，图像处理可以利用光学器件组1210的信息，以形成人可看到的图像和/或处理结果，以便形成在由此成像的场景的最佳聚焦区中锐利的和清晰的图像。
表1
  表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥
  物体   标准   无穷大   无穷大   0   0
  1291   标准   无穷大   0.3804   PMMA   1.347194   0
  1292(1)/光圈   偶次非球面   无穷大   0.007652431   1.347194   0
  1293   标准   3.285444   0.8864066   K5   2.48704   0
  1294   标准   -2.354398   0.2933432   F2   2.48704   0
  1295   标准   -28.18008   2.168189   2.48704   0
  1296   标准   2.883053   0.8417674   K5   2.104418   0
  1297   标准   -1.508167   0.242327   F2   2.104418   0
  1298   标准   -5.335657   1.551752   2.104418   0
  图像   标准   无穷大   0.0004286271   0
在表1中归纳了对于图12的多区域成像系统1200的多个光学表面的示例性规定，具有如在图12中标注的不同表面(即，表面1291到1298)。“无穷大”的曲率值的半径对应于平的表面。在下文，在下面的两个实施例中立即进一步讨论了与平的/非球面的元件1220有关的规定细节。
当通过用不提供相位调制的平的/平的元件1220(2)(例如，元件1220(2)具有不带有弯曲的第二表面1292(2))替换平的/非球面的元件1220(1)改变关于图12和表1描述的多区域成像系统时，然后如在图13中所示，光学器件组1210在100线对每毫米(“lp/mm”)的空间频率处产生跨焦MTF曲线1300。产生的成像系统基本上是没有相位改变或者多区域成像特性的传统的成像系统。如期望的那样，跨焦MTF曲线1300展示带有在归一化的单位中大约0.8峰高和狭窄的峰宽1320(由双头箭头指示)的单个最佳聚焦峰1310以及产生的狭窄的焦点深度。
表2
 表面1292(1)   偶次非球面
 关于r2的系数   0
 关于r4的系数   0.012940072
 关于r6的系数   0.33257242
 关于r8的系数   -1.4950249
 关于r10的系数   -0.26830899
 关于r12的系数   8.0415913
 关于r14的系数   -8.6162206
图14示出在图12的多区域成像系统1200中适合于用作平的/非球面的元件1220(1)的表面1292(1)的示例性非球面1400。在表2中归纳了与非球面1400对应的非球面系数。将非球面1400包括作为在光学器件组1210中的表面1292(1)，如在图15中所示，跨焦MTF曲线1500在100lp/mm的空间频率处产生结果。跨焦MTF曲线1500分别包括第一最佳聚焦区1510、第二最佳聚焦区1515和“不在意”区1540，也就是说，跨焦MTF曲线1500指示存在不止一个与最佳聚焦区对应的焦点位移区(在这个实施例中是两个区)。理解的是，最佳聚焦的每个区域与物距范围，也就是物体从多区域成像系统的距离的范围(例如，图3，物体330和335与多区域光学器件310的距离)对应。所有的区域1510、1515和1540都由在虚线竖直线内的双头箭头指示，虽然将会理解的是每个区域的边界可以不是严格地限定的。在图14中，因为区域1510和1515是由区域1540分离的，因而区域1510和1515对应于不连续的物距范围。关于在图1中示出的实施例，第一最佳聚焦区1510可以对应于例如条形码30或者商业名片的近场成像(例如，大约13cm到18cm的共轭距离)，而第二最佳聚焦区1515可以对应于用于人看见的肖像成像的远场成像(例如，大约60cm或者更远的共轭距离，使得将最佳聚焦区1510和1515分离开40cm或者更远)。在第一最佳聚焦区1510和第二最佳聚焦区1515中的跨焦MTF曲线1500的峰高在这个实施例中都近似为0.27，虽然根据具体应用通过改变表面1292(1)可以调整峰高。尽管在“不在意”区1540中的跨焦MTF值不需要低，但是由于模糊度守恒的原理，在“不在意”区中的减少的跨焦MTF值分别贡献了在第一最佳聚焦区1510和第二最佳聚焦区1515的增加的跨焦MTF值。此外，虽然分别将第一峰1510和第二峰1515的形状示出为类似的，但是可以将第一峰和第二峰的峰高和峰宽裁剪，以满足给定应用的具体需求。
