CN104185808A - 包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列 - Google Patents

包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列 Download PDF

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Abstract

根据本发明实施例的系统及方法把自适应光学元件并入到透镜堆叠阵列中的光学通道中。在一种实施例中，阵列照相机模块包括：透镜堆叠阵列，该透镜堆叠阵列包括至少两个透镜堆叠，其中至少一个透镜堆叠包括能够响应于至少一个电信号而调整由对应透镜堆叠定义的光学通道中光透射特性的自适应光学元件；包括用于透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦平面的传感器；以及配置为控制至少一个自适应光学元件的电路，其中透镜堆叠阵列和传感器配置为使得每个透镜堆叠能够在对应的焦平面上形成图像。

Description

包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列
技术领域
本发明涉及透镜堆叠阵列并且更具体而言涉及包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列。
背景技术
响应于基于照相机暗箱(camera obscura)对传统数码相机所置约束，已经提出能够被称为阵列照相机的一类新照相机。阵列照相机的特征在于它们包括多个像素阵列，每个像素阵列通常要定义一焦平面(作为替代，焦平面能够被称为“焦平面阵列”)，并且每个焦平面通常与独立的透镜系统关联。在许多情况下，阵列照相机是利用包含多个焦平面的传感器和透镜堆叠阵列构造的。每个透镜堆叠通常包括一个或多个透镜，以及包括(但不限于)光圈、滤光器、基板和(不透明的)间隔物的附加部件。
发明内容
根据本发明实施例的系统及方法把自适应光学元件并入到透镜堆叠阵列中的光学通道中。根据一种实施例，阵列照相机模块包括：透镜堆叠阵列，包括至少两个透镜堆叠，其中，至少一个透镜堆叠包括能够响应于至少一个电信号而调整由对应透镜堆叠定义的光学通道中光透射特性的自适应光学元件；包括用于透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦平面的传感器，其中，每个焦平面包括也构成多列像素的多行像素并且每个焦平面被包含在传感器中的不包含来自另一焦平面的像素的区域内；以及配置为控制至少一个自适应光学元件的电路，其中，透镜堆叠阵列和传感器配置为使得每个透镜堆叠能够在对应的焦平面上形成图像。
在另一种实施例中，阵列照相机模块还包括基于由传感器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件的电路。
在又一种实施例中，透镜堆叠阵列中的每个透镜堆叠包括至少一个自适应光学元件。
在另一种实施例中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的焦距。
在又一种实施例中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的焦距以使得其焦距与其对应的焦平面匹配。
在又一种实施例中，配置为调整其对应透镜堆叠的焦距的至少一个自适应光学元件包括至少一个压电元件，其中这至少一个压电元件的激活使自适应光学元件调整其对应透镜堆叠的焦距。
在又一种实施例中，配置为调整其对应透镜堆叠的焦距的至少一个自适应光学元件还包括玻璃支撑物、聚合物层及薄玻璃隔膜，其中，玻璃支撑物布置成与聚合物层的一侧相邻，而薄玻璃隔膜布置成与聚合物层的另一相对的侧相邻，并且其中，所述至少一个压电元件耦接到玻璃隔膜以使得压电元件的激活使薄玻璃隔膜偏转，从而对应透镜堆叠的焦距可控地被调整。
在另一种实施例中，自适应光学元件包括液晶层，该液晶层包括液晶元件。
在又一种实施例中，自适应光学元件还包括第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板、第一电极、第二电极以及整形层，其中，整形层包括具有相同折射率但不同介电性质的两种不同材料，其中，第一电极布置成与第一玻璃基板和液晶层相邻并位于其间，其中，液晶层布置成与第一电极和第二玻璃基板相邻并位于其间，其中，第二玻璃基板布置成与液晶层和整形层相邻并位于其间，其中，整形层布置成与第二玻璃基板和第二电极相邻并位于其间，其中，第二电极布置成与整形层和第三玻璃基板相邻并位于其间，并且其中，当电势差跨第一电极和第二电极施加时，该电势差引起液晶元件的差分旋转，从而调整透镜堆叠的焦距。
在另一种实施例中，自适应光学元件包括配置为生成电场的多个电极，该电场的大小作为关于对应透镜堆叠的径向位置的函数而改变。
在又一种实施例中，自适应光学元件配置为通过改变其厚度来调整焦距。
在又一种实施例中，自适应光学元件配置为通过改变各自透镜堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置来调整图像位置。
在另一种实施例中，自适应光学元件包括至少一个基于MEMS的致动器，用于改变各自堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置。
