TWI831001B - 透鏡陣列成像器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種透鏡陣列成像器，包括：形成具有間距d _x 的透鏡陣列的透鏡L _m ，包括像素陣列區域R _m 的像素陣列，以及在它們之間的有孔擋板層；m={0,1,2,...}。每個像素陣列區域具有寬度r _x <d _x 和間距p _x <d _x 。每個有孔擋板層分別位於距像素陣列的相應距離z _k 處，並且分別具有形成孔徑光闌陣列的相應多個孔徑光闌A _m 。每個孔徑光闌A _m 的中心與區域R _m 的中心以及透鏡L _m 的光學中心共線。每個孔徑光闌陣列具有間距，該間距隨著z _k 接近零而接近p _x ，並且隨著z _k 接近透鏡L ₀和區域R ₀之間的距離z _L 而接近透鏡間距d _x 。每個孔徑光闌A _m 的寬度具有上限，所述上限從當z _k 等於零處的p _x 增加到當距離z _k 等於z _L 處的W _x 。

Description

透鏡陣列成像器

本發明有關於一種成像領域，更詳而言之，其為一種透鏡陣列成像器。

指紋感測正成為越來越普遍的用於對以下進行授權的工具：(a)進入例如智慧型手機之類的電子裝置，(b)擷取機密電子記錄，以及(c)例如在互聯網上進行的金融交易之類的電子交易。指紋感測滿足了對以下身份驗證機制的市場需求：所述身份驗證機制免除了輸入(以及記住)密碼的需要，也免除了掌握與不同裝置及/或帳戶關聯的多個不同密碼的需要。指紋感測是生物特徵識別(Biometric Identification)的一種已構建良好的形式，並且光學指紋感測器已經被使用了多年，例如被執法機構使用。

已經設計了若干不同類型的指紋感測器以用於智慧手機。這些類型的指紋感測器中的每一種都是對手指進行成像以獲得指紋。基於照相機的指紋掃描器使用成像透鏡和影像感測器捕獲指紋的影像。基於準直器的指紋掃描器通過在影像感測器上方對準的透鏡陣列感測指紋。

儘管基於照相機的指紋掃描器的成像透鏡使影像感測器能夠比成像透鏡窄，但是成像透鏡的焦距對指紋掃描器的高度設置了下限。基於準直器的指紋掃描器由於限制了寬度的緊湊性而存在相反的問題。儘管透鏡陣列使指紋掃描器能夠比具有可比性的基於照相機的指紋掃描器更短，但它還要求影像感測器的寬度至少與透鏡陣列一樣寬。本發明揭露的實施例克服了基於照相機和基於準直器的指紋掃描器的這些問題。

一種透鏡陣列成像器包括多個透鏡L _m=0,L ₁,...,L _N-1，包括形成包括多個像素陣列區域R _m=0,R ₁,...,R _N-1的像素陣列的多個像素的影像感測器，以及在影像感測器和透鏡陣列之間的多個有孔擋板層。多個透鏡中的每個透鏡具有寬度W _x ，並且形成在與透鏡L ₀的光軸正交的橫向方向上的透鏡間距d _x 的透鏡陣列，透鏡L ₀ 的光軸限定縱向方向。多個像素陣列區域R _m=0,R ₁,...,R _N-1中的每一個具有在橫向方向上均小於透鏡間距d _x 的感測器區域寬度r _x 和感測器區域間距p _x 。多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層分別位於距像素陣列的相應距離z _k 處，並且分別具有形成孔徑光闌陣列的相應多個孔徑光闌A _m=0,A ₁,...,A _N-1。每個孔徑光闌A _m 的中心與以下兩者都共線：(i)像素陣列區域R _m 的中心，以及(ii)透鏡L _m 的光學中心。孔徑光闌陣列具有在橫向方向上的孔徑光闌間距a _x ，隨著距離z _k 接近零，孔徑光闌間距a _x 接近感測器區域間距p _x ，並且隨著距離z _k 接近沿縱向方向在透鏡L ₀和像素陣列區域R ₀之間的距離z _L ，孔徑光闌間距a _x 接近透鏡間距d _x 。每個孔徑光闌A _m 的寬度具有上限，該上限從當距離z _k 等於零處的感測器區域間距p _x 增加到當距離z _k 等於距離z _L 處的W _x ，使得孔徑光闌A _m 合起來透射穿過透鏡L _m 的在從透鏡L _m 的光學中心起的由像素陣列區域R _m 所對向的角度內的一定範圍的主光線角度以及相關聯的邊緣光線，同時阻擋在對向的角度之外的主光線和關聯的邊緣光線。

