CN110192127B - 微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

校正由微透镜的像差和非近轴性引起的问题的微透镜阵列。微透镜阵列(104)包括多个倾斜依赖于微透镜阵列(104)中的微透镜(106)的位置的倾斜度(α，β)的微透镜(106)。同时或替代地，相邻微透镜(1014，1013)的光心(P_i，P_i‑1)之间的距离P_ul(i)依赖于微透镜阵列(104)中它们的位置。这些距离P_ul(i)和倾斜度(α，β)两者均依赖于(通常增加)至微透镜阵列(104)的中心的距离。微透镜(106)的尺寸也可以随着至微透镜阵列(104)的中心的距离增加。也可以应用不透明层覆盖相邻微透镜的边缘。

Description

微透镜阵列

技术领域

本发明被包括在微透镜阵列、合并了微透镜阵列的光学系统、光场成像以及光场相机的领域中。

背景技术

微透镜阵列是微光学结构中的常见元件，该微光学结构的使用在大量的应用中推广，尤其是在成像和照明领域中。目前，在大多数情况中，微透镜阵列被认为是依据阵列中的光学参数和部署的微透镜的规则布置。然而，这种布置对于许多应用不是最佳的，其中阵列中的每个微透镜的单独设计可以改善整个系统的光学性能。这为微透镜阵列的设计引入了新的自由度。

就此而言，已在人造复眼对象的领域中做了一些研究。已研究了啁啾微透镜阵列的设计。特别地，已布置了对于微透镜的具有不同半径和不同形状的阵列设计(圆形至具有或多或少离心率的椭圆形)，以校正诸如像散或场曲的像差。

在诸如全光相机的光场装置的领域中，微透镜阵列的像差可能弱化光学系统的性能。微透镜阵列中的末端微透镜频繁地接收具有高入射角度的光，其甚至可以大于30度。这些高入射角度在仅具有一个或两个表面的小透镜中引起非常高的像差，并且尤其是当出于可制造性原因，对于在小尺寸电池操作的移动装置的小的微型相机中典型采用的非常小尺寸，非球面的使用变得不可靠。

整个光学系统的像差可能因此破坏装置的性能。此外，规则的微透镜阵列不适合于全光相机的主透镜的光学性能，也不适合于成像传感器性能。

本发明提供了一种解决上面提及的问题的对于微透镜阵列的新设计。

发明内容

在本发明中，提供了一种对于微透镜阵列的新设计。本发明急剧地降低了微透镜(全光系统的关键部分)的像差。微透镜阵列的设计可以适合于主透镜和成像传感器，以实现全光相机的改善的性能。本文所描述的微透镜阵列以及构建它们的方法不限于在全光相机中它们的使用，而它们可以被使用在包含微透镜阵列的任何光学系统或装置中。

目前，如在光场相机中提到的微透镜阵列是包含规则地间隔和规则地构建的微透镜的板。本文所描述的本发明为微透镜阵列提供了若干优点，降低了像差并且显著地改善了它们安装在其中的相机、光学系统或装置的整体性能。

本发明的第一方面提到具有可变倾斜的微透镜阵列。微透镜阵列包括多个微透镜，该多个微透镜倾斜依赖于微透镜阵列中的微透镜的位置的倾斜度。根据实施例，倾斜度依赖于微透镜与微透镜阵列的中心之间的距离。

在3D环境中，倾斜度具有两个分量，该两个分量对应于垂直于光轴的微透镜的面的关于两个不同的转动轴的转动。在实施例中，倾斜度的至少一个分量随着微透镜与微透镜阵列的中心之间的距离增加。此条件至少在微透镜阵列的区域中被满足。微透镜阵列的微透镜优选地被构建在基底上。

根据本发明的进一步方面，提供有一种具有可变间距的微透镜阵列，其中微透镜阵列的多个相邻微透镜的光心之间的距离依赖于在微透镜阵列中它们的位置。在实施例中，相邻微透镜的光心之间的距离依赖于至微透镜阵列的中心的距离，并且优选地随着至微透镜阵列的中心的距离增加。

微透镜阵列的多个微透镜的尺寸也可以依赖于至微透镜阵列的中心的距离，并且优选地随着至微透镜阵列的中心的距离增加。

微透镜阵列可以进一步包括覆盖相邻微透镜的边缘的至少一个不透明层。不透明层可以应用于相邻微透镜之间的空隙间隔上。

具有可变倾斜的微透镜阵列和具有可变间距的微透镜阵列的不同实施例可以被组合在一起。这样，微透镜阵列可以包括倾斜的微透镜，并且同时在相邻的微透镜的光心之间具有可变距离。

本发明的另一方面提到一种光学系统，该光学系统包括先前限定的任何微透镜阵列。光学系统也可以包括主透镜和成像传感器。倾斜度优选地依赖于场位置。在实施例中，倾斜度的至少一个分量随着场位置增加，此条件至少在微透镜阵列的区域中被满足。

在光学系统中，微透镜优选地被设计成具有降低微透镜的主光线角度的倾斜度。微透镜优选地被设计成具有补偿场位置和主光线角度之间的非线性的倾斜度。根据实施例，微透镜的倾斜度如此使得对应微透镜的主光线角度低于预定阈值，并且优选地基本上为0度。

