TWI495337B - 多區域成像系統 - Google Patents

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TWI495337B
TWI495337B TW097129555A TW97129555A TWI495337B TW I495337 B TWI495337 B TW I495337B TW 097129555 A TW097129555 A TW 097129555A TW 97129555 A TW97129555 A TW 97129555A TW I495337 B TWI495337 B TW I495337B
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Inga Tamayo
Dennis W Dobbs
Satoru Tachihara
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Description

多區域成像系統
本申請案主張2007年8月4日所申請之標題為「MULTI－REGION IMAGING SYSTEMS AND ASSOCIATED METHODS」的美國臨時專利申請案第60/953,998號以及2008年5月28日所申請之標題為「MULTI－REGION IMAGING SYSTEMS」的美國臨時專利申請案第61/056，730號之優先權。上述專利申請案全部以引用方式全文併入。
傳統成像系統通常係經設計使得物體空間之一狹窄區域上之最終影像品質係高；例如，位於物體共軛距離之狹窄範圍上之物體可以藉由傳統成像系統來成像以形成一對準焦點之影像。物體空間之此狹窄區域之深度係由系統之景深決定。更近的成像系統可以採用允許增加之景深(與古典系統相比)的非傳統成像設計與技術。例如，1998年5月5日所發佈之標題為「EXTENDED DEPTH OF FIELD OPTICAL SYSTEMS」的美國專利第5,746,371號揭示經組態用以提供增加之景深的成像系統。
一種成像系統包括用於形成一光學影像之光學器件，該等光學器件提供該光學影像中以一第一最好焦點範圍為特徵的一第一區域及該光學影像中以一第二最好焦點範圍為特徵的一第二區域。該等第一與第二範圍對應於不連續的物距範圍。一感測器陣列將該光學影像轉換為一資料流， 且一數位信號處理器處理該資料流以產生一最終影像。
一種包括成像光學器件與一感測器陣列之一成像系統中的改良包括一在該成像系統內且與入射於該感測器陣列上之電磁能之至少一部分交叉的光學元件。該光學元件與該等成像光學器件及該感測器陣列配合以由該電磁能形成一第一影像部分及一第二影像部分。該第一影像部分係在一第一共軛距離範圍上對準焦點且該第二影像部分係在一第二共軛距離範圍上對準焦點。該兩個共軛距離範圍係分離至少40 cm。
一種利用成像光學器件與一感測器陣列之一成像方法中的改良包括組態該等成像光學器件使得透過該等成像光學器件所透射且入射於該感測器陣列上之電磁能形成一影像，該影像係針對該影像之兩個個別部分在至少兩個共軛距離範圍上對準焦點。該兩個共軛距離範圍係分離至少40 cｍ。
雖然可以使用不同技術增加成像系統之景深，但可能存在某些限制。例如，共軛距離範圍上之一特定空間頻率處的調變轉移函數(「MTF」)(亦稱為「離焦MTF」)之高度係與藉由成像系統可實現之影像品質相關的一量。(應注意，遍及此申請案術語「共軛距離」意指物體共軛距離之意義。)對於一給定申請案，成像系統之設計者不可以任意設定離焦MTF之高度，因為MTF在一特定共軛距離處之最大值係由受繞射限制MTF決定。雖然傳統成像系統之離 焦MTF曲線一般在一特定共軛距離處包括一峰值且遠離該峰值下降至接近零，但已延伸景深之成像系統的離焦MTF曲線可以在共軛距離範圍上具有非零值。已延伸景深之成像系統中，離焦MTF之高度(及/或成像系統之聚光能力)也可相對於受繞射限制系統的離焦MTF之高度(及/或成像系統之聚光能力)而下降。
理解上述離焦MTF隨增加之景深而下降的一數學方法係針對一給定孔徑考量一般單色出射光瞳相位函數P(x)，其中：|P (x )|＝1在孔徑內， 等式(1)及P (x )＝0 等式(2)在孔徑外。
一特定空間頻率之離焦MTF可以藉由以下等式給出：離焦MTF (ω )＝|傅立葉變換(P (x －a )P (x ＋a )＊ )|， 等式(3) 其中a係與該特定空間頻率ω相關的常數且＊ 表示複數共軛。由巴色伐定理(Parseval's theorem)熟知藉由傅立葉變換(Fourier Transform)而相關的兩個信號之平方量值之和係相等的。換言之，對於一特定空間頻率ω，對於滿足以上定義之所有成像系統平方離焦MTF值之和係相等的。因此，Σ離焦MTF (ω )2 ＝常數 等式(4)對於所有P(x)。
以上數學描述之結果係物體或影像空間中之一範圍上 (例如，一共軛距離範圍上)的離焦MTF之高度受限制。即，增加物體空間中清楚成像之範圍導致MTF之高度的降低。在模糊函數之背景中，此相同概念也稱為「模糊守恆」。
為了克服上述限制及滿足高級應用之需要，本文揭示多區域成像系統之各種具體實施例。依據一具體實施例，一種多區域成像系統係一單一孔徑成像系統，其係經組態用於在一單一曝光中在兩個或更多空間區域處(例如，在共軛距離、影像區域或兩者中)提供良好成像性能。該多區域成像系統可以實施為具有(例如)一單色出射光瞳、一多色出射光瞳、一極化相依出射光瞳或極化相依影像平面、或其組合。該多區域成像系統也可與一處理器連接以用於執行形成一人可觀看影像、將已捕獲影像資料發送至另一位置、及處理該等已捕獲影像資料以執行一任務的一或多個。此類處理器可以利用形成該兩個或更多空間區域之光學器件的資訊來處理各區域以便提供各區域之一清楚影像。
存在成像系統之各種應用，其中良好低光性能與大物距範圍上之清楚成像係所需要的。解說行動電話相機之所需成像特徵之圖1中顯示一範例。圖1顯示方案10，其中為在近場成像(例如使條碼30成像)以及遠場成像(例如使公尺或更遠距離處之肖像主體40成像)中提供良好性能可能需要行動電話相機20。即，需要獲得從無窮遠至肖像距離之物體的清晰成像以及用於讀取與解碼近物體(例如條碼與 名片)之極近成像(離相機約10至12 cm)。此外，此一行動電話相機中之良好低光成像性能可以藉由使用強光透鏡(例如F/2.0)來實現。強光透鏡之使用一般轉換為結合清楚無窮遠成像的減小之景深及增加之近焦距離。明確言之，將透鏡之速度增加至F/2及更快可能遠離近焦所需距離移動近焦共軛距離，或不可接受地降低影像品質。本文之具體實施例幫助緩和影像品質之此類降低以及其他問題。
需要良好低光性能及大物距範圍上之清楚成像之應用的另一範例係在汽車成像系統中，例如圖2所解說之汽車成像系統。圖2顯示方案50，其中汽車60接近一街道標誌70。汽車60可以包括一用於捕獲汽車外部之物體之影像的相機75。相機75可以用在前視成像系統中用於物體辨識(例如)以辨識街道標誌、行人及巷道分界線。相機75可以進一步與處理器80連接，處理器80可以在相機75所捕獲之影像上執行諸如物體辨識之功能。雖然人可觀看影像並非物體辨識始終必需的，但對於遠離相機75之物體(例如，位於無窮遠處之物體)有時可能需要捕獲資訊以用於(例如)以任務為基礎之影像捕獲與處理應用中。此外，在某些情況下可能需要成像系統能夠在近場距離處(例如汽車60之擋風玻璃85)直接成像；例如，近場成像可以整合於雨感測器之啟動中及/或在擋風玻璃85髒時警告司機。處理器80可以進一步與汽車60之中央電腦90連接以便對所偵測的觸發(例如下雨情況下擋風玻璃雨刷之啟動)作出反應而藉 由汽車60實現某些動作。由於汽車設計約束，在某些汽車中從相機75至擋風玻璃85之距離可以小至5 cm。如同圖1之行動電話應用，在相機75中使用強光透鏡可以改善低光性能，儘管近焦共軛距離可能因此而增加。