100:準直器感測器

102:指墊

110,210:影像感測器

110W,170W,180W,210W,271,280W:寬度

112,212:像素

112A,212A:像素陣列

112P,212P:檢測平面

118(1-N),218(0-M,1'-M'):像素陣列區域

170,270(0-M),270(1'-M'):透鏡

170A,270A:透鏡陣列

178:準直照射

180,280,480,580:板

182(1-N),282(m):板區域

189,289:頂表面

200,600:透鏡陣列成像器

211:感測器區域寬度

216:感測器區域間距

220,230,240,621(1-N _L ):有孔擋板層

221,231,241:孔徑光闌寬度

222,232,242,252:距離

224(0-M,1'-M'),234(0-M,1'-M'),244(0-M,1'-M'):孔徑光闌

224A,234A,244A:孔徑光闌陣列

226,236,246:孔徑光闌間距

262(m):幾何路徑長度

264:角度

272(0):光軸

273(m):光學中心

276:透鏡陣列間距

277(M):對向角

278(m):照射

281(m),481,581:視場

298X,298Y,298Z:方向

312(2),313(1),377(2),379(1):光線

372(m):近邊緣

373(m):遠邊緣

374(m):傳播角

383:間隙

620:單體擋板層

[圖1]是被配置為捕獲指墊的指紋的影像的準直器感測器的截面示意圖。

[圖2]是在實施例中被配置為捕獲指紋的影像的透鏡陣列成像器的截面示意圖。

[圖3]是圖2的透鏡陣列成像器的一部分的截面示意圖。

[圖4]是圖2的透鏡陣列成像器的第一實施例的平面圖。

[圖5]是圖2的透鏡陣列成像器的第二實施例的平面圖。

[圖6]是透鏡陣列成像器的截面示意圖，所述透鏡陣列成像器是圖2的透鏡陣列成像器的示例。

圖1是準直器感測器100的截面示意圖，準直器感測器100被配置 為捕獲指墊(finger pad)102的指紋的影像。圖1的截面圖平行於由正交方向298X和298Z形成的平面，此後稱為x-z平面，正交方向298X和298Z均正交於方向298Y。此處，x-y平面由正交方向298X和298Y形成，並且平行於x-z平面的平面稱為橫向平面。同樣地，橫向方向是指方向298X和298Y中的一個或兩者。除非另有說明，否則本發明中物件的高度是指該對象在方向298Z或與之相反的180°方向上的範圍。

準直器感測器100包括影像感測器110、透鏡陣列170A和板180。板180具有頂表面189和底表面，所述底表面包括多個板區域182(1-N)。板180在方向298X上具有寬度180W，寬度180W足夠大到容納指墊102的指紋。

透鏡陣列170A包括多個透鏡170(1-N)。影像感測器110包括像素陣列112A，其包括多個像素112。為了清晰地圖示，僅以附圖標記標示了圖1中的一個像素112。像素陣列112A包括多個像素陣列區域118(1-N)。像素陣列112A的檢測平面112P位於每個透鏡170的焦平面處。在實施例中，檢測平面112P和與像素陣列112A對準的影像感測器110的微透鏡陣列相交。像素陣列112A和透鏡陣列170A分別具有寬度110W和170W。

每個透鏡170具有與相應的像素陣列區域118的中心以及相應的板區域182的中心對準的光軸。入射在透鏡170(q)上的、從與之對準的像素陣列區域118(q)的中心傳播來的照射(照光入射)被透鏡170(q)透射，作為朝向板區域182(q)傳播的經準直照射178。符號q是範圍從1到N的整數。因此，寬度 110W和170W的最小值受到寬度180W的限制，從而寬度180W限制了準直器感測器100的緊湊性。在後續附圖中揭露的實施例解決了此問題。

圖2是透鏡陣列成像器200的截面示意圖，透鏡陣列成像器200被配置為捕獲指墊102的指紋的影像。透鏡陣列成像器200包括多個透鏡270(0-M)和270(1'-M')以及影像感測器210，其中N=(M+1)+M'。透鏡270(0)具有平行於方向298Z的光軸272(0)。光軸272(0)限定(定義)縱向方向。透鏡270形成透鏡陣列270A，透鏡陣列270A具有由相鄰透鏡270的光軸之間的橫向距離限定的透鏡陣列間距276(在此也為d _x )。每個透鏡270具有小於或等於透鏡陣列間距276的寬度271(在此也為W _x )。每個透鏡270(m)具有相應的光學中心273(m)；圖2示出透鏡270(0)的光學中心273(0)。此處，符號m是在0-M或1'-M'範圍內的整數。

