CN104580950B - 多透镜阵列模块中的紧凑间隔件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多透镜阵列模块中的紧凑间隔件。一种设备包含分割成N个图像传感器区的图像传感器。所述图像传感器附接到电路板。包含N个透镜的透镜阵列接近所述图像传感器而安置。所述N个透镜中的每一者经布置以将单个图像聚焦到所述N个图像传感器区中的相应一者上。间隔件结构堆叠于所述透镜阵列与所述电路板之间以将所述透镜阵列与所述图像传感器分离，其中所述间隔件结构环绕围绕所有所述N个图像传感器区及N个透镜的周界，使得所述间隔件结构都不安置于所述N个透镜与所述图像传感器的N个图像传感器区中的任一者之间。

Description

多透镜阵列模块中的紧凑间隔件
技术领域
本发明一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，涉及一种用于经分割图像传感器的透镜阵列。
背景技术
图像捕获单元通常包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换成电信号。电信号从图像捕获单元输出到主机电子系统或子系统中的其它单元。所述电子系统可为移动电话、计算机、数码相机或医疗装置。
随着图像捕获单元在电子系统中的使用的增加，对图像捕获单元特征、能力及装置尺寸的需求也增加。举例来说，越来越多地需要图像捕获单元具有更低轮廓，使得可减小包含所述图像捕获单元的电子系统的总体大小而同时不牺牲所捕获的所述光学图像的质量。图像捕获单元的轮廓可与从图像传感器的底部到成像透镜的顶部的距离相关联。
发明内容
在示范性实施例中，一种设备包括：图像传感器，其被分割成N个图像传感器区，其中所述图像传感器附接到电路板；透镜阵列，其包含N个透镜，接近所述图像传感器而安置，其中所述N个透镜中的每一者经布置以将单个图像聚焦到所述N个图像传感器区中的相应一者上；及间隔件结构，其堆叠于所述透镜阵列与所述电路板之间以将所述透镜阵列与所述图像传感器分离，其中所述间隔件结构环绕围绕所有所述N个图像传感器区及N个透镜的周界，使得所述间隔件结构都不安置于所述N个透镜与所述图像传感器的N个图像传感器区中的任一者之间。
在另一示范性实施例中，一种成像系统包括：像素阵列，其包含被分割成N个图像传感器区的图像传感器，其中所述N个图像传感器区中的每一者具有布置于其中的多个像素，其中所述图像传感器附接到电路板；透镜阵列，其包含N个透镜，接近所述图像传感器而安置，其中所述N个透镜中的每一者经布置以将单个图像聚焦到所述N个图像传感器区中的相应一者上；间隔件结构，其堆叠于所述透镜阵列与印刷电路之间以将所述透镜阵列与所述图像传感器分离，其中所述间隔件结构环绕围绕所有所述N个图像传感器区及N个透镜的周界，使得所述间隔件结构都不安置于所述N个透镜与所述图像传感器的N个图像传感器区中的任一者之间；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出单个图像数据。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
图1A是包含成像透镜及图像传感器的图像捕获单元的示意图。
图1B是包含低轮廓成像透镜及图像传感器的低轮廓图像捕获单元的示意图。
图2图解说明根据本发明的教示具有四个经分割区域的图像传感器的一个实例的俯视图。
图3图解说明根据本发明的教示定位于具有四个经分割区域的图像传感器上方的2×2多透镜阵列模块的一个实例的俯视图。
图4是图解说明根据本发明的教示定位于低轮廓图像捕获单元的一个实例的两个经分割区域上方的实例2×2多透镜阵列模块的一个实例的两个透镜的横截面。
图5是图解说明根据本发明的教示包含定位于具有经分割区域的图像传感器上方的多透镜阵列模块的图像感测系统的一部分的一个实例的框图。
在图式的所有数个视图中，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为了有助于改进对本发明的各种实施例的理解，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
具体实施方式
在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的一般技术人员将明了，不需要采用特定细节来实践本发明。在其它实例中，未详细描述众所周知的材料或方法以避免使本发明模糊。
在本说明书通篇中对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意指结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”的出现未必全部指代同一实施例或实例。此外，在一个或一个以上实施例或实例中，可以任何适合组合及/或子组合来组合所述特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文一起提供的各图是出于向所属领域的一般技术人员解释的目的且图式未必按比例绘制。