在光学系统的实施例中，相邻微透镜的光心之间的距离依赖于场位置，并且优选地随着场位置增加。微透镜优选地被设计成具有补偿场和主光线角度曲线之间的非线性的相邻微透镜的光心之间的距离。

在光学系统的实施例中，多个微透镜的尺寸依赖于场位置，并且优选地随着场位置增加。微透镜的尺寸可以如此使得微透镜阵列的填充因子基本上为1。

根据本发明的另一方面，提供有一种装置，该装置包括先前限定的任何光学系统。装置可以是光场采集装置，诸如全光相机或用于移动装置的微型相机。装置可以是电子移动装置，其转而可以包括光场采集装置。电子移动装置可以是例如智能手机、平板电脑、膝上型电脑或小型相机。

在下文中将考虑以下定义和缩略词用于本发明的描述：

-微透镜阵列：布置在阵列中的多个小透镜(微透镜)。

-规则微透镜阵列：由已被设计成规则地间隔和规则地构建(通过阵列的整个结构均匀的间距、对于所有透镜相同的曲率半径、相同的焦距等)的微透镜形成的阵列，不考虑由于制造缺陷的不均匀性。

-小透镜或微透镜：形成微透镜阵列的每个小的透镜。

-倾斜微透镜：微透镜阵列可以具有小透镜，该小透镜有着具有与相同微透镜阵列的其他小透镜不同倾斜的表面(例如，朝向微透镜阵列的边缘具有增加的倾斜的小透镜)。

-微透镜阵列中微透镜的倾斜：倾斜表示微透镜阵列中微透镜的取向改变(其光轴的转动)。零倾斜意味着微透镜不倾斜，并且微透镜的取向如根据现有技术的规则微透镜阵列中，其中微透镜的光轴垂直于成像传感器。

-微透镜间距：微透镜阵列中连序微透镜的光心之间的距离。

-微透镜阵列的填充因子：包含微透镜的板的总面积与由微透镜的光学有用部分覆盖的面积之间的比率。

-CRA：主光线角度。

-微透镜i(CRA_i)的主光线角度：在系统的光轴与穿过系统的光瞳并且到达微透镜中心的光线之间形成的角度。

-相对场的CRA曲线(或CRA曲线)：指对于特定的场位置绘制的CRA的值的曲线(通常从场0高达场1绘制)。

-全光相机：不仅捕获空间位置而且还捕获入射光光线的到达方向的装置。

-LF：光场，包含由全光相机中的微透镜(lx，ly)下面的像素(px，py)捕获的光的信息的四维结构LF(px，py，lx，ly)。

-全光视图：由选择某个值(px，py)通过获取光场结构的子集形成的二维成像，对于每一个微透镜(lx，ly)相同的(px，py)。

-智能微型相机：用于移动装置的小尺寸的微型相机模块，其可以具有像随着照明改变自动调节它们的帧率，在不同距离聚焦，放大和缩小等的能力，根据预定标准转换捕获的成像的附加特征。

-微成像：由成像传感器上的某些微透镜产生的主光阑的成像。

-FOV：视场。

附图说明

下面非常简要地描述了一系列附图，该系列附图有助于更好地理解发明，并且该系列附图与作为其非限制性示例提出的所述发明的实施例明显地相关。

图1图示了全光相机的典型实施例。

图2图示了对于近轴系统的微成像中心与对应的CRA之间的关系(其中CRA曲线是线性的)。

图3A-图3C示出了微透镜阵列的不同可能实施例的示例。图3A示出了具有微透镜的基底，该微透镜面向来自左侧并且在打中微透镜之前穿过基底的光，图3B示出了在基底的两侧的微透镜，以及图3C描绘了面向来自左侧并且在穿过基底之前打中微透镜的光的微透镜。

图4表示以不同的入射角度被从左接收光的微透镜所经历的像差。

图5A-图5E示出了对于具有倾斜微透镜的微透镜阵列的提议设计的示例。

图6图示了根据现有技术的示例的对于任意CRA曲线的微成像的中心与对应CRA之间的关系。

图7描绘了至微型相机的成像面(或者全光采样中的微透镜面)的到达光的相对场的CRA的典型图，以及与表示近轴行为的线性CRA曲线的比较。

图8示出了随等间隔的微透镜阵列和典型CRA曲线获得的微成像的位置，以及它如何不同于在具有等间隔的微透镜但是具有线性CRA曲线(而不是典型的CRA曲线)的系统中将获得的微成像。

图9表示考虑到相邻微透镜的图8的类似示例。

图10描绘了根据本发明的实施例的具有可变间距的微透镜阵列的示例。

图11描绘了具有可变间距的微透镜阵列的实施例，如图10中，并且也具有可变尺寸以保持填充因子接近于1。

具体实施方式

如图1的示意性表示中所描绘的，全光相机100常见地由主透镜102(光学部件的上部镜筒或等同于所述主透镜的透镜组)、布置在微透镜阵列104中的多个微透镜106以及成像传感器108构成。系统是光瞳成像系统，其中微透镜阵列104的每个微透镜106在成像传感器108的小面积上形成全光相机的主光阑的成像。