透鏡陣列感測器200可包括板280。板280具有頂表面289和底表面，所述底表面包括多個板區域282(0-M，1'-M')。板280在方向298X上具有寬度280W，寬度280W足夠大到容納指墊102的指紋。

影像感測器210包括形成像素陣列212A的多個像素212。像素陣列212A包括在橫向方向上以小於透鏡陣列間距276(d _x )的感測器區域間距216(在此也為p _x )間隔開的多個像素陣列區域218(0-M,1'-M')。每個像素陣列區域218(m)具有各自的感測器區域寬度211(m)(在此也為r _x )，每個感測器區域寬度211(m)小於或等於感測器區域間距216(r _x

p _x )。在實施例中，每個感測 器區域寬度211(m)對於符號m的每個值具有相同的值。在此，r _x 表示感測器區域寬度211，並且可以根據符號m而變化或者是恒定的。

圖2顯示出沿著光軸272(0)在像素陣列212A與光學中心273(0)之間的垂直距離252(在此也為z _L )。每個像素陣列區域218包括至少一個像素212。例如，像素區域218是像素212的n _x ×n _y 陣列，其中n _x 和n _y 是正整數。在實施例中，垂直距離252在0.4mm和0.08mm之間。

像素陣列212A、透鏡陣列270A和板280具有各自的寬度210W、270W和280W。在實施例中，寬度210W小於寬度270W，寬度270W可以小於寬度280W。例如，寬度280W在5和7毫米之間，而寬度270W最多是寬度280W的百分之八十。

圖2顯示出檢測平面212P，其類似於檢測平面112P。在實施例中，檢測平面212P與影像感測器210的微透鏡陣列相交，所述微透鏡陣列與像素陣列212A對準。在實施例中，像素陣列212A是非平面的，使得檢測平面212P是分段的多個平面，每個平面位於相應的像素陣列區域218上方。

透鏡陣列成像器200還包括在透鏡陣列270A和影像感測器210之間的有孔擋板層220、230和240。有孔擋板層220、230和240分別位於距平面212P的相應距離222、232和242(在此也為z _1-3和z _k ，其中符號k=1,2,3)處。在實施例中，每個有孔擋板層220、230和240由不透明材料形成，例如黑色聚合物光致 抗蝕劑。在實施例中，距離222等於零，使得有孔擋板層220被直接置於檢測平面212P上。

儘管圖2圖示了具有三個有孔擋板層的透鏡陣列成像器200，透鏡陣列成像器200可以包括任何數量的有孔擋板層，而不脫離實施例的範圍。在實施例中，透鏡陣列成像器200包括四個有孔擋板層，其在一些配置中充分地減少串擾。在本文中，有孔擋板層220、230和240中的一個或多個有孔擋板層的所揭露特徵也可以應用於所述附加的有孔擋板層。

在實施例中，每個有孔擋板層220-240在各自的基板上。例如，透鏡陣列成像器200可以包括以下中的至少一個：(i)在檢測平面212P和有孔擋板層220之間的基板，以及(ii)在有孔擋板層220和230之間的基板。在實施例中，基板對於例如可見電磁輻射(可見光)及/或近紅外光是透明的，並且由例如玻璃的電介質形成。

透鏡陣列成像器200的每個有孔擋板層具有前表面、後表面以及在所述前表面和後表面之間的多個中間表面，每個形成有孔擋板層的多個孔徑光闌(aperture stop)中的相應一個。例如，每個有孔擋板層220、230和240分別具有相應多個孔徑光闌224(0-M,1'-M')、234(0-M,1'-M')和244(0-M,1'-M')。孔徑光闌224、234和244形成各自的孔徑光闌陣列224A、234A和244A。每個孔徑光闌224(m)、234(m)、244(m)的中心與以下兩者都共線：(i)像素陣列區域218(m)的中心，和(ii)透鏡270(m)的光學中心。例如，孔徑光闌224 (2)、234(2)、244(2)中的每一個與以下兩者都共線：(i)像素陣列區域218(2)的中心，和(ii)透鏡270(2)的光學中心。

