CN113591534B - 透镜阵列成像器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透镜阵列成像器，包括：形成具有节距d_x的透镜阵列的透镜L_m，包括像素阵列区域R_m的像素阵列，以及在它们之间的有孔挡板层；m＝{0，1，2，...}。每个像素阵列区域具有宽度r_x＜d_x和节距p_x＜d_x。每个有孔挡板层分别位于距像素阵列的相应距离z_k处，并且分别具有形成孔径光阑阵列的相应多个孔径光阑A_m。每个孔径光阑A_m的中心与区域R_m的中心以及透镜L_m的光学中心共线。每个孔径光阑阵列具有节距，节距随着z_k接近零而接近p_x，并且随着z_k接近透镜L₀和区域R₀之间的距离z_L而接近透镜节距d_x。每个孔径光阑A_m的宽度具有上限，所述上限从当z_k等于零处的p_x增加到当距离z_k等于z_L处的W_x。

Description

透镜阵列成像器

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种透镜阵列成像器。

背景技术

指纹感测正成为越来越普遍的用于对以下进行授权的工具：(a)访问诸如智能手机之类的电子设备，(b)访问机密电子记录，以及(c)诸如在互联网上进行的金融交易之类的电子交易。指纹感测满足了对以下身份验证机制的市场需求：所述身份验证机制免除了输入(以及记住)密码的需要，也免除了掌握与不同设备和/或帐户关联的多个不同密码的需要。指纹感测是生物特征识别(Biometric Identification)的一种已构建良好的形式，并且光学指纹传感器已经被使用了多年，例如被执法机构使用。

已经设计了若干不同类型的指纹传感器以用于智能手机。这些类型的指纹传感器中的每一种都是对手指进行成像以获得指纹。基于照相机的指纹扫描器使用成像透镜和图像传感器捕获指纹的图像。基于准直器的指纹扫描器通过在图像传感器上方对准的透镜阵列感测指纹。

尽管基于照相机的指纹扫描器的成像透镜使图像传感器能够比成像透镜窄，但是成像透镜的焦距对指纹扫描器的高度设置了下限。基于准直器的指纹扫描器由于限制了宽度的紧凑性而存在相反的问题。尽管透镜阵列使指纹扫描器能够比具有可比性的基于照相机的指纹扫描器更短，但它还要求图像传感器的宽度至少与透镜阵列一样宽。

发明内容

本文公开的实施例克服了基于照相机和基于准直器的指纹扫描器的这些问题。

透镜阵列成像器包括多个透镜L_m＝0,L₁,…,L_N-1，包括形成包括多个像素阵列区域R_m＝0,R₁,…,R_N-1的像素阵列的多个像素的图像传感器，以及在图像传感器和透镜阵列之间的多个有孔挡板层。多个透镜中的每个透镜具有宽度W_x，并且形成在与透镜L₀的光轴正交的横向方向上的透镜节距d_x的透镜阵列，透镜L₀的光轴限定纵向方向。多个像素阵列区域R_m＝0,R₁,…,R_N-1中的每一个具有在横向方向上均小于透镜节距d_x的传感器区域宽度r_x和传感器区域节距p_x。多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层分别位于距所述像素阵列的相应距离z_k处，并且分别具有形成孔径光阑阵列的相应多个孔径光阑A_m＝0,A₁,…,A_N-1。每个孔径光阑A_m的中心与以下两者都共线：(i)像素阵列区域R_m的中心，以及(ii)透镜L_m的光学中心。所述孔径光阑阵列具有在横向方向上的孔径光阑节距a_x，随着距离z_k接近零，所述孔径光阑节距a_x接近传感器区域节距p_x，并且随着距离z_k接近沿纵向方向在透镜L₀和像素阵列区域R₀之间的距离z_L，所述孔径光阑节距a_x接近透镜节距d_x。每个孔径光阑A_m的宽度具有上限，所述上限从当距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x增加到当距离z_k等于距离z_L处的W_x，使得孔径光阑A_m合起来透射穿过透镜L_m的在从透镜L_m的光学中心起的由像素阵列区域R_m所对向的角度内的一定范围的主光线角度以及相关联的边缘光线，同时阻挡在所述所对向的角度之外的主光线和关联的边缘光线。