图16至图19示出对于在图12的多区域成像系统1200中的光学器件组1210，对于多色光(例如，白色)在不同共轭距离处的衍射MTF曲线，包括作为表面1292(1)的图14的非球面1400。图16示出对于无穷远的共轭距离的MTF曲线1600，图17示出对于60cm的共轭距离的MTF曲线1700。可以注意到，在全部在图16和图17中示出的空间频率的范围，MTF曲线1600和1700的值是非常高的，由此表明多区域成像系统1200在60cm或者更大的共轭距离处(例如，与图15的区域1515对应)在整个远场成像区展示高的MTF值。图18示出对于25cm的共轭距离(即，图15，在近场和远场之间的“不在意”区1540)的MTF曲线1800；可以看出对于大约每毫米30个周期或者40个周期以上的空间频率，MTF曲线1800下降得很快，从而表明在这个“不在意”区的差的图像质量。最后，图19示出对于15cm的共轭距离(例如，对应于图15的区1510)的MTF曲线1900，MTF曲线1900适合于例如条形码成像和商业名片读取的近场成像应用。如可以在图19中看出来的，在整个感兴趣的空间频率区，MTF曲线1900展现相对高的MTF值(例如，大约0.2或者更高)，从而表明对于包括光学器件组1210的多区域成像系统，即使在这个近场共轭距离处的良好的成像性能。
表3
  表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥
  物体   标准   无穷大   无穷大   0   0
  1291   标准   无穷大   0.3804   PMMA   1.347194   0
  1292/光圈   偶次非球面   无穷大   0.07652431   1.347194   0
  1293   标准   3.285444   0.8864066   K5   2.48704   0
  1294   标准   -2.354398   0.2933432   F2   2.48704   0
  1295   标准   -28.18008   2.168189   2.48704   0
  1296   标准   2.883053   0.8417674   K5   2.104418   0
  1297   标准   -1.508167   0.242327   F2   2.104418   0
  1298   标准   -5.335657   1.487967   2.104418   0
  图像   标准   无穷大   0.05080852   0
表4
 表面1292(3)   偶次非球面
 关于r2的系数   0
 关于r4的系数   -0.03062278
 关于r6的系数   0.0042801507
 关于r8的系数   0.043959156
 关于r10的系数   0.10487482
 关于r12的系数   -0.073525074
 关于r14的系数   -0.32282005
图20示出对于替换的成像系统在100lp/mm的空间频率处的跨焦MTF曲线2000，该替换的成像系统已经被优化来在25cm共轭距离处提供与多区域成像系统的成像性能相比更好的成像性能，该多区域成像系统的跨焦MTF曲线在图15中示出。也就是说，替换的成像系统基本上包括图12的多区域成像系统1200的部件，但是带有在表3和表4中总结的规定。替换的成像系统包括平的/非球面的元件1220(3)，其具有带有在表4中归纳的非球面系数的第二表面1292(3)，以提供在25cm共轭距离处的更好的成像性能。可以注意的是，对于替换的多区成像系统的跨焦MTF曲线2000包括多个宽的峰而不是如在前面讨论的实施方式中的单个狭窄的峰或两个不同的峰。通过将对于替换的多区域成像系统的图21至图24中示出的多色衍射MTF曲线与在图16至图19中示出的多色衍射MTF曲线比较可以看出在系统性能中的更多的差别，在图16至图19中示出的多色衍射MTF曲线对应于包括非球面1400作为表面1292(1)的多区域成像系统1200的光学器件组1210的性能。图21示出对于无穷远共轭距离的MTF曲线2100，图22示出对于60cm共轭距离的MTF曲线2200，图23示出对于25cm共轭距离的MTF曲线2300，图24示出对于15cm共轭距离的MTF曲线2400。在将图21至图24与前面描述的图16至图19比较中，可以看出，替换的成像系统的MTF曲线通常在整个肖像区和条形码区上更低，尽管在25cm处提供稍好的性能。
表5
  表面1292(4)   CUSPLINE
  在S-D的1/8处的Z   -0.0010485351
  在S-D的2/8处的Z   -0.0010594568
  在S-D的3/8处的Z   -0.00082374686
  表面1292(4)   CUSPLINE
  在S-D的4/8处的Z   -0.00057644724
  在S-D的5/8处的Z   0
  在S-D的6/8处的Z   0
  在S-D的7/8处的Z   0
  在S-D的8/8处的Z   0