在又一种实施例中，自适应光学元件还配置为放大图像。
在另一种实施例中，自适应光学元件包括用于改变各自透镜堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置的至少一个VCM。
在又一种实施例中，自适应光学元件中至少一个配置为调整其对应透镜堆叠的中心视角(central viewing angle)。
在又一种实施例中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的中心视角从而增加由焦平面提供的图像角采样的多样性。
在又一种实施例中，至少一个自适应光学元件包括配置为控制自适应光学元件的折光力分布的中心的多个电极。
在又一种实施例中，电极是以按方位角分段的模式布置的以使得电势差能够选择性地跨电极的子集施加，从而控制自适应光学元件的折光力分布的中心。
在又一种实施例中，中心视角的调整范围基于焦平面捕捉其图像的对象相对于照相机的距离。
在另一种实施例中，至少一个自适应光学元件配置为提供颜色适配能力。
在又一种实施例中，至少一个自适应光学元件配置为提供依颜色而定的聚焦。
在又一种实施例中，所有自适应光学元件都规定依颜色而定的聚焦，其中，特定聚焦的颜色是红色、蓝色或绿色中的一种，并且其中，具有依颜色而定的聚焦的自适应光学元件配置为在透镜堆叠阵列上实现π滤光器组。
在另一种实施例中，阵列照相机模块包括配置为测量至少一个物理参数的至少一个测量设备，其中，电路配置为基于由测量设备测出的至少一个物理参数来控制至少一个自适应光学元件。
在又一种实施例中，至少一个自适应光学元件包括配置为测量温度并生成指示温度测量结果的至少一个电信号的至少一个测量设备，并且电路配置为基于由至少一个测量设备生成的指示温度测量结果的至少一个电信号来控制自适应光学元件。
在又一种实施例中，电路配置为基于由控制器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件。
在另一种实施例中，一种阵列照相机模块包括：透镜堆叠阵列，包括至少两个透镜堆叠，其中，每个透镜堆叠包括能够响应于电信号而调整由对应透镜堆叠定义的光学通道中光透射特性的自适应光学元件，并且每个自适应光学元件包括液晶层和能够生成电场的多个电极，该电场的大小作为关于透镜堆叠的径向和周向位置的函数而改变，使得透镜堆叠的焦距和中心视向(central viewing direction)能够被调整；包括用于透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦平面的传感器，其中，每个焦平面包括也构成多列像素的多行像素并且每个焦平面被包含在传感器中的不包含来自另一焦平面的像素的区域中，以及配置为基于由传感器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件的电路，其中，透镜堆叠阵列和传感器配置为使得每个透镜堆叠能够在对应的焦平面上形成图像。
附图图示
图1图示出包括阵列照相机模块的阵列照相机。
图2概念性地图示出根据本发明实施例的阵列照相机模块。
图3图示出根据本发明实施例的采用π滤光器组的阵列照相机模块。
图4A概念性地图示出传统透镜堆叠阵列中能够发生的焦距的变化。
图4B概念性地图示出根据本发明实施例的其中透镜堆叠阵列包含自适应光学元件的阵列照相机模块。
图5A图示出根据本发明实施例的包括玻璃支撑物、聚合物、玻璃隔膜和压电元件的自适应光学元件。
图5B图示出根据本发明实施例的包括玻璃支撑物、聚合物、玻璃隔膜和压电元件的自适应光学元件的操作。
图6是根据本发明实施例的能够用在透镜堆叠阵列中的液晶自适应光学元件的横截面图。
图7A和7B概念性地图示出能够通过增大施加到自适应光学元件的电极的电压来实现的折光力(refractive power)的增大。
图8图示出能够改变其厚度来调整焦距的自适应光学元件。
图9概念性地图示出根据本发明实施例的自适应光学元件的折光力分布的中心的移位。
图10A和10B概念性地图示出根据本发明实施例的电极配置，电压能够选择性地施加到该电极配置以更改自适应光学元件的折光力分布的中心。
图11A概念性地图示出根据本发明实施例的能够在自适应光学元件中用于生成径向变化的电场以便控制自适应光学元件的折光力分布的一组电极。
图11B概念性地图示出根据本发明实施例的能够配置为横向移位由自适应光学元件生成的电场的电极配置。
具体实施方式
现在转向附图，图示出根据本发明实施例的用于把自适应光学元件并入到透镜堆叠阵列的光学通道中的系统及方法。自适应光学元件能够响应于电信号而调整光学通道中光透射的特性。在Venkataraman等人题为“Capturing and Processing of Images UsingMonolithic Camera Array with Heterogeneous Imagers”的美国专利申请序列号No.12/935,504中，描述了利用透镜堆叠阵列构造阵列照相机的方法。美国专利申请序列号No.12/935,504的全部公开内容通过引用结合于此。阵列照相机模块通常是要以如下方式构造，该方式使得：包括用于阵列照相机模块的每条光学通道(光学通道是由对应的透镜堆叠定义的)的焦平面(即，配置为捕捉由对应透镜堆叠在其上形成的图像的像素阵列)的单片传感器和透镜堆叠阵列关于彼此定位以使得每个焦平面位于每条光学通道中其对应透镜堆叠的焦点距离处。焦平面通常包括也形成多列像素的多行像素，并且每个焦平面通常被包含在传感器中的不包含来自另一焦平面的像素的区域中。透镜堆叠阵列可以是刚性的以使得阵列中的个体透镜堆叠不能相对于彼此移动。透镜堆叠与其对应焦平面的组合能够被理解为是“照相机模块”。
