CN108780165A - 基于阵列的相机透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种透镜系统，包括：包括第一多个单元的第一透镜阵列套件，该第一多个单元中的每个单元被配置成展现一对第一傅立叶变换透镜，以及包括第二多个单元的第二透镜阵列套件，该第二多个单元中的每个单元被配置为展现一对第二傅立叶变换透镜。该第一傅立叶变换透镜具有第一间距。该第二傅立叶变换透镜具有与该第一间距不同的第二间距。该第一和第二透镜阵列套件沿着透镜系统的光轴相对于彼此定位，使得来自物体的光的傅立叶变换被产生在该第一和第二透镜阵列套件之间的平面处，并且物体的图像被提供在距离该第二透镜阵列套件的图像共轭距离处。

Description

基于阵列的相机透镜系统
附图描述
为更完全地理解本公开，参考以下详细描述和附图，在附图中，相同的参考标号可被用来标识附图中相同的元素。
图1是根据一个示例的具有带有展现傅立叶变换透镜的单元的两个透镜阵列套件的透镜系统的示意图。
图2是根据一示例的图1的透镜系统的示意性侧视图，该透镜系统具有用于每个透镜阵列套件的相应的一对串联微透镜阵列(MLA)。
图3是根据另一示例的基于MLA的透镜系统的示意性侧视图。
图4是根据一个示例的用于在图像传感器处远心成像的基于阵列的相机透镜系统的示意性侧视图。
图5是根据一个示例的用于在图像传感器处非远心成像的基于阵列的相机透镜系统的示意性侧视图。
图6是根据一个示例的在图像传感器上提供远心聚焦的基于阵列的相机透镜系统的射线踪迹图。
图7是根据一个示例的在图像传感器上提供非远心聚焦的基于阵列的相机透镜系统的射线踪迹图。
图8是根据一个示例的用于无限共轭距离的基于渐变折射率(GRIN)阵列的相机透镜系统的射线踪迹图。
图9是根据一个示例的用于有限共轭距离的基于GRIN阵列的相机透镜系统的射线踪迹图。
图10是根据一个示例的具有基于阵列的相机透镜系统的电子设备的框图。
所公开的设备可采取各种形式。在附图中例示了(并在下文描述了)各具体示例，并且应当理解，本公开旨在是说明性的，而并非旨在将本发明限于本文中所描述和解说的各具体示例。
详细描述
图像捕捉涉及将诸如源、掩模或样品之类的物体的光传输到光电检测器阵列、基板、或其他图像传感器或光敏介质。光学系统使用透镜布置将物体光聚焦在光敏介质上。透镜布置确立光学系统的总共轭长度(即，物平面到图像平面的总径迹长度)，以对给定的共轭距离进行成像。在一些情形中，总径迹长度可变得长。所得到的光学系统相应地对许多应用而言太笨重，诸如像智能电话和其他手持式设备等薄外形设备中的相机。
描述了经由堆叠或透镜阵列套件(诸如微透镜阵列(MLA))提供图像捕捉和其他成像的相机和其他透镜系统。系统的透镜阵列以分段方式处置输入物体光的成像。堆叠的MLA被组装成使得光的小光锥(conelet)被缝合到完整的数值孔径(NA)中而没有间隙或断裂。直立的、高效率成像被实现。
透镜系统包括两个透镜阵列套件的成像核心。在一些情形中，每个套件包括一对串联的MLA。每对的MLA进而由MLA的组分小透镜(lenslet)(例如，阵列元件)的焦距分隔开。MLA可因此被设置在紧凑的堆叠配置中。例如，一个透镜系统具有4.3mm的总径迹长度。该透镜系统相应地能够对大区域进行成像，同时避免传统透镜系统的大体积和笨重的局限性。该透镜系统与其他成像系统相比还向此类成像提供更少的部件。
透镜阵列堆叠可以是平面的或基本上平面的。作为结果，透镜阵列可被放置得更靠近图像传感器。紧凑的透镜系统可因此被实现用于薄形状因子相机和其他应用。例如，该透镜系统可在手机、平板以及其他便携式和/或薄型设备的相机模块中有用。透镜阵列堆叠可因此避免在使用较笨重的光学系统的系统中所作出的折衷，诸如依赖于更小和更低分辨率传感器。
两个串联对的焦距分离导致高效率成像。每个串联对在位置空间和角度空间(或空间频率空间)之间实现完整的真实傅立叶变换。变换成角度空间由第一对在这两对之间的中间变换平面处提供。第二对接着实现从角度空间回到位置空间的第二变换，以针对给定的物距在如以下各项的函数所确定的像距处提供正像(erect image)：(i)MLA的焦距，(ii)MLA的间距，和(iii)这两对之间的距离。该函数可因此被用来配置透镜系统布置以在期望的像距处形成图像。如本文中所描述，真实的、非倒置的图像的形成通过满足以下两个约束来被提供：(1)在阵列元件内提供一致的成像共轭距离，和(2)图像内容跨阵列内的多个成像元件的会聚。
实现全傅立叶变换通过解决结合每个MLA产生的衍射而避免了损失和其他失真。在没有用于每个单元的第二MLA的情况下，该变换看起来是强度方面的傅立叶变换(FT)，而不是相位方面的傅立叶变换，因为二次相位误差仍然存在。相位校正由每对的第二MLA来提供，在一些情形中，这有效地提供了输出的远心校正。每个串联FT MLA对的内部阵列防止在中间变换平面处具有较高空间频率内容的光或具有较高入射角的光的损失和散射。在没有这些内部阵列处的相位校正的情况下，完全地分辨物体(在由小透镜接受度数值孔径NA定义的衍射极限内)所涉及的一部分光将被丢失。通过利用串联FT MLA对，变迹(apodization)被相应地避免，由此降低了衍射伪像并最小化系统分辨率的损失或光学性能的损失，诸如调制传递函数(MTF)损失。本文中所描述的透镜系统因此计及衍射的影响。第一串联对的完全地形成的衍射输出接着完全地被第二串联对利用，以改为改善透镜系统的效率，并因此改善图像质量。剪切和渐晕也经由相位校正而被避免。基于MLA的透镜系统相反能够将光的小光锥缝合到完整的数值孔径(NA)中而没有角度间隙。
更高的效率也可由于MLA的较高填充因子而被获得。一些微透镜阵列能够以100％填充因子被模制。例如，通过使用经蚀刻的母版的复制、通过使用母版(该母版使用作为母版化过程的一部分的金刚石加工来被制造)的模制、或通过直接金刚石加工而被形成的微透镜阵列可实现100％填充因子，而通过光致抗蚀剂回流形成的微透镜阵列将在小透镜之间具有平坦的间隙，并且通过灰度等级光刻形成的微透镜阵列可在每个小透镜的边缘处展现倒圆接缝，从而导致散射。其他解决方案(诸如GRIN杆阵列)由于圆棒的六边形装填而在填充因子方面具有10％损失。此外，圆形透镜的阵列在填充因子方面具有类似的间隙。通过利用来自晶锭(或预成型件)的高填充因子类型的MLA或GRIN光纤面板、或透镜(诸如小型或微型透镜或GRIN透镜)的阵列(每一者都具有适合于平铺的形状，包括六边形、矩形和方形形状)，高效率可被保持。MLA可在堆叠内的任何平面处利用孔径阵列掩模来帮助降低高于每个小透镜的接受度的输入光的散射，同时外壁吸收(EMA)玻璃或光纤可在例如GRIN光纤阵列内被周期性地利用以降低此类散射。
MLA对的布置提供不具有平铺效果的输出，即由透镜系统接受度和指向角引起的所谓的透镜化。平铺效果被避免，而不必诉诸于整个系统长度的广泛增加。透镜系统可因此以适用于电子设备(诸如手机、平板、膝上型计算机和具有针对便携性和/或其他原因的薄外形的其他设备)的紧凑或薄的形状因子(例如，片材或薄膜的堆叠)来被提供。
透镜系统的成像能够以非接触方式来实现。例如，透镜或其他光学元件不一定在图像平面处。当通过透明介质成像(例如，通过窗口传输)时，此类非接触成像是有用的。缺少接触与传输到基板结合也可能是有用的，如在例如光刻或传输到诸如视频显微镜之类的图像传感器的情形中。