图25示出了适合于用作如在图12中示出的多区域成像系统1200的平的/非球面的元件1220(4)的表面1292(4)的非球面2500的另一个实施例。在表5中归纳了描述非球面2500的非球面项，在表5中变量是区域的面积和每个区域内的表面形状，也就是说，“Z”是表面高度，“S-D”代表“表面直径”，“CUSPLINE”代表三次样条。通常可以将非球面2500描述为在平的/非球面的元件1220(4)的孔径的八个区(径向划分的)上的三次样条。可以看出，将靠近外部半径的非球面2500的大约一半有目的地设置来提供零相位；也就是说，在非球面2500的半径大约一半内，平的/非球面的元件1220(4)没有添加新的相位。与图14的非球面1400(非球面1400配置成跨越非球面1400的孔径提供相位改变)对比，相反，将非球面2500配置成在中央部分提供相位轮廓。
图26示出对于光学器件组1210的跨焦MTF曲线2600，该光学器件组1210用实现为平的/非球面的元件1220的表面1292(4)的非球面2500改变。跨焦MTF曲线2600示出，通过分别展示第一峰2610和第二峰2620，这个系统作为多区域成像系统执行，从而表明对于两个不连续的物距范围，该系统提供良好的成像性能。可以注意到，尽管图14和图25的非球面1400和2500分别表现成在形状上非常不同，但是产生的跨焦MTF曲线(如在图15和图26中所示)是非常类似的。
图27至图30示出对于其离焦性能在图26中示出的相同的多区域成像系统的多色MTF曲线。图27示出对于无穷远的共轭距离的MTF曲线2700，图28示出对于60cm的共轭距离的MTF曲线2800，图29示出对于25cm的共轭距离的MTF曲线2900，图30示出对于16cm的共轭距离的MTF曲线3000。在无穷远和60cm处(例如，如在图27和图28中所示)以及在16cm处(例如，如在图30中所示)，MTF曲线高。图29中，在25cm处MTF曲线低。此外，在与结合图1和图2描述的那些应用类似的应用中，这种多区域成像系统可以表现良好。
表6
  表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥
  物体   标准   无穷远   无穷远   0   0
  表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥
  3191/停止   偶次非球面   -3.248996   1.26   亚克力   1.4   0
  3192   偶次非球面   -1.816729   0.59   2.1   0
  3193   偶次非球面   17.63372   1.36   亚克力   2.28   0
  3194   偶次非球面   4.099447   0.45   2.62   0
  3195   标准   2.526797   1.49   亚克力   2.28   0
  3196   标准   1.501278   1.097   1.6   0
  3197   标准   无穷远   0.56   AF45   1.4768   0
  3198   标准   无穷远   0.444   1.4768   0
  图像   标准   无穷远   0.01971329   0
表7
  表面3191   偶次非球面
  关于r2的系数   -0.10705732
  关于r4的系数   -0.056828607
  关于r6的系数   0.01926084
  关于r8的系数   -0.0082999141
  表面3192   偶次非球面
  关于r2的系数   -0.091811456
  关于r4的系数   0.037117963
  表面3193   偶次非球面
  表面3191   偶次非球面
  关于r2的系数   -0.11868423
  关于r4的系数   0.53930859
  关于r6的系数   -0.010193681
  表面3194   偶次非球面
  关于r2的系数   -0.27850876
图31示出多区域成像系统3100的另一实施方式。多区域成像系统3100在许多方面与图12的多区域成像系统1200不同。首先，平的/非球面的元件1220没有出现在多区域成像系统3100的光学器件组3110中。相反，光学器件组3110分别包括第一、第二、第三、第四光学元件3120、3130、3140和3150。在表6和表7中归纳了描述光学器件组3110的表面3191到3198的光学规定。
尽管多区域成像系统1200的配置实现在单个波长处为特定性能设计的出射光瞳相位功能(例如，“单色出射光瞳”)以实现多区域成像效果，但如在图32中示出，将多区域成像系统3100配置来实现出射光瞳相位功能，该出射光瞳相位功能达到在此系统的多色跨焦MTF性能中的多区域成像效果(例如，多色出射光瞳)。与图15的跨焦MTF曲线1500和图26的跨焦MTF曲线2600类似，来自于光学器件组3110的跨焦MTF曲线3200以分别不同的第一峰3210和第二峰3220为特征，不同的第一峰3210和第二峰3220对应于不连续的物距范围。