理想地，阵列照相机的透镜堆叠阵列构造成使得每个透镜堆叠具有相同的焦距。但是，在透镜堆叠阵列制造过程中所涉及的大量容限会导致透镜堆叠具有偏离额定规定的参数-诸如焦距。由于传感器的单片本质，它通常不能放到与刚性透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦距对应的距离。因此，透镜堆叠之间的制造变化会导致由光学通道形成的一些或全部图像焦点未对准。特别地，即使在从同一制造工艺制造的透镜堆叠阵列之间，这些制造变化也可能导致不同的焦距。此外，与阵列照相机模块的组装关联的其它制造容限，包括(但不限于)间隔物厚度和透镜堆叠阵列相对于传感器的对准的变化，也会影响所有光学通道。
在Duparre等人题为“Systems and Methods for ManufacturingCamera Modules Using Active Alignment of Lens Stack Arrays andSensors”的美国临时专利申请No.61/666,852中，描述了包括对准透镜堆叠阵列与传感器从而减小由于透镜参数的变化而导致的有害影响的解决方案。美国专利申请序列号No.61/666,852的全部公开内容通过引用结合于此。
在本发明的许多实施例中，使用包含自适应光学元件的透镜堆叠阵列，其中自适应光学元件具有能够修改透镜堆叠的焦距的可变折光力。当包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列并入到阵列照相机模块中时，自适应光学元件能够被控制，以校准每个透镜堆叠的焦距，让像距对应于透镜堆叠和传感器上对应焦平面之间的距离。在几种实施例中，自适应光学元件利用参考图像被校准，以减小每条光学通道中的散焦。与美国专利申请序列号No.61/666,852中提供的解决方案相比，把自适应光学元件并入到透镜堆叠中可以提供减小由于透镜参数的变化而导致的有害影响的成本有效的解决方案。具体而言，自适应光学元件的并入能够消除采用像美国专利申请序列号No.61/666,852中公开的那样严格主动对准方法的需求。此外，自适应元件能够增强在利用任何对准方法(包括主动对准方法)制造的照相机模块中实现的结果。
而且，自适应光学元件能够用于移位自适应光学元件的折光力分布的中心。以这种方式，自适应光学元件能够用于增加由传感器上每个焦平面捕捉到的图像之间的采样多样性。如在Lelescu等人题为“System and Methods for Synthesizing High Resolution ImagesUsing Super-Resolution Processing”的美国专利申请序列号No.12/967,807中所公开的，当从由阵列照相机捕捉的多个图像合成高分辨率图像时，增加采样多样性能够改进利用超分辨率(SR)处理实现的分辨率的增大。美国专利申请序列No.12/967,807的全部公开内容通过引用结合于此。
在几种实施例中，自适应光学元件用于以其它方式调整透镜堆叠。例如，在许多实施例中，自适应光学元件可用于提供颜色适配。在多种实施例中，自适应光学元件可用于适应光学堆叠的热变化。在几种实施例中，暗电流测量用于测量温度并且自适应光学元件相应变化。
在各种实施例中，在利用自适应元件调整一个或多个透镜堆叠的焦距的同时，场景的多个图像被快速捕捉。以这种方式，处理器能够在执行诸如(但不限于)合成较高分辨率图像的超分辨率处理的处理之前根据包括但不限于聚焦的标准来选择图像。
以下进一步讨论根据本发明实施例的阵列照相机、透镜堆叠阵列和自适应光学元件。
阵列照相机体系架构
能够用在根据本发明实施例的各种阵列照相机配置中的阵列照相机体系架构在图1中图示。阵列照相机100包括阵列照相机模块110，该模块110连接到图像处理管线模块120并连接到控制器130。
阵列照相机模块包括两个或更多个焦平面，每个焦平面通过独立的透镜堆叠接收光。阵列照相机模块还能够包括控制成像参数的其它电路以及测量物理参数并生成对应信号的测量设备。在许多实施例中，阵列照相机模块包括控制阵列照相机模块的自适应光学元件的电路。在多种实施例中，该电路配置为，例如，经信号的生成和发送与设备通信，并且基于这种通信控制自适应光学元件。在各种实施例中，该电路与传感器通信，并且基于该通信控制自适应光学元件。在几种实施例中，电路与控制器通信，并且基于这种通信控制自适应光学元件。传感器或控制器能够基于测量设备生成的信号把信号发送到电路。控制电路还能够控制诸如曝光时间、增益和黑电平(blacklevel)偏移量的成像参数。在一种实施例中，用于控制成像参数的电路可独立地或者以同步方式触发由每个焦平面对图像的捕捉。阵列照相机模块能够包括各种其它测量设备，包括但不限于估计在操作温度的暗电流的暗像素。能够用在根据本发明实施例的阵列照相机中的阵列照相机模块在Venkataraman等人的题为“Capturing andProcessing of Images Using Monolithic Camera Array withHeterogeneous Imagers”的美国专利申请序列号No.12/935,504中公开。
