CN102047167B

CN102047167B - 包括分布式相位修改的成像系统及相关联的方法

Info

Publication number: CN102047167B
Application number: CN200980120522.2A
Authority: CN
Inventors: 丹尼斯·J·加拉格尔
Original assignee: Omnivision Technologies Inc
Current assignee: Omnivision Technologies Inc
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: EP2265989A1; US8922700B2; US20110025877A1; CN102047167A; WO2009124276A1

Abstract

一种在同轴和离轴场上对一系列场点成像的成像系统，包括用于捕获图像数据的图像传感器、以及第一和第二光学元件，第一和第二光学元件是隔开的并合作以将光成像在图像传感器上。第一和第二光学元件被配置以共同地修改穿过其透射的光的相位，使得对应于一系列场点的点扩散函数(“PSF”)在同轴和离轴视场上是基本一致的。

Description

包括分布式相位修改的成像系统及相关联的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年4月3日提交的、标题为“包括分布式相位修改的成像系统及相关联的方法(IMAGING SYSTEMS INCLUDINGDISTRIBUTED PHASE MODIFICATION AND ASSOCIATEDMETHODS)”的第61/042,161号美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用全部并入本文。

背景技术

传统地，在设计成像系统时，光学设计者操作几种参数，如透镜材料、表面曲率以及孔径尺寸，并优化参数以实现这样的成像系统，该成像系统在给定的约束下尽可能接近期望系统进行操作。

如在Cathey等人的美国专利第5,748,371号中所描述的，波前编码(Wavefront Coded)(“WFC”)成像系统使用非球面相位修改光学元件来修改穿过其传输的电磁能量的相位，该美国专利以引用方式整体并入本文。相位修改光学元件可以是旋转对称或非旋转对称，且与数字信号处理相结合，用于使离焦相关像差最小，离焦相关像差可能存在于标准成像系统中(例如，没有使用非球面相位修改光学元件)。离焦相关像差的一些例子包括色差、珀兹伐(Petzval)场曲、散光、彗差、球面像差、以及温度相关离焦等等。

发明内容

结合系统、工具和方法描述和说明下面的实施方式和实施方式的方面，系统、工具和方法意在示例性的和说明性的，并非限制保护范围。在各种实施方式中，已经解决了与上述系统和方法相关联的一个或多个限制，而其他实施方式用于其他改进。

在实施方式中，在同轴和离轴场上对一系列场点成像的成像系统包括用于捕获图像数据的图像传感器、以及第一和第二光学元件，第一和第二光学元件是隔开的并合作以将光成像在图像传感器上。第一和第二光学元件被配置以共同地修改穿过其透射的光的相位，使得对应于一系列场点的点扩散函数(“PSF”)在同轴和离轴视场上是基本一致的。