本发明揭示针对于供在低轮廓图像捕获单元中使用的包含紧凑间隔件结构的多透镜阵列模块的实例方法及设备。如将了解，可提供根据本发明的教示供在低轮廓图像捕获单元中使用的多透镜阵列模块，而根据本发明的教示并不牺牲所捕获的光学图像的质量(例如分辨率(即，像素的数目)及清晰度)来实现低轮廓。
为了图解说明，图1A是包含成像透镜102及图像传感器104的图像捕获单元100的示意图。透镜102与图像传感器104之间的距离大致为f，其中f为透镜102的焦距。图像传感器104被透镜102覆盖的宽度为W，且透镜直径为D。为了比较，图1B展示包含成像透镜108及图像传感器110的低轮廓图像捕获单元106的示意图。透镜108与图像传感器110之间的距离大致为f/2，其中f/2为透镜108的焦距。图像传感器110被透镜108覆盖的宽度为W/2，且透镜直径为D/2。
在低轮廓图像捕获单元中，用低轮廓成像透镜替换所述成像透镜，而图像传感器不变。图像传感器104及110为相同图像传感器，且两个图像传感器具有相同像素阵列结构。由于图像传感器110的宽度为图像传感器104的宽度的一半，因此在一个尺寸上，图像传感器110与图像传感器104相比将具有一半数目的像素。在两个尺寸上，图像传感器110与图像传感器104相比将具有四分之一数目的像素。换句话说，所捕获的图像的像素数目大致与透镜与图像传感器之间的距离的标度的平方成比例。
图2图解说明根据本发明的教示具有彼此紧密接近地布置于电路板221上的四个经分割区域214、216、218及220的图像传感器212。如下文将更详细地论述，根据本发明的教示，每一经分割区域214、216、218及220由多透镜阵列模块中的相应成像透镜覆盖。以此方式，多透镜阵列模块中的每一成像透镜的焦距可为在图像传感器未被分割成四个区域时的成像透镜的一半。因此，根据本发明的教示，可使用四个透镜及图像传感器的四个经分割区域来构造低轮廓图像捕获单元。低轮廓图像捕获单元与原始图像捕获单元相比将具有大致相同的分辨率(即，相同的像素数目)，因为使用图像传感器的四个区域。每一经分割区域的面积可类似于图1B的图像传感器110。在一个实例中，分别将图像传感器212的经分割区域214、216、218及220指定为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)及透明(C)区域。
图3图解说明根据本发明的教示定位于具有安装于电路板321上的四个经分割区域的图像传感器上方的2×2多透镜阵列模块311的一个实例的俯视图。在一个实例中，应了解，具有安装于图3的电路板321上的四个经分割区域的图像传感器为具有上文关于图2所论述的安装于电路板221上的四个经分割区域214、216、218、220的图像传感器212的一个实例。因此，应了解，下文所提及的类似命名及编号的元件如上文所描述而耦合及起作用。
如在图3中所描绘的实例中所展示，根据本发明的教示，多透镜阵列模块311包含2×2透镜阵列313，透镜阵列313包含安装到在具有安装于电路板321上的四个经分割区域的图像传感器上方的间隔件结构330的透镜322、324、326及328。在一个实例中，根据本发明的教示，透镜阵列313的透镜322、324、326及328为安装到附接到间隔件结构330的玻璃晶片315的低轮廓透镜，间隔件结构330堆叠于透镜阵列313与电路板321之间。在一个实例中，间隔件结构330适于将透镜阵列313与图像传感器分离达透镜322、324、326及328的焦距。如在所图解说明实例中所展示，根据本发明的教示，间隔件结构330环绕围绕图像传感器的所有经分割区域以及透镜322、324、326及328的周界，使得间隔件结构330都不安置于透镜322、324、326及328与安装于电路板321上的图像传感器的经分割区域中的任一者之间。在一个实例中，根据本发明的教示，间隔件结构330直接接合于电路板321上。
如在所描绘的实例中所展示，分别将透镜322、324、326及328指定为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)及透明(C)区域。换句话说，透镜322、324、326及328中的每一者经布置以将单个图像聚焦到图像传感器区的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)及透明(C)区域(例如，分别为如图2中所图解说明的图像传感器212的经分割区域214、216、218及220)中的相应一者上。因此，在一个实例中，透镜322仅形成红色图像，透镜324仅形成绿色图像，且透镜326仅形成蓝色图像。另外，在一个实例中，根据本发明的教示，透镜322、324、326及328中的每一者具有与正聚焦到对应图像传感器区上的特定光色彩对应的不同相应曲率半径。