附图说明

图1是被配置为捕获指垫的指纹的图像的准直器传感器的示意性截面图。

图2是在实施例中被配置为捕获指纹的图像的透镜阵列成像器的示意性截面图。

图3是图2的透镜阵列成像器的一部分的示意性截面图。

图4是图2的透镜阵列成像器的第一实施例的平面图。

图5是图2的透镜阵列成像器的第二实施例的平面图。

图6是透镜阵列成像器的示意性截面图，所述透镜阵列成像器是图2的透镜阵列成像器的示例。

具体实施方式

图1是准直器传感器100的示意性截面图，准直器传感器100被配置为捕获指垫(finger pad)102的指纹的图像。图1的截面图平行于由正交方向298X和298Z形成的平面，此后称为x-z平面，正交方向298X和298Z均正交于方向298Y。这里，x-z平面由正交方向298X和298Y形成，并且平行于x-z平面的平面称为横向平面。同样，横向方向是指方向298X和298Y中的一个或两者。除非另有说明，否则本文中对象的高度是指该对象在方向298Z或与之相反的180°方向上的范围。

准直器传感器100包括图像传感器110、透镜阵列170A和板180。板180具有顶表面189和底表面，所述底表面包括多个板区域182(1-N)。板180在方向298X上具有宽度180W，宽度180W足够大到容纳指垫102的指纹。

透镜阵列170A包括多个透镜170(1-N)。图像传感器110包括像素阵列112A，其包括多个像素112。为了清晰地图示，仅以附图标记标示了图1中的一个像素112。像素阵列112A包括多个像素阵列区域118(1-N)。像素阵列112A的检测平面112P位于每个透镜170的焦平面处。在实施例中，检测平面112P和与像素阵列112A对准的图像传感器110的微透镜阵列相交。像素阵列112A和透镜阵列170A分别具有宽度110W和170W。

每个透镜170具有与相应的像素阵列区域118的中心以及相应的板区域182的中心对准的光轴。入射在透镜170(q)上的、从与之对准的像素阵列区域118(q)的中心传播来的照射被透镜170(q)透射，作为朝向板区域182(q)传播的经准直照射178。索引q是范围从1到N的整数。因此，宽度110W和170W的最小值受到宽度180W的限制，从而宽度180W限制了准直器传感器100的紧凑性。在后续附图中公开的实施例解决了此问题。

图2是透镜阵列成像器200的示意性截面图，透镜阵列成像器200被配置为捕获指垫102的指纹的图像。透镜阵列成像器200包括多个透镜270(0-M)和270(1′-M′)以及图像传感器210，其中N＝(M+1)+M′。透镜270(0)具有平行于方向298Z的光轴272(0)。光轴272(0)限定纵向方向。透镜270形成透镜阵列270A，透镜阵列270A具有由相邻透镜270的光轴之间的横向距离限定的透镜阵列节距276(在此也为d_x)。每个透镜270具有小于或等于透镜阵列节距276的宽度271(在此也为W_x)。每个透镜270(m)具有相应的光学中心273(m)；图2示出透镜270(0)的光学中心273(0)。此处，索引m是在0-M或1′-M′范围内的整数。

透镜阵列成像器200可包括板280。板280具有顶表面289和底表面，所述底表面包括多个板区域282(0-M，1′-M′)。板280在方向298X上具有宽度280W，宽度280W足够大到容纳指垫102的指纹。

图像传感器210包括形成像素阵列212A的多个像素212。像素阵列212A包括在横向方向上以小于透镜阵列节距276(d_x)的传感器区域节距216(在此也为p_x)间隔开的多个像素阵列区域218(0-M,1′-M′)。每个像素阵列区域218(m)具有各自的传感器区域宽度211(m)(在此也为r_x)，每个传感器区域宽度211(m)小于或等于传感器区域节距216(r_x≤p_x)。在实施例中，每个传感器区域宽度211(m)对于索引m的每个值具有相同的值。在此，r_x表示传感器区域宽度211，并且可以根据索引m而变化或者是恒定的。

图2示出沿着光轴272(0)在像素阵列212A与光学中心273(0)之间的垂直距离252(在此也为z_L)。每个像素阵列区域218包括至少一个像素212。例如，像素阵列区域218是像素212的n_x×n_y阵列，其中n_x和n_y是正整数。在实施例中，垂直距离252在0.4mm和0.08mm之间。

像素阵列212A、透镜阵列270A和板280具有各自的宽度210W、270W和280W。在实施例中，宽度210W小于宽度270W，宽度270W可以小于宽度280W。例如，宽度280W在5和7毫米之间，而宽度270W最多是宽度280W的百分之八十。

图2示出检测平面212P，其类似于检测平面112P。在实施例中，检测平面212P与图像传感器210的微透镜阵列相交，所述微透镜阵列与像素阵列212A对准。在实施例中，像素阵列212A是非平面的，使得检测平面212P是分段的多个平面，每个平面位于相应的像素阵列区域218上方。