透镜系统在不增加系统体积的情况下是可缩放的。透镜系统能够被缩放以处置更大的横向区域而不会在径迹长度上有任何增加。透镜系统的厚度因此不会增加。透镜系统还可被缩放以容适不同的物体共轭距离而不会在体积方面有显著增加。此类缩放结合短共轭长度处的成像也可能是有用的。例如，小于9mm的总共轭长度是可实现的。
在一些情形中，透镜系统是远心的。例如，两个串联MLA对可被布置成针对充分地离透镜系统足够远的物体提供远心输出。远心输出被实现而不必依赖于图像平面处的物理层(例如，场透镜)。透镜系统相应地避免引入与例如光刻相关联的机械干涉问题(例如，避免与被暴露的晶片接触)。在其他情形中，场校正可被用来实现对称行为。输入和输出可以基本上是远心的。提供远心输出的能力避免了存在于先前透镜系统中的失真和散焦。
透镜系统的两个串联MLA对可被布置成提供统一或非统一放大率。MLA对的相应焦距或相应间距在非统一放大率示例中不同。
在一些情形中，透镜系统的成像结合相机成像来被提供，诸如通过包括对图像传感器的使用。基于阵列的相机透镜系统包括两个串联MLA对。MLA的堆叠是薄的，从而导致紧凑的视频显微镜或紧凑的相机。例如，透镜系统足够薄而被设置在各种便携式电子设备内。透镜系统可被横向地缩放。
在一些情形中，相机和其他透镜系统允许主射线角度(CRA)相对于跨图像传感器的位置的平滑变化。在图像传感器平面处的经缝合的聚焦光锥NA的主射线角度可根据跨图像传感器的位置而变化，并且范围可从完全地远心(因此对于跨图像传感器的所有位置而言具有基本上垂直于图像传感器平面的指向角)到非远心(因此在图像传感器的中心附近具有从基本上垂直或接近0度入射角(AOI)变化的指向角，并且对于图像传感器上径向地更远离图像传感器中心的位置具有增加的AOI)。例如，对于非远心设计情形，指向角可相对于传感器处的位置向外成扇形散开，使得光的光锥NA束被更平滑地折射并且被引导来以图像共轭之间的更平滑的过渡捕捉外部视场。在一些情形中，CRA的指向角可以与视场角相匹配，从而提供匹配的扇出，而在其他情形中，该指向角可以作为阵列堆叠内的中间步骤而被更平滑地过渡，因此在纯粹地远心和非远心之间具有纯扇出。
虽然结合用于便携式电子设备(例如，平板)的相机透镜系统进行了描述，但是相机透镜系统非常适合于各种各样的相机应用及其他使用场景。例如，在一些应用或场景中，透镜系统可不包括图像传感器。例如，一种应用涉及光刻，其中图像被转移到由基板支撑的光敏层。
透镜系统不限于特定类型的基于MLA的阵列套件。其他类型的透镜结构和阵列可被用于透镜阵列套件中的每一个透镜阵列套件。例如，每个透镜阵列套件可包括GRIN微透镜结构的阵列。该阵列的每个GRIN微透镜结构接着对应于每个透镜阵列套件的单元中的相应一个单元。如本文中所使用的，术语“单元”被用来指代每个阵列套件的单元。因为，在一些情形中，阵列套件包括一对阵列，单元可包括阵列元件的FT对，每个阵列一个。在其他情形(例如，GRIN情形)中，单元与提供FT透镜对的等效物的阵列的单个元件相对应。GRIN透镜长度通常以光学间距p来表示，其对应于以循环方式从散焦到朝向聚焦的像正弦曲线一样的发散和收敛的一部分，并且0.25p的长度将表示可以准直输入点源或(反之亦然)聚焦经准直的输入束的透镜z长度。GRIN透镜的间距通常被称为射线轨迹的空间频率，或者表示收敛到聚焦和从聚焦发散的像正弦曲线一样的波的一个周期的光学长度，因此，具有间距0.25p或1/4间距的GRIN透镜与FT等效长度紧密地对应。在此类情形中，两个GRIN透镜阵列(每个都具有间距0.25p的光学长度)可被用来形成如本文中所描述的基于阵列的成像系统。
图1是被配置成用于相机或其他成像系统的透镜系统100的示意图。透镜系统100包括两个透镜阵列套件。在该示例中，透镜系统100的透镜阵列套件的一个套件包括串联微透镜阵列104的第一对102。透镜阵列套件100的另一套件包括串联微透镜阵列108的第二对106。每个透镜阵列套件具有多个单元。如以下所描述，每个单元被配置成展现一对傅立叶变换透镜。在该示例中，每个微透镜阵列104、108包括相应的一组组分小透镜110，其相应的对构成透镜阵列套件的每个单元。
来自物体112的光在其靠近透镜系统100时漫射。物体112与透镜系统100分隔开物距z1。图1中示出了光的一些示例射线。示例射线从物体112上的点A朝向阵列104的第一对102传播。在许多情形中，来自物体112的光在微透镜阵列104的数值孔径或接收度光锥所允许的程度上遇到小透镜110中的每一者。
两个阵列对102、106的微透镜阵列104、108被定位成提供物体光的图像。每个阵列104、108通常沿相应的平面来被设置或被定向，如图1所示。相应的平面且因此阵列104、108沿光轴114彼此分隔开。第一对102的阵列104彼此间隔开距离f1。第二对106的阵列108彼此间隔开距离f2。阵列对102、106彼此间隔开距离tg(或D)。每个距离是根据光在被透射过特定距离时穿过的介质的折射率确定的有效光学距离。每个距离根据为透镜系统100的成像确立图像共轭距离的函数来被选择。该图像共轭距离是通过满足以下约束来被确立的
(1)沿给定小透镜内的光学路径提供成像共轭距离，或因此在具有两个串联小透镜的成像单元内提供成像共轭距离，以及(2)图像内容跨套件内的多个成像单元的会聚，由此使得能够形成真实的、非倒置的图像。
距离f1和f2根据单元(例如阵列104、108的小透镜110)的焦距来设置。距离f1是第一透镜阵列套件的单元(例如，阵列104的小透镜110)的公共焦距。距离f2是第二透镜阵列套件的单元(例如，阵列108的小透镜110)的公共焦距。距离f1和f2都是单元的有效焦距，并且计及了系统中所使用的光学介质的折射率，所述光学介质包括任何基板、微透镜和/或阵列之间的填充，以及由间隙tg定义的光学路径中所使用的填充，其可包括空气或各种其他光学介质。
对102的每个阵列104的焦距分离确立了阵列对102实现从物体112发射出的光的傅立叶变换。对于距第一阵列对102无限距离处的物体，tg为零(或基本上接近零)，并且傅立叶变换是自从物体112发射出的光的角度空间到位置空间(或空间频率空间)的相位校正的傅立叶变换，如本文中所解释的。阵列对102沿着被设置在阵列对102、106之间的平面116提供相位校正的傅立叶变换的表示。平面116相应地被称为中间变换平面。对于更近的物距，距离tg增加，使得中间变换平面116存在于距离阵列104和108的有限距离处且存在于阵列104和108之间。如以下所描述，对于给定的小透镜设计，距离或光学间隙tg遵循取决于物距以及其他小透镜参数的数学关系。具有固定tg的堆叠可以在接近设计物距的物距的有限范围上相当良好地起作用。
双透镜串联傅立叶变换MLA对的使用使得较高空间频率内容(对应于较高角度光)能够在没有削波(clipping)的情况下透射到中间变换平面中。这样的传输进而允许形成被更高地解析的、包含较高空间频率内容，并且主要只受到MLA接受度数值孔径(NA)的限制的像Sinc一样的函数。这进而允许出自每个单元的会聚小光锥被缝合，从而形成核心NA而在NA的立体角内没有角度间隙。由于小透镜下垂(sag)剖面引起的对傅立叶变换的影响可通过使用非球面小透镜剖面(诸如从约k＝-0.25到约k＝-0.4的范围内的圆锥常数)或其他非球面剖面来被降低。
对106的每个阵列108的焦距分离确立了阵列对106实现与中间变换平面116处的表示相关联的光的傅立叶变换。该傅立叶变换再次是相位校正的变换。阵列对106将中间变换平面116处的表示从位置空间变换回角度空间，以及朝向图像共轭距离z2聚焦会聚。