相比之下，典型图像捕获单元使用同时形成红色、绿色及蓝色图像的单个成像透镜。然而，由于根据本发明的教示的每一透镜322、324、326及328个别地形成单个彩色图像，因此可通过个别地调整每一透镜及对应图像传感器的曲率半径来改进每一个别图像的光学质量(例如，清晰度)。因此，在一个实例中，根据本发明的教示，可根据光波长个别地调整透镜322、324、326及328中的每一者及对应经分割图像传感器的曲率半径以便获得高质量图像。因此，在一个实例中，根据本发明的教示，红色透镜相对于图像传感器的红色区域的曲率半径、绿色透镜相对于图像传感器的绿色区域的曲率半径及蓝色透镜相对于图像传感器的蓝色区域的曲率半径为不同的。在一个实例中，C透镜相对于图像传感器的C区域的曲率半径可经调整以与白色光对应，或(举例来说)可经调整以与绿色光对应。
图4是图解说明根据本发明的教示定位于低轮廓图像捕获单元的一个实例的图像传感器412的两个经分割区域414及416上方的实例2×2多透镜阵列模块411的透镜阵列413的两个透镜422及424的横截面。在一个实例中，图4中所图解说明的横截面可与图2的虚线A-A'及/或图3的虚线A-A'对应。图4的图像传感器412的经分割区域414及416可为图2的图像传感器212的区域214及216的实例。类似地，图4的透镜阵列413的透镜422及424以及间隔件结构430A可分别为图3的透镜阵列313的透镜322及324以及间隔件结构330的实例。因此，应了解，下文所提及的类似命名及编号的元件如上文所描述而耦合及起作用。
如在图4中所图解说明的实例中所展示，根据本发明的教示，间隔件结构430A适于将透镜阵列413的透镜422及424与图像传感器412的经分割区域414及416分离开达透镜422及424的焦距f。在一个实例中，透镜422及424的焦距f以及图像传感器412的经分割区域414及416的宽度W为图1A的透镜102的焦距的一半及图像传感器104的宽度W的一半。
典型图像捕获单元可包含图像传感器上的拜耳型彩色滤光片阵列。相比之下，图4的图像传感器414及416的经分割区域可不包含拜耳型彩色滤光片阵列。返回参考上文在图2中所描述的实例，可分别将经分割区域214、216、218及220指定为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)及透明(C)区域。因此，红色区域可由单个红色滤光片覆盖，绿色区域可由单个绿色滤光片覆盖，蓝色区域可由单个蓝色滤光片覆盖，且透明或C区域可由任何滤光片覆盖或可由单个透明滤光片覆盖或可由单个绿色滤光片覆盖。
如在图4中所描绘的实例中所展示，透镜422的曲率半径不同于透镜424的曲率半径。在一个实例中，具有焦距f的透镜422的曲率半径与具有第一色彩(例如但不限于红色(R))的光对应，且具有焦距f的透镜424的曲率半径与具有第二色彩(例如但不限于绿色(G))的光对应。因此，根据本发明的教示，具有第一色彩的单个图像由透镜422聚焦到图像传感器412的分区区域414上，且具有第二色彩的相同单个图像由透镜424聚焦到图像传感器412的分区416上。
在一个实例中，可在每一透镜上面安置单个彩色滤光片。或者，可在每一透镜与单个图像传感器的每一经分割区域之间安置单个彩色滤光片。举例来说，如在图4中所描绘的实例中所展示，彩色滤光片432及434分别安置于透镜422及424上面。继续上文所论述的其中透镜422的曲率半径与红色(R)光对应且透镜424的曲率半径与绿色(G)光对应的实例，滤光片432为红色(R)滤光片且滤光片434为绿色(G)滤光片。
返回简略参考图2中所描绘的实例，红色(R)区域仅包含红色像素，绿色(G)区域仅包含绿色像素，且蓝色(B)区域仅包含蓝色像素。透明或C区域可在不应用滤光片时包含白色像素且在应用绿色滤光片时包含绿色像素。读出系统及/或处理器(未展示)可将红色、绿色及蓝色像素重新布置成拜耳图案或用于进一步处理彩色信号并形成彩色图像的任何图案。根据本发明的教示，C像素可用作用于特定处理的白色像素或仅充当绿色像素。
返回参考图4中所描绘的多透镜阵列模块411的实例，透镜阵列413的透镜422及424为安装到附接到间隔件结构430A的玻璃晶片415的低轮廓透镜，间隔件结构430A堆叠于透镜阵列413与电路板421之间。在一个实例中，根据本发明的教示，间隔件结构430A适于将透镜阵列413与图像传感器412分离达透镜422及424的焦距f。在一个实例中，多透镜阵列模块411还可包含安装到玻璃晶片417的透镜417及419，玻璃晶片417附接到间隔件结构430A及间隔件结构430B，如所展示。在一个实例中，间隔件结构430A及430B为实质上类似的且如所展示而堆叠。确实，如在所图解说明的实例中所展示，根据本发明的教示，间隔件结构430A及间隔件结构430B环绕围绕图像传感器的所有经分割区域以及透镜422、424、417及419的周界，使得间隔件结构430A及间隔件结构430B都不安置于透镜422、424、417及419及/或安装于电路板421上的图像传感器412的经分割区域414及416中的任一者之间。在一个实例中，根据本发明的教示，间隔件结构430A及430B如所展示直接接合于电路板421上。
图5是图解说明根据本发明的教示包含定位于具有经分割区域514、516、518及520的图像传感器512上方的多透镜阵列模块511的图像感测系统536的一部分的一个实例的框图。在一个实例中，应了解，图5的实例多透镜阵列模块511为图3的多透镜阵列模块311或图4的多透镜阵列模块411的一个实例，或图5的实例图像传感器512为图2的图像传感器212或图4的图像传感器412的一个实例。因此，应了解，下文所提及的类似命名及编号的元件如上文所描述而耦合及起作用。