在图33至图35中示出贡献多色跨焦MTF曲线3200的单色跨焦MTF曲线，在这里示出该单色跨焦MTF曲线以进一步说明多区域成像系统3000的操作。在图33中示出用于蓝色照明的单色跨焦MTF曲线3300。在图34中示出用于绿色照明的单色跨焦MTF曲线3400。最后，在图35中示出用于红色照明的单色跨焦MTF曲线3500。用于蓝色、绿色和红色照明的单色跨焦MTF曲线3300、3400和3500在形状上非常相似，峰的位置是根据波长移动的。但是，尽管图33至图35的单色跨焦MTF曲线中的每一个仅展示单个最佳聚焦区，但代表所有单色跨焦MTF曲线的组合的多色跨焦MTF曲线3200说明，多区域成像系统3100确实表示了多区域成像特性。
对于不同的共轭距离，在图36至图39中示出了对于多区域成像系统3100的多色MTF曲线。图36示出了对于无穷远共轭距离的多色MTF曲线3600，图37示出了对于60cm共轭距离的多色MTF曲线3700，图38示出对于25cm共轭距离的多色MTF曲线3800，图39示出对于15cm共轭距离的多色MTF曲线3900。可以看出，在无穷远和60cm处的MTF曲线高(即，如多色MTF曲线3600和3700所示)，如在15cm处的MTF曲线一样(即，多色MTF曲线3900)。在25cm处的MTF低(即，多色MTF曲线3800)，因为这个共轭距离落入“不在意”区内，因而该MTF是好的。在物距上的这些多色MTF曲线与对应于包括在图14和图25中示出的非球面的多区域成像系统的那些曲线类似，虽然图30的系统是以完全不同的方法设计的；也就是说，多色出射光瞳的操作是可以在设计多区域成像系统中使用的替换方法。
然而，实现多区域成像系统的另一种方法是通过将子波长的特征合并入成像系统内。适合的子波长的特征的形式可以是例如材料或者超材料中的衍射特征、折射率变化。这样的子波长特征可以放在例如多区域成像系统1200或者多区域成像系统3100的光学器件组中的元件的表面上。还可以将子波长特征实现为不是表面特征而是在非同质的、容积光学设计中的折射率变化。当实现为折射率变化时，与当使用子波长表面特征时出现的那些杂散光问题相比，可以显著地降低在高亮度照明环境中的杂散光问题。
图40示出包括子波长特征的示例性多区域成像系统4000的框图。多区域成像系统4000包括光学器件组4010，光学器件组4010依次包括子波长特征光学器件4012和可选地附加的成像光学器件4014。实际上，可以将子波长特征光学器件4012和成像光学器件4014组合成例如单体的和/或体积非均质的光学结构。
图41示出对于从0到λ/2的相位高度的示例性子波长特征轮廓4100。竖直轴代表以弧度为单位的相位，而水平轴代表横跨子波长特征光学器件4012的孔径的距离。这种轮廓可以用来调整成像系统的出射光瞳，以便实现多区域成像特性。在图41中示出的示例性轮廓中，以弧度为单位的最大相位大约是π，等于λ/2，这里λ是中央照明波长。子波长特征轮廓4100基本上等于以λ/2为模的透镜聚焦表面。然后可以将透镜的功率用作设计变量。然后可以通过下面的等式描述轮廓：
   相位(r)＝mod(αr3，π)，              等式(9)
这里，r表示横跨孔径的半径，α是另一设计变量。在图41中示出的实施例具有α＝30和r＝linspace(-1，1，501)，这里，“linspace”是在MATLAB
Figure GPA00001084505100221
中用于产生线性间隔向量的函数。
图42示出与衍射受限成像系统和图41的子波长特征轮廓4100的组合对应的AF绘图4200。在AF绘图4200中，由两个截然不同的暗区清晰地表明多区域成像特性；第一区4210显示为暗的、水平的条纹，而将第二区4220示出为相对于第一区4210以某一角度处倾斜的条纹。当AF绘图4200分别与在图10和图11中示出的AF绘图1000和1100比较时，可以注意到，与AF绘图1000和1100的宽的暗区比较，第一区4210和第二区4220是狭窄的。如果将相位改变元件(例如包括非球面1400和2500之一的平的/非球面元件)并入光学器件组4010中，则可以将光学器件组4010配置来展示如与对应于AF绘图1000和1100的多区域成像系统类似增加的景深。如果将光学器件组4010配置来提供增加的景深，那么对于产生的多区域成像系统AF绘图4200的分别第一区4210和第二区4220将比在图42中示出的宽。
表8
 非球面凹陷＝0   RD   NR   Amp(幅度)   C   n
 Amp*OctSag项   1   1   -1×10-3   0   0
  α1   α2   α3   A4   α5   α6
  -64.728151   -25.528684   838.61428   -901.60107   -545.50556   -1625.1365
  α7   α8   α9   α10   α11   α12