这两个阵列对102、106沿光轴114相对于彼此定位以确立透镜系统100是成像系统。换言之，这两个阵列对102、106之间的距离D确立了透镜系统100提供物体112的正像118。图像118在距离阵列对108的图像共轭距离z2处被提供。
图像共轭距离z2经由以下各项的函数来被确立：物体112的物体共轭距离z1，阵列对102、106之间的距离D，第一阵列对102的第一间距，第二阵列对106的第二间距，以及公共焦距f1、f2。该函数确立从物体112发射出并穿过阵列对102、106的串联微透镜阵列的组分小透镜的光在图像共轭距离z2处会聚。下文中结合图1中所标识的参数提供关于该函数的进一步细节。
对于由距离D分隔开的串联的两个透镜f1a和f1b，在最后一个透镜之后的距离si(在第一透镜之前的距离zo处的输入物体112的图像出现在其处)可被定义为
然而，当焦距f1a和f1b被配置为傅立叶变换对，使得f1a＝f1b＝f1且分隔距离D＝f1a＝f1时，输入物体A的像距出现在最后一个透镜之后的距离si处，其简化为zg1：
其中f1是双透镜串联傅立叶变换对的每个透镜的焦距，而zo是第一透镜之前的物距。
然后可以将前述关系扩展到阵列上下文。小透镜或单元的阵列通过间距d来形成。从物体112发散的光的一部分被每个单元捕捉。一个阵列中的每个单元形成具有在阵列对的另一个阵列中的一个单元的双小透镜子系统。对于来自物体112的过度填充具有接近间距d的宽度的单元的光的立体角，所捕捉的输入近似为矩形函数(Rect function)，其在中间变换平面处的A的图像附近形成像Sinc一样的函数，该中间变换平面由距离阵列对中的第二阵列的距离zg1来定义或被设置在该距离zg1处。
第二傅立叶变换阵列对106以光学上等价于tg＝2*zg1的间隙距离来被放置在第一阵列对102之后。因此，例如提供1:1成像中继的配置变得对称。由每个子系统提供的成像共轭距离是相同的。由所有子系统形成的图像在距离zi处会聚用于物体112的图像形成，以形成图像118(参见例如对应于物体112上的点A的点A’)。在此类情形中，成像系统变为1:1中继，使得像距zi基本上等于物距zo。
中间图像可被称为输入物体112的中间变换图像，其出现在间隙tg(先前被定义为距离zg1)的一半附近的中间变换平面处。
两个阵列对102、106之间的距离或间隙tg决定了单元的堆叠的成像。单元堆叠包括四个单元，每个阵列104、108一个。每个单元堆叠可被认为是透镜系统100的组分子系统。两个阵列对102、106之间的距离被选择成使得对于以公共图像共轭距离进入组分子系统的所有射线实现成像。距离或间隙tg随着物距减小(即，物体112变得更靠近透镜系统100)而增加。当物距趋向无穷(或相对于透镜系统100的尺寸的非常大的距离)时，距离或间隙tg趋向零。在图1的示例中，这两个阵列对102、106通过间隙120彼此间隔开。对函数而言的距离或间隙tg因而是非零的。间隙120可以在第一和第二公共焦距的量级上或者在第一和第二公共焦距附近。
阵列104、108内的小透镜110的间距管控来自所有小透镜110的光的会聚。第一阵列对102的小透镜110具有间距d1，而第二阵列对106的小透镜110具有间距d2。间距被选择成使得跨阵列104、108的所有小透镜110的所有光学信息的会聚被实现。图像因而跨阵列104、108的所有小透镜110来被形成在相同的图像共轭距离处。透镜系统100是成像系统的示例，其中两个阵列对102、106的小透镜110具有公共间距。在间距d1、d2彼此相等的情况下，透镜系统100的输出可以是远心的。
在非等间距情形中(即，当d1不等于d2时)，远心输出也可被提供在光学堆叠的一侧上。在此类情形中，第一阵列对102的每个阵列104中的小透镜110的间距彼此相等，并且第二阵列对106的每个阵列108中的小透镜110的间距彼此相等。函数简化为如下：
间隙tg如下：
tg＝zg1+zg2,
其中并且
在这样的情形中，间距被配置成使得d1＝d1b＜d2b＝d2。
非远心成像还可被提供在光学堆叠的两侧上。可通过调整阵列104、108内的单元的相应间距来平滑地弯曲射线通过透镜系统100。阵列104、108的小透镜110可因而与彼此配准(或对准)或者是非配准的。在一个示例中，所有四个阵列的间距彼此不同。小透镜110的间距d1对于第一阵列对102的第一和第二阵列104而言变为d1a和d1b。小透镜110的间距d2对于第二阵列对106的第一和第二阵列108而言变为d2a和d2b。在一个正放大率情形中，d2b>d2a>d1b>d1a。函数接着可被表示为如下(其中zg1和zg2被如上所阐述地定义)：
在这样的情形中，间距被配置成使得d1＜d1b＜d2b＜d2。
如以上所描述的示例所示，间隙tg决定了单元的每个子系统的成像，而阵列的相对间距管控来自所有单元子系统的会聚。
阵列104、108内的单元的焦距也可被用来调整图像共轭距离。当阵列104内的小透镜110的焦距不等于阵列108内的小透镜110的焦距时，非统一共轭距离可被实现。在图1的示例中，阵列104和108内的小透镜110的焦距彼此相等。
术语“相等”在本文中被用来意指完全地相等和有效地相等。有效地相等可包括例如在合理的误差裕度(诸如制造容差)内相等的参数。参数值因而不必完全地相等(例如，稍微地偏移)以被认为是“相等”的，因为本文中使用该术语。本文中被描述为在一些示例中相等的任何参数在其他情形中可替代地为“基本上相等”。基本上相等的参数值可以有意地或无意地偏移微小量，该微小量导致对系统输出的可辨别的(例如，可检测的)但不显著的影响。本文中被描述为在一些示例中相等的任何参数在其他情形中可替代地为“大致等于”。大致相等的参数值可以有意地或无意地偏移微小量，该微小量导致对系统输出的可辨别的(例如，可检测的)影响，该影响在一些应用中可被认为是显著的，但在其他应用中可被认为是不显著的。例如，由大致相等的参数导致的系统输出的轻微散焦可能在指纹读取器、显微镜或光刻的上下文中是显著的，但是在打印机或传真机的上下文中是不显著的。
本文中所提到的距离，诸如间隙120的宽度，在实践中可根据传输介质的折射率而不同。例如，以上所描述的函数指定与通过空气间隙的传输有关的间隙参数的距离。如果光在经过间隙120时正传播通过除空气之外的介质，则间隙120的实际宽度可以与空气间隙距离不同。间隙和其他距离可因此是光学上等价的距离。在使用除空气之外的光学介质的情形中，内部小透镜焦距可被调整以计及维持每对的傅立叶变换函数所需的曲率方面的变化。间隙中折射率的增加意味着用来保持串联MLA对的基本上相等的有效焦距的较小的小透镜曲率。此外，当期望层压两个MLA对以形成包括不带空气间隙的单片式光学堆叠的光学堆叠时，这样的实践是有用的。
诸如“经准直的”、“聚焦的”等光学术语在本文中被用来包括由术语描述的精确条件以及近似该精确条件的条件两者。例如，如果光射线出于所涉及的成像应用或使用场景的目的而在有效程度上被准直，则光被认为是经准直的。查看者的分辨率可因此在评估光学条件(例如，经准直的、聚焦的)是否存在时被纳入考虑。
具有由它们的公共焦距分隔开的透镜的双透镜设置形成被放置在第一透镜处和恰好在第一透镜之前、在第二透镜处和恰好在第二透镜之后的输入光学传递函数(OTF)的傅立叶变换。在这两个平面之间，角频率可被变换成空间频率，且反之亦然。由此，被放置在无限距离处的物体可被认为纯粹具有被提供给第一平面的角度空间内容，从而在第二平面处形成空间内容。在此类情形中，对无穷远处的物体场景进行成像的透镜系统在中间变换平面处形成傅立叶变换作为空间频率内容，并且支持物体侧透镜片的间隙的该部分zg1可以为零，使得间隙tg在成像器侧变为zg2。