图像处理管线模块120是用于处理从阵列照相机模块110接收到的图像的硬件、固件、软件或者其组合。图像处理管线模块120处理由阵列照相机模块中焦平面捕捉的多个图像并且产生合成的较高分辨率图像。在多种实施例中，图像处理管线模块120经输出122提供合成的图像数据。
控制器130是用于控制阵列照相机模块110的各种操作参数的硬件、固件、软件或者其组合。控制器130从用户或其它外部部件接收输入132并且发送控制阵列照相机模块110的操作信号。控制器130还能够把信息发送到图像处理管线模块120，以辅助对由阵列照相机模块110中焦平面捕捉到的图像的处理。
虽然一具体阵列照相机体系架构在图1中已图示，但是，根据本发明的实施例，使得能够捕捉图像并且应用SR处理来产生合成的高分辨率图像的备选体系架构也能够使用。以下进一步讨论根据本发明实施例的阵列照相机模块中自适应光学元件的使用。
阵列照相机模块
根据本发明许多实施例的阵列照相机模块包括透镜堆叠阵列和包括焦平面阵列的单片传感器的组合。透镜堆叠阵列包括透镜堆叠的阵列，其中每个透镜堆叠定义独立的光学通道。透镜堆叠阵列安装到包括用于每条光学通道的焦平面的单片传感器，其中每个焦平面包括配置为捕捉图像的像素或传感器元件的阵列。当透镜堆叠阵列和包括焦平面阵列的传感器以足够的精度组合时，阵列照相机模块能够用于捕捉场景的多个图像，这些图像能够传递到图像处理管线，以便利用SR处理合成高分辨率图像。
根据本发明实施例的通过组合透镜堆叠阵列和包括焦平面阵列的单片传感器而形成的阵列照相机模块的分解图在图2中图示。阵列照相机模块200包括透镜堆叠阵列210和包括焦平面240阵列的传感器230。透镜堆叠阵列210包括透镜堆叠220的阵列。每个透镜堆叠220产生在传感器230上一个焦平面240上分解图像的光学通道。透镜堆叠220中每一个可以是不同类型。在几种实施例中，光学通道用于捕捉光谱的不同波长部分的图像并且每个光学通道中的透镜堆叠对由与该光学通道关联的焦平面成像的谱部分特别地进行优化。更具体而言，阵列照相机模块可利用“π滤光器组”构图。术语“π滤光器组”指应用到阵列照相机模块的透镜堆叠阵列或焦平面的滤色器的模式，并且用于利用π滤光器组构图阵列照相机的处理在Venkataraman等人的题为“Camera Modules Patterned withπfiltergroups”的美国专利申请序列号No.61/641,164中描述。美国专利申请序列号No.61/641,164的全部公开内容通过引用结合于此。图3图示出单个π滤光器组，其中5个照相机配置为接收绿光，2个照相机配置为接收红光，2个照相机配置为接收蓝光。
在许多实施例中，阵列照相机模块230包括具有一个或多个关于彼此轴向布置的独立光学透镜元件的透镜堆叠220。如以下进一步讨论的，根据本发明几种实施例的透镜堆叠阵列210包括一个或多个自适应光学元件，这些自适应光学元件能使得能够对每个透镜堆叠的焦距和/或对自适应光学元件的折光力分布的中心(centration)的随后移位进行独立调整。
在几种实施例中，阵列照相机模块采用晶片级光学器件(WLO)技术。WLO是涵盖多个处理的一种技术，包括，例如，透镜阵列在玻璃晶片上的模制，这些晶片(包括具有在基板任意一侧复制的透镜的晶片)与适当间隔物的堆叠，之后是把光学器件与成像器一起直接打包到单片集成模块中。
WLO过程可涉及例如使用金刚石车削模具(diamond turnedmold)在玻璃基板上产生每个塑料透镜元件的过程。更具体而言，WLO中的处理链通常包括产生金刚石车削透镜(diamond turnedlens)母体(在个体和阵列水平二者上)，然后产生用于那个母体(也称作戳或工具)的副本的阴模，然后最终在玻璃基板上形成聚合物副本，其中玻璃基板已经利用适当的支撑光学元件结构化，诸如例如孔(遮光材料层中的透明开口)和滤光器。
虽然以上讨论了利用WLO的透镜堆叠阵列的构造，但是多种技术中任何一种都能够用来构造透镜堆叠阵列，例如涉及精度玻璃模制、聚合物注入模制或者晶片级聚合物单片透镜处理的那些技术。以下进一步讨论根据本发明实施例的包括自适应光学元件的透镜堆叠阵列的构造。
透镜堆叠阵列
制造容限导致与原始规定有别的透镜堆叠阵列制造。在传统透镜堆叠阵列中会发生的焦距的变化在图4A中概念性地图示。阵列照相机模块400包括透镜堆叠阵列402，其中透镜堆叠把光聚焦到传感器408的焦平面406上。如所图示的，实际制造的透镜堆叠和其原始规定之间的变化会导致透镜堆叠具有与其规定稍有变化的焦距并因此具有与透镜堆叠阵列和传感器之间距离不对应的像距。因此，在传感器的焦平面上形成的图像会是焦点未对准的。在本发明的许多实施例中，阵列照相机模块用于捕捉提供给图像处理管线的图像，以便利用SR处理合成高分辨率图像。当阵列照相机模块捕捉到的图像焦点未对准时，会影响能够利用SR处理实现的分辨率增益的增加。
在各种实施例中，当利用自适应元件调整一个或多个透镜堆叠的焦距时，场景的多个图像被快速捕捉。以这种方式，处理器能够在执行诸如(但不限于)合成较高分辨率图像的超分辨率处理的处理之前根据包括但不限于聚焦的标准来选择图像。