如在图5中所描绘的实例中所展示，成像系统536包含定位于图像传感器512上方的多透镜阵列模块511、读出电路540、功能逻辑542及控制电路544。在所图解说明的实例中，将图像传感器512分割成四个经分割区域514、516、518及520。在一个实例中，每一经分割区域514、516、518及520由彩色滤光片覆盖。在一个实例中，根据本发明的教示，多透镜阵列模块511包含堆叠于多透镜阵列模块511的透镜阵列与图像传感器512之间的间隔件结构，例如图3的间隔件结构330或图4的间隔件结构430A及430B。如在所描绘的实例中所展示，多透镜阵列模块511适于将单个图像538引导到图像传感器512上。在一个实例中，根据本发明的教示，包含于多透镜阵列模块511中的透镜阵列中的每一透镜适于将单个图像538分别引导到分区514、516、518及520中的相应一者上，如上文所论述。
如在所描绘的实例中所展示，图像传感器512包含像素单元(例如，像素P1、P2…Pn)的二维(2D)阵列。所述像素阵列中的每一像素单可包含CMOS像素或CCD像素。如所图解说明，每一像素单元被布置到像素阵列的一行(例如，行R1到Ry)及一列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点、物体等的2D图像。在一个实例中，图像传感器512为背侧照明式(BSI)图像传感器。在一个实例中，图像传感器512为前侧照明式(FSI)图像传感器。
在每一像素单元P1、P2、…Pn已获取其图像数据或图像电荷之后，通过位线将图像数据从图像传感器512读出到读出电路540，可接着将所述图像数据转移到功能逻辑542。读出电路540可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑542可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路540可沿着读出列线从图像传感器512一次读出一行图像数据或从每一分区514、516、518及520读出图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。
控制电路544耦合到图像传感器512以控制像素阵列512的操作特性。举例来说，控制电路544可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为用于同时启用图像传感器512内的所有像素以在单一获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在替代实例中，所述快门信号为滚动快门信号，借此在连续获取窗期间依序启用每一像素行、每一像素列或每一像素群组或每一分区。
应了解，低轮廓图像捕获单元并不限制于2×2透镜阵列，多透镜阵列模块511中的透镜阵列的任何大小均为可能的。因此，图像传感器512并不限制于四个经分割区域。任何数目的经分割区域为可能的。图像传感器512的经分割区域514、516、518及520可为正方形或矩形的。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上描述并非打算为穷尽性或限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。
可根据以上详细描述对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。因此，应将本说明书及图视为说明性而非限制性。

Claims (18)

1.一种成像设备，其包括：
图像传感器，其被分割成多个图像传感器区，其中所述图像传感器附接到电路板，并且所述电路板和所述图像传感器是非集成的组件；
透镜阵列，其包含多个透镜，接近所述图像传感器而安置，其中所述多个透镜中的每一者经布置以将单个图像聚焦到所述多个图像传感器区中的相应一者上；及
间隔件结构，其在所述透镜阵列与所述电路板之间延伸以将所述透镜阵列与所述图像传感器分离，其中所述间隔件结构直接接合于所述电路板上并且环绕围绕所有所述多个图像传感器区及多个透镜的周界，使得所述间隔件结构都不安置于所述多个透镜与所述图像传感器的多个图像传感器区中的任一者之间。
2.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述间隔件结构适于将所述透镜阵列与所述图像传感器分离达所述多个透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述多个透镜包含：第一透镜，其具有第一曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第一焦距；第二透镜，其具有第二曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第二焦距；及第三透镜，其具有第三曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第三焦距，其中所述第一、第二及第三曲率半径为不同的。