圖2顯示出由各個板區域282(m)發出、入射到透鏡270(m)上並由每個孔徑光闌244(m)、234(m)和224(m)透射、並且到達像素陣列區域218(m)的照射278(m)。在此，符號m表示符號0-M和1'-M'之一。當僅照射278(m)到達像素陣列區域218(m)時，可以說透鏡陣列成像器200是以同構模式(isomorphic mode)操作的，這表示從板區域282(m)到像素陣列區域218(m)的照射的一對一映射，其來自相鄰的像素陣列區域218(l≠m)的串擾(cross-talk)低於預定閾值。

透鏡陣列成像器200包括N個光收集器202。每個光收集器202(m)包括透鏡270(m)、孔徑光闌244(m)、234(m)和224(m)以及像素陣列區域218(m)。為了清楚圖示，圖2只標記了光收集器202(1')。每個光收集器202在板區域282(m)處具有相應的視場281(m)。

孔徑光闌陣列224A、234A和244A在橫向方向上具有各自的孔徑光闌間距226、236和246。隨著距離222(z ₁)接近零，孔徑光闌間距226接近感測器區域間距216(p _x )，而隨著距離222接近距離252，孔徑光闌間距226接近透鏡陣列間距276(d _x )。這對於孔徑光闌間距236和246也同樣適用。隨著距離232(z ₂)接近零，孔徑光闌間距236接近感測器區域間距216(p _x )，而隨著距離232接近距離252，孔徑光闌間距236接近透鏡陣列間距276(d _x )。隨著距離242(z ₂ z ₃) 接近零，孔徑光闌間距246接近感測器區域間距216(p _x )，而隨著距離242接近距離252，孔徑光闌間距246接近透鏡陣列間距276(d _x )。

孔徑光闌間距226、236和246中的每一個是透鏡陣列成像器200的有孔擋板層的孔徑光闌間距a _x 的示例。隨著距離z _k 接近零，孔徑光闌間距a _x 接近感測器區域間距p _x ，並且隨著距離z _k 接近距離252，孔徑光闌間距a _x 接近透鏡陣列間距d _x 。在實施例中，孔徑光闌間距a _x 是z _k 的線性函數，其範圍從距離z_k等於零處的感測器區域間距p _x 到當距離z _k 等於距離252處的間距d _x 。在實施例中，線性函數a _x (z _k )等於(1-z _k /z _L )p _x +(z _k /z _L )d _x ，其中z _L 是距離252，p _x 是感測器區域間距216，以及d _x 是透鏡陣列間距276。

孔徑光闌陣列224A、234A和244A在橫向方向上具有各自的孔徑光闌寬度221、231和241。孔徑光闌寬度221從當距離222(z ₁)等於零處的感測器區域間距216(p _x )增加到當距離222(z ₁)等於距離252處的寬度271(W _x )。這對於孔徑光闌寬度231和241同樣也適用。孔徑光闌寬度231從當距離232(z ₂)等於零處的感測器區域間距216(p _x )增加到當距離232(z ₂)等於距離252處的寬度271(W _x )。孔徑光闌寬度241從當距離242(z ₃)等於零處的感測器區域間距216(p _x )增加到當距離242(z ₃)等於距離252處的寬度271(W _x )。對於孔徑光闌寬度221、231和241的這種限制的結果是孔徑光闌224(m)、234(m)、244(m)合起來透射穿過透鏡270(m)的在從透鏡270(m)的光學中心起的由像素陣列區域218(m)所對向的角度內的一定範圍的主光線角度(chief-ray angle)以及相關聯的邊緣光線，同時阻擋所對向的角度之外的主光線和關聯的邊緣光 線(marginal ray)。因此，此限制使得透鏡陣列成像器200能夠在上述的同構模式下操作。

例如，圖2圖示了透射穿過孔徑光闌224(M)、234(M)和244(M)的主光線角度中的由像素陣列區域218(M)所對向的對向角277(M)。最接近於像素陣列212A的孔徑光闌，在此示例中為孔徑光闌224(M)，其尺寸限制了所透射的主光線角度的範圍，而其他孔徑光闌(在此示例中的234、244)阻擋了邊緣光線。被阻擋的邊緣光線包括與透射穿過最接近的孔徑光闌-孔徑光闌224(M)的主光線相關聯的邊緣光線。孔徑光闌224(M)、234(M)和244(M)的寬度導致像素陣列區域218(M)僅接收從板區域282(M)發出的到達透鏡270(M)的光，在此限定為照射278(M)。

