TW201211669A - Optical device and method for designing thereof - Google Patents

Description

201211669 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種用於減少影像錯誤的光學裝 置，‘特別是有關於一種增加景深（depth of field )的光學裝 置及其製造方法。 【先前技術】 光學影像技術發展長久以來的目標就是改善光學影 像系統而得到沒有因光學影像系統的光學裝置所引起的錯 誤或失真的影像。因光學裝置所引起的錯誤或失真包括透 鏡像差（aberration )，例如非旋轉對稱像差（如，慧形（coma ) 或像散（astigmatism)像差）及旋轉對稱像差（如，球面 像差），以及由於物體處於離開最佳聚焦位置所引起的失 焦（misfocus )錯誤。 減少上述因光學裝置所引起的影像錯誤或失真的一 方法為增加透鏡的光圈值（F-number )(其為焦距與有效 光圈直徑的比率）。然而，增加透鏡的光圈值會降低光學 影像矽統的光學效率。減少上述因光學裝置所引起的影像 錯誤或失真的另一方法為增加光學影像系統的景深。一般 來說，複雜的透鏡系統能夠大幅增加延伸景深，但是卻非 常的昂貴。因此，有必要提供一種簡單的光學影像系統， 其僅具有單一或少許透鏡卻仍能延伸景深。 美國專利第5,748,371揭示一種延伸景深（extended depth of field )光學系統，其使用特定相位遮罩（phase mask)，位於影像系統中至少一主面（principal plane )。 0978-A3447ITWF 2009-019 4 201211669 上述相位遮罩的設計使得光學轉換函數（optical transfer function, OTF )在對焦的範圍内幾乎維持不變。然而，由 於相位遮罩需具有高精度的非旋轉表面，其製做相當困 難。也就是說，具有複雜輪廓的相彳i遮罩會增加製造錯誤， 而造成後續影像復原製程失效，因而相機模組的製造成本。 因此，有必要尋求一種新的增加景深的光學裝置，其 能夠減輕上述的問題。 【發明内容】 根據本發明一實施例之一種光學裝置之設計方法，其 中光學裝置包括一透鏡及一微透鏡陣列，上述方法包括： 規劃出透鏡的一點擴散函數，其包括複數個旋轉對稱像差 係數，其中點擴散函數呈現出各種不同球形點尺寸；提供 具有複數個相位係數的一虛擬相位遮罩且將相位係數加入 於透鏡的點擴散函數，以將球形點尺寸均一化；將虛擬相 位遮罩轉換為一多項函數，其包括複數個高階像差係數及 複數個低階像差係數；根據旋轉對稱像差係數及低階像差 係數來決定透鏡的一表面輪廓；以及根據高階像差係數來 決定微透鏡陣列中每一微透鏡的一球高。 根據本發明另一實施例之一種光學裝置，包括：一影 像感測裝置，包括位於其上的一微透鏡陣列；以及一透鏡 模組，包括一透鏡，設置於影像感測裝置上方；其中透鏡 具有根據複數個旋轉對稱像差係數及複數個低階像差係數 來決定的一表面輪廓，且其中微透鏡陣列中每一微透鏡具 有根據複數個高階像差係數來決定的一球高。 0978-A34471TWF 2009-019 5 201211669 【實施方式】 以下說明本發明之實施例。此說明之目的在於提供本 發明的總體概念而並非用以侷限本發明的範圍。本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 第1圖係繪示出根據本發明一實施例之光學裝置 100。在本實施例中，光學裝置1 〇〇，例如數位相機，可包 括一影像感測裝置102及一透鏡模組106，其由至少一透 鏡106a所構成且設置於影像感測裝置1〇2上方。影像感測 裝置102上具有一微透鏡陣列1〇4對應於内部的晝素陣列 (未繪示）。也就是說’微透鏡陣列104内每一微透鏡1 〇4a 對應於晝素陣列内的每一影像感測器。影像感測裝置1〇2 可為電荷輕合裝置（charge-coupled device, CCD)或互補 式金屬氧化半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS)影像感測裝置。透鏡模組i〇6内的 透鏡106a將由一物體10所形成的影像透過微透鏡陣列1〇4 而聚焦於影像感測裝置102上。也就是說，物體]〇面向透 鏡模組106的表面20係作為光學裝置1〇〇的物面，且影像 感測裝置102面向透鏡模組106的表面30係作為影像聚焦 面。 在本實施例中，為了在後續影像復原製程中修正由透 鏡模組106所形成的動態模糊（motion blurred )影像，光 學裝置100的設計是將不同聚焦面及景域（field)中透鏡 模組106的點擴散函數（point spread function, PSF)變異 最小化，以延伸光學裝置100的景深。此處，點擴散函數 0978-A34471 TWF_2009-019 201211669 /!?F)是在空間域（spatia】d〇main)中光學裝置】00的衝 擊響應（impulse response)。也就是說，來自光學裝置 的影像構成了在暗黑背景的一亮點。