图1示出了穿过全光相机100的主光阑200，并且分别到达阵列104中的中心微透镜106a和相邻微透镜106b的两束光线(112a，112b)。每束(112a，112b)在成像传感器108上产生不同的微成像(110a，110b)。如果光学系统被适当地设计，则两个微成像(110a，110b)不重叠。每个微成像(110a，110b)的中心由对应的主光线角度(CRA)确定。CRA_i是在微透镜i的光轴206和穿过光学系统的光阑202或光瞳的中心并且到达微透镜i的中心的光线204之间形成的角度。图2图示了线性CRA曲线的示例的此定义。对于领域中的专家，直接的是，微透镜阵列104的CRA曲线是对于系统的主透镜的连续CRA曲线的离散化(具有与微透镜106的数目一样多的点)。在2D前视图中，微透镜106的形状可以是圆形(具有低于100％的填充因子)、方形、六边形或任何其他形状，对于若干设计标准提供了不同的优点和缺点。使用方形微透镜来描述本发明；然而，由于对于领域中的专家，到六边形、圆形或任何其他形状的外推是直接的，因此这不应该以限制性方式被解释。

整个光学系统的像差可能破坏装置的性能。在本发明中，采用对于微透镜阵列104的新设计，其中微透镜(全光系统的关键部分)的像差急剧地降低，旨在实现全光相机的改善的性能。本文所描述的微透镜阵列以及构建它们的方法不限于在全光相机中它们的使用，而可以在包含微透镜阵列的任何装置中被使用。

微透镜阵列104通常是包含等间隔和均匀的微透镜的板(其中构成微透镜阵列104的所有小透镜具有完全相同的形状)。微透镜阵列104可以具有不同的制造选择或实施例，出于可制造性的原因，其可以与图1中所示的示意性(和完美的)微透镜阵列104不同。图3A-3C示出了对于包括基底302和多个微透镜106的微透镜阵列104的不同可能实施例(在实际产品或原型中微透镜阵列104和微透镜106的实际实施不同于图1中的简化表示)。

微透镜106通常以给定的宽度被构建或部署在基底302上。图3A-图3C中所示的微透镜106被布置在基底302上，并且它们可以面向来自左侧的光(图3C)，或者它们可以被放置在相对侧，使得光在打中微透镜106之前穿过基底302，(如图3A中)。也可以用布置在基底302的两侧的微透镜表面构建微透镜阵列104(图3B)，其中单独的微透镜106或小透镜由在基底302的两侧的两个表面构成。发明也可以用如图1中所示的微透镜106或用任何其他形状来实施。图3A-图3C中所描述的三种结构并不旨在是限制性的，而仅是一些示例性实施例。微透镜106可以以1或更小的填充因子被部署在微透镜阵列104中。微透镜106的形状也可以是独特的半球形或由方形微透镜中的四个球形帽、或者六边形微透镜中的六个球形帽、或者各种球形帽的结合构成。微透镜106也可以是非球面透镜。

本发明对于本文详述的任何结构是有效的，而且对于包含微透镜的任何其他结构也是有效的。

微透镜阵列104的像差可能弱化全光相机的性能。微透镜阵列中的末端微透镜频繁地接收具有高入射角度的光，该高入射角度甚至可以大于30度。这些高入射角度在仅具有一个或两个表面的小透镜中引起非常高的像差，并且尤其是当出于可制造性原因，对于在具有非常小尺寸的电池操作的便携装置的小的微型相机中典型采用的非常小的尺寸，非球面的使用变得不可靠。例如，在用于移动电话的微型相机中，主透镜具有几毫米的尺寸，光阑小于一毫米，并且微透镜可以达到几微米低的尺寸。

虽然位于主透镜102的光轴附近(或在某个距离内)的中心微透镜106a示出好的光学行为(具有低像差)，但是由于高角度的入射，因此在小的微型相机中具有现成实施的末端微透镜经历了问题。图4图示了当增加从左照明微透镜106的准直光的场角度时，其光学表面构建在基底302右侧的微透镜106所经历的像差。在图4的左侧，描绘了微透镜106和以0度(光线402)、15度(光线404)和30度(光线406)的角度到达微透镜106的光线的示意性视图。图4的右侧示出了由最佳焦平面中的不同光线(402，404，406)产生的光斑(412，414，416)。光线402在光轴附近对于微透镜106的最佳焦平面上产生光斑412，即锐点。对于以15度的角度到达微透镜的光线404，产生光斑414，其不像光斑412锐。类似地，当光线406以30度的角度打中微透镜106时，像差变得非常明显，并且传感器上产生的光斑416大得多。微透镜106及其光学特性符合全光相机的典型设计值(折射率、曲率半径、尺寸等)。可以观察到对于具有0度入射角度的光线，微透镜106的非常好的行为(完全无像差)。然而，以15度的入射光束产生相当严重的像差，并且当光束具有30度的入射角度时，微透镜的性能完全被破坏。

根据本发明的第一方面，提供有具有倾斜微透镜的设计，以解决上面所描述的问题(即，其中阵列的末端微透镜接收具有高入射角度的光的情况)。在实施例中，微透镜依赖于阵列内它们的位置被适当地倾斜或取向，以急剧地降低光线的入射角度，并且因此以此方式，最小化微透镜阵列的像差和大大地改善相机的性能。