在本发明的多种实施例中，自适应光学元件并入到至少一个透镜堆叠中，以便使得能够调整其各自的焦距。以这种方式，自适应光学元件的折光力能够被控制，以减轻由透镜堆叠在传感器的焦平面的阵列上形成的图像的焦点未对准。根据本发明实施例的其中透镜堆叠阵列包含自适应光学元件的阵列照相机模块在图4B中概念性地图示。透镜堆叠阵列402’在每个透镜堆叠414’中包括至少一个自适应光学元件420。在缺少自适应光学元件干预的情况下的每个透镜堆叠的焦距利用虚线示出。在操作中，参考模式能够用于确定每条光学通道中的焦点未对准并且适当的控制能够应用到自适应光学元件以修改每个透镜堆叠的焦距。
在许多实施例中，自适应光学元件是透镜堆叠中能够可控地修改其折光力的光学部件。在各种实施例中，能够可控地修改折光力的自适应光学元件被放置成，与各个透镜堆叠中的其它元件/透镜相比，离孔最近并且离传感器最远。在几种实施例中，自适应光学元件的折光力的修改是机械地实现的，包括(但不限于)微机电系统(MEMS)、活性聚合物致动器，和/或液体透镜。在多种实施例中，MEMS系统包括通过聚合物与玻璃支撑物隔开的薄玻璃隔膜，其中压电元件对玻璃隔膜施加力。在几种实施例中，压电元件包括强迫玻璃隔膜弯曲并且生成光焦度(optical power)变化的压电环。
根据本发明实施例的包括薄玻璃隔膜、聚合物、玻璃支撑物和压电元件的MEMS系统在图5A和5B中图示。MEMS系统500包括支撑聚合物520的玻璃支撑物510，聚合物520支撑玻璃隔膜540。玻璃隔膜耦接到压电元件530。如图5A中所示，当压电元件530不经受电压时，光线(由虚线指示)不被打扰地穿过MEMS系统。但是，如图5B中所示，当压电元件530被激活时，该激活使得玻璃隔膜偏转542，并且该偏转加强穿过MEMS系统的光线，由此调整焦距。压电元件的激活程度控制偏转程度，这进而与焦距的调整相关。因而，焦距能够通过控制压电元件的激活程度来控制。
在本发明的多种实施例中，自适应光学元件的折光力的修改是利用机械静态部件(即，不(宏观)移动的部件)实现的，包括但不限于施加整形电场以便修改液晶层的折光力的部件。在几种实施例中，其中液晶包含在玻璃基板之间的静态部件在透镜堆叠阵列的构造中使用并且玻璃基板用作透镜堆叠阵列进一步复制的基础。
根据本发明实施例的能够用在透镜堆叠阵列中的液晶自适应光学元件在图6中图示。液晶自适应光学元件600包括三个玻璃基板602、608和614。电极604在第一玻璃基板602的内表面上形成并且液晶层606位于该电极和第二玻璃基板608之间。第二电极612在第三玻璃基板614的内表面上形成，并且整形层610位于第二电极612和第二玻璃基板608之间。在所图示的实施例中，电极配置为生成均匀的电场。但是，整形层包括具有相同折射率但不同介电性质的两种不同材料。以这种方式，整形层整形由电极生成的均匀电场。在几种实施例中，整形层在液晶层中产生径向变化的电场，从而导致液晶径向变化的朝向。当整形层中的材料被正确地配置/整形时，施加到电极的单个电压能够被控制，使得液晶元件的差分旋转能够被改变，以便不同地聚焦穿过自适应光学元件的光。能够通过增大施加到电极的电压来实现的折光力的增大在图7A和7B中概念性地图示。图7A中所示的等高线(contour line)指示自适应光学元件的折光力分布，由于自适应光学元件的整形层中具有不同介电性质的材料的圆形对称形状，因此该分布具有圆形对称布置。随着电极之间的电压增大(如图7B中所示)，等高线702的数量增多，这指示折光力的增大。通过控制跨自适应光学元件的电极对的电压，能够实现适当水平的折光力。
根据本发明实施例的自适应光学元件的部件的大小能够设计成适应相对小的透镜元件(例如，与传统的单光学通道照相机相比)，并且在同等条件下，越小的自适应光学元件可拥有越有益的光学性质。而且，就(为了实现其效果)自适应光学元件只需要在较窄谱带上工作而言，根据本发明实施例的阵列照相机中自适应元件的使用是更加有利的。
当类似于图6所示结构的结构并入根据本发明实施例的透镜堆叠阵列中每条光学通道中时，透镜元件能够利用传统的处理技术在外部的玻璃基板602、614上形成，并且包括(但不限于)透镜元件与其规定的方差和/或透镜堆叠阵列与组装好的阵列照相机中所关联传感器的间距的变化的制造容限能够通过调谐施加到一个或多个光学通道中的液晶层的电场来补偿。
在许多实施例中，自适应光学元件通过改变其厚度来调整焦距。根据本发明实施例的改变其厚度来增大焦距的自适应光学元件在图8中图示。自适应光学元件800包括具有折射率n和能够修改其厚度t的能力的部件802。如本领域技术人员将认识到的，根据关系d≈((n-1)/n)*t，部件802将焦距增大量d。如本领域技术人员将认识到的，这个等式假设部件802之外的环境具有折射率1(例如，折射率是空气的折射率)。图8绘出焦距的调整：具体而言，虚线绘出当其不被部件802干扰时的光线，而实线指示光线由于部件802的影响所穿行的路径。当自适应光学元件处于厚度t1时，焦距移位了量d1。当自适应光学元件处于更大的厚度t2时，焦距移位了更大的量d2。本质上，通过改变部件802的厚度，自适应光学元件800能够增大透镜堆叠的焦距。在许多实施例中，与相应透镜堆叠中的其它元件/透镜相比，能够改变其厚度的自适应光学元件被放置成离孔最远并且离传感器最接近。