在實施例中，孔徑光闌寬度221、231和241中的每個孔徑光闌寬度小於或等於r _x +(z _k /z _L )W _x ，其中z _L 是距離252，r _x 是感測器區域寬度211，以及W _x 是透鏡寬度271。例如，孔徑光闌寬度221、231和241中的每一個小於或等於(z _k /z _L )W _x ，這部分地使得到達像素陣列區域219的照射278的聚焦光斑尺寸小於感測器區域寬度211。這增加了透鏡陣列270A對像素陣列區域218以及孔徑光闌陣列224A、234A和244A的孔徑的對準容忍度。在實施例中，距離222(z _k 的示例)等於零，並且孔徑光闌寬度221小於感測器區域寬度211，這也增加了上述對準容忍度。在實施例中，孔徑光闌寬度221、231和241中的每一個不超過(z _k /z _L )W _x 和由透鏡270(m)在像素陣列區域218(m)處形成的繞射限制光斑尺寸中的較大者。

儘管如目前為止所討論的，限制孔徑光闌寬度221、231和241的尺寸對於使透鏡陣列成像器200能夠以同構模式進行操作很有價值，但是孔徑光闌寬度221、231和241可能太小，例如，當(z _k /z _L )W _x 小於由透鏡270(m)和像素陣列區域218(m)形成的繞射限制(diffraction-limited)光斑尺寸時。在實施例中，當(z _k /z _L )W _x 小於此繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌的寬度(例如，孔徑光闌寬度221、231和241)可超過(z _k /z _L )W _x 和/或小於或等於繞射限制光斑尺寸。當(z _k /z _L )W _x 大於此繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌的寬度不超過(z _k /z _L )W _x 。

每個透鏡270(m)具有各自的在透鏡270(m)的光學中心與像素陣列區域218(m)的中心之間的幾何路徑長度262(m)。例如，圖2示出在透鏡270(M')的光學中心273(M')與像素陣列區域218(M')的中心之間的幾何路徑長度262(M')。為了清楚圖示，圖2沒有示出其他的幾何路徑長度262(m≠M')。

在實施例中，幾何路徑長度262(m)小於透鏡270(m)的焦距f _m ，使得透鏡270(m)被配置為將入射在其上的會聚光聚焦到像素陣列區域218(m)的中心。在這樣的實施例中，在板區域282(m)至透鏡270(m)之間傳播的照射278(m)中的每一個都會聚，並且透鏡270(m)將照射278(m)聚焦在檢測平面212P上。此限制的技術益處包括(i)允許透鏡陣列成像器200以同構模式操作，以及(i)允許寬度270W小於板280的寬度280W，因而有利於透鏡陣列成像器200的緊湊性。

每個幾何路徑長度262(m)是沿著以相對於光軸272(0)的角度264(m)取向的線性路徑。例如，圖2示出角度264(M')。為了清楚圖示，圖2沒有顯示出其他角度264(m≠M')。將角度264(m)示為θ _m ，則角度264(m)滿足tan θ _m =(m/z _L )(d _x -p _x )m(d _x -p _x )/z _L 。角度264中的最大角度是角度264(M)和264(M')，所述角度在實施例中都在二十五度和三十五度之間。角度θ _m 相對於零度的偏離是在橫向方向上在透鏡270(m)與透鏡270(0)之間的距離的遞增函數。在角度{θ ₀,θ ₁,...,θ _N-1}之中，角度θ ₀最接近零度。

圖3是透鏡陣列成像器200的一部分的截面示意圖，包括像素陣列區域218(0-2)、透鏡270(0-2)和板區域282(0-2)。每個透鏡270(m)具有相對於透鏡270(0)的近邊緣372(m)和遠邊緣373(m)。在實施例中，透鏡270(m)的焦距f _m 和透鏡270(m+1)的焦距f _m+1被配置為滿足以下兩個條件。第一，從像素陣列區域218(m)的中心朝向遠邊緣373(m)傳播的第一光線313(m)以相對於光軸272(0)的傳播角374(m)從透鏡270(m)出射。第二，從像素陣列區域218(m+1)的中心朝向透鏡270(m+1)的近邊緣傳播的光線312(m+1)以傳播角374(m)從透鏡270(m+1)出射。相鄰透鏡270的焦距的這種配置導致透鏡陣列成像器200以同構模式操作。