然而，对于其中透镜系统正在有限距离z1处对物体进行成像的情形中，物体光不再纯粹地在角度空间中，而是在给定z距离处的角度空间的组合中，并且zg1是非零的。在此类情形中，到空间内容的变换不再发生在第二透镜处，而是被认为是在物体的中间图像附近的距离处的傅立叶变换的表示，因此在距离zg1处经过第一透镜套件中的第二小透镜。
对于包括变化的CRA相对于跨传感器的位置的影响的非远心情形，中间传递平面处的轴外传递函数可包括倾斜的相位，同时仍然表示物体场景的空间频率内容。出于该原因，中间变换平面处的变换可被认为是傅立叶变换的表示，尽管变换可以在或可以不在物体侧透镜套件中的第二小透镜的平面处发生。
图2描绘了根据一个示例的基于MLA的透镜系统200的侧视图。如以上所描述的示例中的一样，透镜系统200包括两个阵列对202、204。阵列对202包括阵列206，并且阵列对204包括阵列208。在该示例中，每个阵列206、208被设置在相应的基板210上。基板210可以被或者可以不被类似地配置和构造。在一个示例中，每个基板210由玻璃基板和模具母版(mold master)构成，该玻璃基板具有使用UV固化粘合剂树脂(其可以使用紫外光来被固化)被复制在一个表面上的薄的微透镜层，并且每个基板210可具有类似的厚度。
每个阵列206、208包括一组小透镜212。在一个示例中，每个基板210和一组小透镜212经由注射模塑(injection molding)来被整体地形成。或者，小透镜212可以与基板210分开地形成，并且被固定或以其他方式紧固到它。例如，小透镜212可被形成，并接着用光学地透明的粘合剂来被施加到基板210。如以上所描述，小透镜212的间距和焦距可以相等或偏移。用于形成小透镜212的其他技术可被使用。
各表面可以用抗反射(AR)涂层来被光学地涂覆，以最小化由菲涅耳反射引起的损失和散射。这些涂层可针对可见波长范围、近IR波长范围或任何其他期望的带通频谱宽度来被定制。在使用UV固化粘合剂的情形中，玻璃母版可被用来使失真最小化。其他示例包括均匀聚合物(诸如丙烯酸或聚碳酸酯)中的注射模塑、聚合物片材的压缩模塑、和纳米印刷。对于压缩模塑，镍垫片可以使用电铸镍工艺由母版负片(master negative)形成。母版还可以使用金刚石加工来形成，诸如切入式切削具有用于每个小透镜的剖面形状的旋转切割器，或者金刚石车削每个小透镜。对于高准确度和填充因子，基于光刻的玻璃蚀刻技术可被用来制造MLA母版。
各种剖面可被用于每个小透镜212。例如，小透镜212可具有非球面或圆锥形剖面。剖面为非球面或圆锥形的程度或等级可以不同。在一些情形中，小透镜212可具有带有旨在降低像差和/或允许透镜系统容适较高数值孔径(NA)的圆锥常数的剖面。例如，在一个或多个剖面中的强圆锥常数(诸如k＝-0.7到k＝-1.0)能够改善对轴的聚焦，由此能够为更多的中央场形成较高空间频率内容，而适中的圆锥常数(诸如k＝-.25到k＝-0.4)可针对宽范围的场位置提供改进。小透镜的剖面可以在相同的微透镜层内和/或在各层之间变化。此外，在一些情形中，焦距相对于阵列内的位置和/或非球面剖面相对于阵列内的位置的微小变化可改善图像传感器平面的区域上的成像性能。此外，每个阵列内的透镜的沿光轴的位置、或z位置可以相对于阵列内的位置稍微地被改变，以便改善成像性能，因为每个微透镜可具有特征性最佳聚焦表面，诸如场曲率。例如，非远心设计可受益于关于跨系统中的阵列的位置的此类变化，只要CRA可以随场角度来被改变。
阵列206、208关于中间变换平面(图1)被对称地定向。阵列206、208的每个小透镜212是平凸的结构。每个结构的平面侧与相应的基板210毗邻。在图2的示例中，每个结构的弯曲侧被设置在每个阵列206、208的面朝内的一侧上。小透镜212的定向可以与所示的示例不同。以下结合图3描述一个示例。
小透镜212可按各种二维图案来被布置。例如，小透镜212可按六边形阵列、方形阵列、或其他布置来被设置。每个小透镜212的横向形状可以相应地改变。
阵列206、208中的一者或多者可以是图案或孔径掩模的。孔径掩模可旨在限制透镜系统的接受度和/或降低来自系统的期望视场(FOV)外部的散射光或杂散光。图案掩膜可旨在阻挡环境或其他伪光被透镜系统200处理。例如，以高入射角在透镜系统200上的环境光被阻挡。阻挡高角度入射光可防止伪光跳跃到单元的相邻子系统。在图2的示例中，透镜系统200包括沿着第一阵列对202的内部阵列206的孔径光阑214，以及沿着第二阵列对204的内部阵列208的孔径光阑216。更少的、附加的或替代的孔径光阑214、216可被提供。例如，其他透镜系统可以不包括孔径光阑216。孔径光阑可被设置在任何一个或多个层处。
孔径光阑可以出于除了降低散射光或杂散光之外的目的来被提供。例如，孔径光阑可解决阵列的小透镜中的像差。
孔径光阑的位置可以与所示的示例不同。孔径光阑或阵列可被放置为仅在堆叠的外部MLA层之下、靠近堆叠的内部MLA层、或其各种组合。
孔径掩模可以通过在经复制的层的顶部或下面使用平版印刷的孔径洞阵列层(诸如图案化的经沉积的薄金属氧化物或金属)来实现，如通过在孔径图案化的基板表面上复制，或者一个或多个图案化的片材被设置在光学堆叠内，例如在内部阵列附近。
孔径光阑214、216可经由沿相应阵列206、208设置的分立片材或其他层来提供。例如，被紧固到阵列206或沿阵列206设置的不透明片材可包括孔径阵列以定义孔径光阑214。替代地或附加地，图案掩模可经由被沉积或以其他方式被形成在相应基板210上的层来提供。该层可被图案化以在小透镜212的形成之前定义孔径光阑214、216。
孔径光阑214、216可被嵌入在小透镜212中或被以其他方式与小透镜212集成。例如，每个孔径光阑214、216的材料可被沉积在基板210上，并接着在小透镜212的形成之前和/或与小透镜212的形成相结合地被图案化。此外，有限厚度的排孔式或“蜂窝”片材可被设置在各对之间。
图3描绘了具有阵列对302、304的另一示例透镜系统300。在该情形中，对302的阵列306被设置在基板308的相对侧上。对304的阵列310被设置在另一基板312的相对侧上。每个阵列306、310包括小透镜314，其每一者包括平凸的结构。每个小透镜314的弯曲表面根据其上设置小透镜314的基板308、312的一侧而面向内或面向外。
可以如以上所描述地来布置、成形、形成和以其他方式配置小透镜314。透镜系统300可具有与以上所描述的示例有共同之处的替代或附加方面。例如，在一些情形中，透镜系统300包括阵列306、310中的一者或多者上的孔径光阑。
图2和3的示例的阵列可通过空气彼此分隔开。其他介质可被使用。例如，低折射率粘合剂或层压材料可被设置在各阵列之间。
透镜系统可以以其他方式与图2和3的示例不同。例如，每对的阵列可以彼此接触。在四基板的情形中，各阵列可由于内部基板的厚度而接触。除了图2和3中所示的那些之外的小透镜定向可被使用。
附加的基板或其他结构可被用于其他示例中。例如，两个基板可被设置在图3的阵列套件之前和之后，以提供例如附加的结构支持或保护。
四层MLA堆栈可被配置成容适从无穷远到近邻近度的共轭距离。然而，间隙距离tg可针对靠近第一阵列的焦距的物距而显著地增加。在此类情形中，附加的外部MLA可被添加，以便使内部间隙距离能够显著地降低，并且进一步提供不具有角度间隙、或具有基本上降低的角度间隙的聚焦NA。此外，外部MLA可提供经添加的设计自由度，因为每个表面轮廓可被定制以改善光学性能。