在实施例中，对于阵列的每个微透镜106的CRA，微透镜可以倾斜以基本上达到低至0度；因此，对于穿过主透镜102的光阑202的中心并且到达微透镜106的光线，微透镜是在光轴附近还是在视场(FOV)的极限附近的高场是无关的。此现象在用于移动装置的微型相机的非常小尺寸中变得尤其关键，该移动装置中相机的总轨道长度(TTL)变得仅为几毫米，并且角度变得相当高(约30度的值是相当常见的，如图7的示例中所示)。在此实施例中，所有微透镜106将示出与中心微透镜106a相同的行为，无大多数像差效应。为了实现此行为，随着场的增加，每个微透镜必须逐渐地越来越倾斜。然而，在非常高场的一些点处，倾斜饱和，并且然后开始最小限度地减小(随着微透镜倾斜以补偿图7中所示的效应)。中心微透镜106a不需要倾斜，以及随着我们接近包含微透镜的板的末端区域，它们越来越倾斜，直至达到CRA的饱和(图7中的饱和区域704)，并且CRA开始减小(图7中的下降区域706)，具有更高CRA_i的微透镜成为最倾斜微透镜。

在至少一个实施例中，微透镜106可以倾斜直到对于微透镜阵列104的每个微透镜106达到特定的可接受的CRA。在至少一个实施例中，微透镜106可以跟随(由主透镜102利用的)任何CRA曲线规范倾斜，以确保整个全光系统的好的性能。

图5A-5E示出了根据本发明的对于具有倾斜微透镜106的微透镜阵列104的设计的示例，其有助于理解如何设计和制造符合发明的微透镜。这些图解释了特别的实施例，该特别的实施例在任何情况下都不应被解释为限制的实施，而仅应被解释为倾斜微透镜的特别的实施例。在此特别示例中，使用构建在基底302上的微透镜106。图5A示出了具有四个不同的醒目区域(中心区域501、中间下部区域502、末端下部区域503和角落区域504)的微透镜阵列104板的2D视图，每个区域包括以特定的倾斜设计的一个或更多个微透镜106。图5B、图5C和图5D示出了为图5A中特定的四个区域(501，502，503，504)构建的设计的倾斜微透镜106的三种3D视图，每个醒目区域包括倾斜微透镜106的矩阵(一行或更多行，以及一列或更多列)。在规则(即，非倾斜)微透镜阵列中的微透镜的光轴206平行于图5B中的轴z。然而，依赖于阵列内它们的位置，在本发明的微透镜阵列中的微透镜的光轴206随着我们沿着线562垂直地移动(如图5B的示例中所描绘的)，相对轴x和z转动某个角度α，以及随着我们水平地移动，相对轴y和z转动某个角度β；在不直接在线560和562上的其他位置中，诸如角落区域504，角度α和β两者均不等于零。如图5B的示例中所示，对于所有那些相对中心垂直线562居中的微透镜，光轴206具有角度β＝0。类似地，相对中心水平线560居中的微透镜的光轴206具有角度α＝0。

图5B也描绘了用于产生制造模具520的冲压工具510(例如，具有不同倾斜的圆柱)的示例，该制造模具520转而可以应用于制造在基底的不同区域501、502、503、504上具有不同倾斜的微透镜106。模具520用于依赖于微透镜阵列104板的具体区域来构建倾斜微透镜。图5E示出了图5A-图5D的示例实施例的示意性2D视图。在图5E中，依赖于阵列中它们的位置，微透镜106围绕它们的光轴206以不同的倾斜度(α₁，α₂，α₃，...，α_i)倾斜。直接的是，倾斜微透镜可以被理解成其中顶点和光心相对面108不位于相同位置的透镜；因而，倾斜微透镜等同于沿着轴x和y移动微透镜的顶点直至达到对于微透镜i的特定的CRA_i。

在真实的3D环境中，可以考虑具有两个分量(α，β)的倾斜度，对应于垂直于光轴206的微透镜的面的关于两个不同的转动轴(图5B中的y、x)的转动。可以观察到，在微透镜阵列104板的中心区域501中，微透镜完全不倾斜，使得倾斜度(α，β)的分量α在图5E的2D表示中等于零(α₁＝0)。随着场增加，倾斜度(α，β)的分量α也增加(对于中间下部区域502中的微透镜的倾斜度α₂小于对于末端下部区域503中的微透镜的倾斜度α₃，如图5B和图5E中所示)。α和β的最大倾斜是对于微透镜阵列104板的角落构建的，对应于角落区域504。不过，在实施例中，最大倾斜实际上并非对于所述角落区域504的末端微透镜，而是对于仍然接近板的角落区域504的内微透镜构建的。这是由于普通微型相机设计中在高场处的CRA的饱和以及随后的减小(见图7中的区域704和706)：倾斜被构建成朝向区域702之右增加，它在区域704中保持几乎恒定，并且在区域706中略微地减小。

图5B-图5D也示出了制造模具以构建微透镜阵列104的可能方式的示例。在此示例中，使用冲压工具510来构建模具520，在该模具520上可以沉积液体光学聚合物，其后来(用UV光或任何其他步骤)被固化。可以使用许多其他冲压、铣削、研磨、蚀刻或其他工具以便构建模具和倾斜微透镜。也可以使用如反应离子蚀刻和许多其他的其他技术，包括类似于用于硅制造技术的光学制造技术。图的特别描述不应被解释成为限制因素。