圖3顯示一範例性多區域成像系統之範例性方塊圖。多區域成像系統300包括多區域光學器件310、一感測器320及一處理器325。多區域光學器件310可以包括(例如)用於在一影像中將近物體330與遠物體335兩者成像於感測器320上之專門光學器件。感測器320捕獲影像以便依據已捕獲之影像產生影像資料315。處理器325可以實施欲作用於影像資料315上之影像信號處理(「ISP」)(例如)以產生人可觀看影像340或與一任務(例如讀取與解碼條碼、名片或街道標誌)相關的已處理結果345。處理器325可以利用多區域光學器件310之資訊來最佳化各區域之處理以針對各區域產生一清楚影像。視需要地，多區域成像系統300可以經組態用以同時產生人可觀看影像340與任務相關結果345兩者，如下文進一步所述。
結合圖4至12描述多區域成像系統(例如多區域成像系統300)後面之操作概念。基於簡單起見，此等圖式中考量一維光學器件，假定平行光線從無窮遠處(從各圖式之左側)入射於各透鏡之一側上。考量圖4之傳統成像系統400及圖5所示已延伸景深(「EDoF」)之成像系統500的以射線為基礎之圖式。傳統成像系統400包括具有光軸412之光學器件410，其係經組態用於使入射光線415(來自圖4之左手側)聚 焦於最好焦點平面420(其在圖4中係指示為光學器件410左邊之點劃線)。傳統成像系統400本質上具有一最好焦點平面；即，穿過光學器件410之所有部分之平行光線415一般到達相同平面420處之一焦點。相比之下，EDoF成像系統500包括光學器件410與一相位修改元件510之組合；相位修改元件510之一適合的範例係一相位光罩，例如Cathey等人之標題為「Extended depth of field optical systems」的美國專利第5,748,371號(下文中的「'371專利」)中所描述者。光學器件410與相位修改元件510之組合係經組態使得入射光線415成像至影像距離或(換言之)最好焦點平面之範圍上的一已延伸成像區域520(如由括號所指示)。最好焦點平面可為連續的以便由EDoF成像系統500所提供之景深在成像或共軛距離之範圍上延伸，藉此導致一已延伸景深之成像系統。
例如，對於包括一三次相位函數以用於修改經此所透射之電磁能之波前的已延伸景深之成像系統(例如'371專利中所描述者)，所得成像系統之單色出射光瞳相位函數係藉由一與x 成函數關係之一維相位函數P (x )來給出：P (x )＝exp(jαx 3 ) 等式(5)在孔徑內，其中α 係一常數且j ＝，及P (x )＝0 等式(6)
在孔徑外。即，在此情況下藉由光學器件410與相位修改元件510之組合而施加於入射光線415之波前上的相位修改係αx 3 。此相位修改之二階導數係近似與位置成函數關係 的橫跨出射光瞳之焦距的一表達式：焦距 α * 6x。 等式(7)
換言之，藉由EDoF成像系統500中相位修改元件510之存在所提供的三次相位修改導致橫跨出射光瞳之近似線性焦距變化。
考量EDoF成像系統500中之相位修改元件510之效應的一方法係將相位修改元件510視為係由複數個小型光學器件片段(例如圖6所示)組成，此等透鏡之焦距依據以上所導出之表達式α * 6x 橫跨孔徑線性變化。在圖6所示範例中，EDOF成像系統600包括一相位修改元件610，其係由複數個光學器件片段612A至612F形成。相位修改元件610與光學器件410之組合提供依據表達式α * 6x 的線性變化焦距，藉此提供與圖5所示相位修改元件510與光學器件410之組合所提供之已延伸景深等效的已延伸景深，假定光學器件片段612之數目足夠大使得片段612A至612F中各段差之高度係(例如)約一波長或小於一波長。換言之，相位修改元件610與光學器件410之組合在成像距離範圍上之一已延伸成像區域620(如由括號所指示)上成像，已延伸成像區域620係與圖5所示藉由相位修改元件510與光學器件410之組合所提供之已延伸成像區域520等效。
雖然圖6顯示六個光學器件片段612A至612F，但在一給定EDoF成像系統中可以使用更多或更少的光學器件片段。EDoF成像系統之設計者可以考量具有約所關注之入射照明之近似一波長之尺寸的光學器件片段612A至612F， 使得在近似EDoF成像系統600之性能時，將使用有限數目的光學器件片段。在此一考量中，該EDoF成像系統可以概念地視為採用光學器件片段612A至612F分割入射光線，其中各光學器件片段具有一近似聚焦於沿著成像距離範圍之一特定區域處的焦距。具有已延伸景深意指可以使用較少光學器件片段來成像物體之任一點。相反地，具有已減小景深意指使用此等光學器件片段之更多個來成像物體之各點。觀看此情況的另一方法係，使用此等光學器件片段之更多個來成像一給定物體之各點時，將增加用於此等物點之所得離焦調變轉移函數(「MTF」)的高度；另一方面，使用較少光學器件片段來成像各物點時，將減小用於此等點之所得離焦MTF的高度。應注意，此描述係本系統之簡化的一維一階近似，且僅應視為解說性。
與需要在成像距離之寬範圍上成像不同，多區域成像系統可以經組態以使位於物體空間中特定之可能不鄰接區域處之物體同時成像。例如，此等不鄰接區域在物體空間中可以不連續。因此，與先前成像系統相比，多區域成像系統可以展現較高MTF高度及較簡單組態，下文中緊接著對其做進一步論述。
考量圖7所示之多區域成像系統。與圖5及6所示之需要光學器件之組合沿著成像距離之寬範圍來使物體成像不同，成像系統孔徑之各部分係用以使物體空間中僅一特定區域成像。在圖7所示範例中，多區域成像系統700包括一相位修改元件710，其包括複數個光學器件片段712A至 712D。光學器件片段712A與712B經組態以與光學器件410配合，以便在近成像距離範圍上之一近區域720(如由一括號所指示)中成像。光學器件片段712C與712D經組態以與光學器件410配合，以便在遠成像距離範圍上之一遠區域725(如由另一括號所指示)中成像。物體空間中之某些共軛距離可以屬於一不需要加以成像的「無關」區域730。由於先前所述之有限總MTF限制，所以具有相異物體區域及/或「無關」區域允許用於此等所關注物體區域(明確言之，在近區域720與遠區域725中)之較高離焦MTF高度。以另一方式觀看，多區域成像系統700提供一在性能上與另一系統等效的單一成像系統，該另一系統使用相異成像光學器件集用於在物體空間中之不鄰接狹窄區域上成像。與相位修改元件610(圖6)分成六個片段621A至612F相同，僅基於解說目的將相位修改元件710顯示為片段712A至712F。即，相位修改元件710可以具有其他組態，例如彎曲片段或連續非球面表面。
仍參考圖7，多區域成像系統700係經組態使得孔徑之上半部(即，光學器件片段712A與712B)可用以成像物體空間中之一區域且下半部(即，光學器件片段712C與712D)可用以成像物體空間中之另一區域。雖然光學器件片段712A與712B係顯示為分為孔徑之上與下半部，但本文中應認識到也可存在其他組態。對應的多區域出射光瞳相位可以表達為相位多區域(x)＝αx 3 ＋Lower (x )βx 2 ， 等式(8) 其中αx 3 項對應於三次相位項。項Lower (x )對於孔徑之上半部(即，光學器件片段712A與712B)等於零，且對於孔徑之下半部(即，光學器件片段712C與712D)等於一。項βx 2 係聚焦或光學功率項。設計者可以針對特定系統指定常數α與β。將以上表達式與由等式(5)及(6)給出的三次相位修改之相位函數作比較，多區域相位之表達式包含額外Lower (x )βx 2 項，其係孔徑之特定區段特有的。