以上所描述的透镜系统的各个方面可被应用于相机成像的上下文中。基于阵列的成像的性质允许相机模块具有薄的形状因子。以下描述用于相机成像的超紧凑、低总径迹长度、平面的、相位校正透镜系统的示例。该透镜系统示例被配置成，除了其他方面外，(1)避免变迹，并由此降低图像平面处的衍射伪像，(2)利用衍射来改善图像质量，(3)改善转向并提高效率，(4)降低剪切和渐晕，以及(5)提供良好地缝合的立体、连续的核心聚焦光锥NA，其不具有间隙或断裂。
相机和其他透镜系统可包括如本文中所描述的一对串联、傅立叶变换校正的MLA组。取决于微透镜的类型，透镜系统可包括两个或四个阵列(例如，层)。相机透镜系统可以将对缩小针对给定光锥NA衍射极限的光学像差的大小的权衡加以利用。以上所描述的函数确立了阵列的参数，包括例如焦距、像距和物距以及间距。如以上所描述，光锥NA的单元到单元邻居支持和成像交叠可决定每个阵列的相对间距。
相机和其他透镜系统将成像堆栈的光学路径视为物体空间和图像空间之间的一系列变换。如以上所描述，物体被变换到空间频率域中(例如，在中间变换平面处)，并接着被变换回位置空间中作为物体的图像。该变换提供相位校正以将每个图像完成为傅里叶变换。二次相位校正可通过如以上所描述的一对串联傅立叶变换校正的MLA组来提供。
衍射被解决并被利用来改善性能。由于每个单元表示物体光的采样，因此中间平面被视为中间变换平面，而不是错误地假设该平面是中间图像平面。这种认识避免了忽略衍射。中间变换平面处的衍射图案在本文中所描述的相机和透镜系统中被代之以不被变迹。作为结果，单元阵列的每个单元内的衍射有助于例如在相位和幅度方面形成物体的更完整和准确的图像。不带间隙或断裂的聚焦圆锥NA的缝合的立体会聚因而是可实现的。
远心成像和非远心成像两者都被提供。远心系统可以在图像传感器处提供远心成像。为此，阵列对(或阵列)内的每个小透镜具有如以上所描述的公共间距。非远心成像允许相对于图像传感器处的位置的主射线角度呈扇形散开。如上所述，在此类情形中，每个阵列的间距可以是不同的。
图4示出了在图像传感器处提供远心成像的基于阵列的相机透镜系统400。在该远心情形中，从物体共轭距离z1发射出的物体光的角度视场(FOV)在位于图像共轭距离z2处的图像平面处被聚焦和成像。在一些情形中，图像传感器(参见例如图10)被设置在图像共轭距离处以捕捉物体光的图像。任何类型的图像传感器可被使用。其他类型的光敏介质可替代地被设置在图像共轭距离处。
系统400可类似于以上所描述的示例中的一个或多个来进行配置。例如，透镜系统400包括第一透镜阵列套件402和第二透镜阵列套件404。第一透镜阵列套件402包括第一多个单元406。每个单元406被配置成展现一对第一傅立叶变换透镜。第二透镜阵列套件404包括第二多个单元408。每个单元408被配置成展现一对第二傅立叶变换透镜。
该第一和第二透镜阵列套件402、404的单元406、408的间距被配置成提供远心成像。在该情形中，单元406被配置成使得第一傅里叶变换透镜具有间距d1，而单元408被配置成使得第二傅立叶变换透镜具有间距d2。间距d2不同于(例如，小于)间距d1，如图4所示。
在图4的示例中，该第一和第二透镜阵列套件402、404包括展现必备间距的相应微透镜阵列。第一透镜阵列套件402包括第一对串联微透镜阵列410。该第一对的每个微透镜阵列410包括具有间距d1的相应一组组分小透镜412。每个组分小透镜412具有第一公共焦距f1。该第一对的串联微透镜阵列410沿透镜系统400的光轴彼此分隔开如以上所描述的第一公共焦距f1。
第二透镜阵列套件404包括第二对串联微透镜阵列414。该第二对的每个微透镜阵列414包括具有间距d2的相应一组组分小透镜416。每个组分小透镜具有第二公共焦距f2。该第二对的串联微透镜阵列414沿透镜系统400的光轴彼此分隔开第二公共焦距f2。
如以上所描述，该第一和第二对的串联微透镜阵列410、414沿光轴相对于彼此定位，使得图像被提供在图像共轭距离z2处。在该情形中，阵列410、414以及因此该第一和第二透镜阵列套件402、404彼此间隔开间隙tg。由间隙tg确立的间隔沿着透镜系统400的光轴将该第一和第二透镜阵列套件402、404相对于彼此定位，使得(1)物体光的傅立叶变换被产生在该第一和第二透镜阵列套件402、404之间的平面418处，以及(2)物体光的图像被提供在距离第二透镜阵列套件404的图像共轭距离z2处。
如以上所规定，图像共轭距离z2经由以下各项的函数来被确立：物体的物体共轭距离、间隙tg(或第一和第二透镜阵列套件402、404之间的距离)、间距d1和d2、第一透镜阵列套件402的单元(或组分小透镜412)的焦距、和第二透镜阵列套件404的单元(或组分小透镜416)的焦距。该函数确立：从物体发射出并穿过透镜阵列套件402、404的相应单元的光会聚在图像共轭距离z2处。焦距f1、f2和其他参数可以如以上所描述地变化。
微透镜阵列410、414中的一者或多者可被配置成用于从物体发射出的光的翻转和缝合(flip-and-stitch)传播。作为从物体的点发散的光的各个部分被相邻单元接受的结果，被成像到z2处的图像平面上的经完全缝合的聚焦光锥NA取决于由相邻单元的范围提供的支持小光锥。随着来自物体的射线束的宽度增加，更多相邻的单元被包括在缝合功能中，其将小光锥的每个相邻部分添加作为一个接下来的单元的步进(step out)，并接着向内填充，直到被完全地填充，接着由一个接下来的单元步进，接着向内填充直到被完全地填充，且依此类推，直至完全地填充单元的接受度。射线束的宽度对应于完全地填充单元的接受度，接着定义系统的接收度孔径。以这种方式，随着输入射线束的接受度被拓宽，最外面的小光锥以“翻转和缝合”的方式被添加到核心NA。该翻转和缝合效果添加到外部光锥NA，使得如果添加光阑，则最外面的小锥可具有间隙，但是光锥的内部或核心以立体方式重新会聚。
透镜系统400可包括一个或多个定位器(参见例如图10)。(一个或多个)定位器可被耦合到第一透镜阵列套件402和/或第二透镜阵列套件404。(一个或多个)定位器可被配置成调整间隙tg的大小。该调整对于解决变化的物体共轭距离z1的物体光可能是有用的。在一些情形中，(一个或多个)定位器包括套件402、404被安装或被以其他方式设置在其上的滑动件、平台、或其他致动器或可移动元件。在其他情形中，自动聚焦机制或致动器可通过调整透镜系统和在距离z2处的图像平面之间的距离而被用来控制图像在图像传感器平面处的聚焦。各示例包括压电致动、MEMS(微机电系统)、和/或音圈致动。此外，用来控制各阵列之间的相对距离、距离tg、以及透镜系统与z2处的图像平面之间的距离的致动都可以彼此结合地来被使用。定位器可被集成到任何期望的程度。例如，定位器可由公共控制器或其他处理器来控制(参见例如图10)。术语“定位器”可相应地在本文中被用来指代旨在定位透镜系统400的一个或多个元件的装置。在其中一个或两个阵列的间距(d1和/或d2)的改变可改善聚焦的某些情形中，透镜系统中的一个或多个阵列可被制为可拉伸的，使得致动器可附加于对间隙tg和焦距z2的致动来被添加以调整一个阵列相对于另一阵列的横向尺度。
(一个或多个)定位器可附加地或替代地被配置成调整图像传感器的位置以将图像传感器设置在图像共轭距离z2处。任何类型的定位器可被使用。调整图像传感器的位置在远心情形中可能是有用的，在该情形中，例如，间隙是不可调整的，并且作为结果，图像共轭距离随着不同的物体共轭距离而改变。