在多种实施例中，自适应光学元件是通过调整透镜堆叠中透镜元件的轴向定位实现的。通过可控地调整透镜堆叠中透镜元件的轴向定位，相应透镜堆叠的像位置，以及透镜堆叠的其它光学性质，可以可控地被调整。在许多实施例中，并入基于MEMS的致动器，以调整透镜堆叠中透镜元件的轴向定位。在包含基于MEMS的致动器的几种实施例中，基于MEMS的致动器在单片硅上制造，然后切单(singulate)(划片)并以混合方式与透镜堆叠阵列一体化。在许多实施例中，基于MEMS的致动器阵列能够在单片硅中作为(单片)阵列制造，其后个体(并且独立制造的)小透镜堆放到致动器中。那些小透镜沿着光轴的运动将提供与本申请中所讨论的自适应光学元件类似的焦点变化。在一些实施例中，每个透镜堆叠中的仅一个透镜是可移动的。在许多实施例中，透镜堆叠中的每个透镜元件是可移动的，使得整个透镜堆叠可重新定位。在多种实施例中，VCM并入透镜堆叠中，以调整透镜堆叠中透镜元件的轴向定位。虽然基于MEMS的致动器和VCM具体地描述为调整透镜堆叠中透镜元件的轴向定位，但是，根据本发明的实施例，透镜元件可以以任意数量的方式重新定位。
在几种实施例中，只有某些透镜堆叠可具有能够被重新定位的其各自的透镜元件。在许多实施例中，所有透镜堆叠都可具有能够被重新定位的其各自的透镜元件。
虽然以上已经讨论了具体的自适应光学元件，但是，根据本发明的实施例，具有可控折光力的、或者能够调节焦距的、或者能够更改通过光学通道的光透射特性并且能够并入到透镜堆叠阵列中的各种自适应光学元件中任一种都能够使用。此外，根据本发明的实施例，自适应光学元件能够采用机制的组合，例如，包括MEMS系统和机械静态部件，来增大折光力和/或控制光流。而且，根据本发明的实施例，透镜堆叠阵列中的透镜堆叠可关于彼此采用不同类型的自适应光学元件。在有些实施例中，自适应光学元件在透镜堆叠阵列中实现，以允许其放大图像。此外，在许多实施例中，自适应光学元件能够可控地移位折光力分布的中心。当这种自适应光学元件并入到根据本发明实施例的透镜堆叠阵列中时，自适应光学元件能够可控地移位每条光学通道的中心视向，以增加由阵列照相机模块捕捉到的图像中的采样多样性。中心视向是具体光学通道的视场的中心的方向。以下进一步讨论根据本发明实施例的能够横向移位折光力分布的中心的自适应光学元件。
横向移位折光力分布
自适应光学元件能够并入到透镜堆叠阵列内的透镜堆叠中，以便在包括光学通道的焦距和中心视向的光学通道的各种特性中引入变化。在许多实施例中，自适应光学元件通过使能对各个自适应光学元件的折光力分布的中心的控制来控制光学通道的中心视向。当这种自适应光学元件并入到透镜堆叠阵列中时，阵列照相机模块的角采样能够通过控制每条光学通道中自适应光学元件的折光力分布来确定性地精调。通常，当采样多样性增加时，更大的分辨率增益能够利用SR处理获得。在许多实施例中，中心视向的调整程度是基于如下物距的，在此物距处实现最优的SR性能。
根据本发明实施例的自适应光学元件的折光力分布的中心的移位在图9中概念性地图示。自适应光学元件900配置为生成可控的折光力分布。虚线示出的等高线904示出当其关于光学通道确定中心时折光力分布的位置。在所图示的实施例，自适应光学元件包括横向移位折光力分布的能力。实等高线902示出当被横向移位使得折光力分布的中心从光学通道的中心轴横向移动时自适应元件的折光力分布。如以上所指出的，当类似于图9所示的自适应光学元件并入到根据本发明实施例的透镜堆叠阵列中时，每条光学通道中折光力分布的横向移位能够被控制，以精调每条通道的中心视向并因此增加阵列照相机的采样多样性。
在许多实施例中，初始图像集合能够被捕捉并且在根据捕捉到的图像执行像素的融合(fusion)时图像处理管线能够检测像素的堆叠。在图像的至少一个具体区域中堆叠的个数超过阈值的情况下，横向移位能够被更改，以增加捕捉到的图像和捕捉到的第二组图像中的采样多样性。在多种实施例中，来自所捕捉到的图像的深度信息用于为每条光学通道确定适当的中心视向。自适应光学元件能够被相应地调整，并且第二组图像被捕捉用于高分辨率图像的合成。虽然以上讨论了用于提高采样多样性的具体算法，但是，根据本发明的实施例，各种算法中任意一种都能够用于利用自适应光学元件来增加采样多样性，以确定性地控制透镜堆叠阵列中每条光学通道的中心视向。以下讨论自适应光学元件能够控制中心视向的各种方式。
利用包含压电元件的MEMS系统来控制中心视向
根据本发明的实施例，类似于图5A和5B所示光学元件的自适应光学元件能够配置为能够控制中心视向。在许多实施例中，多个压电元件附连到玻璃隔膜，并且压电元件能够个别地被激活，从而以任意数量的方式偏转玻璃隔膜。因而，通过可控地偏转玻璃隔膜，中心视向能够依照需要被增大。应当指出，根据本发明的实施例，能够使用任意数量的压电元件和任意数量的激活模式。
使用机械静态部件的自适应光学元件也能够用于控制中心视向。以下讨论根据本发明实施例的用于实现自适应光学元件的折光力分布的横向移位的各种电极配置，其中自适应光学元件利用液晶产生折光力分布。
自适应光学元件电极配置
类似于图5所示自适应光学元件的自适应光学元件能够利用适当的电极配置来控制自适应光学元件的折光力分布的中心。根据本发明实施例的电压或电压模式能够选择性地施加到其以更改自适应光学元件的折光力分布的中心的电极配置在图10A和10B中图示。图10A中所示的电极配置是按方位角分段的电极模式，其中不同的电压能够施加到不同的段1000，以允许由电极生成的电场中心的横向移位，这又导致可调LCD-透镜光学相位函数的中心的移位。当被横向移位时，径向对称的电极模式把失真限制到相位函数。但是，在其它实施例中，也能够使用包括不径向对称的模式的电极模式。栅格电极模式在图10B中图示。独立的电压能够施加到栅格电极模式的段1002，以实现期望的可调电场模式。