例如，圖3顯示出了透鏡270(1)的近邊緣372(1)和遠邊緣373(1)，以及透鏡270(2)的近邊緣372(2)和遠邊緣373(2)。圖3顯示出了光線313(1)和312(2)。光線313(1)從像素陣列區域218(1)的中心朝向透鏡270(1)的遠邊緣373(1)傳播，並作為如光線379(1)的光線從透鏡270(1) 出射，該光線379(1)以相對於光軸272(0)的角度374(1)傳播。光線312(2)從像素陣列區域218(2)的中心朝向透鏡270(2)的近邊緣372(2)傳播。在實施例中，光線312(2)作為光線377(2)從透鏡270(2)出射，光線377(2)以相對於光軸272(0)的角度374(1)傳播。更一般來講，在實施例中，光線379(m)和377(m+1)沿相同方向傳播。

在實施例中，焦距f _m 是角度264(m)的遞增函數。將幾何路徑長度262(m)示為g _m ，則cosθ _m =z _L /g _m 。隨著角度264(m)增加，幾何路徑長度262(m)也增加。為了補償幾何路徑長度的此增加，焦距f _m 也增加，以將透鏡陣列成像器200的操作保持在同構模式。例如，焦距f _m 作為角度264(m)的函數而增加，以確保光線379(m)和377(m+1)沿相同方向傳播，這最小化或減小了相鄰光收集器202(m)和202(m±1)的相鄰視場281(m)和281(m±1)之間的間隙的寬度。例如，圖3顯示出視場281(1)和281(2)之間的間隙383。焦距f _m 是角度264(m)的遞增函數的益處是保持間隙383較小，使得指墊102的指紋能夠被充分成像。

在實施例中，光收集器202在橫向平面中以二維陣列佈置。圖4是在各個板區域處分別具有視場481(m _x ,m _y )的板480的平面圖，其中m _x 和m _y 中的每一個是在-2和+2之間的整數。板480、視場481和板480之板區域分別是圖2的透鏡陣列成像器200的板280、視場281和板區域282的相應示例。每個視場481(m _x ,m _y )是透鏡陣列成像器200的實施例的相應的光收集器202(m _x ,m _y )的視場。在圖4的示例中，視場481是圓形的，並且相鄰視場481是鄰接的，使得沿著 方向298X和298Y的任一個，在相鄰視場481的中心之間都沒有間隙。

在實施例中，每個焦距f _m 是相等的，這具有低成本製造的益處以及非均勻視場的代價。在第一均勻焦距實施例中，焦距f ₀大於距離252(g ₀<f ₀)，並且所有其他焦距f _m =f ₀。在這樣的實施例中，由於幾何路徑長度g _m 是m的遞增函數，因此對於超過閾值m ₁的符號m的值，幾何路徑長度262(m)超過焦距f _m 。對於符號(m ₁-1)，幾何路徑長度262(m ₁-1)小於或等於焦距f _m-1。

圖5是板580以及在各個板區域處的視場581(m _x ,m _y )的平面圖，其中m _x 和m _y 中的每一個是在-2和+2之間的整數。板580、視場581和板580之板區域分別是在第一均勻焦距實施例中，圖2的透鏡陣列成像器200的板280、視場281和板區域282的相應示例。在此實施例中，與光收集器相關聯的視場581(m _x ,m _y )作為該光收集器與在(m _x ,m _y )=(0，0)處的光收集器相距的距離的函數而減小。儘管相鄰的視場481是鄰接的(圖4)，但是在實施例中，相鄰的視場581是不鄰接的，這導致它們之間的間隙更大，並因此導致指墊102的更加稀疏的採樣影像。

在實施例中，視場581(0，0)被增大，使得其與相鄰於視場581(0，0)的八個視場581中的至少一個相切或重疊，這以串擾為代價增加了所檢測的照射。增大視場581(0，0)的一種手段是通過與其他透鏡270的通用焦距相比增加透鏡270(0，0)的焦距而偏離於均勻焦距實施例。第二種手段是在減小透鏡270(0，0)與檢測平面212P之間的距離以使得透鏡270(0，0)不再與其他 透鏡270共面的同時，保持均勻焦距。