透镜系统400可被配置成以附加或替代方式来容适具有不同特性的物体光。例如，相应各组的组分小透镜412、416中的一者或多者可以在相应一组的组分小透镜内展现逐个小透镜(lenslet-by-lenslet)的改变。该改变可涉及改变小透镜412、416中的一些的小透镜剖面。例如，小透镜412、416中的一些可具有圆锥形(或变得越来越圆锥形)的剖面。其他非球面剖面可被使用。附加的或替代的小透镜改变可被使用。例如，一个或多个小透镜412、416内的或与一个或多个小透镜412、416毗邻的一种或多种材料的折射率可被改变。在一些情形中，填充材料、膜或其他覆盖物跨阵列被添加、缩回或以其他方式修改。填充材料、膜或其他覆盖物可被用来引入各种折射率介质，包括分散系。例如，可以通过例如填充负袋(negative pocket)或在正凸块(positive bump)上构建来提供多折射率或其他多层小透镜。
透镜系统400的其他方面可以不同。例如，透镜系统400的阵列和组分小透镜的布置可以与图4中所示的示例不同。在一个示例中，阵列被设置在分开的基板上，如结合图2所描述和示出的。小透镜的定向可以相应地和/或以其他方式改变。替代地或附加地，孔径阵列被嵌入在微透镜阵列的一者或多者中，其示例结合图2来示出和描述。
远心成像不限于带有具有组分小透镜的各对微透镜阵列的透镜系统，如图4的示例中所示。例如，第一和第二透镜阵列套件402、404可以由相应的GRIN结构阵列提供。结合图8和9来示出和描述基于GRIN的透镜系统的示例。
图5示出了在例如图像传感器(图10)处提供非远心成像的基于阵列的相机透镜系统500。在非远心情形中，如图所示，提供了在图像传感器处呈扇形散开的主射线角(CRA)。如以上所描述，透镜系统500包括一对透镜套件502、504。在该情形中，每个透镜套件包括一对MLA层，总共四个MLA层506-509。MLA层506-509可以在很大程度上如以上所描述地进行配置。例如，每个MLA层506-509包括相应的一组小透镜510-513。小透镜510、511具有确立第一对MLA层506、507之间的距离的第一公共焦距。小透镜512、513具有确立第二对MLA层508、509之间的距离的第二公共焦距。
透镜系统500的非远心成像由MLA层506-509的相应阵列的间距中的一个或多个差异来提供。MLA层506、509的小透镜具有相应的间距d1a、d1b、d2b、d2a。间距以与上面结合图4描述的示例不同的方式彼此偏移(其中间距d1a和d1b彼此相等，并且间距d2b和d2a彼此相等)。间距彼此不同的方式和程度可被定制，以提供期望的CRA呈扇形散开或其他效果。在一些情形中，所有间距d1a、d1b、d2b、d2a彼此不同。在图5的示例中，间距在光传播方向上减小。所得到的CRA呈扇形散开在方向相较于位置方面相对于标准透镜的呈扇形散开而言是相反的。
透镜系统500的阵列的相应间距d1a、d1b、d2b、d2a根据以上所描述的函数来被设置。如以上所描述，该函数确立阵列的间距d1a、d1b、d2b、d2a与透镜系统500的其他参数之间的关系。
四个MLA层506-509的间距方面的改变提供了通过透镜系统500平滑地弯曲射线的能力。如图5的示例所示，透镜系统500将以物体角θo提供的物体光向下聚焦到图像角θi。这样的改变可提供跨位置zi(或z2)处的图像平面的主射线角(CRA)的指向角相较于场位置方面的有效改变，并且图像传感器处的场角度与CRA相较于位置的比率可通过对相互依赖的一组间距d1a、d1b、d2b和d2a的选择来被调整。
其他间距布置可被使用。例如，一些透镜系统可跨阵列层506-509中的一者或多者展现增加的间距。在一些情形中，只有第一对MLA层506、507的微透镜阵列彼此不同。在这些情形中，间距d1a和d1b是不同的，但是间距d2a和d2b彼此相等，并且可以等于或不等于间距d1a和d1b中的一者。在其他情形中，只有第二对MLA层508、509的微透镜阵列彼此不同。在还有一些情形中，该第一对和该第二对中的微透镜阵列的至少两者具有不同的间距。其中层506、507的阵列的相应间距与层508、509的阵列的相应间距不同的布置可以提供如以上所描述的远心成像。
该第一和第二对的串联微透镜阵列可以沿着透镜系统的光轴彼此分隔开间隙tg。定位器(参见例如图10)可被耦合到该第一对和第二对的套件502、504中的一者或两者。该定位器可被配置成以各种方式来调整间隙的大小，如以上所描述。定位器可替代地或附加地被耦合到图像传感器，如以上所描述。对于具有针对期望的物距设置的距离tg的透镜系统，自动聚焦致动器(诸如音圈或MEMS或压电致动器)可被用来通过对距离zi(或z2)的控制来实现自动聚焦。此外，包括对距离tg以及相对距离zi(或z2)的相对调整的经组合的致动可被用来实现聚焦。
透镜系统500可以以上面结合图4的远心透镜系统400描述的方式变化。例如，微透镜阵列中的一者或多者可展现逐个小透镜的改变。逐个小透镜改变的一个示例是小透镜剖面改变。替代或附加示例涉及作为位置和/或沿光轴的位置改变、或z位置的函数的焦距的改变，如以上所描述。替代地或附加地，孔径阵列被嵌入在该第一对和该第二对中的一者或多者的串联微透镜阵列之一中，其示例结合图2来示出和描述。微透镜阵列中的一者或多者可替代地或附加地被配置成用于从物体发射出的光的翻转和缝合传播。
图6-9描绘了许多射线踪迹，其显示：在远心和非远心情形中，对于旁轴情形，聚焦光锥NA被缝合得很好而没有间隙或断裂。当来自物体/角度空间的输入束被扩展时，翻转和缝合效果添加到外部光锥NA，使得如果孔径光阑被添加，则最外面的小光锥可具有间隙，但是光锥的中心或核心立体地重新会聚。
图6示出了在图像传感器上提供远心聚焦的基于阵列的相机透镜系统。该透镜系统可以如以上所描述且例如结合图4示出地进行配置。图7示出了在图像传感器上提供非远心聚焦的基于阵列的相机透镜系统。该透镜系统可以如以上所描述且例如结合图5示出地进行配置。
图8和9示出了基于阵列的相机透镜系统的基于GRIN阵列的示例。在每个基于GRIN阵列的示例中，透镜系统包括两个阵列套件(例如，板)。每个阵列套件包括GRIN微透镜结构的阵列。每个板具有厚度以提供傅立叶变换透镜对的等效功能。虽然具有正交和平坦输入和输出面的0.25p间距GRIN透镜提供FT等效单元，但是外部射线的成像性能可通过向每个阵列内的每个GRIN透镜的一个或多个面添加非平坦的非球面剖面来被进一步改善。
在图8和9的GRIN示例中，每个GRIN微透镜结构提供透镜阵列套件的诸单元之一。例如，如图8所示，透镜系统800可包括第一透镜阵列套件802和第二透镜阵列套件804。每个透镜阵列套件802包括渐变折射率微透镜结构806、808的相应阵列。一个阵列的每个渐变折射率微透镜结构806与套件802、804之一的相应单元相对应。作为结果，每个GRIN微透镜结构被配置成展示或充当一对傅立叶变换透镜。例如，抛物线折射率剖面(相较于每个GRIN透镜的中心的径向位置)使得每个单元能够用作一系列两个串联的傅立叶变换对，以便满足以下各项的以上所描述的约束：(1)针对每个单元的图像共轭形成和(2)来自多个单元的成像的会聚。每个套件可因此被配置为具有厚度的板，该厚度提供经由小透镜对形成的以上所描述的傅立叶变换单元的等效功能。