透镜阵列成像器200还包括在透镜阵列270A和图像传感器210之间的有孔挡板层220、230和240。有孔挡板层220、230和240分别位于距平面212P的相应距离222、232和242(在此也为z_1-3和z_k，其中索引k＝1,2,3)处。在实施例中，每个有孔挡板层220、230和240由不透明材料形成，诸如黑色聚合物光致抗蚀剂。在实施例中，距离222等于零，使得有孔挡板层220被直接置于检测平面212P上。

尽管图2图示了具有三个有孔挡板层的透镜阵列成像器200，透镜阵列成像器200可以包括任何数量的有孔挡板层，而不脱离实施例的范围。在实施例中，透镜阵列成像器200包括四个孔径挡板层，其在一些配置中充分地减少串扰。在本文中，有孔挡板层220、230和240中的一个或多个有孔挡板层的所公开特征也可以应用于所述附加的有孔挡板层。

在实施例中，每个有孔挡板层220-240在各自的基板上。例如，透镜阵列成像器200可以包括以下中的至少一个：(i)在检测平面212P和有孔挡板层220之间的基板，以及(ii)在有孔挡板层220和230之间的基板。在实施例中，基板对于例如可见电磁辐射(可见光)和/或近红外光是透明的，并且由诸如玻璃的电介质形成。

透镜阵列成像器200的每个有孔挡板层具有前表面、后表面以及在所述前表面和所述后表面之间的多个中间表面，每个形成有孔挡板层的多个孔径光阑(aperture stop)中的相应一个。例如，每个有孔挡板层220、230和240分别具有相应多个孔径光阑224(0-M,1′-M′)、234(0-M,1′-M′)和244(0-M,1′-M′)。孔径光阑224、234和244形成各自的孔径光阑阵列224A、234A和244A。每个孔径光阑224(m)、234(m)、244(m)的中心与以下两者都共线：(i)像素阵列区域218(m)的中心，和(ii)透镜270(m)的光学中心。例如，孔径光阑224(2)、234(2)、244(2)中的每一个与以下两者都共线：(i)像素阵列区域218(2)的中心，和(ii)透镜270(2)的光学中心。

图2示出由各个板区域282(m)发出、入射到透镜270(m)上并由每个孔径光阑244(m)、234(m)和224(m)透射、并且到达像素阵列区域218(m)的照射278(m)。在此，索引m表示索引0-M和1′-M′之一。当仅照射278(m)到达像素阵列区域218(m)时，可以说透镜阵列成像器200是以同构模式(isomorphic mode)操作的，这表示从板区域282(m)到像素阵列区域218(m)的照射的一对一映射，其来自相邻的像素阵列区域218(l≠m)的串扰低于预定阈值。

透镜阵列成像器200包括N个光收集器202。每个光收集器202(m)包括透镜270(m)、孔径光阑244(m)、234(m)和224(m)以及像素阵列区域218(m)。为了清楚图示，图2只标记了光收集器202(1′)。每个光收集器202在板区域282(m)处具有相应的视场281(m)。

孔径光阑阵列224A、234A和244A在横向方向上具有各自的孔径光阑节距226、236和246。随着距离222(z₁)接近零，孔径光阑节距226接近传感器区域节距216(p_x)，而随着距离222接近距离252，孔径光阑节距226接近透镜阵列节距276(d_x)。这对于孔径光阑节距236和246也同样适用。随着距离232(z₂)接近零，孔径光阑节距236接近传感器区域节距216(p_x)，而随着距离232接近距离252，孔径光阑节距236接近透镜阵列节距276(d_x)。随着距离242(z₃)接近零，孔径光阑节距246接近传感器区域节距216(p_x)，而随着距离242接近距离252，孔径光阑节距246接近透镜阵列节距276(d_x)。

孔径光阑节距226、236和246中的每一个是透镜阵列成像器200的有孔挡板层的孔径光阑节距a_x的示例。随着距离z_k接近零，孔径光阑节距a_x接近传感器区域节距p_x，并且随着距离z_k接近距离252，孔径光阑节距a_x接近透镜阵列节距d_x。在实施例中，孔径光阑节距a_x是z_k的线性函数，其范围从距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x到当距离z_k等于距离252处的节距d_x。在实施例中，线性函数a_x(z_k)等于(1-z_k/z_L)p_x+(z_k/z_L)d_x，其中z_L是距离252，p_x是传感器区域节距216，以及d_x是透镜阵列节距276。