圖8顯示依據以上等式(8)之多區域出射光瞳相位表達式(α ＝5且β ＝40)的一範例性一維出射光瞳相位分佈之繪圖800。垂直軸表示以弧度計之孔徑相位，而水平軸顯示以任意單位計之孔徑尺寸x。從圖7中可看到，對於孔徑之上半部(即，穿過光學器件片段712A與712B)，孔徑相位為零或小於零，而孔徑之下半部(即，光學器件片段712C與712D)提供位置相依相位修改。
圖9顯示與一受繞射限制成像系統(例如由圖4所例示者)相關的一模糊函數(「AF」)繪圖900。繪圖900中之水平軸(「u軸」)與MTF繪圖之空間頻率軸類似表示空間頻率。如AF分析技術中所熟知，垂直軸(「v軸」)與實體成像系統無直接關係，但AF之徑向片斷在水平軸上之投射可以解釋為此成像系統之針對不同失焦量的MTF。如AF分析技術中所熟知，圖9之較黑暗陰影表示較高MTF值。換言之，AF之徑向斷面片斷產生失焦與空間頻率之不同值的MTF曲線。如此項技術中所熟知，AF表示與失焦成函數關係的MTF之極座標顯示，且穿過AF繪圖900之原點940的徑向線 表示不同失焦度處之MTF。具有零斜率之徑向線(例如，虛線910)對應於零失焦處之MTF，具有增加斜率之徑向線(例如，虛線920)對應於增加失焦處之MTF，而穿過AF繪圖900之垂直線(例如，虛線930)對應於一特定空間頻率u處之離焦MTF。應注意，由繪圖900所表示之受繞射限制AF在垂直方向上係狹窄的，藉此指示所得MTF對失焦之高敏感度；即，遠離對應於零失焦值之水平徑向線(即虛線910)，對應於AF繪圖900之MTF曲線展現非常清晰之峰值，低MTF值係遠離該等清晰峰值，藉此指示非常狹窄共軛距離範圍外之不良成像品質。
圖10與11分別顯示α ＝10的一三次相位成像系統(例如，舉例而言，圖4中且依據等式(5)及(6)所顯示者)及α ＝5且β ＝40的一多區域成像系統(例如，圖7中且依據等式(8)所顯示者)之AF繪圖1000與1100。在圖10中，傾斜徑向線1020對應於三次相位成像系統之非零失焦處之MTF，而垂直線1030對應於一特定空間頻率處之離焦MTF。同樣地，在圖11中，傾斜徑向線1120對應於多區域成像系統之非零失焦處之MTF，而垂直線1130對應於一特定空間頻率處之離焦MTF。可以看到，與圖9之受繞射限制成像系統AF繪圖相比，三次相位成像系統與多區域成像系統兩者展現在垂直方向上具有較寬黑暗區域之模糊函數，其對應於較高MTF值；即，與AF繪圖900中零斜率處之狹窄黑暗線不同，AF繪圖1000與1100包括採用水平蝴蝶結形狀之較寬陰影區段，其指示對應於AF繪圖1000與1100之較寬MTF峰值上之 較高值。換言之，圖10與11之AF繪圖指示即使對於非零失焦值，此等成像系統也展現良好成像品質。已熟知模糊函數表示光學MTF，且一系統之感測器空間頻率限制通常係該系統之光學限制的一半或小於一半；數位感測器之典型空間頻率範圍在圖10與11中分別藉由括號1035與1135來指示。此外，對應於多區域成像系統之AF繪圖1100展現藉由一「無關」區域而分離的兩個清楚最好焦點區域(由兩個虛線橢圓1140A與1140B所指示)。
多區域成像系統之許多變化係可行的。雖然圖7與11所解說之範例假定一矩形可分離出射光瞳相位，但也可依據所需應用使用其他類型的相位修改，例如(但不受限於)圓形對稱相位、對稱相位或非對稱出射光瞳相位。也可使用多色(即，波長相依)出射光瞳相位設計，且可以藉由(例如)具有次波長特徵之相位調變光學器件來實現相位修改。或者，可以使用極化相依光學元件來實施相位修改。
圖12顯示一範例性多區域成像系統1200之方塊圖。圖12係圖3所示一般多區域成像系統方塊圖之特定範例。多區域成像系統1200包括一光學器件群組1210，其進而包括在成像系統前面的一平面/非球面元件1220(1)，及第一與第二K5/F2雙重透鏡(分別為1230與1240)。平面/非球面元件1220(1)可以由(例如)聚(甲基丙烯酸甲酯)(「PMMA」)形成。平面/非球面元件1220(1)具有一非球面表面1292(1)(下面加以描述)；下面也進一步描述利用平面/平面元件1220(2)或已修改平面/非球面元件1220(3)或1220(4)代替元 件1220(1)的相關光學系統。光學器件群組1210係經組態用以朝感測器1260引導入射光線1250。感測器1260可以為(但不受限於)互補金氧半導體(「CMOS」)感測器，其係經組態用於接收入射光線1250之一部分1265，及對其作出回應而產生影像資料1270(由黑暗箭頭表示)。接著可以在處理器1280處接收影像資料1270以用於影像處理而形成(例如)人可觀看影像及/或一任務(例如條碼讀取)的一處理結果。影像處理可以利用光學器件群組1210之資訊來形成人可觀看影像及/或處理結果以便在藉此所成像之景物之最好焦點區域中形成清晰且清楚的影像，如下所述。
表1概述圖12之多區域成像系統1200之各種光學表面之範例性規定，該等不同表面(即，表面1291至1298)係如圖12所標記。「無窮大」的曲率半徑值對應於平面表面。緊 接著在下文以下兩個範例中進一步論述與平面/非球面元件1220相關的規定細節。
藉由採用一不提供相位調變之平面/平面元件1220(2)(例如，元件1220(2)具有一不具曲率之第二表面1292(2))取代平面/非球面元件1220(1)來修改參考圖12及表1所描述之多區域成像系統時，光學器件群組1210以每毫米100線對(「lp/mm」)之空間頻率產生離焦MTF曲線1300，如圖13所示。所得成像系統本質上係一無相位修改或多區域成像特徵的傳統成像系統。如所預期，離焦MTF曲線1300展現一單一最好焦點峰值1310，其具有以正規化單位計大約0.8之峰值高度以及狹窄峰值寬度1320(由雙頭箭頭所指示)且因此具有狹窄焦深。
圖14顯示適於用作圖12之多區域成像系統1200中之平面/非球面元件1220(1)之表面1292(1)的一範例性非球面表面1400。表2中概述對應於非球面表面1400之非球面係數。 藉由在光學器件群組1210中作為表面1292(1)包含非球面表面1400，以100 lp/mm之空間頻率產生圖15所示離焦MTF曲線1500。離焦MTF曲線1500包括第一與第二最好焦點區域(分別為1510與1515)，以及一「無關」區域1540，即，離焦MTF曲線1500指示存在對應於最好焦點的一個以上焦點偏移區域(在此範例中兩個區域)。應瞭解，各最好焦點區域對應於一物距範圍，即，物體離多區域成像系統之距離(例如，圖3物體330與335離多區域光學器件310之距離)之範圍。藉由虛垂直線內之雙頭箭頭來指示所有區域1510、1515及1540，儘管應明白可能不會清晰定義各區域之邊界。在圖14中，由於區域1510與1515係藉由區域1540而分離，所以其對應於不連續的物距範圍。與圖1所示範例相關，第一最好焦點區域1510可以對應於(例如)條碼30或名片之近場成像(例如，~13至18 cm之共軛距離)，而第二最好焦點區域1515可以對應於用於人所觀看之肖像成像的遠場成像(例如，~60 cm或更大的共軛距離，以便最好焦點區域1510與1515分離40 cm或更多)。在此範例中離焦MTF曲線1500在第一與第二最好焦點區域1510與1515中之峰值高度都為約0.27，儘管可以依據特定應用透過表面1292(1)之修改來調整該等峰值高度。雖然「無關」區域1540中之離焦MTF值不需要為低，但是，由於模糊守恆原理，「無關」區域中之已減小離焦MTF值促成第一與第二最好焦點區域(分別為1510與1515)中之已增加離焦MTF值。此外，儘管第一與第二峰值(分別為1510與1515)之形 狀係顯示為類似，但可以訂製第一與第二峰值之峰值高度與寬度以滿足給定應用之特定需要。