对于图像共轭之间的给定总径迹长度(TTL)，物距和像距可通过设计来被放置以与GRIN透镜长度的外表面一致，从而在外部表面处具有图像共轭，或者可被放置在距离两个外部表面中的每一者的空气间隙距离处。然而，结构806不同于已基于设计单个GRIN透镜长度的被用于图像转移的先前的GRIN阵列，从而仅用于特定的一对共轭距离。通过在此认识到在基于阵列的成像中实现图像的形成所需的基本元素是阵列的每个单元内的一系列两个傅里叶变换(FT)等效子系统，以及GRIN透镜的傅里叶变换等效长度可被定义为经准直的输入束以此在GRIN透镜的第二输出表面处形成焦点的长度，由图像共轭关系定义的空气间隙(零到非零)可被设置在这两个傅立叶变换等效长度GRIN阵列之间，以便提供基于阵列的成像，这可以使用具有相同有效焦距的两个FT等效长度GRIN阵列来添加系统的多功能性以针对任何一对相等图像共轭距离来进行调整，并且可通过使用具有不同焦距的两个FT等效长度GRIN阵列来被调整以支持不相等的共轭距离。此类阵列可通过以下来被制得更薄：以与相干光纤面板被制造类似的方式，但具有对间距布局的严格控制来使用GRIN纤维或将GRIN杆阵列拉成具有阵列间隔的准确放置的晶锭(boule)，接着切片和抛光各个面。此外，尽管GRIN透镜是在沿其长度的任何地方展现连续透镜效应或光学能力的透镜，但是傅里叶变换等效子系统也可以使用两个或更多个透镜阵列来被形成。尽管单个透镜阵列可被用来形成输出图像(其在强度方面表现为傅立叶变换)的阵列，但是这些在相位方面不是傅立叶变换，或者在输出之际被远心地校正。最简单形式的FT等效子系统于是将包括具有相同焦距的两个透镜，这两个透镜以等于有效焦距的间隔距离来被串联放置。然而，从上面解释的GRIN透镜FT等效长度情形可以清楚的是，可以串联使用具有各种光学能力的多于两个的透镜以实现FT等效子系统的等效功能。使用微透镜阵列来实现基于阵列的成像的最简单情形涉及使用两个串联傅立叶变换微透镜对，其具有由图像共轭关系(其将在下面被定义)定义的空气间隙或光学路径长度间隙距离。以这种方式，任何透镜阵列(包括微透镜阵列或GRIN透镜阵列或GRIN微透镜阵列)可被用来形成成像系统，如本文中所解释。
在任何以上所描述的示例中，外壁吸收(EMA)玻璃可被用来阻挡光线遇到毗邻单元的边缘。EMA玻璃可被设置在毗邻阵列之间和/或被嵌入在一个或多个阵列内。其他吸收涂层或层可被使用。
任何以上所描述的示例可被配置成用作一维透镜系统或二维透镜系统。附图示意性地且以简化形式描绘了阵列以便于图示。因此，附图应理解为描绘一维透镜阵列或二维微透镜阵列。
图10示出了其中以上所描述的示例的基于阵列的成像可结合相机透镜来被合并的电子设备600。电子设备600具有电子模块602和显示模块604(或子系统)和电池606。电子设备600可包括附加的、更少的或替换的组件。例如，显示模块604可以在不同程度上与电子设备600的电子模块602和/或其他组件集成。例如，电子模块602和/或显示模块604可包括电子设备600的图形子系统。任何数量的显示模块或系统可被包括。在该示例中，设备600包括处理器608和与显示模块604分开的一个或多个存储器610。处理器608和存储器610可涉及执行由设备600实现的一个或多个应用。显示模块604生成用于由处理器608和存储器610支持的操作环境(例如，应用环境)的用户界面。处理器608可以是通用处理器，诸如中央处理单元(CPU)、或者任何其他处理器或处理单元。任何数量的此类处理器或处理单元可被包括。
在图10的示例中，电子模块602包括图形处理单元(GPU)612以及固件和/或驱动器614。GPU 612可专用于图形相关或显示相关的功能性和/或提供通用处理功能性，其可以或可以不包括与指纹检测有关的图形相关处理。电子模块602的一些组件可被集成。例如，处理器608、一个或多个存储器610、GPU 612和/或固件614可被集成为片上系统(SoC)或应用专用集成电路(ASIC)。电子模块602可包括附加的、更少的或替代的组件。例如，电子模块602可不包括专用图形处理器，而是可依赖于CPU 608或其他通用处理器来支持电子设备600的图形相关功能性。电子模块602可包括(一个或多个)附加存储器以支持显示相关的处理和/或指纹检测处理。
在图10的示例中，显示模块604包括触摸传感器616、背光单元(BLU)618、和LCD面板或单元620。触摸传感器616、背光单元616、和/或LCD单元620可旨在形成在任何期望的程度上与相机单元硬件分开或集成的显示器。附加的、更少的或替换的显示器组件可被提供。例如，在一些情形中，显示模块604不包括触摸传感器单元。
电子设备600包括具有透镜系统624的相机单元622。透镜系统624可根据以上所描述的示例中的一个或多个来进行配置。如以上所描述，透镜系统624将物体光中继到图像传感器626的输入平面。在图10的示例中，相机单元622还包括一个或多个定位器628(例如，致动器)。定位器628可被配置成调整透镜系统624的一个或多个参数。
设备600可被配置为各种各样的计算设备之一，包括但不限于手持式或可穿戴计算设备(例如，平板和手表)、通信设备(例如，手机)、膝上型计算机或其他移动计算机、个人计算机(PC)和其他设备。设备600还可被配置为电子显示设备，诸如计算机监视器、电视机、或其他显示器或视觉输出设备。在此类情形中，设备600可以不包括以上所描述的组件中的一个或多个，诸如电池606。
在一个方面，一种透镜系统，包括：包括第一多个单元的第一透镜阵列套件，该第一多个单元的每个单元被配置成展现一对第一傅立叶变换透镜；以及包括第二多个单元的第二透镜阵列套件，该第二多个单元的每个单元包括被配置成展现一对第二傅里叶变换透镜。该第一傅立叶变换透镜具有第一间距。该第二傅立叶变换透镜具有与该第一间距不同的第二间距。该第一和第二透镜阵列套件沿着透镜系统的光轴相对于彼此定位，使得来自物体的光的傅立叶变换的表示被产生在该第一和第二透镜阵列套件之间的平面处，并且物体的图像被提供在距离该第二透镜阵列套件的图像共轭距离处。
另一方面，一种透镜系统包括第一对串联微透镜阵列，该第一对的每个微透镜阵列包括相应的一组小透镜，每个小透镜具有第一公共焦距；第二对串联微透镜阵列，该第二对的每个微透镜阵列包括相应的一组小透镜，每个小透镜具有第二公共焦距，该第一和第二对串联微透镜阵列沿着透镜系统的光轴通过间隙彼此分隔开；以及被耦合到该第一对和第二对中的一者或两者的定位器，该定位器被配置成调整该间隙的大小。该第一对的串联微透镜阵列沿光轴彼此分隔开该第一共焦距，使得该第一对的微透镜阵列被配置成提供从物体发射出的光的傅立叶变换的表示，该表示沿着被设置在该间隙中的平面来被提供。该第二对的串联微透镜阵列沿透镜系统的光轴彼此分隔开该第二公共焦距，使得该第二对的微透镜阵列被配置成经由该表示的傅立叶变换提供物体的图像。该第一对、该第二对或该第一对和第二对两者的串联微透镜阵列具有不同的间距。
在又一个方面，一种相机包括第一对串联微透镜阵列，该第一对的每个微透镜阵列包括相应的一组小透镜，每个小透镜具有第一公共焦距；第二对串联微透镜阵列，该第二对的每个微透镜阵列包括相应的一组小透镜，每个小透镜具有第二公共焦距，该第一和第二对串联微透镜阵列通过间隙彼此分隔开；图像传感器，该图像传感器被设置在距离该第二对串联微透镜阵列的图像共轭距离处，以及定位器，该定位器被耦合到该第一对、该第二对和该图像传感器中的一者或多者并被配置成调整该第一对、该第二对和该图像传感器中的一者或多者的位置。该第一对的串联微透镜阵列彼此分隔开该第一公共焦距，使得该第一对的微透镜阵列被配置成提供从物体发射出的光的傅立叶变换的表示，该表示沿着被设置在该间隙中的平面来被提供。该第二对的串联微透镜阵列彼此分隔开该第二公共焦距，使得该第二对的微透镜阵列被配置成经由该表示的傅立叶变换提供物体的图像。该第一和第二对串联微透镜阵列相对于彼此被定位成使得物体的图像被提供在距离该第二对串联微透镜阵列的图像共轭距离处。该第一对和该第二对中的微透镜阵列的至少两者具有不同的间距。