附图说明

参照下文中结合以下简要描述的附图进行的详细描述，可更好地理解本发明。注意到，为了说明清楚，可以不按照比例绘出、可以简化和/或对比增大在附图中的某些要素。

图1至图3示出了根据实施方式使用三个不同的光圈值(“F/#”)的双元件分布式相位修改成像系统的示例性设计；

图4至图6分别是图1至图3的双元件分布式相位修改成像系统设计的调制传递函数(即，“MTF”或光学传递函数“OTF”模量)曲线的标绘图；

图7是针对F/2.8、图2的双元件分布式相位修改成像系统，作为半径的函数的并针对不同场值的环绕能量的比例的标绘图。

图8是针对如图2所示在F/2.8的双元件分布式相位修改成像系统沿着y场的相对照度的标绘图；

图9至图16是图1的双元件F/2.0分布式相位修改成像系统的一系列综合误差标绘图；

图17是图1的双元件F/2.0分布式相位修改成像系统的场曲标绘图；

图18是图1的双元件F/2.0分布式相位修改成像系统的畸变标绘图；

图19是图1的双元件F/2.0分布式相位修改成像系统的横向色的标绘图。

图20至图27示出了图2的双元件F/2.8分布式相位修改成像系统的一系列综合误差标绘图；

图28是图2的双元件F/2.8分布式相位修改成像系统的场曲标绘图；

图29是图2的双元件F/2.8分布式相位修改成像系统的畸变标绘图；

图30是图2的双元件F/2.8分布式相位修改成像系统的横向色差的标绘图；

图31至图38示出了图3的双元件F/3.1分布式相位修改成像系统的一系列综合误差标绘图；

图39是图3的双元件F/3.1分布式相位修改成像系统的场曲标绘图；

图40是图3的双元件F/3.1分布式相位修改成像系统的畸变标绘图；

图41是图3的双元件F/3.1分布式相位修改成像系统的横向色差的标绘图。

图42示出了具有F/2.94且没有分布式相位修改的双元件传统成像系统的一种可能的设计；

图43是图42的传统成像系统的MTF曲线的标绘图；

图44中示出了使用两个凸透镜的双元件F/2.86分布式相位修改的成像系统的一种可能的设计；

图45是图44的双元件分布式相位修改的成像系统的MTF曲线的标绘图；

图46至图53示出了图44的双元件分布式相位修改的成像系统的一系列综合误差标绘图；

图54是图44的双元件分布式相位修改的成像系统的场曲标绘图；

图55是图44的双元件分布式相位修改的成像系统的畸变标绘图；以及

图56是图44的双元件分布式相位修改的成像系统的横向色差的标绘图。

具体实施方式

本文描述的相位修改成像系统被配置以在成像系统中的一个以上光学元件上分布WFC系统的相位修改效果；这个概念在本文中被称为“分布式相位修改”。在一个实施方式中，成像系统中的第一光学元件被配置为相位修改元件。通过在成像系统的第二光学元件设计中实施较高阶非球面项，由第二元件所影响的相位修改可用于进一步控制遍及场的像差。换句话说，由第二光学元件影响的相位修改可用于平衡或补偿由第一元件影响的相位修改。这种分布式相位修改方法是有优势的，例如，对于在这样的成像系统中的使用，即，在该成像系统中，对于最接近焦平面的光学元件的同轴和离轴的场瞬时视场是在该光学元件的不同区域。然而，对于分布式相位修改的实现，瞬时视场的这种分隔是没有必要的。例如，由接近焦平面的元件影响的相位修改可用于平衡或补偿由位于距焦平面更远的其他光学元件影响的相位修改。在分布式相位修改成像系统之后捕获的图像可以使用例如图像锐化技术处理，以产生可视图像或用在基于任务的成像系统中的图像。

在分布式相位修改成像系统的一个实施方式中，成像系统可以被设计以产生点扩散函数(“PSF”)，点扩散函数对于在成像系统的整个场上的场点是基本一致的。也就是说，这种方法同时考虑由整个成像系统影响的相位修改。以这种方式，成像系统可以被配置以提供适当的相位修改以生成这样的PSF，该PSF在成像系统的同轴和离轴场的各处是基本类似的。

用于设计这种分布式相位修改成像系统的一种方法包括使散光最小化，使得得到的成像系统产生在整个视场上的基本径向对称的PSF。在这种系统中，可以设置用于最优化设计价值函数以产生其中的总体MTF尽可能高的成像系统。同时，在成像系统的整个视场上切向和弧矢的MTF曲线应该在大小和形状上是相似的。这种最优化参数可以牺牲总体同轴MTF大小以在视场上维持MTF曲线的相似性。然而，得到的径向对称的PSF(具有很少散光)利用单个的、简单的但是积极的滤波器核心，允许相位编码图像的‘解码’，得到了在整个视域上的清洁的、令人满意的图像。此外，在最优化期间，可以将权重函数应用于光学系统设计的各种参数，例如，以便使散光和/或彗差最小化。这样，具有少到两个供以动力的光学表面的简单成像系统可以被配置以产生高质量图像。

在图1至图3中示出了这种系统的实施例，其中分别示出了对于F/2.0、F/2.8和F/3.1的双元件分布式相位修改成像系统设计。图1至图3的示例性成像系统可以合并有，例如，在小型照相机结构内、具有1.75μm像素间距的VGA格式传感器。例如，在图1中，成像系统100(1)包括支撑第一光学元件112的第一基底110，例如，第一基底110通过隔离物(为清晰表示而未示出)与支撑第二光学元件122的第二基底120相分隔。第二基底120被布置为临近盖玻片130放置以保护传感器132。例如，第一基底110和第二基底120可以是300μm厚的基底，通过400μm厚的两个晶元隔离物的堆(未示出)分隔，而传感器盖玻片130可以是标准的400μm盖玻片。

图1至图3中各自的成像系统100(1)、100(2)和100(3)基本上相同，除了不同的孔径尺寸之外。在图4至图6中分别示出了图1至图3的成像系统100(1)、100(2)和100(3)的MTF曲线；因此，图4至图6中示出了分布式相位修改可以并入具有可变孔径的成像系统。例如，使用物理孔径、电致变色、或光致变色材料等等可以产生这种可变孔径的系统，以在成像系统内改变光阑尺寸。这样，单个的成像系统可以被设计以显示具有不同孔径尺寸的不同光圈值，同时显示良好的成像性能。