圖16至19顯示圖12之多區域成像系統1200中之光學器件群組1210(其包括用作表面1292(1)的圖14之非球面表面1400)的不同共軛距離處之多色(例如，白色)光繞射MTF曲線。圖16顯示無窮遠之共軛距離的MTF曲線1600，且圖17顯示60 cm之共軛距離的MTF曲線1700。可以注意到，MTF曲線1600與1700之值在圖16與17所示空間頻率整個範圍中相當高，藉此指示多區域成像系統1200在60 cm或更大共軛距離處(例如，對應於圖15之區域1515)整個遠場成像區域中展現高MTF值。圖18顯示25 cm之共軛距離(即，圖15之「無關」區域1540中，近場與遠場之間)的MTF曲線1800；可以看到對於高於每毫米~30或40個循環之空間頻率，MTF曲線1800快速下降，藉此指示此「無關」區域中的不良影像品質。最後，圖19顯示15 cm之共軛距離(例如，對應於圖15之區域1510)的MTF曲線1900，其係適於近場成像應用，例如條碼成像及名片讀取。從圖19可以看到，MTF曲線1900在所關注的整個空間頻率區域中展現相對較高MTF值(例如，~0.2及更高)，藉此指示對於包括光學器件群組1210之多區域成像系統即使在此近場共軛距離處也有良好成像性能。
圖20針對一替代成像系統以100 lp/mm之空間頻率顯示離焦MTF曲線2000，該替代成像系統已最佳化以在25 cm共軛距離處提供更好成像性能(與圖15顯示其離焦MTF曲線的多區域成像系統之成像性能相比)。即，該替代成像系統本質上包括圖12之多區域成像系統1200之組件，但具有表3與4中所概述之規定。該替代成像系統包括一平面/ 非球面元件1220(3)，其具有一具表4所概述之非球面係數的第二表面1292(3)，以在25 cm共軛距離處提供更好成像性能。可以注意到，該替代多區域成像系統之離焦MTF曲線2000包括多個寬駝峰而非如同先前所述具體實施例包括一單一狹窄峰值或兩個相異峰值。藉由將圖21至24所示該替代多區域成像系統之多色繞射MTF曲線與圖16至19所示對應於多區域成像系統1200之光學器件群組1210(其包括作為表面1292(1)之非球面表面1400)之性能的多色繞射MTF曲線相比較可以看到系統性能之其他差異。圖21顯示無窮遠之共軛距離的MTF曲線2100，圖22顯示60 cm之共軛距離的MTF曲線2200，圖23顯示25 cm之共軛距離的MTF曲線2300，而圖24顯示15 cm之共軛距離的MTF曲線2400。將圖21至24與先前所述圖16至19作比較時可以看到，替代成像系統之MTF曲線，雖然在25 cm處提供稍微更好的性能，但橫跨肖像與條碼區域一般較低。
圖25解說適於用作圖12所示多區域成像系統1200之平面/非球面元件1220(4)之表面1292(4)的一非球面表面2500之另一範例。表5概述描述非球面表面2500之非球面項，其中該等變數係帶區領域及各帶區內之表面形式；即，「Z」係表面高度，「S－D」代表「表面直徑」，而「CUSPLINE」代表三次樣條。非球面表面2500可以一般描述為平面/非球面元件1220(4)之孔徑之八個區域(徑向分割)上的一三次樣條。可以看到，非球面表面2500之在外半徑附近的大約一半係有意加以設定以提供零相位；即，平面/非球面元件1220(4)在非球面表面2500之半徑的近似一半中不添加新相位。與圖14之非球面表面1400(其係經組態用於橫跨非球面表面1400之孔徑提供一相位修改)相比，而非球面表面2500係經組態用以在中心部分中提供一等相線(phase contour)。
圖26顯示採用實施為平面/非球面元件1220之表面1292(4)的非球面表面2500加以修改之光學器件群組1210之離焦MTF曲線2600。離焦MTF曲線2600顯示此系統藉由展現第一與第二峰值(分別為2610與2620)而作為一多區域成像系統執行，藉此指示該系統針對兩個不連續物距範圍提供良好成像性能。可以注意到，雖然圖14與25之非球面表面1400與2500分別看似形狀完全不同，但所得離焦MTF曲線(如圖15與26所示)相當類似。
圖27至30顯示相同多區域成像系統(其離焦性能係顯示在圖26中)之多色MTF曲線。圖27顯示無窮遠之共軛距離 的MTF曲線2700，圖28顯示60 cm之共軛距離的MTF曲線2800，圖29顯示25 cm之共軛距離的MTF曲線2900，而圖30顯示16 cm之共軛距離的MTF曲線3000。無窮遠與60 cm處(例如，如圖27與28所示)以及16cm處(例如，如圖30所示)之MTF曲線係高。圖29中25 cm處之MTF曲線係低。同樣地，此一多區域成像系統在像結合圖1與2所述應用中可以很好地執行。
圖31顯示一多區域成像系統3100之另一具體實施例。多區域成像系統3100係與圖12之多區域成像系統1200以許多方式不同。首先，多區域成像系統3100之光學器件群組3110中不存在平面/非球面元件1220。而是，光學器件群組3110包括第一、第二、第三及第四光學元件(分別為3120、3130、3140及3150)。表6及7中概述描述光學器件群組3110之表面3191至3198的光學規定。
雖然多區域成像系統1200之組態實施一在單一波長下針對特定性能所設計出射光瞳相位函數(例如，「單色出射光瞳」)以實現多區域成像效應，但多區域成像系統3100經組態以實施一在此系統之多色離焦MTF性能中實現多區域成像效應的出射光瞳相位函數(例如，「多色出射光瞳」)，如圖32所示。類似於圖15之離焦MTF曲線1500及圖26之離焦MTF曲線2600，由光學器件群組3110獲得之離焦MTF曲線3200以對應於不連續物距範圍之相異的第一與第二峰值 (分別為3210與3220)為特徵。
圖33至35顯示促成多色離焦MTF曲線3200之單色離焦MTF曲線，此處顯示以進一步解說多區域成像系統3000之操作。圖33顯示針對藍色照明之單色離焦MTF曲線3300。圖34顯示針對綠色照明之單色離焦MTF曲線3400。最後，圖35顯示針對紅色照明之單色離焦MTF曲線3500。針對藍色、綠色及紅色照明之單色離焦MTF曲線3300、3400及3500的形狀非常類似，峰值之位置係依據波長偏移。不過，雖然圖33至35之單色離焦MTF曲線之每一個僅展現一單一最好焦點區域，但表示所有單色離焦MTF曲線之組合的多色離焦MTF曲線3200解說多區域成像系統3100確實真正展示多區域成像特徵。
圖36至39顯示多區域成像系統3100之不同共軛距離的多色MTF曲線。圖36顯示無窮遠之共軛距離的多色MTF曲線3600，圖37顯示60 cm之共軛距離的多色MTF曲線3700，圖38顯示25 cm之共軛距離的多色MTF曲線3800，而圖39顯示15 cm之共軛距離的多色MTF曲線3900。可以看到，如同15 cm處之MTF曲線(即，多色MTF曲線3900)，無窮遠與60 cm處之MTF曲線係高(即，如由多色MTF曲線3600與3700所示)。25 cm處之MTF係低(即，多色MTF曲線3800)，其很好，因為此共軛距離屬於「無關」區域。物距上之此等多色MTF曲線係類似於對應於包括圖14及25所示非球面表面之多區域成像系統的多色MTF曲線，儘管圖30之系統係以完全不同的方法進行設計；即，多色出射光 瞳之操控係設計多區域成像系統時可使用的一替代方法。