孔径光阑阵列224A、234A和244A在横向方向上具有各自的孔径光阑宽度221、231和241。孔径光阑宽度221从当距离222(z₁)等于零处的传感器区域节距216(p_x)增加到当距离222(z₁)等于距离252处的宽度271(W_x)。这对于孔径光阑宽度231和241同样也适用。孔径光阑宽度231从当距离232(z₂)等于零处的传感器区域节距216(p_x)增加到当距离232(z₂)等于距离252处的宽度271(W_x)。孔径光阑宽度241从当距离242(z₃)等于零处的传感器区域节距216(p_x)增加到当距离242(z₃)等于距离252处的宽度271(W_x)。对于孔径光阑宽度221、231和241的这种限制的结果是孔径光阑224(m)、234(m)、244(m)合起来透射穿过透镜270(m)的在从透镜270(m)的光学中心起的由像素阵列区域218(m)所对向的角度内的一定范围的主光线角度(chief-ray angle)以及相关联的边缘光线，同时阻挡所对向的角度之外的主光线和关联的边缘光线(marginal ray)。因此，此限制使得透镜阵列成像器200能够在上述的同构模式下操作。

例如，图2图示了透射穿过孔径光阑224(M)、234(M)和244(M)的主光线角度中的由像素阵列区域218(M)所对向的对向角277(M)。最接近于像素阵列212A的孔径光阑，在此示例中为孔径光阑224(M)，其尺寸限制了所透射的主光线角度的范围，而其他孔径光阑(在此示例中的234、244)阻挡了边缘光线。被阻挡的边缘光线包括与透射穿过最接近的孔径光阑–孔径光阑224(M)的主光线相关联的边缘光线。孔径光阑224(M)、234(M)和244(M)的宽度导致像素阵列区域218(M)仅接收从板区域282(M)发出的到达透镜270(M)的光，在此限定为照射278(M)。

在实施例中，孔径光阑宽度221、231和241中的每个孔径光阑宽度小于或等于r_x+(z_k/z_L)W_x，其中z_L是距离252，r_x是传感器区域宽度211，以及W_x是透镜宽度271。例如，孔径光阑宽度221、231和241中的每一个小于或等于(z_k/z_L)W_x，这部分地使得到达像素阵列区域219的照射278的聚焦光斑尺寸小于传感器区域宽度211。这增加了透镜阵列270A对像素阵列区域218以及孔径光阑阵列224A、234A和244A的孔径的对准容忍度。在实施例中，距离222(z_k的示例)等于零，并且孔径光阑宽度221小于传感器区域宽度211，这也增加了上述对准容忍度。在实施例中，孔径光阑宽度221、231和241中的每一个不超过(z_k/z_L)W_x和由透镜270(m)在像素阵列区域218(m)处形成的衍射极限光斑尺寸中的较大者。

尽管如目前为止所讨论的，限制孔径光阑宽度221、231和241的尺寸对于使透镜阵列成像器200能够以同构模式进行操作很有价值，但是孔径光阑宽度221、231和241可能太小，例如，当(z_k/z_L)W_x小于由透镜270(m)和像素阵列区域218(m)形成的衍射极限(diffraction-limited)光斑尺寸时。在实施例中，当(z_k/z_L)W_x小于此衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑的宽度(例如，孔径光阑宽度221、231和241)可超过(z_k/z_L)W_x和/或小于或等于衍射极限光斑尺寸。当(z_k/z_L)W_x大于此衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑的宽度不超过(z_k/z_L)W_x。

每个透镜270(m)具有各自的在透镜270(m)的光学中心与像素阵列区域218(m)的中心之间的几何路径长度262(m)。例如，图2示出在透镜270(M′)的光学中心273(M′)与像素阵列区域218(M′)的中心之间的几何路径长度262(M′)。为了清楚图示，图2没有示出其他的几何路径长度262(m≠M′)。

在实施例中，几何路径长度262(m)小于透镜270(m)的焦距f_m，使得透镜270(m)被配置为将入射在其上的会聚光聚焦到像素阵列区域218(m)的中心。在这样的实施例中，在板区域282(m)至透镜270(m)之间传播的照射278(m)中的每一个都会聚，并且透镜270(m)将照射278(m)聚焦在检测平面212P上。此限制的技术益处包括(i)允许透镜阵列成像器200以同构模式操作，以及(i)允许宽度270W小于板280的宽度280W，因而有利于透镜阵列成像器200的紧凑性。