以下將詳細說明上述 設計。 第2圖係緣示出根據本發明一實施例之光學裝置設計 方法流程圖。需注意的是以下所述的方法是關於第^的 光丁衣置100，然而本發明的方法也可實施於其他光舆穿 践系統。進行步驟S1G’首先，規劃出為光學裝置:設 計的透鏡或it鏡組的點缝函數，㈣得最佳化透鏡設 本實施例中，最佳化透鏡設計表示所規劃出的透鏡 t透鏡組的點擴散函數包括旋轉對稱像差係數以及殘餘的 象差係數，使得所規劃出的透鏡或透鏡組的點 尺的景域及聚焦點中呈現各種不同的球形點 轉對稱像像差係數通常由球面像差所產生，而非旋 慧形像差及像散像差所產生。因此， 右不將非㈣對稱像差絲最小化 稱:差係數，則點擴散函數無法呈現出 :見將:擴散函數中的非旋轉對稱像差係數最小化貫 传由規劃出的點擴散函教 1之 對稱像差球形點絕大部分由旋轉 像差係數（即，球面像差）所造成。 進行步驟S20 ,產生具有相位传 的一虛擬相位遮罩，用以修P ffkient) 擴散函數。在本實施例中^ W的透鏡或透鏡組的點 遮罩並將相位係數加入於透相位係數的虛擬相位 得規割出的'，兄或透鏡組的點擴散函數，使 擴放函數所呈現出各種不同球形點尺寸能均 0978-A34471TWF_2009-0i9 201211669 一化（h〇mogenized)❶在本實施例中，虛擬相位遮罩係作 為-虛擬相位共軛透鏡，其能夠㈣將透鏡或透鏡組引起 的球面像差最小化。 ，行步驟S3G，將虛擬相位遮罩轉換為多項函數，其 包括高階及低階像差健。舉例來說，將虛擬相位遮罩轉 換為查退克（Zernike)多項式。在查淫克多項式中，可根 據查淫克係數而將光學像差量化。在本實施财，將虛擬 相位遮罩巾純储_換的㈣克储分解成高階及低 階像差係數。 進行步驟S40,產生-光學裝置的設計，該設計包括 透鏡模組中的透鏡或透鏡組、影像感測裝置上的微透鏡以 =擬相位共輛透鏡。舉例來說，根據規劃出的點擴散函 ，中疑轉對稱像差係數以及低階像差係數來決定透鏡模植 中透鏡的表面輪廓。再者，根據高階像 ，陣列中每-微透鏡的球高（sagheight)。在另4 = 中，也可根據規劃出的點擴散函數中殘餘非旋轉對稱像差 ，數以及㈣像差錄來衫微透鏡陣列中每—微透鏡的 :同。在本實施例中，具有特定㈣的透鏡表面可面向一 ::聚::實施例中’具有特定㈣的透鏡表面可面向- 光广根據第2圖所示的設計方法來製造 使一虛擬相位共麵透鏡⑽形成於物面20 面=产m面30之間。在一實施例中’使透鏡1G6a的表 面輪廓105形成具有旋轉對稱的輪廢，其由_出的 散函數令旋轉對稱像差係數以及低階像差係數所決定:而 0978-A34471 TWF_2009-0 ] 9 8 201211669 具有旋轉對稱輪廓的表面105面向光學裝置30的影像聚焦 面30 〇 再者，微透鏡陣列104中每一微透鏡104具有一球高 S，其由高階像差係數來決定或由規劃出的點擴散函數申殘 餘非旋轉對稱像差係數以及高階像差係數來決定，使得微 透鏡陣列104的表面103形成具有非旋轉對稱的輪廓。也 就是說，位於微透鏡陣列104的中心軸的對稱位置上的微 透鏡104a具有不同的球高。特別的是具有經過設計的表面 輪廓105的透鏡106a可透過習知製造技術而形成。再者， 具有經過設計的表面輪廓103 (具有非旋轉對稱輪廓）的 微透鏡陣列104可透過習知微影製程而形成。在另一實施 例中，透鏡l〇6a的表面輪廓107可取代表面輪廓105而型 成具有旋轉對稱輪摩，使得具有旋轉對稱輪廓的表面面向 物面20。經過設計的透鏡106a的表面輪廓105或107以 及經過設計的微透鏡陣列104的表面輪廓103構成了位於 物面20與影像聚焦面30之間的虛擬相位共軛透鏡108。 根據上述實施例，由於虛擬相位共軛透鏡加入於光學 裝置中，因此可使不同景域及聚焦面中點擴散焊數的變異 最小化，而可延伸光學裝至的景深，進而減少由光學裝置 本身引起的影像錯誤及失真。再者，由於不需要實際的相 位遮罩來延伸光學裝置的景深，因此可降低製造成本以及 簡化製程步驟。另外，由於虛擬相位共輛透鏡中透鏡的設 計具有旋轉對稱表面輪靡，透鏡模組的製造得以簡化，因 而可減少因製造錯誤而造成後續影像復原製程的失效。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 0978-A34471TWP 2009-019 9 201211669 限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 脫離本發明之精神和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示出根據本發明一實施例之光學裝置剖面 示意圖。 第2圖係繪示出根據本發明一實施例之光學裝置設計 方法流程圖。 【主要元件符號說明】 10〜物體； 20〜表面/物面； 30〜表面/影像聚焦面； 100〜光學裝置； 102〜影像感測裝置； 104〜微透鏡陣列； 104&~微透鏡； 105、107〜表面輪廓； 106〜透鏡模組； 106a〜透鏡； 108〜虛擬相位共軛透鏡； S〜球南， S10、S20、S30、S40-步驟。 0978-A34471TWF 2009-019 10