實現多區域成像系統的另一方法係將次波長特徵併入成像系統中。適合的次波長特徵可以採用(例如)繞射特徵、材料或超材料內之折射率變化的形式。此類次波長特徵可以放置於(例如)多區域成像系統1200或多區域成像系統3100之光學器件群組中之一元件的一表面上。次波長特徵也可不實施為表面特徵而是實施為非均勻體積光學設計中之折射率變化。實施為折射率變化時，高強度照明環境中之雜散光問題可以明顯減少(與使用次波長表面特徵時存在之雜散光問題相比)。
圖40顯示一包括次波長特徵之範例性多區域成像系統4000之方塊圖。多區域成像系統4000包括一光學器件群組4010，其進而包括次波長特徵光學器件4012及視需要地包括額外成像光學器件4014。實務上，次波長特徵光學器件4012與成像光學器件4014可以組合於(例如)一單石及/或體積非均勻光學結構中。
圖41針對0至λ/2之相位高度顯示一範例性次波長特徵分佈4100。垂直軸表示採用弧度單位的相位，而水平軸表示橫跨次波長特徵光學器件4012之孔徑的距離。此一分佈可用以調變成像系統之出射光瞳以便實現多區域成像特徵。在圖41所示範例性分佈中，以弧度計之最大相位係約π，其係等效於λ/2，其中λ係中央照明波長。次波長特徵分佈4100係實質上等效於透鏡聚焦表面模數λ/2。透鏡之功率可以接著用作一設計變數。該分佈則可藉由以下等式來描 述：相位(r )＝mod(αr 2 ,π )， 等式(9) 其中r表示橫跨孔徑之半徑且α係另一設計變數。圖41所示範例中α ＝30且r ＝linspace (－－1,1,501)，其中「linspace」係MATLAB中之一用於產生線性間隔向量之函數。
圖42顯示對應於一受繞射限制成像系統與圖41之次波長特徵分佈4100之組合的一AF繪圖4200。藉由AF繪圖4200中之兩個相異黑暗區域清楚指示多區域成像特徵；一第一區域4210係表現為一黑暗水平條紋，且一第二區域4220係顯示為相對於第一區域4210成一角度的一傾斜條紋。將AF繪圖4200與圖10及11分別顯示之AF繪圖1000及1100作比較時，可以注意到，第一與第二區域4210與4220係狹窄(與AF繪圖1000及1100之寬黑暗區域相比)。若將一相位修改元件(例如包括非球面表面1400與2500之一的一平面/非球面元件)併入光學器件群組4010中，則光學器件群組4010可以經組態用以展現一與對應於AF繪圖1000及1100之多區域成像系統類似的增加之景深。若光學器件群組4010係經組態用以提供增加之景深，則所得多區域成像系統之AF繪圖4200的第一與第二區域(分別為4210與4220)將比圖42所示第一與第二區域寬。
可以將多區域出射光瞳設計成圓形對稱、非圓形對稱或非對稱。也可使用對稱但非圓形設計，例如上述PCT專利申請案第PCT/US07/69573號中所描述之設計。圖43至48解說使用此一表面的一範例。表8顯示定義圖43所示出射光瞳表面下陷4300的各種非球面項。表面下陷4300可以併入多區域成像系統(例如圖12所示多區域成像系統)中之表面2處。圖44顯示一包括表面下陷4300之多區域成像系統的多色離焦MTF曲線4400。像先前所述多區域成像系統之離焦MTF曲線(參見圖15)，MTF曲線4400包括藉由「無關」區域4440而分離之區域4410與4415中的兩個峰值。圖45至48顯示此系統之各種物距處的多色離焦MTF曲線。如同15 cm處之MTF曲線4800(圖48)，無窮遠與60 cm處個別之 MTF曲線4500與4600(圖45與46)係高。圖47所示25 cm處之MTF曲線4700係低。
另一類型的多區域成像系統係空間變化多區域成像系統，其涉及將一光學路徑長度差異(「OPD」)引入成像系統之孔徑的一部分中。作為空間變化多區域成像系統之應用的一範例性方案，圖49顯示從汽車內部所看到的景物4900。可以注意到，遠離汽車之物體(例如街道標誌4910)一般在透過擋風玻璃4920所看到之景物4900的一上部區域(由環繞景物4900之一部分的一矩形表示)中且在車蓋4930上方。
採用單一成像系統在單一曝光中準確成像擋風玻璃4920本身以及街道標誌4910的一方法係使用多區域成像系統。在此一汽車應用中，可能不必使擋風玻璃4920全部清楚成像；例如，適合的多區域成像系統之一部分可以經組態用以使景物4900之一上部區域成像以用於遠處物體(例如街道標誌4910)之辨識，而另一部分係經組態用於使擋風玻璃4920之一小部分成像以用於偵測(例如)擋風玻璃上之污垢或雨。
圖50依據一具體實施例顯示一OPD修改成像系統5000之方塊圖，該OPD修改成像系統5000包括用於使遠物體5020在感測器5030處成像的OPD修改光學器件5010(具有光學軸5015)，遠物體5020係佈置於離成像光學器件5010足夠遠之處以便其有效位於無窮遠處。OPD修改光學器件5010也使近物體5040在感測器5030處成像。在習知成像系統 中，若成像光學器件係首先經組態用以聚焦於比有效無窮遠近的物體(例如，近物體5040)，則用以使成像光學器件重新聚焦於無窮遠處之物體的任何調整始終迫使成像平面(進而感測器)進一步遠離成像光學器件移動。不過，OPD修改光學器件5010包括一OPD修改光學組態，其允許OPD修改光學器件5010將遠物體5020同時聚焦於與近物體5040相同的成像平面。即，OPD修改光學器件5010需要成像平面(進而感測器5030)移動得更靠近光學器件5010以將遠物體5020聚焦於感測器5030之一部分上同時保持近物體5040聚焦於相同成像平面。換句話說，OPD修改光學器件5010需要一於相反方向上移動(與習知設計相比)的感測器平移，以使無窮遠物體聚焦。下文中緊接著詳細論述OPD修改成像系統5000之一範例。
圖51依據一具體實施例顯示一空間變化多區域成像系統5100之方塊圖。多區域成像系統5100包括一孔徑5110，其 限制光線1250進入成像光學器件5120。成像光學器件5120包括一第一雙重透鏡5125(包括表面5191、5192及5193)及一第二雙重透鏡5135(包括表面5194、5195及5196)。成像光學器件5120係經組態用於使光線5140(由一虛線橢圓所包圍)聚焦於感測器5150。表9概述多區域成像系統5100之各種組件的範例性光學規定。
仍參考圖51，光線5140之一部分5160(由點劃線橢圓所指示)入射於感測器5150上之部分5160之前橫越OPD修改元件5170。實際上，多區域成像系統5100之空間變化特徵係藉由OPD修改元件5170來實施，OPD修改元件5170與光線5140之部分5160交叉以便OPD修改元件5170僅影響橫跨物體成像於感測器5150之底部一半5175(由括號所指示)上之空間場點。感測器5150接著將其上接收到的光線5140轉換為電子資料5180(由箭頭表示)，其係引導至處理器5190以用於處理，例如人可觀看影像之產生或以任務為基礎之結果之產生。處理器5190也可利用光學器件5120與OPD修改元件5170之資訊來最佳化處理以便由感測器5150之底部與頂部一半之每一個所產生之影像係清楚且清晰。或者，處理器5190可以經組態用以以不同方式處理來自感測器5150之底部與頂部一半之資訊，以便依據感測器5150之底部與頂部一半處接收到的資訊執行兩個不同任務。
繼續參考圖51，在一具體實施例中，OPD修改元件5170可以為一用以增加某些場點之光學路徑差異的平面平行板，藉此有效改變受影響場點之最好焦點之區域。OPD修 改元件5170可以為(例如)厚度為0.831 mm的平面/平面BK7光學元件。OPD修改光學元件5170可以經額外配置(例如)用以校正像差及/或控制感測器5150處所成像之某些光線的主光線角度。作為另一範例，藉由為OPD修改元件5170添加光學功率，可以同時修改感測器5150處影像之一部分的有效焦距與放大率。