每个几何路径长度262(m)是沿着以相对于光轴272(0)的角度264(m)取向的线性路径。例如，图2示出角度264(M′)。为了清楚图示，图2没有示出其他角度264(m≠M′)。将角度264(m)示为θ_m，则角度264(m)满足tanθ_m＝(m/z_L)(d_x-p_x)。角度264中的最大角度是角度264(M)和264(M′)，所述角度在实施例中都在二十五度和三十五度之间。角度θ_m相对于零度的偏离是在横向方向上在透镜270(m)与透镜270(0)之间的距离的递增函数。在角度{θ₀,θ₁,…,θ_N-1}之中，角度θ₀最接近零度。

图3是透镜阵列成像器200的一部分的示意性截面图，包括像素阵列区域218(0-2)、透镜270(0-2)和板区域282(0-2)。每个透镜270(m)具有相对于透镜270(0)的近边缘372(m)和远边缘373(m)。在实施例中，透镜270(m)的焦距f_m和透镜270(m+1)的焦距f_m+1被配置为满足以下两个条件。第一，从像素阵列区域218(m)的中心朝向远边缘373(m)传播的第一光线313(m)以相对于光轴272(0)的传播角374(m)从透镜270(m)出射。第二，从像素阵列区域218(m+1)的中心朝向透镜270(m+1)的近边缘传播的光线312(m+1)以传播角374(m)从透镜270(m+1)出射。相邻透镜270的焦距的这种配置导致透镜阵列成像器200以同构模式操作。

例如，图3示出了透镜270(1)的近边缘372(1)和远边缘373(1)，以及透镜270(2)的近边缘372(2)和远边缘373(2)。图3示出了光线313(1)和312(2)。光线313(1)从像素阵列区域218(1)的中心朝向透镜270(1)的远边缘373(1)传播，并作为如光线379(1)的光线从透镜270(1)出射，该光线379(1)以相对于光轴272(0)的角度374(1)传播。光线312(2)从像素阵列区域218(2)的中心朝向透镜270(2)的近边缘372(2)传播。在实施例中，光线312(2)作为光线377(2)从透镜270(2)出射，光线377(2)以相对于光轴272(0)的角度374(1)传播。更一般来讲，在实施例中，光线379(m)和377(m+1)沿相同方向传播。

在实施例中，焦距f_m是角度264(m)的递增函数。将几何路径长度262(m)示为g_m，则cosθ_m＝z_L/g_m。随着角度264(m)增加，几何路径长度262(m)也增加。为了补偿几何路径长度的此增加，焦距f_m也增加，以将透镜阵列成像器200的操作保持在同构模式。例如，焦距f_m作为角度264(m)的函数而增加，以确保光线379(m)和377(m+1)沿相同方向传播，这最小化或减小了相邻光收集器202(m)和202(m±1)的相邻视场281(m)和281(m±1)之间的间隙的宽度。例如，图3示出视场281(1)和281(2)之间的间隙383。焦距f_m是角度264(m)的递增函数的益处是保持间隙383较小，使得指垫102的指纹能够被充分成像。

在实施例中，光收集器202在横向平面中以二维阵列布置。图4是在各个板区域482(m_x,m_y)处分别具有视场481(m_x,m_y)的板480的平面图，其中m_x和m_y中的每一个是在-2和+2之间的整数。板480、视场481和板区域482分别是图2的透镜阵列成像器200的板280、视场281和板区域282的相应示例。每个视场481(m_x,m_y)是透镜阵列成像器200的实施例的相应的光收集器202(m_x,m_y)的视场。在图4的示例中，视场481是圆形的，并且相邻视场481是邻接的，使得沿着方向298X和298Y的任一个，在相邻视场481的中心之间都没有间隙。

在实施例中，每个焦距f_m是相等的，这具有低成本制造的益处以及非均匀视场的代价。在第一均匀焦距实施例中，焦距f₀大于距离252(g₀<f₀)，并且所有其他焦距f_m＝f₀。在这样的实施例中，由于几何路径长度g_m是m的递增函数，因此对于超过阈值m₁的索引m的值，几何路径长度262(m)超过焦距f_m。对于索引(m₁-1)，几何路径长度262(m₁-1)小于或等于焦距f_m-1。

图5是板580以及在各个板区域582(m_x,m_y)处的视场581(m_x,m_y)的平面图，其中m_x和m_y中的每一个是在-2和+2之间的整数。板580、视场581和板区域582分别是在第一均匀焦距实施例中，图2的透镜阵列成像器200的板280、视场281和板区域282的相应示例。在此实施例中，与光收集器相关联的视场581(m_x,m_y)作为该光收集器与在(m_x,m_y)＝(0，0)处的光收集器相距的距离的函数而减小。尽管相邻的视场481是邻接的(图4)，但是在实施例中，相邻的视场581是不邻接的，这导致它们之间的间隙更大，并因此导致指垫102的更加稀疏的采样图像。