Claims (1)

1. 201211669 七、申請專利範圍： 1. 一種光學裝置之設計方法，其中該光學裝置包括— 透鏡及一微透鏡陣列，該方法包括： ^規劃出該透鏡的一點擴散函數，其包括複數個旋轉對 稱像差係數，其中該點擴散函數呈現出各種不同球形點 寸； 一 ^ 提供具有複數個相位係數的一虛擬相位遮罩且將該 等相位係數加人於該透鏡的脑擴散函數，以將該等球形 點尺寸均一化； 一將該虛擬相位遮罩轉換為一多項函數，其包括複數個 高階像差係數及複數個低階像差係數； 根據該等旋轉對稱像差係數及該等低階像差係數來 決定該透鏡的一表面輪廓；以及 、 根據該等高階像差係數來決定該微透鏡陣列中每一 微透鏡的一球高。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之光學裝置之設計方 法’其中該多項函數為查淫克多項式。 3. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置之設計方 法，其中該規劃出的該點擴散函數更包括複數個殘餘的非 旋轉對稱像差係數，且根據該等高階像差係數以及該等殘 餘的非旋轉對稱像差係數來決定該微透鏡陣列中每一微透 鏡的該球高。 4. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置之設計方 法其中該透鏡的該表面面向一影像聚焦面或~物面。 —種光學裝置’包持： 0978-A34471 TWF_2009-019 ,, 201211669 〜微透鏡陣列； 一影像感測震置，包括位於其上的〜

   。又置於该影像感測裝置 稱像差係數及複 其中該透鏡具有根據複數個旋轉對 數個低階像差係數來決定的一表面輪廓； 微透鏡具有根據複數個高 其中該微透鏡陣列中每一微透鏡 階像差係數來決定的一球高。 6.如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中透尚 規劃出該透鏡的-賴散函數來得到料輯對稱像差= 數，其中該點擴散函數呈現出各種不同球形點尺寸。 7·如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中透過 下列步驟來得到該等高階及低階像差係數： k供具有複數個相位係數的一虛擬相位遮罩且將該 等相位係數加入於該透鏡的該點擴散函數，以將該等球形 點尺寸均一化；以及 將该虛擬相位遮罩轉換為一多項函數，其包括該等高 階像差係數及該等低階像差係數。 8. 如申請專利範圍第7項所述之光學裝置，其中該多 項函數為查涅克多項式。 9. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該規 劃出的該點擴散函數更包括複數個殘餘的非旋轉對稱像差 係數，且該微透鏡陣列中每一微透鏡的該球高是根據該等 向階像差係數以及該等殘餘的非旋轉對稱像差係數來決 定。 0978-A34471TWF_2009-019 12 201211669 10.如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中該透 鏡的該表面輪摩形成具有一旋轉對稱輪廟或一非旋轉對稱 輪廓，且該透鏡的該表面面向該光學裝置的一影像聚焦或 一物面。 0978-A34471TWF 2009-019 13