无整形层的整形电场
回过头来参考图6，整形层包括在基于LCD的自适应光学元件中，以便利用单个同质电极整形径向对称的电场。在存在给定电场的情况下，整形层定义自适应光学元件的折光力分布。代替利用整形层，适当的电压能够施加到一组电极，以便在电场中产生等效于由整形层施加的整形的变化。能够在自适应光学元件中用于生成径向变化的电场以便控制自适应光学元件的折光力分布的一组电极在图11A中概念性地图示。同心环电极1100围住中心圆形电极1102。适当电压对每个电极的施加会导致这组电极产生预定的径向变化的电场。
除了利用一组电极来生成径向整形的电场，适当配置的一组电极还能够用于在径向整形的电场中引入横向移位。根据本发明实施例的能够配置为横向移位由自适应光学元件生成的电场的电极配置在图11B中概念性地图示。除同心环和中心圆形电极以径向对称的电极模式按方位角1104分段之外，该电极类似于图11A中所示的电极。不仅需要施加电压以产生径向变化的电场，而且电压能够用于引起自适应光学元件的径向变化折光力分布的中心的移位。
虽然以上描述了几种电极模式，但是，根据本发明的实施例，各种电极模式中的任何一种都能够用于控制自适应光学元件中所产生的电场。例如，能够使用其中不同宽度和/或环之间具有不同间距的环用于径向地改变电场的电极模式。因此，能够用在根据本发明实施例的透镜堆叠阵列的光学通道中所并入的自适应光学元件中的一组电极只由具体应用的需求来限定。
此外，虽然以上讨论集中在在调整焦距和中心的背景下使用自适应光学元件，但是自适应光学元件能够用来以任意数量的方式增大任意数量的透镜堆叠特性，包括例如颜色适配和热变化。以下讨论用于除加强焦距和中心之外的目的的自适应光学元件。
用于除加强焦距和中心之外的目的的自适应光学元件
根据本发明的实施例，自适应光学元件能够并入到透镜堆叠中，以便以任意数量的方式加强它们。在许多实施例中，自适应光学元件能够提供颜色适配能力。具体而言，自适应光学元件能够配置为使得它们提供依颜色而定的聚焦(例如，具体而言是对红、绿或蓝光敏感)。因而，在许多实施例中，透镜堆叠阵列的每个透镜堆叠都装备了特定地对红、绿或蓝光敏感的自适应光学元件，使得π滤波器组通过自适应光学元件在透镜堆叠阵列上实现。
在几种实施例中，自适应光学元件配置为能够抵消可能影响透镜堆叠阵列的任何不利的热效应。例如，在许多实施例中，自适应光学元件可配置为抵消由于透镜材料关于温度的折射率变化和/或由于阵列照相机模块可能遇到的热膨胀而造成的不利影响。此外，自适应光学元件可配置为增强图像，从而抵消传感器的热特性(thermalsignature)对图像的影响。在许多实施例中，暗电流测量用于测量温度，并且自适应光学元件相应地改变以适应。
虽然以上描述包含本发明的许多具体实施例，但是这些不应当认为是对本发明范围的限制，而是作为其一种实施例的例子。因此，本发明的范围不应当由所图示的实施例而应当由所附权利要求及其等同物来确定。

Claims (27)

1.一种阵列照相机模块，包括：
透镜堆叠阵列，包括至少两个透镜堆叠，其中，至少一个透镜堆叠包括能够响应于至少一个电信号而调整由对应透镜堆叠定义的光学通道中光透射特性的自适应光学元件；
传感器，包括用于透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦平面，其中，每个焦平面包括也构成多列像素的多行像素并且每个焦平面被包含在传感器的不包含来自另一焦平面的像素的区域内；及
配置为控制至少一个自适应光学元件的电路；
其中，透镜堆叠阵列和传感器配置为使得每个透镜堆叠能够在对应的焦平面上形成图像。
2.如权利要求1所述的阵列照相机模块，其中，所述电路配置为基于由传感器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件。
3.如权利要求2所述的阵列照相机模块，其中，透镜堆叠阵列中的每个透镜堆叠包括至少一个自适应光学元件。
4.如权利要求3所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的焦距。
5.如权利要求4所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的焦距以使得其焦距与其对应的焦平面匹配。
6.如权利要求5所述的阵列照相机模块，其中，配置为调整其对应透镜堆叠的焦距的至少一个自适应光学元件包括至少一个压电元件，其中，这至少一个压电元件的激活使自适应光学元件调整其对应透镜堆叠的焦距。
7.如权利要求6所述的阵列照相机模块，其中，配置为调整其对应透镜堆叠的焦距的至少一个自适应光学元件还包括：
玻璃支撑物、聚合物层及薄玻璃隔膜；
其中，玻璃支撑物布置成与聚合物层的一侧相邻，并且薄玻璃隔膜布置成与聚合物层的另一个相对的侧相邻；及
其中，所述至少一个压电元件耦接到玻璃隔膜以使得压电元件的激活使薄玻璃隔膜偏转，从而对应透镜堆叠的焦距可控地被调整。
8.如权利要求5所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件包括液晶层，该液晶层包括液晶元件。