圖6是透鏡陣列成像器600的截面示意圖，透鏡陣列成像器600是其中有孔擋板層220、230和240被單個單體擋板層620代替的透鏡陣列成像器200。單體擋板層620可以被視為多個鄰接的有孔擋板層621(1-N _L )，其中N _L 是正整數。在圖6的示例中，N _L =16。在實施例中，單體擋板層620是通過加成製程(additive process)形成的，例如擋板層621(1-N _L )的逐層沉積。擋板層620的各分立層621可以是不可區分的。每個有孔擋板層621是透鏡陣列成像器200的有孔擋板層的示例。在方向298Z上，每對緊鄰的有孔擋板層621之間的距離為零。在實施例中，單體擋板層620是通過消去製程(subtractive process)形成的，並且單體擋板層620的每個層621指的是在其中的相應的深度範圍。

特徵的組合

上面描述的特徵和下面要求保護的特徵可以以各種方式組合而不脫離本發明的範圍。以下列舉的示例說明了一些可能的非限制性組合：

(A1)一種透鏡陣列成像器包括多個透鏡L _m=0,L ₁,...,L _N-1，包括形成包括多個像素陣列區域R _m=0,R ₁,...,R _N-1的像素陣列的多個像素的影像感測器，以及在影像感測器和透鏡陣列之間的多個有孔擋板層。多個透鏡中的每個透鏡具有寬度W _x ，並且形成在與透鏡L ₀的光軸正交的橫向方向上的透鏡間距d _x 的透鏡陣列，透鏡L ₀ 的光軸限定縱向方向。多個像素陣列區域R _m=0,R ₁,...,R _N-1中的 每一個具有在橫向方向上均小於透鏡間距d _x 的感測器區域寬度r _x 和感測器區域間距p _x 。多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層分別位於距像素陣列的相應距離z _k 處，並且分別具有形成孔徑光闌陣列的相應多個孔徑光闌A _m=0,A ₁,...,A _N-1。每個孔徑光闌A _m 的中心與以下兩者都共線：(i)像素陣列區域R _m 的中心，以及(ii)透鏡L _m 的光學中心。孔徑光闌陣列具有在橫向方向上的孔徑光闌間距a _x ，隨著距離z _k 接近零，孔徑光闌間距a _x 接近感測器區域間距p _x ，並且隨著距離z _k 接近沿縱向方向在透鏡L ₀和像素陣列區域R ₀之間的距離z _L ，孔徑光闌間距a _x 接近透鏡間距d _x 。每個孔徑光闌A _m 的寬度具有上限，該上限從當距離z _k 等於零處的感測器區域間距p _x 增加到當距離z _k 等於距離z _L 處的W _x ，使得孔徑光闌A _m 合起來透射穿過透鏡L _m 的在從透鏡L _m 的光學中心起的由像素陣列區域R _m 所對向的角度內的一定範圍的主光線角度以及相關聯的邊緣光線，同時阻擋在對向的角度之外的主光線和關聯的邊緣光線。

(A2)在透鏡陣列成像器(A1)中，孔徑光闌間距a _x 可以是z _k 的線性函數，其範圍從距離z _k 等於零處的感測器區域間距p _x 到當距離z _k 等於距離z _L 處的透鏡間距d _x 。

(A3)在透鏡陣列成像器(A2)中，線性函數可以為(1-z _k /z _L )p _x +(z _k /z _L )d _x 。

(A4)在根據(A1)-(A3)中的任一項的透鏡陣列成像器中，多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度可以不超過r _x +(z _k /z _L )W _x 。

(A5)在根據(A1)至(A4)中的任一項的透鏡陣列成像器中，多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度可以不超過(z _k /z _L )W _x 。

(A6)在根據(A1)-(A5)中任一項的透鏡陣列成像器中，多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度可以不超過(z _k /z _L )W _x 和由透鏡L _m 在像素陣列區域R _m 處形成的繞射限制光斑尺寸中的較大者。

(A7)在根據(A1)至(A6)中任一項的透鏡陣列成像器中，當(z _k /z _L )W _x 大於由透鏡L _m 在像素陣列區域R _m 處形成的繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌A _m 的寬度可以不超過(z _k /z _L )W _x 。當(z _k /z _L )W _x 小於繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌A _m 的寬度可以不超過繞射限制光斑尺寸。

(A8)在根據(A1)-(A7)中的任何一個的透鏡陣列成像器中，對於每個透鏡L _m ，透鏡L _m 的光學中心與像素陣列區域R _m 的中心之間的幾何路徑長度可以小於透鏡L _m 的焦距f _m ，使得透鏡L _m 被配置為將入射在其上的會聚光聚焦到像素陣列區域R _m 的中心。