图7是示出针对图2的F/2.8成像系统100(2)，遍及场的环绕能量的比例的标绘图。这个标绘图示出了环绕能量在整个场上是相对恒定的，由此表示在场中的单个滤波器容易产生良好的图像。适合的滤波器可以是，例如，简单的具有以下值的3乘3滤波器核心：

图8示出了针对图2中示出的F/2.8成像系统100(2)的Y场中的相对照度。在这种情况下，相比于没有使用分布式相位修改的成像系统，在两种光学元件之间的相位修改的分布导致了在VGA传感器的角和边缘处更均匀的照度。

图1至图3的双元件分布式相位修改成像系统设计的其他性能指标分别在图9至图19、图20至图30以及图31至图41中示出。图9-16是图1的F/2.0成像系统100(1)的一系列综合误差标绘图。图17是图1的F/2.0成像系统100(1)的场曲标绘图。图18是图1的F/2.0成像系统100(1)的畸变标绘图。图19是图1的F/2.0成像系统100(1)的横向色差的标绘图。

图20至图27示出了图2的F/2.8成像系统100(2)的一系列综合误差标绘图。图28是图2的F/2.8成像系统100(2)的场曲标绘图。图29是图2的F/2.8成像系统100(2)的畸变标绘图。图30是图2的F/2.8成像系统100(2)的横向色差的标绘图。

图31至图38示出了图3的F/3.1成像系统100(3)的一系列综合误差标绘图。图39是图3的F/3.1成像系统100(3)的场曲标绘图。图40是图3的F/3.1成像系统100(3)的畸变标绘图。图41是图3的F/3.1成像系统100(3)的横向色差的标绘图。

为了比较，在图42和图43中分别示出了双元件标准(例如，没有使用分布式相位修改)成像系统200及其相应的特性。图42示出了具有F/2.94且没有使用分布式相位修改的成像系统200的一种可能的设计。图43是图42的成像系统200的MTF曲线的标绘图。

在图44中示出了使用两个凸透镜的双元件分布式相位修改的成像系统300的可替换设计。在图45至图56详细介绍了成像系统300的特性。图44示出了使用两个凸透镜的双元件F/2.86分布式相位修改的成像系统300的一种可能的设计。

图45是图44的成像系统300的MTF曲线的标绘图。图46至图53示出了图44的成像系统300的一系列综合误差标绘图。图54是图44的成像系统300的场曲标绘图。图55是图44的成像系统300的畸变标绘图。图56是图44的成像系统300的横向色差的标绘图。

使用分布式相位修改设计的成像系统可以被配置以根据设计目标呈现一些优势特征。一个这样的特征是散光的下降，使得在整个图像上的锐化得到令观众满意的图像。分布式相位修改成像系统还可以被设计以产生基本恒定的PSF，针对具有很少散光的多F/#贯穿场，生成可变孔径的系统(见图1至图3描述的系统100(1)、100(2)和100(3)，及其相应的描述)。可产生这种多F/#系统，例如使用电致变色材料来改变光阑尺寸。

虽然在本更公开中所描述的实施例描述了双元件分布式相位修改成像系统，但是本领域技术人员来说将理解的是，分布式相位修改能够应用于具有不止两个元件的成像系统中的两个或更多光学元件的任意组合。因此需要注意的是，在上面描述中所包含的或在附图中所示出的主题应该被解释为说明性的而不是限制意义的。

Claims

1.一种在同轴和离轴场上对一系列场点成像的成像系统，所述成像系统包括：

图像传感器，用于捕获图像数据；以及

第一和第二光学元件，所述第一和第二光学元件是隔开的并合作以将穿过的光成像在所述图像传感器上，

其中，所述第一和第二光学元件被配置以共同地修改穿过其透射的所述光的相位，使得对应于所述系列场点的点扩散函数(“PSF”)在同轴和离轴场上是基本一致的，并且在由所述成像系统成像的视场上是径向对称的，

其中，所述第一光学元件被配置以提供第一相位修改，并且所述第二光学元件被配置以提供不同的第二相位修改。

2.如权利要求1所述的成像系统，进一步包括后处理器，用于处理在所述图像传感器捕获的所述图像数据以产生最终的图像。

3.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述后处理器包括用于处理所述图像数据的滤波器核心。

4.如权利要求3所述的成像系统，其中，所述滤波器核心包括3乘3滤波器核心。

5.如权利要求4所述的成像系统，其中，所述3乘3滤波器核心选自以下滤波器核心：

6.如权利要求1所述的成像系统，进一步包括限定了孔径尺寸的孔径。

7.如权利要求6所述的成像系统，其中，所述孔径被配置为可变的，以便在至少分别对应于第一和第二孔径尺寸的第一和第二状态之间是可切换的。