如从图5A-图5D是明显的，为了最小化像差，微透镜106的倾斜度随着场增加，直至达到饱和区域704。

当它们接收到垂直于光敏表面到达传感器的光时，光传感器是极其有效率的，但是当光束以一角度到达光敏表面时，它们的量子效率(与由给定量的入射光能量产生的电流量或电能量相关)恶化。对于智能手机相机，以及通常对于小尺寸的微型相机，在成像传感器108上的入射光束的角度必须由透镜设计所限制(以避免刚刚提及的量子效率损耗和相邻像素之间的串扰)。上部透镜的光学设计和传感器设计被构想成彼此匹配：主透镜设计中使用的非球面表面引起对于不同场值的至成像传感器的光束的到达角度是非常非线性的(如图7中的曲线700中所示)，并且同样优化传感器设计以具有对于那些精确相同的到达角度最大的量子效率。为了在光学器件和传感器之间达到此匹配设计，传感器被设计成每个像素(每个单独的光敏表面)具有像素微透镜的方式，该像素微透镜会聚光束在每个像素的中心光敏范围上。考虑到由于它们的非球面表面，小的微型相机具有类似于图7中的700的主透镜(或上部镜筒等同透镜)的CRA曲线，传感器的设计以不同于(小于)像素间距的间距放置像素微透镜，为了期待的入射光角度优化传感器，该入射光来自具有非常小的机械总轨道长度(MTTL)的光学器件并且因而对于大的场具有大的到达角度。

在光瞳成像系统中，成像传感器108收集微成像的集合，每个微成像由每一个微透镜106形成。这些微成像在成像传感器108上的位置依赖于CRA曲线(图7中的曲线700或710)；更特定地，每个微成像的中心将由对应的CRA_i确定，即微透镜阵列104的每个微透镜i的CRA。图6示出了此依赖性。对于第一610微透镜、第二611微透镜、第三612微透镜、第(i-1)微透镜613、第i微透镜614以及第(i+1)微透镜615描绘CRA。对于第一微透镜610，穿过光学系统的光瞳并且到达此微透镜610的中心P₁的光线600确定了第一微透镜610的中心P₁和相应微成像的中心T₁两者均位于光轴(x₁＝0；CRA₁＝0)。随着场增加，由于相应的光线(600，601，602，603，604，605)的斜率随着场增加，因此存在增加的微透镜的中心(P₁，P₂，P₃，...，P_i-1，P_i，P_i+1)和它们相应的微成像的中心(T₁，T₂，T₃，...，T_i-1，T_i，T_i+1)之间的位移(x_i+1>x_i>x_i-1>x₃>x₂>x₁＝0)(此特别的行为由于用作示例的CRA曲线(700)，但是推理对于任何其他CRA曲线行为是有效的)。假设周期性微透镜，由微透镜i(614)产生的微成像i的中心可以写为：

T_i＝P_i+x_i＝P_i+f_ul tan(CRA_i) (等式1)

其中T_i表示微成像i的中心位置，P_i指微透镜i(614)的中心位置，并且f_ul指微透镜的焦距(假设所有微透镜具有相同的焦距)。明显的是，上面的等式对于任何CRA曲线是有效的。

对于线性CRA曲线(其为近轴情况，其中CRA曲线不是曲线而是线性的，如图7中的线710中所示)，并且使用规则微透镜(对于所有微透镜有相同的间距P_ul，并且因而P_i＝P_ul·i)，上面的等式可以写为：

T_i＝P_uli+f_ulki＝(P_ul+f_ulk)i (等式2)

其中P_ul是微透镜的间距，k是依赖于确定微透镜与微成像之间的关系的相机的几何参数的常数(即，它确定微成像比微透镜大多少)，并且i是对于应于第i微透镜614的整数。从等式2可以看到，所有微成像具有相同的间距P_ul+f_ulk，或者换句话说，它们是等间隔的。明显的是，为了达到这些具有同等微透镜的等间隔微成像，唯一的方式是具有线性的CRA曲线，其为近轴近似的情况。

图7示出了用于说明目的并且不应被视为限制的对于特定光学设计的典型CRA曲线700的示例。对于此示例，高达场H＝0.3，CRA近似是线性的，但是超过H＝0.3，随着场增加，CRA与近轴行为(由线性CRA曲线710表示)越来越不同。在图7的示例中，CRA曲线700被分成三个不同的区或区域：第一和更大区域，其中CRA随着场增加直至达到对于高场的第二区域(在示例中，约70％-90％的相对FOV)的增加区域702，其中CRA随着场保持基本上恒定的饱和区域704；以及在末端场中的第三和小区域(在示例中，超过90％的相对FOV)，其中CRA随着场减小的下降区域706。这直接意味着如果微透镜已被设计成等间隔的，则成像传感器108中的微成像将不是等间隔的(至少超过H＝0.3)，由于曲线700的CRA饱和，因此随着它们接近场的角落(或等同地，成像传感器108的角落)，微成像的中心将彼此更接近。