  3287.9754   0   0   0   0   0
 β1  β2  β3   β4  β5  β6
 4  6  8   10  12  14
  β7  β8  β9   β10   β11   β12
  16  0  0   0   0   0
可以将多区域出射光瞳设计成圆形对称的、非圆形对称的或者非对称的。还可以使用例如在前述的PCT专利申请序号PCT/US07/69573中描述的那些对称的但不是圆形的设计。在图43至图48中示出这种表面的使用的实施例。表8示出多个非球面项，多个非球面项限定在图43中示出的出射光瞳表面凹陷4300。可以将表面凹陷4300并入多区域成像系统中，例如表面2处在图12中示出的多区域成像系统。在图44中示出对于包括表面凹陷4300的多区域成像系统的多色跨焦MTF曲线4400。与前面讨论的多区域成像系统的跨焦MTF曲线(见图15)类似，MTF曲线4400包括在由“不在意”区4440分开的区4410和4415中的两个峰。在图45至图48中示出对于这个系统在多个物距处的多色跨焦MTF曲线。分别位于无穷远和60cm处的MTF曲线4500和4600(图45和图46)较高，如同在15cm处的MTF曲线4800(图48)。在图47中示出的在25cm处的MTF曲线4700较低。
然而另一种类型的多区域成像系统是空间变化的多区域成像系统，该多区域成像系统包括将光程差(“OPD”)引入成像系统的孔径的一部分中。作为对于空间变化多区域成像系统应用的示例性场景，图49示出了如从汽车内部观看时的场景4900。可以注意到，当通过挡风玻璃4920(由环绕一部分场景4900的矩形代表)观看时，例如路标4910的远离汽车的物体通常位于场景4900的上部区域中并在引擎盖4930上。
在单次曝光中用单个成像系统准确地对挡风玻璃4920以及路标4910成像的一种方法是使用多区域成像系统。在这种汽车应用中，可以不必对挡风玻璃4920的全部清晰成像；例如，可以将一部分适当的多区域成像系统配置成对场景4900的上部区域成像，用于识别例如路标4910的远处物体，而将另一部分配置成对一小部分挡风玻璃4920成像，用于检测例如在挡风玻璃上的灰尘或者雨水。
图50根据实施方式示出OPD改变成像系统5000的框图，包括用于将远处物体5020成像在传感器5030处的OPD改变光学器件5010(带有光轴5015)，远处物体5020布置在距离成像光学器件5010足够远的位置处，使得远处物体5020有效地位于无穷远处。OPD改变光学器件5010还将近处物体5040成像在传感器5030处。在传统的成像系统中，如果首先将成像光学器件配置成对比有效无穷远更近的物体(例如，近处物体5040)进行聚焦，那么将成像光学器件重聚焦在无穷远处的物体的任何调整总是迫使成像平面(因而使传感器)更加远离成像光学器件的移动。但是，OPD改变光学器件5010包括OPD改变光学配置，OPD改变光学配置允许OPD改变光学器件5010同时将远处物体5020聚焦在与近处物体40相同的成像平面上。也就是说，OPD改变光学器件5010要求成像平面(因而传感器5030)移动更靠近光学器件5010，以将远处物体5020聚焦在一部分传感器5030上，同时保持近处物体5040焦点对准在相同的成像平面处。换种说法，与传统的设计相比，OPD改变光学器件5010要求在相反方向上移动的传感器平移，以使无穷远的物体聚焦。在下文立即详细地讨论OPD改变成像系统5000的实施例。
图9
  表面   类型   半径   厚度   玻璃   直径   圆锥
  物体   标准   无穷远   无穷远   0   0
  停止   标准   无穷远   0.007652431   1.347194   0
  5191   标准   3.285444   0.8864066   K5   2.48704   0
  5192   标准   -2.354398   0.2933432   F2   2.48704   0
  5193   标准   -28.18008   2.168189   2.48704   0
  5194   标准   2.883053   0.8417674   K5   2.104418   0
  5195   标准   -1.508617   0.242327   F2   2.104418   0
  5196   标准   -5.335657   1.6077   2.104418   0
  图像   标准   无穷远   0.0004286271   0
图51示出根据实施方式的空间变化多区域成像系统5100的框图。多区域成像系统5100包括限制光线1250进入成像光学器件5120的孔径5110。成像光学器件5120包括第一双合透镜5125(包括表面5191、5192和5193)和第二双合透镜5135(包括表面5194、5195和5196)。配置成像光学器件5120用于将光线5140(由虚线的椭圆包围)聚焦在传感器5150上。表9归纳了多区域成像系统5100的多个组件的示例性光学规定。