圖52針對100 lp/mm之空間頻率之無窮遠處之物體(例如，從汽車內部所看到的街道標誌)顯示多區域成像系統5100之底部一半5175的多色繞射MTF曲線5200。單色繞射MTF曲線看上去與多色繞射MTF曲線5200類似，因為假定OPD修改元件5170為消色差的。同樣地，圖53針對100 lp/mm之空間頻率之5 cm處(例如，汽車擋風玻璃處)之物體顯示多區域成像系統5100之底部一半5175的多色繞射MTF曲線5300。可以看到，底部一半5175對於無窮遠處之物體展現寬MTF曲線同時對於5 cm處之物體僅提供狹窄MTF峰值，藉此指示底部一半5175對於無窮遠處之物體提供良好成像同時係近物體之不良成像器。即，(例如)擋風玻璃上之污垢或碎屑應最小程度地影響無窮遠處透過底部一半5175的成像性能。
相比之下，圖54與55以100 lp/mm之空間頻率針對分別位於無窮遠處及5 cm處之物體分別顯示多區域成像系統5100之頂部部分(即，未受OPD修改元件5170影響之部分)的多色繞射MTF曲線5400與5500。藉由將MTF曲線5200及5300與5400及5500分別作比較，可以看到，多區域成像系 統5100之頂部部分對於遠物體提供不良成像性能同時對於近物體展現良好成像特徵。影像之頂部一半處之MTF曲線對於無窮遠處之物體係非常差的，且對於擋風玻璃位置係理想的。換言之，無OPD修改元件5170的多區域成像系統之頂部部分以良好成像品質提供擋風玻璃之影像。
圖56針對100 lp/mm之空間頻率顯示多區域成像系統5100之不同部分的兩個離焦MTF曲線之繪圖。第一離焦MTF曲線5610對應於無穿過OPD修改元件5170之透射情況下感測器5150處所獲得的離焦MTF性能。即，第一離焦MTF曲線5610對應於近場影像(例如，5 cm之共軛距離)之性能。第二離焦MTF曲線5620對應於底部一半5175(即，影像之無窮遠聚焦部分)中感測器5150處所獲得的離焦MTF性能。已引入0.25 mm焦點偏離以改善清晰度。
可以以各種方式實施多區域成像系統5100。例如，OPD修改元件5170可以實施為一直接佈置於感測器5150之玻璃蓋上的額外透射材料片。或者，OPD修改元件5170可以由多個不同厚度之玻璃片組態而成，各片覆蓋感測器之作用區域之一部分，藉此提供空間變化成像。作為另一範例，OPD修改元件5170可以採用(例如)直接附著於玻璃蓋上之聚合物接合器或採用凸出支柱附著於感測器玻璃蓋以用於提供OPD修改元件5170與感測器玻璃蓋間之空氣間隙。在另一具體實施例中，OPD修改元件5170可以由非球面形狀形成。可以進一步組態一模製非球面元件以校正(例如)像差、主光線角度及交叉焦距。作為又一替代方案，OPD修 改元件5170可以經組態以具有一均勻厚度但具有一橫跨元件之孔徑變化的折射率分佈。由OPD修改元件所提供之效應也可在光學器件5120之光學規定內橫跨多個光學表面及/或玻璃蓋加以分配。作為又一替代方案，OPD修改元件可以組態為晶圓級光學系統中之間隔物晶圓之一部分。此外，OPD修改元件與覆蓋板之折射率與熱膨脹係數可以加以匹配。
圖57至62顯示關於感測器5150之適於用作OPD修改元件5170的各種玻璃組態。在圖57至62之每一個中，顯示感測器5150包括一由玻璃片(由陰影區域所指示)而部分模糊的光敏區域5705(由虛線矩形所指示)；圖57至62中該玻璃呈現各種形狀。在圖57中，組態5710包括一矩形OPD修改元件5720，其覆蓋光敏區域5705之一部分。如先前所述，矩形OPD修改元件5720係經組態用以與成像光學器件5120配合以提供遠物體而非近物體之良好成像性能。光敏區域5705之不為矩形OPD修改元件5720所覆蓋之部分與成像光學器件5120配合以提供近物體之良好成像性能。
圖58顯示OPD修改元件5820之另一組態5810，OPD修改元件5820在右下角中包括一矩形切口5830。圖59顯示OPD修改元件5920之另一組態5910，OPD修改元件5920在中下部分中包括一矩形切口5930。圖60所示另一組態6010包括一OPD修改元件6020，其在感測器5150之中央處具有一矩形切口6030。圖61之另一組態6110包括一OPD修改元件6120，其在中下部分中具有一半圓形切口6130。或者，圖 62之組態6210包括一OPD修改元件6220，其在中下部分中具有一梯形切口6230。切口5830、5930、6030、6130及6230之特定形狀可以依據特定應用(例如成像近物體所需要之敏感度之數量)加以組態。此外，OPD修改元件5720、5820、5920、6020、6120及6220之厚度與形狀可以依據後焦距及/或光學軌跡修改之所需數量加以設計。
圖63至75解說適於依據本文所述具體實施例使用之OPD修改元件之範例性組態。圖63顯示組態6300，其包括一感測器玻璃蓋6305，OPD修改元件6320係直接接觸佈置於其上。OPD修改元件6320可以為(例如)一厚度為~1.16毫米的硼矽酸玻璃片。作為一替代，組態6400包括一在感測器玻璃蓋6305與OPD修改元件6320之間所引入的凸出配置6410以便其間提供一空氣間隙6440。空氣間隙6440可以(例如)在OPD修改元件6320之厚度的10至30%之間。
繼續參考圖63與64，OPD修改元件6320之垂直邊緣6325在某些情況下，例如自垂直邊緣6325散射之光可能在感測器處產生不合需要雜散光之亮光條件下，可能有問題。減少此類雜散光的一方法係藉由在垂直邊緣6325處提供光阻隔處理(例如，黑色塗料、黑色材料或黑色織物)或光散射處理(例如，噴砂)。或者，與使用單一厚玻璃片作為OPD修改元件不同，可以如圖65所示使用複數個薄玻璃片。例如，可以採用一折射率匹配接合材料將該複數個薄玻璃片接合在一起。組態6500包括一OPD修改元件6520，其進而由複數個交替大與小薄層玻璃片(分別為6522與6524)形 成。藉由交替大與小玻璃片6522與6524，OPD修改元件6250之邊緣係組態為鋸齒狀，藉此使自此入射之光之反射擴散。如圖66之組態6600所解說，OPD修改元件6520可以藉由凸出配置6610而與感測器玻璃蓋6305分離。
也可藉由使用傾斜邊緣組態來減少雜散光。圖67顯示組態6700，其具有OPD修改元件6720，OPD修改元件6720包括一傾斜邊緣6725，係直接佈置於感測器玻璃蓋6305上。圖68顯示組態6800，其中OPD修改元件6720係採用間隔物配置6810而與感測器玻璃蓋6305分離。圖69顯示一替代組態6900，其具有一OPD修改元件6920，OPD修改元件6920包括一已減少垂直邊緣6925及在感測器玻璃蓋6305之一部分上方的一傾斜覆蓋物6930。在組態6900中，與傾斜覆蓋物6930組合的垂直邊緣6925之長度之減少進一步減少橫跨感測器孔徑之光學路徑長度不連續處之雜散光。圖70顯示另一組態7000，其中OPD修改元件6920係藉由間隔物配置7010而與感測器玻璃蓋6305分離。圖71顯示另一組態7100，其中OPD修改元件7120包括從厚部分7127至薄部分7130之平滑過渡區7125，藉此消除光學路徑長度之明顯不連續及減少雜散光，其中此外最好焦點區域將追蹤至擋風玻璃之距離變化(例如，用於相機75(圖2)中時)。圖72顯示組態7200，其中OPD修改元件7120係藉由間隔物配置7210而與感測器玻璃蓋6305分離。圖73顯示另一組態7300，其以OPD修改元件7320為特徵，OPD修改元件7320具有一圓形過渡區7325，其橫跨OPD修改元件7320之孔徑提供從厚 部分7327至薄部分7330之平滑過渡區。圖74顯示組態7400，其中OPD修改元件7320係藉由間隔物配置7410而與感測器玻璃蓋6305分離。最後，圖75顯示組態7500，其具有OPD修改元件7520，該OPD修改元件7520包括複數個溝槽7530以用作用於減少雜散光之「光阱」。溝槽7530可以(例如)藉由沿著OPD修改元件7520之一邊緣附著複數個細線7540而形成。可以將溝槽530，且視需要將細線7540，塗成黑色以進一步減少不需要的光反射。