为了补偿此非近轴CRA行为，目的在于在整个传感器上仍然具有等间隔的微成像，根据本发明的进一步方面，提供有微透镜阵列104的新设计，使得微透镜106的中心不是等间隔的；而是随着场增加它们的分离改变。从等式1，并且考虑到具有有间距等于T_u的周期性微成像的目的，使得T_i＝iT_u，微透镜i的中心可以写为：

P_i＝iT_u-f_ul tan(CRA_i) (等式3)

为了说明此现象，在图8中示出了成像传感器108上的两个微透镜(614，614')和两个对应的微成像(624，624')。微透镜614对应于包含等间隔的微透镜的阵列中的微透镜i(如图6中所示)。因此，从等式1，对应的微成像624的中心T_i位于：

T_i＝P_uli+f_ul tan(CRA_i) (等式4)

其中CRA_i是在光轴和穿过系统光瞳的中心并且到达微透镜i(614)的中心P_i的光线604之间形成的角度。如已经解释的，在此情况中，并且由于饱和的CRA曲线，微成像624将居中在与如果系统示出线性CRA曲线710将居中(微成像624’)的位置(由等式2给出)不同的位置。

为了补偿此影响，并将微成像624转至对于近轴透镜它将处于的位置(图8中微成像624'的位置)，微透镜i(614)的中心P_i需要位移某个距离d_ul(i)(并且因而，对于此特别微透镜i改变间距至P_ul(i))至对应于微透镜i'(614')的中心P_i'的位置；也就是说，P_i移动至图8中的P_i'，使得微成像624的中心T_i移动至由光线604'产生的微成像624'的中心T_i'。

图9表示考虑相邻微透镜i-1(613)的类似于图8的示例(尽管有更短的位移d_ul(i))，其中微透镜i(614)的中心P_i位移距离d_ul(i))。对于微透镜i，原始和恒定的间距P_ul增加至新的间距P_ul(i)。微透镜i的微成像624移动至微成像624'，使得连序微透镜(613，614')的微成像不重叠。

将此基本原理推广至所有微透镜和场是直接的，并且导致非规则的微透镜阵列板，其中微透镜的中心不再是等间隔的(从微透镜i-1的中心至微透镜i的中心的距离小于从微透镜i的中心至微透镜i+1的中心的距离)，随着场增加采用越来越长的间距，如图10的示例中例举所示，随着场增加，由于它们相应光线(1000，1001，1002，1003，1004，1005)的斜率相对近轴近似的偏离也增加，因此其中微透镜(1010，1011，1012，1013，1014，1015)被分离增加的距离(P_ul(i+1)>P_ul(i)>P_ul3>P_ul2)。对于本文所描述的牵涉几何考虑的大多数定义、图和解释，用于说明目的已使用考虑高度的1D模型(1D微透镜板、1D成像传感器)；但是考虑高度和宽度的至2D的推广是直接的。

如图10的示例中所示，因为随着场增加，并且在大多数情况中大于微透镜的原始直径的微透镜(1010，1011，1012，1013，1014，1015)之间的距离(P_ul2，P_ul3，P_ul(i)，P_ul(i+1))，产生在相邻微透镜之间的增加的不透明间隙或空隙间隔(g₂，g₃，g_i，g_i+1)。为了保持填充因子接近于1，可以由增加微透镜的尺寸来填充这些空隙间隔，如图11的示例中示出的具有增加的直径(D_i+1>D_i>D_i-1>D₃>D₂>D₁)的微透镜(1110，1111，1112，1113，1114，1115)。可选地，代替改变微透镜的尺寸，可以在相邻的微透镜之间的空隙间隔上应用黑铬层或任何不透明涂料，以最小化微透镜的边缘上的像差和缺陷。即使当小透镜的尺寸未增加时，并且即使填充因子是1，也没有微透镜之间的空隙间隔，也可以使用应用不透明层的此技术。由不允许光通过的材料制成的不透明层不仅避免了微透镜之间的可能的边缘缺陷(直到就光的光流而言，其消失)，而且还获得了众所周知的效应的利益，如果我们限制光流在它们的边缘处，则透镜更接近近轴近似，以及如果它们的边缘避免了附加的光阑，则透镜显示出更少的像差(在此情况中光阑由不透明层产生)。

由于微透镜i+1和微透镜i的中心之间的距离与微透镜i-1和微透镜i的中心之间的距离不同，因此每个微透镜的形貌不必要相对于其中心对称。

作为示例，但不作为限制，如果使用方形微透镜并且微透镜阵列104的填充因子被设计成等于1，则微透镜的形状(尤其是在微透镜阵列104的角落处)不再是规则的方形，而是不规则的四边多边形。重要的因素是微透镜106的光心被设计成使得具有真实微透镜(如图4中)的真实主透镜(如图7中)的光学行为变得就像我们已使用了近轴主透镜和近轴小透镜一样。