9.如权利要求8所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件还包括：
第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板、第一电极、第二电极以及整形层；
其中，整形层包括具有相同折射率但不同介电性质的两种不同材料；
其中，第一电极布置成与第一玻璃基板和液晶层相邻并位于其间；
其中，液晶层布置成与第一电极和第二玻璃基板相邻并位于其间；
其中，第二玻璃基板布置成与液晶层和整形层相邻并位于其间；
其中，整形层布置成与第二玻璃基板和第二电极相邻并位于其间；
其中，第二电极布置成与整形层和第三玻璃基板相邻并位于其间；及
其中，第一电极和第二电极配置为使得：当电势差跨第一电极和第二电极施加时，该电势差引起液晶元件的差分旋转从而调整透镜堆叠的焦距。
10.如权利要求8所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件还包括配置为生成电场的多个电极，该电场的大小作为关于对应透镜堆叠的径向位置的函数而改变。
11.如权利要求4所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件配置为通过改变其厚度来调整焦距。
12.如权利要求4所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件配置为通过改变各自透镜堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置来调整图像位置。
13.如权利要求12所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件包括至少一个基于MEMS的致动器，用于改变各自透镜堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置。
14.如权利要求13所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件还配置为放大图像。
15.如权利要求12所述的阵列照相机模块，其中，自适应光学元件包括用于改变各自透镜堆叠中至少一个透镜元件的轴向位置的至少一个VCM。
16.如权利要求3所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的中心视角。
17.如权利要求16所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为调整其对应透镜堆叠的中心视角从而增加由焦平面提供的图像角采样的多样性。
18.如权利要求17所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件包括配置为控制自适应光学元件的折光力分布的中心的多个电极。
19.如权利要求18所述的阵列照相机模块，其中，电极是以按方位角分段的模式布置的以使得电势差能够选择性地跨电极的子集施加，从而控制自适应光学元件的折光力分布的中心。
20.如权利要求17所述的阵列照相机模块，其中，中心视角的调整范围基于焦平面捕捉其图像的对象相对于照相机的距离。
21.如权利要求3所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为提供颜色适配能力。
22.如权利要求21所述的阵列照相机模块，其中，至少一个自适应光学元件配置为提供依颜色而定的聚焦。
23.如权利要求22所述的阵列照相机模块，其中：
所有自适应光学元件提供依颜色而定的聚焦；
特定聚焦的颜色选自由红色、蓝色和绿色组成的组；及
具有依颜色而定的聚焦的自适应光学元件配置为在透镜堆叠阵列上实现π滤光器组。
24.如权利要求1所述的阵列照相机模块，还包括：
配置为测量至少一个物理参数的至少一个测量设备；
其中，所述电路配置为基于由测量设备测出的至少一个物理参数来控制至少一个自适应光学元件。
25.如权利要求24所述的阵列照相机模块，其中：
至少一个测量设备配置为测量温度并生成指示温度测量结果的至少一个电信号；及
所述电路配置为基于由至少一个测量设备生成的指示温度测量结果的至少一个电信号来控制自适应光学元件。
26.如权利要求1所述的阵列照相机模块，其中，所述电路配置为基于由控制器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件。
27.一种阵列照相机模块，包括：
透镜堆叠阵列，包括至少两个透镜堆叠，其中，每个透镜堆叠包括能够响应于电信号而调整由对应透镜堆叠定义的光学通道中光透射特性的自适应光学元件，并且每个自适应光学元件包括液晶层和能够生成电场的多个电极，该电场的大小作为关于透镜堆叠的径向和周向位置的函数而改变，使得透镜堆叠的焦距和中心视向能够被调整；
传感器，包括用于透镜堆叠阵列中每个透镜堆叠的焦平面，其中，每个焦平面包括也构成多列像素的多行像素并且每个焦平面被包含在传感器的不包含来自另一焦平面的像素的区域中；及
配置为基于由传感器生成的至少一个电信号来控制至少一个自适应光学元件的电路；
其中，透镜堆叠阵列和传感器配置为使得每个透镜堆叠能够在对应的焦平面上形成图像。
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