存在許多可用以實現多區域成像系統之設計方法。描述六個範例。熟習光學/數位成像系統之技術者可以將此等範例之每一個之態樣加以組合，以形成在其範疇內之新系統。
多區域成像系統之特徵的某些可能組合係：1. OPD修改光學器件＋數位信號處理(「DSP」)，其係用於兩個或更多最好焦點成像區域；2. OPD修改光學器件＋DSP，其係用於人觀看系統之兩個或更多最好焦點成像區域；3. OPD修改光學器件＋DSP，其係用於兩個或更多最好焦點成像區域上之以任務為基礎之成像；4. OPD修改光學器件，其係用於形成兩個或更多最好焦點成像區域，其中與至少一區域相關之離焦MTF較寬，或具有已延伸景深(與無OPD修改光學器件相比)；5. 自4中之OPD修改光學器件，其包括連續相位修改；6. 自4中之OPD修改光學器件，其包括不連續相位光學器 件；7.自4中之OPD修改光學器件，其使用特別設計之色差；8.自4中之OPD修改光學器件，其使用次波長相位變化；9. OPD修改光學器件＋DSP，其係用於行動電話應用之兩個或更多最好焦點成像區域；10. OPD修改光學器件＋DSP，其係用於汽車應用之兩個或更多最好焦點成像區域上之以任務為基礎之成像；11.自4中之OPD修改光學器件，其係照明相依。
12.OPD修改感測器(電子器件＋封裝＋玻璃蓋)，其係用於多區域成像；13. 12之使用，其係用於汽車應用；及14. OPD修改多區域成像，其中影像平面處焦點之空間變化得以實現。
本文所述成像系統中可以進行上述變化以及其他變化而不背離其範疇。因此應注意，以上描述中所含有或附圖中所顯示的標的應解釋為解說性而非限制意義。以下申請專利範圍係意欲涵蓋本文所描述的所有一般及特定特徵，以及本方法及系統之範疇的所有聲明，其作為語言問題可視為落在其間。
10‧‧‧方案
20‧‧‧行動電話相機
30‧‧‧條碼
40‧‧‧肖像主體
50‧‧‧方案
60‧‧‧汽車
70‧‧‧街道標誌
75‧‧‧相機
80‧‧‧處理器
85‧‧‧擋風玻璃
90‧‧‧中央電腦
300‧‧‧多區域成像系統
310‧‧‧多區域光學器件
315‧‧‧影像資料
320‧‧‧感測器
325‧‧‧處理器
330‧‧‧近物體
335‧‧‧遠物體
340‧‧‧人可觀看影像
345‧‧‧任務相關結果
400‧‧‧傳統成像系統
410‧‧‧光學器件
412‧‧‧光軸
415‧‧‧入射光線
420‧‧‧最好焦點平面
500‧‧‧已延伸景深(「EDoF」)成像系統
510‧‧‧相位修改元件
520‧‧‧已延伸成像區域
600‧‧‧EDoF成像系統
610‧‧‧相位修改元件
612A至612F‧‧‧光學器件片段
620‧‧‧已延伸成像區域
700‧‧‧多區域成像系統
710‧‧‧相位修改元件
712A至712D‧‧‧光學器件片段
720‧‧‧近區域
725‧‧‧遠區域
730‧‧‧「無關」區域
800‧‧‧繪圖
900‧‧‧模糊函數(「AF」)繪圖
910、920、930‧‧‧虛線
940‧‧‧原點
1000、1100‧‧‧AF繪圖
1020、1120‧‧‧傾斜徑向線
1030、1130‧‧‧垂直線
1035、1135‧‧‧括號
114OA、1140B‧‧‧虛線橢圓
1200‧‧‧多區域成像系統
1210‧‧‧光學器件群組
1220(1)‧‧‧平面/非球面元件
1220(2)‧‧‧平面/平面元件
1220(3)、1220(4)‧‧‧已修改平面/非球面元件
1230‧‧‧第一K5/F2雙重透鏡
1240‧‧‧第二K5/F2雙重透鏡
1250‧‧‧入射光線
1260‧‧‧感測器
1265‧‧‧部分
1270‧‧‧影像資料
1280‧‧‧處理器
1291‧‧‧表面
1292(1)‧‧‧表面
1292(2)‧‧‧第二表面
1292(3)‧‧‧第二表面
1292(4)‧‧‧表面
1293至1298‧‧‧表面
1300‧‧‧離焦MTF曲線
1310‧‧‧單一最好焦點峰值
1320‧‧‧狹窄峰值寬度
1400‧‧‧非球面表面
1500‧‧‧離焦MTF曲線
1510‧‧‧第一最好焦點區域
1515‧‧‧第二最好焦點區域
1540‧‧‧「無關」區域
1600、1700、1800、1900‧‧‧MTF曲線
2000‧‧‧離焦MTF曲線
2100、2200、2300、2400‧‧‧MTF曲線
2500‧‧‧非球面表面
2600‧‧‧離焦MTF曲線
2610‧‧‧第一峰值
2620‧‧‧第二峰值
2700、2800、2900、3000‧‧‧MTF曲線
3100‧‧‧多區域成像系統
3110‧‧‧光學器件群組
3120‧‧‧第一光學元件
3130‧‧‧第二光學元件
3140‧‧‧第三光學元件
3150‧‧‧第四光學元件
3191至3198‧‧‧表面
3200‧‧‧離焦MTF曲線
3210‧‧‧第一峰值
3220‧‧‧第二峰值
3300、3400、3500‧‧‧單色離焦MTF曲線
3600、3700、3800、3900‧‧‧多色MTF曲線
4000‧‧‧多區域成像系統
4010‧‧‧光學器件群組
4012‧‧‧次波長特徵光學器件
4014‧‧‧額外成像光學器件
4100‧‧‧次波長特徵分佈
4200‧‧‧AF繪圖
4210‧‧‧第一區域
4220‧‧‧第二區域
4300‧‧‧表面下陷
4400‧‧‧多色離焦MTF曲線
4410、4415‧‧‧區域
4440‧‧‧「無關」區域
4500、4600、4700、4800‧‧‧MTF曲線
4900‧‧‧景物
4910‧‧‧街道標誌
4920‧‧‧擋風玻璃
4930‧‧‧車蓋
5000‧‧‧OPD修改成像系統
5010‧‧‧OPD修改光學器件
5015‧‧‧光學軸
5020‧‧‧遠物體
5030‧‧‧感測器
5040‧‧‧近物體
5100‧‧‧多區域成像系統
5110‧‧‧孔徑
5120‧‧‧成像光學器件
5125‧‧‧第一雙重透鏡
5135‧‧‧第二雙重透鏡
5140‧‧‧光線
5150‧‧‧感測器
5160‧‧‧部分
5170‧‧‧OPD修改元件
5175‧‧‧底部一半
5180‧‧‧電子資料
5190‧‧‧處理器
5191、5192、5193、5194、5195、5196‧‧‧ 表面
5200、5300、5400、5500‧‧‧多色繞射MTF曲線
5610‧‧‧第一離焦MTF曲線
5620‧‧‧第二離焦MTF曲線
5705‧‧‧光敏區域
5710‧‧‧組態
5720‧‧‧矩形OPD修改元件
5810‧‧‧另一組態
5820‧‧‧OPD修改元件
5830‧‧‧矩形切口
5910‧‧‧另一組態
5920‧‧‧OPD修改元件
5930‧‧‧矩形切口
6010‧‧‧另一組態
6020‧‧‧OPD修改元件
6030‧‧‧矩形切口
6110‧‧‧另一組態
6120‧‧‧OPD修改元件
6130‧‧‧半圓形切口
6210‧‧‧組態
6220‧‧‧OPD修改元件
6230‧‧‧梯形切口
6300‧‧‧組態
6305‧‧‧感測器玻璃蓋
6320‧‧‧OPD修改元件
6325‧‧‧垂直邊緣
6400‧‧‧組態
6410‧‧‧凸出測置
6440‧‧‧空氣間隙
6500‧‧‧組態