还是参考图51，在光线5140的一部分5160(由点划线椭圆表示)入射在传感器5150上之前，一部分5160穿过OPD改变元件5170。实际上，OPD改变元件5170实现了多区域成像系统5100的空间变化特性，OPD改变元件5170横断光线5140的一部分5160，使得OPD改变元件5170仅影响横跨成像到传感器5150的下半部分5175(由括号表示)上的物体的空间场点。然后传感器5150将在传感器5150上接收到的光线5140转换成电子数据5180(由箭头表示)，电子数据5180被送给处理器5190用于处理，例如，产生人可看到的图像或者产生基于任务的结果。处理器5190还可以利用光学器件5120和OPD改变元件5170的信息来优化处理，使得从传感器5150的下半部分和上半部分中的每个部分产生的图像是清晰的和锐利的。可选地，还可以将处理器5190配置来不同地处理来自传感器5190的下半部分和上半部分的信息，以便根据在传感器5190的下半部分和上半部分接收到的信息执行两种不同的任务。
继续参考图51，在一个实施方式中，OPD改变元件5170可以是平面平行板，平面平行板用来对于一些场点增加光路差，因而对于所影响的场点有效地改变了最佳聚焦区。OPD改变元件5170可以是例如0.831mm厚的平的/平的BK7光学元件。可以附加地将OPD改变光学元件5170配置成，例如纠正像差和/或控制在传感器5150上成像的某些光线的主光线角度。作为另一实施例，通过向OPD改变元件5170添加光功率，可以同时改变在传感器5150处的一部分图像的有效焦距和放大率。
图52示出对于100lp/mm的空间频率对于在无穷远处的物体(例如，如从汽车内部观看的路标)的对于多区域成像系统5100的下半部分5175的多色衍射MTF曲线5200。因为假设OPD改变元件5170是消色差的，所以单色衍射MTF曲线将看上去与多色衍射MTF曲线5200类似。类似地，图53示出在100lp/mm的空间频率处对于在5cm处的物体(例如，在汽车挡风玻璃处)的多区域成像系统5100的下半部分5175的多色衍射MTF曲线5300。可以看出，下半部分5175对于在无穷远处的物体展示宽的MTF曲线，同时对于在5cm处的物体仅提供一个窄的MTF峰，从而表明下半部分5175对于在无穷远处的物体提供良好的成像，而对近处物体的成像较差。也就是说，例如，在挡风玻璃上的灰尘或碎片会最小程度地影响通过下半部分5175在无穷远处的成像性能。
对比之下，图54和图55分别示出在100lp/mm的空间频率下对于分别位于无穷远和5cm处的物体对于多区域成像系统5100的上部(即，未受OPD改变元件5170影响的部分)的多色衍射MTF曲线5400和5500。通过将MTF曲线5200和5300分别与5400和5500比较，可以看出，多区域成像系统5100的上部对于远处物体提供差的成像性能，同时对于近处物体展示好的成像特性。在图像的上半部分的MTF曲线对于在无穷远处的物体是非常差的，而对与挡风玻璃位置是理想的。换句话说，没有OPD改变元件5170的多区域成像系统的上部向挡风玻璃的图像提供了良好的图像质量。
图56示出对于100lp/mm的空间频率对于多区域成像系统5100的不同部分的两个跨焦MTF曲线的绘图。第一跨焦MTF曲线5610对应于没有通过OPD改变元件5170的传输在传感器5150处得到的跨焦MTF性能。也就是说，第一跨焦MTF曲线5610对应于近场图像的性能(例如，5cm的共轭距离)。第二跨焦MTF曲线5620对应于在下半部分5175中(即，图像的无穷远聚焦的部分)在传感器5150处得到的跨焦MTF性能。已经引进了0.25mm聚焦偏置以提高清晰度。
可以以多种方式实现多区域成像系统5100。例如，可以将OPD改变元件5170实现为直接布置在传感器5150的防护玻璃罩上的一片额外的透射材料。可选地，可以将OPD变化元件5170配置来自多片变化厚度的玻璃，每一片均覆盖传感器的作用区的一部分，从而提供空间变化的成像。作为另一实施例，OPD改变元件5170可以连接到传感器防护玻璃罩，传感器防护玻璃罩带有例如直接在防护玻璃罩上的聚合物粘接剂或带有用于在OPD改变元件5170和传感器防护玻璃罩之间提供空气间隙的支架式立柱。在另一实施方式中，OPD改变元件5170可以由非球面形状构成。可以进一步将模塑的非球面元件配置来纠正，例如像差、主光线角和相交焦距。然后作为另一选择方案，可以将OPD改变元件5170配置为具有相同的厚度，但在横穿元件的孔径上变化的折射率轮廓。还可以使由OPD改变元件提供的影响在光学器件5120的光学规定内分布跨越多个光学表面和/或防护玻璃罩。作为另一选择方案，可以将OPD改变元件配置为在晶圆级光学系统中的一部分隔板晶片。此外，可以使OPD改变元件和覆盖板的折射率和热膨胀系数匹配。