4.根据权利要求3所述的成像设备，其中所述第一曲率半径与具有第一色彩的光对应，其中所述第二曲率半径与具有第二色彩的光对应，且其中所述第三曲率半径与具有第三色彩的光对应。
5.根据权利要求4所述的成像设备，其中所述第一透镜将具有所述第一色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上，其中所述第二透镜将具有所述第二色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上，且其中所述第三透镜将具有所述第三色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上。
6.根据权利要求4所述的成像设备，其进一步包括分别接近所述第一、第二及第三透镜的第一、第二及第三彩色滤光片。
7.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述多个透镜进一步包含具有第四曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第四焦距的第四透镜。
8.根据权利要求7所述的成像设备，其中第四焦距与白色光对应。
9.根据权利要求7所述的成像设备，其中所述第四焦距与绿色光对应。
10.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含被分割成多个图像传感器区的图像传感器，其中所述多个图像传感器区中的每一者具有布置于其中的多个像素，其中所述图像传感器附接到电路板，并且所述电路板和所述图像传感器是非集成的组件；
透镜阵列，其包含多个透镜，接近所述图像传感器而安置，其中所述多个透镜中的每一者经布置以将单个图像聚焦到所述多个图像传感器区中的相应一者上；
间隔件结构，其在所述透镜阵列与所述电路板之间延伸以将所述透镜阵列与所述图像传感器分离，其中所述间隔件结构直接接合于所述电路板上并且环绕围绕所有所述多个图像传感器区及多个透镜的周界，使得所述间隔件结构都不安置于所述多个透镜与所述图像传感器的多个图像传感器区中的任一者之间；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出单个图像数据。
11.根据权利要求10所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储从所述多个图像传感器区中的每一者读出的所述单个图像数据的功能逻辑。
12.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述间隔件结构适于将所述透镜阵列与所述图像传感器分离达所述多个透镜的焦距。
13.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述多个透镜包含：第一透镜，其具有第一曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第一焦距；第二透镜，其具有第二曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第二焦距；及第三透镜，其具有第三曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第三焦距，其中所述第一、第二及第三曲率半径为不同的。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一曲率半径与具有第一色彩的光对应，其中所述第二曲率半径与具有第二色彩的光对应，且其中所述第三曲率半径与具有第三色彩的光对应。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其中所述第一透镜将具有所述第一色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上，其中所述第二透镜将具有所述第二色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上，且其中所述第三透镜将具有所述第三色彩的所述单个图像聚焦于所述多个图像传感器区中的所述相应一者上。
16.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括分别接近所述第一、第二及第三透镜的第一、第二及第三彩色滤光片。
17.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述多个透镜进一步包含具有第四曲率半径且被定位成远离所述多个图像传感器区中的所述相应一者达第四焦距的第四透镜。
18.根据权利要求17所述的成像系统，其中第四焦距与白色光对应。
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