6520‧‧‧OPD修改元件
6522‧‧‧大薄層玻璃片
6524‧‧‧小薄層玻璃片
6600‧‧‧組態
6610‧‧‧凸出配置
6700‧‧‧組態
6720‧‧‧OPD修改元件
6725‧‧‧傾斜邊緣
6800‧‧‧組態
6810‧‧‧間隔物配置
6900‧‧‧替代組態
6920‧‧‧OPD修改元件
6925‧‧‧已減少垂直邊緣
6930‧‧‧傾斜覆蓋物
7000‧‧‧另一組態
7010‧‧‧間隔物配置
7100‧‧‧另一組態
7120‧‧‧OPD修改元件
7125‧‧‧平滑過渡區
7130‧‧‧薄部分
7200‧‧‧組態
7210‧‧‧間隔物配置
7300‧‧‧另一組態
7320‧‧‧OPD修改元件
7325‧‧‧圓形過渡區
7327‧‧‧厚部分
7330‧‧‧薄部分
7400‧‧‧組態
7410‧‧‧間隔物配置
7500‧‧‧組態
7520‧‧‧OPD修改元件
7530‧‧‧溝槽
7540‧‧‧細線
藉由結合下面簡要描述之圖式參考以上詳細描述可以瞭解本揭示內容。應注意，基於解說清晰之目的，圖式中之某些元件可以不按比例繪製。
圖1與2依據一具體實施例顯示適於結合多區域成像系統 使用的可能應用方案。
圖3依據一具體實施例顯示一多區域成像系統之方塊圖。
圖4至7依據一具體實施例解說一用於組態多區域成像系統之分析與設計方法。
圖8依據一具體實施例顯示一範例性一維出射光瞳相位分佈之繪圖。
圖9顯示一受繞射限制成像系統之模糊函數之繪圖。
圖10與11依據一具體實施例分別顯示三次相位成像系統與多區域成像系統之模糊函數之繪圖。
圖12依據一具體實施例顯示一範例性成像系統之方塊圖。
圖13顯示圖12之範例性成像系統無專門相位表面時之離焦MTF曲線之繪圖。
圖14依據一具體實施例顯示圖12之成像系統之一非球面表面之一設計範例的表面下陷繪圖。
圖15依據一具體實施例顯示圖12之範例性成像系統(其此次包括圖14所指定之非球面表面)之離焦MTF曲線之繪圖。
圖16至19依據一具體實施例顯示圖12之系統(其包括圖14之非球面表面)之不同共軛距離處的多色MTF曲線。
圖20至24依據一具體實施例包括與和圖16至19相關之系統相同的系統(但其已最佳化以在25 cm共軛距離處提供足夠成像)之多色MTF曲線。
圖25依據一具體實施例解說適於用在圖12之系統中的一非球面表面之另一範例。
圖26依據一具體實施例顯示圖12之已修改以利用圖25之表面的成像系統之離焦MTF。
圖27至30依據一具體實施例顯示與圖12利用圖25之表面之系統相關的多色MTF曲線。
圖31依據一具體實施例顯示一多區域成像系統之另一範例。
圖32依據一具體實施例顯示依據表6與7所設計之系統之多色離焦MTF曲線之繪圖。
圖33至5依據一具體實施例顯示依據表6與7所設計之系統之單色離焦MTF曲線。
圖36至39依據一具體實施例顯示依據表6與7所設計之系統之各種共軛距離處的多色MTF曲線。
圖40依據一具體實施例顯示一包括次波長特徵之多區域成像系統之方塊圖。
圖41依據一具體實施例顯示一適於結合多區域成像系統使用之次波長特徵分佈的一範例。
圖42依據一具體實施例顯示與受繞射限制成像系統和圖41之次波長特徵之組合相關的模糊函數。
圖43依據一具體實施例顯示依據表8中所概述之規定的一表面下陷。
圖44顯示一包括圖43之表面的系統之多色離焦MTF。
圖45至48依據一具體實施例顯示包括圖43之表面下陷的 多區域成像系統之各種物距處之MTF曲線。
圖49依據一具體實施例顯示與圖2所述者類似之方案中從汽車內部所看到的前視成像系統之透視圖。
圖50依據一具體實施例顯示一空間變化多區域成像系統之方塊圖。
圖51依據一具體實施例顯示一範例性空間變化多區域成像系統之方塊圖。
圖52至55依據一具體實施例顯示圖51之空間變化多區域成像系統之多色繞射MTF曲線。
圖56依據一具體實施例顯示圖51之空間變化多區域成像系統之離焦MTF曲線。
圖57至62解說圖51之多區域成像系統之不同孔徑組態。
圖63至75解說圖51之多區域成像系統之各種不同裝配組態。
300‧‧‧多區域成像系統
310‧‧‧多區域光學器件
315‧‧‧影像資料
320‧‧‧感測器
325‧‧‧處理器
330‧‧‧近物體
335‧‧‧遠物體
340‧‧‧人可觀看影像
345‧‧‧任務相關結果

Claims (8)

  1. 一種多區域成像系統，其包含：一單一孔徑，其限制光線進入該成像系統；OPD修改光學器件與一感測器陣列，該等OPD修改光學器件在該感測器陣列處形成一光學影像，該感測器陣列將該光學影像轉換為一資料流；及一數位信號處理器，用於處理該資料流以產生一最終影像；該等OPD修改光學器件提供該光學影像中以一第一最好焦點範圍為特徵之一第一區域及該光學影像中以一第二最好焦點範圍為特徵之一第二區域，該第一範圍與該第二範圍對應於不連續的物距範圍；其中該等OPD修改光學器件對透過該單一孔徑進入之該等光線賦予一連續相位修改以提供該光學影像中之該第一區域及該第二區域對應於不連續的物距範圍；其中該數位信號處理器利用該等OPD修改光學器件之資訊以用與對應於該第二區域之該資料流之部分之不同方式處理對應於該第一區域之該資料流之部分來產生該最終影像。
  2. 如請求項1之成像系統，其中該數位信號處理器進一步經組態用於產生該最終影像，作為一人可觀看影像與一機器可觀看影像。
  3. 如請求項1之成像系統，其中該等OPD修改光學器件包含一模製材料、一包括次波長相位修改特徵之光學元件及 一其中包括折射率變化之材料中之至少一者。
  4. 如請求項1之成像系統，其中該等OPD修改光學器件包含一非球面元件及一功率提供光學元件中之至少一者。
  5. 一種包括成像光學器件、一單一孔徑、一感測器陣列及一數位信號處理器之成像系統，該單一孔徑限制光線進入該成像系統，該系統中之一改良包含：一OPD修改元件，其係佈置於該成像系統內，且與該等光線之至少一部分交叉，以便該OPD修改元件與該等成像光學器件及該感測器陣列配合以由該等光線形成一第一影像部分與一第二影像部分，該第一影像部分係在一第一共軛距離範圍上對準焦點，且該第二影像部分係在一第二共軛距離範圍上對準焦點，該兩個共軛距離範圍係分離至少40cm；其中該等OPD修改光學器件對透過該單一孔徑進入之該等光線賦予一連續相位修改以在該光學影像中提供不連續的該第一共軛距離範圍及該第二共軛距離範圍；其中該數位信號處理器利用該等OPD修改光學器件之資訊以用不同方式處理該第一影像部分與該第二影像部分來產生一最終影像。
  6. 一種利用成像光學器件、一感測器陣列及一數位信號處理器之成像方法，該方法中之一改良包含：組態該等成像光學器件，使得透過一單一孔徑而實質上透過該等成像光學器件所透射且入射於該感測器陣列上之電磁能形成一影像，該影像係針對該影像之兩個個 別部分，在至少兩個共軛距離範圍上對準焦點，該兩個共軛距離範圍係分離至少40cm；其中組態包含將一相位修改元件併入該等成像光學器件中，以產生該影像之該兩個個別部分；其中該相位修改元件賦予一連續相位修改以產生不連續之該影像之該兩個個別部分；其中該數位信號處理器利用該相位修改元件之資訊以用不同方式處理該影像之該兩個個別部分來產生一最終影像。
  7. 如請求項6之方法，其中併入該相位修改元件包含一非球面元件及一功率提供光學元件中之至少一者整合於該等成像光學器件中。
  8. 如請求項6之方法，其中併入該相位修改元件包含將一模製材料、一包括次波長相位修改特徵之光學元件及一其中包括折射率變化之材料中之至少一者整合於該等成像光學器件中。
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