现在描述对于方形形状微透镜的发明的实施例，不为了限制发明的一般性，而是为了使其更容易理解；然而，对于领域中的专家，如何设计具有六边形、圆形或任何其他形状的微透镜的本发明的实施例是清楚的。对于高达0.3的H场(从图7所举的示例，其将对应于图5A中的中心区域501并且接近中间下部区域502)，所有方形微透镜完全相同；然而，随着我们逐渐朝向H＝1接近(接近图5A中的末端下部区域503和角落区域504)，微透镜的改变如下：

a.随着我们接近末端下部区域503，相邻微透镜的光心不再是等距的(微透镜的中心之间的间距逐渐增加)，并且在实施例中，方形微透镜不再具有精确的方形形状，它们可以变成类方形的多边形，其中更接近微透镜阵列板的中心的边略微短于更远离微透镜阵列板的中心的边，并且其中另外两边不再是平行的，而它们分叉以连接另外两个不具有相同长度的边。注意到具有类似于(主透镜和小透镜的)近轴行为的微成像的关键因素不是小透镜的特别的形状，而是每个小透镜的光心(其中光心不再以相同距离间隔的小透镜)。

b.如果不是随着我们从图5A中的中心区域501垂直移动至末端下部区域503注意小透镜，而是随着我们从中心区域501朝向右或朝向左水平移动，我们注意小透镜，如果设计被设想成具有100％的填充因子，随着我们增加光心的间距以匹配来自图7中的图的要求，则微透镜的平行于图5A中的垂直线的边逐渐地增加它们的长度。如之前所解释的，随着我们在传感器上垂直移动，水平线的长度增加，并且随着我们从传感器的中心水平移动，现在我们增加垂直线的长度。然而，关键因素是小透镜的光心被设计成最小化图7和图4的非理想行为)。

c.也值得注意，在此特别实施例中，伴随具有100％的填充因子的目的，当从图5A中的中心区域501移动至末端下部区域503时，方形微透镜的两垂直边的长度也随着场增加。并且当从中心区域501朝向对于H＝>0.3的微透镜阵列板的边缘水平移动时，微透镜的两水平边的长度也增加(当30％的FOV，或者场0.3时，是在图7中的曲线700和710开始分叉处)。

d.如果在我们正描述的实施例中，我们从中心微透镜开始看微透镜并且对角地移动，以下是清楚的：对于在从之前的微透镜其中其两边相遇的点处开始的超过0.3的场中的新的微透镜，如果我们希望具有100％的填充因子，其开始于所述点的两边略微短于在多边形的另一侧的相对点开始的两平行边，点是与下一个微透镜相遇的点，所以随着我们沿着开始于中心微透镜的45度方向从H＝0.3移动至H＝0.1，方形变成非规则菱形，但是围绕它们的对角线或者它们的中心对称(更接近于微透镜阵列板的中心的边略微短于更远离微透镜阵列中心的边的菱形)。

e.基于之前的段落，对于不沿着超过H＝0.3的纯水平和垂直方向移动的微透镜，在此特别实施例中它们的形状设计(不对称不规则菱形)也是直接的。本文现在示例如何设计图5A中的角落区域504的左下的末端微透镜：相关因素是确定此最新的小透镜的光心以匹配由透镜的上部镜筒所利用的图7的要求。在菱形的四边中(在图5A-图5D中所示的实施例的此特别的矩形形状因子内)，不规则菱形的最短边将是在微透镜阵列板的内侧的内垂直边541，第二长度将是在微透镜阵列板的外侧的外垂直边542，第三长度将是在微透镜阵列板的内侧的内水平边543，并且不规则菱形的最长边将是从微透镜阵列中心面向外的外水平边544。

f.结果，图5A中的灰色矩形变成枕形，其中最窄尺寸位于在中心区域501之左的末端水平中心点550(沿着中心区域501的中心通过的中心水平线560的左末端)和在中心区域501之右的末端水平中心点552(图5A中的中心水平线560的右末端)之间。最长的尺寸将是角落区域504的左下与其右上的对称(相对于微透镜阵列板的中心)之间的对角线。也是明显的，在板的最右或左侧(外垂直线564和566)的微透镜阵列板的顶部和底部之间的“垂直线”(实际上是枕形边缘线)也比沿着微透镜阵列104板的中心的穿过垂直中心区域501、中间下部区域502、末端下部区域503到达微透镜阵列板的顶部和底部的中心垂直线562长。这样的枕形形状对于人类观察者是不明显的(其将察觉图5A中的灰色的微透镜的矩形104)，但是显微镜分析将揭示其枕形形状。

当使用圆形微透镜而不是方形微透镜时，随着我们在水平和垂直方向中移动，设计椭圆，并且对于其余小透镜设计非对称椭圆是直接的。六边形、三角形或任何其他微透镜阵列形状的描述，即使解释略微更复杂，对于领域中的专家也是直接的。

另一可能的实施例是降低微透镜阵列的填充因子。在这种方案中，每一个微透镜的形貌可以保持对称。

刚刚所描述的本发明的两个主要方面可以总结如下：

·为了最小化微透镜阵列104中的微透镜106的像差的影响，微透镜106被设计成倾斜的，具有依赖于场的不同倾斜度(常见地增加倾斜)

·为了最小化实际微型相机主透镜中的场H和CRA之间的非线性(如图7中的CRA曲线700)，微透镜106的光心的间距P_ul随着它们更接近于微透镜阵列104板的边缘增加。