在实施例中，视场581(0，0)被增大，使得其与相邻于视场581(0，0)的八个视场581中的至少一个相切或重叠，这以串扰为代价增加了所检测的照射。增大视场581(0，0)的一种手段是通过与其他透镜270的通用焦距相比增加透镜270(0，0)的焦距而偏离于均匀焦距实施例。第二种手段是在减小透镜270(0，0)与检测平面212P之间的距离以使得使得透镜270(0，0)不再与其他透镜270共面的同时，保持均匀焦距。

图6是透镜阵列成像器600的示意性截面图，透镜阵列成像器600是其中有孔挡板层220、230和240被单个单体挡板层620代替的透镜阵列成像器200。单体挡板层620可以被视为多个邻接的有孔挡板层621(1-N_L)，其中N_L是正整数。在图6的示例中，N_L＝16。在实施例中，单体挡板层620是通过加性工艺(additive process)形成的，诸如有孔挡板层621(1-N_L)的逐层沉积。单体挡板层620的各分立层可以是不可区分的。每个有孔挡板层621是透镜阵列成像器200的有孔挡板层的示例。在方向298Z上，每对紧邻的有孔挡板层621之间的距离为零。在实施例中，单体挡板层620是通过减性工艺(subtractive process)形成的，并且单体挡板层620的每个层指的是在其中的相应的深度范围。

特征的组合

上面描述的特征和下面要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离本发明的范围。以下列举的示例说明了一些可能的非限制性组合：

(A1)一种透镜阵列成像器包括多个透镜L_m＝0,L₁,…,L_N-1，包括形成包括多个像素阵列区域R_m＝0,R₁,…,R_N-1的像素阵列的多个像素的图像传感器，以及在图像传感器和透镜阵列之间的多个有孔挡板层。多个透镜中的每个透镜具有宽度W_x，并且形成在与透镜L₀的光轴正交的横向方向上的透镜节距d_x的透镜阵列，透镜L₀的光轴限定纵向方向。多个像素阵列区域R_m＝0,R₁,…,R_N-1中的每一个具有在横向方向上均小于透镜节距d_x的传感器区域宽度r_x和传感器区域节距p_x。多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层分别位于距所述像素阵列的相应距离z_k处，并且分别具有形成孔径光阑阵列的相应多个孔径光阑A_m＝0,A₁,…,A_N-1。每个孔径光阑A_m的中心与以下两者都共线：(i)像素阵列区域R_m的中心，以及(ii)透镜L_m的光学中心。所述孔径光阑阵列具有在横向方向上的孔径光阑节距a_x，随着距离z_k接近零，所述孔径光阑节距a_x接近传感器区域节距p_x，并且随着距离z_k接近沿纵向方向在透镜L₀和像素阵列区域R₀之间的距离z_L，所述孔径光阑节距a_x接近透镜节距d_x。每个孔径光阑A_m的宽度具有上限，所述上限从当距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x增加到当距离z_k等于距离z_L处的W_x，使得孔径光阑A_m合起来透射穿过透镜L_m的在从透镜L_m的光学中心起的由像素阵列区域R_m所对向的角度内的一定范围的主光线角度以及相关联的边缘光线，同时阻挡在所述所对向的角度之外的主光线和关联的边缘光线。

(A2)在透镜阵列成像器(A1)中，孔径光阑节距a_x可以是z_k的线性函数，其范围从距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x到当距离z_k等于距离z_L处的透镜节距d_x。

(A3)在透镜阵列成像器(A2)中，线性函数可以为(1-z_k/z_L)p_x+(z_k/z_L)d_x。

(A4)在根据(A1)-(A3)中的任一项的透镜阵列成像器中，多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度可以不超过r_x+(z_k/z_L)W_x。

(A5)在根据(A1)至(A4)中的任一项的透镜阵列成像器中，多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度可以不超过(z_k/z_L)W_x。

(A6)在根据(A1)–(A5)中任一项的透镜阵列成像器中，多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度可以不超过(z_k/z_L)W_x和由透镜L_m在像素阵列区域R_m处形成的衍射极限光斑尺寸中的较大者。

(A7)在根据(A1)至(A6)中任一项的透镜阵列成像器中，当(z_k/z_L)W_x大于由透镜L_m在像素阵列区域R_m处形成的衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑A_m的宽度可以不超过(z_k/z_L)W_x。当(z_k/z_L)W_x小于所述衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑A_m的宽度可以不超过所述衍射极限光斑尺寸。