结合前述各方面中的任一方面，各系统和设备可替代地或附加地包括以下方面或特征中的一者或多者的任何组合。图像共轭距离经由以下各项的函数来被确立：物体的物体共轭距离、该第一和第二透镜阵列套件之间的距离、该第一和第二间距、该第一多个单元的第一焦距、和该第二多个单元的第二焦距。该函数确立：从物体发射出并穿过该第一和第二多个单元的相应单元的光会聚在图像共轭距离处。该第一和第二透镜阵列套件通过间隙彼此间隔开。该透镜系统进一步包括被耦合到该第一透镜阵列套件、该第二透镜阵列套件或该第一和第二透镜阵列套件两者的定位器，该定位器被配置成调整间隙的大小。该第一透镜阵列套件包括第一对串联微透镜阵列，该第一对中的每个微透镜阵列包括具有第一间距的相应的一组组分小透镜，每个组分小透镜具有第一公共焦距。该第二透镜阵列套件包括第二对串联微透镜阵列，该第二对中的每个微透镜阵列包括具有第二间距的相应的一组组分小透镜，每个组分小透镜具有第二公共焦距。该第一对的串联微透镜阵列沿透镜系统的光轴彼此分隔开该第一公共焦距。该第二对的串联微透镜阵列沿透镜系统的光轴彼此分隔开该第二公共焦距。该第一和第二对串联微透镜阵列沿光轴相对于彼此被定位成使得图像被提供在图像共轭距离处。相应各组的组分小透镜中的一者或多者在相应一组的组分小透镜内展现逐个小透镜的改变。该逐个小透镜的改变是小透镜剖面改变。该透镜系统进一步包括被设置在图像共轭距离处的图像传感器。该透镜系统进一步包括定位器，该定位器被配置成调整图像传感器的位置以将图像传感器设置在图像共轭距离处。该第一透镜阵列套件包括第一渐变折射率微透镜结构阵列。该第一阵列的每个渐变折射率微透镜结构与该第一多个单元中的相应一个单元相对应。该第二透镜阵列套件包括第二渐变折射率微透镜结构阵列。该第二阵列的每个渐变折射率微透镜结构与该第二多个单元中的相应一个单元相对应。该透镜系统进一步包括被嵌入在该第一对和该第二对中的一者或多者的串联微透镜阵列之一中的孔径阵列。微透镜阵列中的一者或多者可被配置成用于从物体发射出的光的翻转和缝合传播。
尽管已经参考具体示例描述了本发明，这些示例仅旨在是说明性的而非对本发明的限制，但是本领域普通技术人员将显见，可以对所公开的实施例作出改变、添加和/或删除而不背离本发明的精神和范围。
前述描述只是出于清楚理解的目的给出的，并且不应从中理解出不必要的限制，因为本发明的范围内的修改对本领域普通技术人员而言是显而易见的。

Claims (15)

1.一种透镜系统，包括：
第一透镜阵列套件，包括第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元被配置成展现一对第一傅立叶变换透镜；以及
第二透镜阵列套件，包括第二多个单元，所述第二多个单元中的每个单元被配置成展现一对第二傅立叶变换透镜；
其中：
所述第一傅立叶变换透镜具有第一间距；
所述第二傅立叶变换透镜具有与所述第一间距不同的第二间距；以及
所述第一和第二透镜阵列套件沿着所述透镜系统的光轴相对于彼此定位，使得来自物体的光的傅立叶变换的表示被产生在所述第一和第二透镜阵列套件之间的平面处，并且所述物体的图像被提供在距离所述第二透镜阵列套件的图像共轭距离处。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：
所述图像共轭距离经由以下各项的函数来被确立：所述物体的物体共轭距离、所述第一和第二透镜阵列套件之间的距离、所述第一和第二间距、所述第一多个单元的第一焦距、和所述第二多个单元的第二焦距；以及
所述函数确立：从所述物体发射出并穿过所述第一和第二多个单元的相应单元的光会聚在所述图像共轭距离处。
3.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一和第二透镜阵列套件通过间隙彼此间隔开。
4.根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，进一步包括被耦合到所述第一透镜阵列套件、所述第二透镜阵列套件、或所述第一和第二透镜阵列套件两者的定位器，所述定位器被配置成调整所述间隙的大小。
5.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：
所述第一透镜阵列套件包括第一对串联微透镜阵列，所述第一对的每个微透镜阵列包括具有所述第一间距的相应的一组组分小透镜，每个组分小透镜具有第一公共焦距；
所述第二透镜阵列套件包括第二对串联微透镜阵列，所述第二对的每个微透镜阵列包括具有所述第二间距的相应的一组组分小透镜，每个组分小透镜具有第二公共焦距；
所述第一对的所述串联微透镜阵列沿所述透镜系统的光轴彼此分隔开所述第一公共焦距；
所述第二对的所述串联微透镜阵列沿所述透镜系统的所述光轴彼此分隔开所述第二公共焦距；以及
所述第一和第二对串联微透镜阵列沿所述光轴相对于彼此被定位成使得所述图像被提供在所述图像共轭距离处。
6.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述相应各组的组分小透镜中的一者或多者在所述相应一组的组分小透镜内展现逐个小透镜的改变。
7.根据权利要求6所述的透镜系统，其特征在于，所述逐个小透镜的改变是小透镜剖面改变。
8.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，进一步包括被设置在所述图像共轭距离处的图像传感器。
9.根据权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，进一步包括定位器，所述定位器被配置成调整所述图像传感器的位置以将所述图像传感器设置在所述图像共轭距离处。
10.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：
所述第一透镜阵列套件包括第一渐变折射率微透镜结构阵列；
所述第一阵列的每个渐变折射率微透镜结构与所述第一多个单元中的相应一个单元相对应；
所述第二透镜阵列套件包括第二渐变折射率微透镜结构阵列；以及
所述第二阵列的每个渐变折射率微透镜结构与所述第二多个单元中的相应一个单元相对应。
11.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述第一对、所述第二对、或所述第一和第二对两者的所述串联微透镜阵列具有不同的间距。
12.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述第一对的所述串联微透镜阵列的相应间距与所述第二对的所述串联微透镜阵列的相应间距不同。
13.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，进一步包括被嵌入在所述第一对和所述第二对中的一者或多者的所述串联微透镜阵列之一中的孔径阵列。
14.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述微透镜阵列中的一者或多者被配置成用于从所述物体发射出的光的翻转和缝合传播。
15.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述第一和第二对的所有所述微透镜阵列具有彼此不同的间距。
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