图57至图62示出适合于用作与传感器5150有关的OPD改变元件5170的玻璃的多种配置。在图57至图62中的每一个中，将传感器5150示出为包括由一片玻璃(由阴影区表示)部分遮盖的光敏区5705(由虚的矩形表示)；在图57至图62中玻璃具有多种形状。在图57中，配置5710包括覆盖一部分光敏区5705的矩形OPD改变元件5720。如先前讨论的，将矩形OPD改变元件5720配置来与成像光学器件5120配合，以提供远处物体而不是近处物体的良好的成像性能。没有由矩形OPD改变元件5720覆盖的光敏区5705的部分与成像光学器件5120配合来提供近处物体的良好的成像性能。
图58示出在右下角包括矩形切口5830的OPD改变元件5820的另一种配置5810。图59示出在下部中央部分包括矩形切口5930的OPD改变元件5920的另一种配置5910。在图60中示出的另一种配置6010包括在传感器5150的中央带有矩形切口6030的OPD改变元件6020。图61另一种配置6110包括在下部中央部分带有半圆形切口6130的OPD改变元件6120。可选地，图62的配置6210包括在下部中央部分带有梯形切口6230的OPD改变元件6220。根据具体应用，例如对近处物体成像需要的灵敏度的量，可以配置切口5830、5930、6030、6130和6230的具体形状。此外，根据后焦距和/或光轨改变的期望量，可以设计OPD改变元件5720、5820、5920、6020、6120和6220的厚度和形状。
图63至图75示出适合于依照本发明描述的实施方式使用的OPD改变元件的示例性配置。图63示出包括传感器防护玻璃罩6305的配置6300，在传感器防护玻璃罩6305上以直接接触布置OPD改变元件6320。OPD改变元件6320可以是，例如一片具有大约1.16毫米厚度的硼硅玻璃。作为可选方案，配置6400包括在传感器防护玻璃罩6305和OPD改变元件6320之间引入的支架布置6410，以便在传感器防护玻璃罩6305和OPD改变元件6320之间提供空气间隙6440。空气间隙6440的宽度可以在例如OPD改变元件6320的厚度的10％至30％之间。
继续参考图63和64，在某些情况中，OPD改变元件6320的竖直边缘6325可以是有问题的，例如在亮光条件下，其中竖直边缘6325的光散射可以在传感器处产生不希望有的杂散光。减轻这种杂散光的一种方法是在竖直边缘6325处提供光阻挡处理(例如，黑色涂料、黑色材料或者黑色织物)或光散射处理(例如，打磨)。可选地，不是使用单片厚玻璃作为OPD改变元件，而是如在图65中示出可以使用多个薄片玻璃。例如，可以用率匹配粘结材料将多个薄片玻璃粘结在一起。配置6500包括OPD改变元件6520，该OPD改变元件6520依次由多个分别大的和小的、薄玻璃层6522和6524的交替片形成。通过交替大的和小的玻璃片6522和6524，OPD改变元件6520的边缘被配置成锯齿状的，从而散射来自OPD改变元件6520的入射光的反射。如在图66的配置6600中示出的，通过支架布置6610可以使OPD改变元件6520与传感器防护玻璃罩6305分离。
还可以通过使用倾斜的边缘配置减轻杂散光。图67示出带有OPD改变元件6720的配置6700，OPD改变元件6720包括倾斜的边缘6725并直接布置在传感器防护玻璃罩6305上。图68示出配置6800，在配置6800中，用隔离器布置6810使OPD改变元件6720与传感器防护玻璃罩6305分离。图69示出带有OPD改变元件6290的替换配置6900，OPD改变元件6290包括在一部分传感器防护玻璃罩6305上的降低竖直边缘6925和倾斜的覆盖6930。在配置6900中，竖直边缘6925长度的降低与倾斜的覆盖6930的结合进一步降低了跨越传感器孔径在光程不连续处的杂散光。图70示出了另一配置7000，在配置7000中，由隔离器布置7010使OPD改变元件6920与传感器防护玻璃罩6305分离。图71示出另一种配置7100，在配置7100中，OPD改变元件7120包括从厚的部分7127到薄的部分7130的平滑过渡7125，从而消除了在光程上尖锐的不连续并且减少杂散光，这里，此外最佳聚焦区将跟踪与挡风玻璃的距离上的变化(例如，图2中当在相机75中使用时)。图72示出配置7200，在配置7200中，由隔板装置7210使OPD改变元件7120与传感器防护玻璃罩6305分离。图73示出另一配置7300，该配置7300特征为带有圆形的过渡7325的OPD改变元件7320，圆形的过渡7325提供跨越OPD改变元件7320从厚的部分7327到薄的部分7330的平滑过渡。图74示出配置7400，在配置7400中，由隔板装置7410使OPD改变元件7320与传感器防护玻璃罩6305分离。最后，图75示出了带有OPD改变元件7520的配置7500，OPD改变元件7520包括多个槽7530，以起用于减少杂散光的“光阱”作用。例如，通过沿着OPD改变元件7520的一个边缘贴上多条细线7540，可以形成槽7530。可以将槽7530、以及可选地将细线7540涂成黑色，以进一步减少不想要的光反射。