(A8)在根据(A1)-(A7)中的任何一个的透镜阵列成像器中，对于每个透镜L_m，透镜L_m的光学中心与像素阵列区域R_m的中心之间的几何路径长度可以小于透镜L_m的焦距f_m，使得透镜L_m被配置为将入射在其上的会聚光聚焦到所述像素阵列区域R_m的中心。

(A9)在透镜阵列成像器(A8)中，其中透镜L_m具有相对于透镜L₀的远边缘，透镜L_m+1具有相对于透镜L₀并且与所述远边缘相邻的近边缘，并且透镜L_m的焦距f_m和透镜L_m+1的焦距f_m+1可以被配置为使得：从像素阵列区域R_m的中心朝向透镜L_m的所述远边缘传播的第一光线以相对于纵向方向的第一传播角从透镜L_m出射；以及从像素阵列区域R_m+1的中心朝向透镜L_m+1的所述近边缘传播的第二光线以所述第一传播角从透镜L_m+1出射。

(A10)在根据(A8)和(A9)中任一项的透镜阵列成像器中，几何路径长度沿着几何路径方向，所述焦距f_m可以是所述几何路径方向与纵向方向之间的角度θ_m的递增函数，所述几何路径方向在横向方向和纵向方向的平面中。

(A11)在透镜阵列成像器(A10)中，角度θ_m相对于零度的偏离可以是在横向方向上在透镜L_m与透镜L₀之间的距离的递增函数；以及在角度{θ₀,θ₁,…,θ_N-1}之中，角度θ₀可以最接近零度。

(A12)在根据(A10)或(A11)中的任一项的透镜阵列成像器中，透镜阵列可以在垂直于纵向方向的透镜阵列平面中，所述像素阵列可以在像素阵列平面中，角度θ_m可以满足tanθ_m＝(m/z_L)(d_x-p_x)。

(A13)在透镜阵列成像器(A8)中，焦距f₁,…,f_N-1中的每个焦距可以等于焦距f₀。

(A14)在根据(A1)-(A12)中任一项的透镜阵列成像器中，透镜阵列可以在垂直于纵向方向的透镜阵列平面中，像素阵列可以在像素阵列平面中。

(A15)在根据(A1)-(A14)中任一项的透镜阵列成像器中，多个有孔挡板层可以包括四个有孔挡板层。

(A16)在根据(A1)-(A15)中任一项的透镜阵列成像器中，在所述多个孔径光阑中的相邻孔径光阑之间，所述多个孔径挡板层中的每个有孔挡板层对于可见电磁辐射可以是不透明的。

(A17)在根据(A1)-(A16)中任一项的透镜阵列成像器中，多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层可以具有前表面、后表面以及在所述前表面和所述后表面之间的多个中间表面，每个形成所述有孔挡板层的多个孔径光阑中的相应一个。

(A18)在根据(A1)-(A17)中任一项的透镜阵列成像器中，多个有孔挡板层中的每对紧邻的有孔挡板层之间的距离在纵向方向上可以等于零。

(A19)在透镜阵列成像器(A18)中，多个有孔挡板层可以形成单体挡板层。

在不脱离本实施例的范围的情况下，可以对以上方法和系统进行改变。因此应注意，以上描述中包含的或附图中所示的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。在本文中，除非另外指出，否则短语“在实施例中”等同于短语“在某些实施例中”，并且不表示所有实施例。所附权利要求书旨在覆盖本文所述的所有一般和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。

Claims (19)

1.一种透镜阵列成像器，包括：

多个透镜L_m＝0,L₁,…,L_N-1，每个透镜具有宽度W_x，并且形成具有在与透镜L₀的光轴正交的横向方向上的透镜节距d_x的透镜阵列，透镜L₀的光轴限定纵向方向；

图像传感器，包括形成像素阵列的多个像素，所述像素阵列包括具有传感器区域宽度r_x和传感器区域节距p_x的多个像素阵列区域R_m＝0,R₁,…,R_N-1，所述传感器区域宽度r_x和所述传感器区域节距p_x在横向方向上均小于透镜节距d_x；以及

在所述图像传感器和所述透镜阵列之间的多个有孔挡板层，所述多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层分别位于距所述像素阵列的相应距离z_k处，并且分别具有形成孔径光阑阵列的相应多个孔径光阑A_m＝0,A₁,…,A_N-1，