这两个协同作用的方面可以在相同的微透镜阵列104中独立地或一起实现，将它们一起使用的益处和协同作用对于非常小的微型相机的设计是明显的，因为透镜系统的小长度(TTL，总轨道长度)迫使朝向传感器的边缘(朝向微透镜阵列板的边缘)的非常大的CRA，以及非球面透镜元件的推广使用以避免像差导致如图7的曲线700中的非常非线性曲线。当结合时，微透镜的像差和非近轴问题可以同时被解决，大大改善了光学系统的性能，否则将急剧地恶化其性能。如果微透镜方便地倾斜，则微透镜表面上的光线的入射角度降低，降低了像差；同样，如果方便地改变间距，则微成像的中心将如在近轴系统中定位(微透镜适合于主透镜CRA)。

当一起使用两方法时，也实现了进一步的协同作用效应，因为不仅改善了相机的光学性能，而且当重建4-D光场时计算成本还大大地降低了(当一起使用两方法时，可以完全地避免依赖于特定相机的公差和需要基于每个相机校准的产生“非异常”和“近轴”光场的计算)。

依赖于特别实施例的特定要求，微透镜阵列可以被设计成具有可变倾斜、可变间距或两者的组合。当组合可变倾斜和可变间距两者时，必须一起执行设计和性能分析以获得精确的倾斜度和间距值，因为倾斜的微透镜可能影响可变间距设计，并且反之亦然。

出于明显的原因，i)对于微透镜的倾斜度随着场增加(直至达到并且超过饱和区域704)，ii)微透镜表面的特别CRA曲线，其不仅依赖于微透镜本身的物理参数，而且还依赖于来自主透镜的光的到达方向，以及iii)增加微透镜间距(和可选尺寸)的速度随着场增加；所有都与相机主透镜与近轴行为的偏离密切相关，并且更特定地，与CRA非线性行为(如图7中所示例的)和主透镜的其他像差密切相关。因此，随着场增加，小透镜倾斜、小透镜表面方程、小透镜的间距和尺寸与任何特别的主透镜的特定设计密切相关，并且对于专业光学设计者，如何权衡和设计所有那些与主透镜的任何特定实施例相关的因素将是明显的。

Claims (15)

1.一种光场采集装置，所述光场采集装置包括光学系统，所述光学系统包括主透镜(102)、成像传感器(108)以及包括多个微透镜(106)的微透镜阵列(104)，其特征在于，所述微透镜阵列(104)的微透镜(106)的中心从具有恒定间距P_ul的规则布置位移特定距离(d_ul(i))，其中位移的距离(d_ul(i))在中心区域(501)处为零且微透镜(106)的中心之间的间距随着视场增加而逐渐地增加至对于微透镜i的增加的新间距P_ul(i)以补偿伴随所述视场的主光线角度的非线性，所述增加的新间距P_ul(i)大于所述恒定间距P_ul。

2.根据权利要求1所述的光场采集装置，其中对于微透镜i的所述增加的新间距P_ul(i)如此使得由微透镜(106)产生的微成像在所述成像传感器(108)上是等间隔的并且连序微透镜的微成像不重叠。

3.根据任一前述权利要求所述的光场采集装置，其中所述微透镜阵列(104)的多个微透镜(106)的尺寸取决于至所述微透镜阵列(104)的中心的距离。

4.根据权利要求3所述的光场采集装置，其中微透镜(106)的尺寸随着至所述微透镜阵列(104)的中心的距离增加。

5.根据权利要求3所述的光场采集装置，其中微透镜(106)的尺寸如此使得所述微透镜阵列(104)的填充因子基本上是1。

6.根据权利要求1所述的光场采集装置，进一步包括至少一个覆盖相邻微透镜的边缘的不透明层。

7.根据权利要求6所述的光场采集装置，其中所述不透明层被应用于相邻微透镜(1014，1013)之间的空隙间隔(g_i)上。

8.根据权利要求1所述的光场采集装置，其中，取决于所述视场，所述微透镜阵列(104)的多个微透镜(106)相对于主透镜(102)的光轴倾斜了倾斜度(α，β)。

9.根据权利要求8所述的光场采集装置，其中所述倾斜度(α，β)的至少一分量随着微透镜(106)与所述微透镜阵列(104)的中心之间的距离增加，所描述的情况在所述微透镜阵列(104)的至少一区域中被满足。

10.根据权利要求8所述的光场采集装置，其中微透镜(106)被构建在基底(302)上。

11.根据权利要求8所述的光场采集装置，其中微透镜(106)被设计成具有倾斜度(α，β)，所述倾斜度(α，β)降低微透镜(106)的主光线角度，其中微透镜i的主光线角度(CRA_i)是在所述微透镜i的光轴(206)与穿过所述光学系统的光阑(202)的中心并且到达所述微透镜i的中心的光线(204)之间形成的角度。

12.根据权利要求11所述的光场采集装置，其中微透镜(106)被设计成具有倾斜度(α，β)，所述倾斜度(α，β)补偿场位置与微透镜(106)的主光线角度之间的非线性。

13.根据权利要求11所述的光场采集装置，其中微透镜(106)的倾斜度(α，β)如此使得相应的微透镜(106)的主光线角度低于预定阈值。

14.根据权利要求13所述的光场采集装置，其中微透镜(106)的倾斜度(α，β)如此使得相应的微透镜(106)的所述主光线角度基本上为0度。

15.根据权利要求1所述的光场采集装置，其中所述光场采集装置是全光相机(100)。

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