存在可以用来实现多区域成像系统的多种设计方法。描述了六个实施例。光学/数字成像系统技术领域的技术人员可以合并这些实施例中的每一个的方面，以在本发明的范围内形成新的系统。
对于多区域成像系统的特征的一些可能组合是：
1.用于两个或者更多最佳聚焦成像区域的OPD改变光学器件+数字信号处理(“DSP”)；
2.对于人可看到的系统对两个或者更多最佳聚焦成像区域的OPD改变光学器件和DSP；
3.在两个或者更多最佳聚焦成像区上对于基于任务的成像的OPD改变光学器件和DSP；
4.用于形成两个或者更多最佳聚焦成像区的OPD改变光学器件，这里，与至少一个区域有关的跨焦MTF比没有OPD改变光学器件宽，或者具有扩展景深；
5.来自4的OPD改变光学器件包括连续的相位改变；
6.来自4的OPD改变光学器件包括不连续的相位光学器件；
7.来自4的OPD改变光学器件使用专门设计的有色像差；
8.来自4的OPD改变光学器件使用子波长相位变化；
9.对于移动电话应用对于两个或者更多最佳聚焦成像区域的OPD改变光学器件+DSP；
10.对于汽车应用在两个或者更多最佳聚焦成像区域上对于基于任务成像的OPD改变光学器件+DSP
11.来自4的OPD改变光学器件是依赖照明的；
12.用于多区域成像的OPD改变传感器(电子器件+包装+防护玻璃罩)；
13.用于汽车应用的12的使用；和
14.OPD改变多区域成像，这里实现了在图像平面上的焦点对准的空间变化。
在没有背离本发明的保护范围的条件下在本发明描述的成像系统内可以进行上面描述的变化和其它操作。因而应当注意到，在上面的描述中包含的或者在附图中示出的主题应当解释为说明性的，而不是在限制意义上的。权利要求旨在覆盖本发明描述所有一般的和具体的特征，以及本方法和系统的保护范围的、从语言角度出发被认为落入两者之间的全部声明。

Claims (14)

1.一种成像系统，包括：
OPD改变光学器件和传感器阵列，所述OPD改变光学器件在所述传感器阵列处形成光学图像，所述传感器阵列将所述光学图像转换成数据流；和
数字信号处理器，用于处理所述数据流以产生最终图像；
所述OPD改变光学器件提供在所述光学图像中的第一区域和在所述光学图像中的第二区域，所述第一区域的特征是最佳聚焦的第一范围，所述第二区域的特征是最佳聚焦的第二范围，所述第一范围和所述第二范围对应于不连续的物距范围。
2.权利要求1所述的成像系统，其中，所述数字信号处理器被进一步配置用于将所述最终图像产生为人可看到的图像和机器可看到的图像其中之一。
3.权利要求1所述的成像系统，其中，所述OPD改变光学器件给予连续的相位改变、不连续的相位改变、预定的有色像差和依赖照明的相位改变中的至少一个，以提供所述第一区域和所述第二区域。
4.权利要求1所述的成像系统，其中，所述OPD改变光学器件包括：模塑的材料、包括子波长相位改变特征的光学元件以及在其中包括折射率变化的材料中的至少一个。
5.权利要求1所述的成像系统，其中，所述OPD改变光学器件包括：覆盖一部分所述传感器阵列的透明板、非球面元件和供电的光学元件中的至少一个。
6.权利要求1所述的成像系统，其中，所述OPD改变光学器件在所述光学图像处提供焦点对准的空间变化。
7.权利要求1所述的成像系统，其中，所述数字信号处理器利用所述光学器件的信息来不同地处理对应于所述第一区域和所述第二区域的部分所述数据流，以产生所述最终图像。
8.在包括成像光学器件和传感器阵列的成像系统中，改进包括：
OPD改变元件，其布置在所述成像系统内并且横断入射在所述传感器阵列上的至少一部分电磁能量，使得所述光学元件与所述成像光学器件和所述传感器阵列配合来从所述电磁能量中形成第一图像部分和第二图像部分，所述第一图像部分在第一共轭距离范围上是焦点对准的，所述第二图像部分在第二共轭距离范围上是焦点对准的，所述两个共轭距离分离开至少40cm。
9.在利用成像光学器件和传感器阵列成像的方法中，改进包括：
配置所述成像光学器件，使得通过所述图像光学器件传输的并且入射在所述传感器阵列上的电磁能量形成图像，所述图像在对于所述图像的两个各自部分的至少两个共轭距离范围上是焦点对准的，所述两个共轭距离范围分离开至少40cm。
10.权利要求8所述的方法，其中，配置包括：将相位改变元件并入所述成像光学器件中，以产生所述图像的两个各自部分。
11.权利要求9所述的方法，其中，所述相位改变元件给予连续的相位改变、不连续的相位改变、预定的有色像差和依赖照明的相位改变中的至少一个。
12.权利要求9所述的方法，其中，并入所述相位改变元件包括：将覆盖一部分所述传感器阵列的透明板、非球面元件和供电光学元件中的至少一个集成到所述成像光学器件中。
13.权利要求9所述的方法，其中，并入所述相位改变元件包括：将模塑的材料、包括子波长相位改变特征的光学元件和在其中包括折射率变化的材料集成进所述成像光学器件。
14.权利要求9所述的方法，其中，并入所述相位改变元件包括：布置所述相位改变元件用于在所述成像系统的图像平面处提供焦点对准的空间变化。
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