每个孔径光阑A_m的中心与以下两者都共线：(i)像素阵列区域R_m的中心，以及(ii)透镜L_m的光学中心，

所述孔径光阑阵列具有在横向方向上的孔径光阑节距a_x，随着距离z_k接近零，所述孔径光阑节距a_x接近传感器区域节距p_x，并且随着距离z_k接近沿纵向方向在透镜L₀和像素阵列区域R₀之间的距离z_L，所述孔径光阑节距a_x接近透镜节距d_x，

每个孔径光阑A_m的宽度具有上限，所述上限从当距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x增加到当距离z_k等于距离z_L处的W_x，使得孔径光阑A_m合起来透射穿过透镜L_m的在从透镜L_m的光学中心起的由像素阵列区域R_m所对向的角度内的一定范围的主光线角度以及相关联的边缘光线，同时阻挡在所述所对向的角度之外的主光线和关联的边缘光线。

2.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述孔径光阑节距a_x是z_k的线性函数，其范围从距离z_k等于零处的传感器区域节距p_x到当距离z_k等于距离z_L处的透镜节距d_x。

3.根据权利要求2所述的透镜阵列成像器，其中所述线性函数为(1-z_k/z_L)p_x+(z_k/z_L)d_x。

4.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度不超过r_x+(z_k/z_L)W_x。

5.根据权利要求4所述的透镜阵列成像器，其中所述多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度不超过(z_k/z_L)W_x。

6.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述多个孔径光阑中的每个孔径光阑的宽度不超过(z_k/z_L)W_x和由透镜L_m在像素阵列区域R_m处形成的衍射极限光斑尺寸中的较大者。

7.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中

当(z_k/z_L)W_x大于由透镜L_m在像素阵列区域R_m处形成的衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑A_m的宽度不超过(z_k/z_L)W_x；以及

当(z_k/z_L)W_x小于所述衍射极限光斑尺寸时，每个孔径光阑A_m的宽度不超过所述衍射极限光斑尺寸。

8.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中对于每个透镜L_m，透镜L_m的光学中心与像素阵列区域R_m的中心之间的几何路径长度小于透镜L_m的焦距f_m，使得透镜L_m被配置为将入射在其上的会聚光聚焦到所述像素阵列区域R_m的中心。

9.根据权利要求8所述的透镜阵列成像器，其中透镜L_m具有相对于透镜L₀的远边缘，透镜L_m+1具有相对于透镜L₀并且与所述远边缘相邻的近边缘，并且透镜L_m的焦距f_m和透镜L_m+1的焦距f_m+1被配置为使得：

从像素阵列区域R_m的中心朝向透镜L_m的所述远边缘传播的第一光线以相对于纵向方向的第一传播角从透镜L_m出射；以及

从像素阵列区域R_m+1的中心朝向透镜L_m+1的所述近边缘传播的第二光线以所述第一传播角从透镜L_m+1出射。

10.根据权利要求8所述的透镜阵列成像器，其中所述几何路径长度沿着几何路径方向，所述焦距f_m是所述几何路径方向与纵向方向之间的角度θ_m的递增函数，所述几何路径方向在横向方向和纵向方向的平面中。

11.根据权利要求10所述的透镜阵列成像器，其中

角度θ_m相对于零度的偏离是在横向方向上在透镜L_m与透镜L₀之间的距离的递增函数；以及

在角度{θ₀,θ₁,…,θ_N-1}之中，角度θ₀最接近零度。

12.根据权利要求10所述的透镜阵列成像器，其中所述透镜阵列在垂直于纵向方向的透镜阵列平面中，所述像素阵列在像素阵列平面中，角度θ_m满足

tanθ_m＝(m/z_L)(d_x-p_x)。

13.根据权利要求8所述的透镜阵列成像器，其中焦距f₁,…,f_N-1中的每个焦距等于焦距f₀。

14.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述透镜阵列在垂直于纵向方向的透镜阵列平面中，所述像素阵列在像素阵列平面中。

15.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述多个有孔挡板层包括四个有孔挡板层。

16.如权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中在所述多个孔径光阑中的相邻孔径光阑之间，所述多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层对于可见电磁辐射是不透明的。

17.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述多个有孔挡板层中的每个有孔挡板层具有前表面、后表面以及在所述前表面和所述后表面之间的多个中间表面，每个形成所述有孔挡板层的多个孔径光阑中的相应一个。

18.根据权利要求1所述的透镜阵列成像器，其中所述多个有孔挡板层中的每对紧邻的有孔挡板层之间的距离在纵向方向上为零。

19.根据权利要求18所述的透镜阵列成像器，其中所述多个有孔挡板层形成单体挡板层。