(A9)在透鏡陣列成像器(A8)中，其中透鏡L _m 具有相對於透鏡L ₀的遠邊緣，透鏡L _m+1具有相對於透鏡L ₀並且與遠邊緣相鄰的近邊緣，並且透鏡L _m 的焦距f _m 和透鏡L _m+1的焦距f _m+1可以被配置為使得：從像素陣列區域R _m 的中心朝向透鏡L _m 的遠邊緣傳播的第一光線以相對於縱向方向的第一 傳播角從透鏡L _m 出射；以及從像素陣列區域R _m+1的中心朝向透鏡L _m+1的近邊緣傳播的第二光線以第一傳播角從透鏡L _m+1出射。

(A10)在根據(A8)和(A9)中任一項的透鏡陣列成像器中，幾何路徑長度沿著幾何路徑方向，焦距f _m 可以是所述幾何路徑方向與縱向方向之間的角度θ _m 的遞增函數，幾何路徑方向在橫向方向和縱向方向的平面中。

(A11)在透鏡陣列成像器(A10)中，角度θ _m 相對於零度的偏離可以是在橫向方向上在透鏡L _m 與透鏡L ₀之間的距離的遞增函數；以及在角度{θ ₀,θ ₁,...,θ _N-1}之中，角度θ ₀可以最接近零度。

(A12)在根據(A10)或(A11)中的任一項的透鏡陣列成像器中，透鏡陣列可以在垂直於縱向方向的透鏡陣列平面中，像素陣列可以在像素陣列平面中，角度θ _m 可以滿足tan θ _m =(m/z _L )(d _x -p _x )。

(A13)在透鏡陣列成像器(A8)中，焦距f ₁,...,f _N-1中的每個焦距可以等於焦距f ₀。

(A14)在根據(A1)-(A12)中任一項的透鏡陣列成像器中，透鏡陣列可以在垂直於縱向方向的透鏡陣列平面中，像素陣列可以在像素陣列平面中。

(A15)在根據(A1)-(A14)中任一項的透鏡陣列成像器中，多個有孔擋板層可以包括四個有孔擋板層。

(A16)在根據(A1)-(A15)中任一項的透鏡陣列成像器中，在多個孔徑光闌中的相鄰孔徑光闌之間，多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層對於可見電磁輻射可以是不透明的。

(A17)在根據(A1)-(A16)中任一項的透鏡陣列成像器中，多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層可以具有前表面、後表面以及在所述前表面和後表面之間的多個中間表面，每個形成有孔擋板層的多個孔徑光闌中的相應一個。

(A18)在根據(A1)-(A17)中任一項的透鏡陣列成像器中，多個有孔擋板層中的每對緊鄰的有孔擋板層之間的距離在縱向方向上可以等於零。

(A19)在透鏡陣列成像器(A18)中，多個有孔擋板層可以形成單體擋板層。

在不脫離本實施例的範圍的情況下，可以對以上方法和系統進行改變。因此應注意，以上描述中包含的或附圖中所示的內容應解釋為說明性的，而不是限制性的。在本發明中，除非另外指出，否則短語“在實施例中”等同於短 語“在某些實施例中”，並且不表示所有實施例。所附申請專利範圍旨在覆蓋本發明所述的所有一般和特定特徵，以及本發明方法和系統的範圍的所有陳述，就語言而言，可以認為其介於兩者之間。

200:透鏡陣列成像器

211:感測器區域寬度

216:感測器區域間距

220,230,240:有孔擋板層

221,231,241:孔徑光闌寬度

222,232,242,252:距離

224(0-M,1'-M'),234(0-M,1'-M'),244(0-M,1'-M'):孔徑光闌

224A,234A,244A:孔徑光闌陣列

226,236,246:孔徑光闌間距

262(m):幾何路徑長度

264:角度

272(0):光軸

273(m):光學中心

276:透鏡陣列間距

277(M):對向角

278(m):照射

281(m):視場

298X,298Y,298Z:方向

Claims (19)

1. 一種透鏡陣列成像器，包括：多個透鏡L _m=0,L ₁,...,L _N-1，每個透鏡具有寬度W _x ，並且形成具有在與透鏡L ₀的光軸正交的橫向方向上的透鏡間距d _x 的透鏡陣列，該透鏡L ₀ 的光軸限定縱向方向；影像感測器，包括形成像素陣列的多個像素，該像素陣列包括具有感測器區域寬度r _x 和感測器區域間距p _x 的多個像素陣列區域R _m=0,R ₁,...,R _N-1，該感測器區域寬度r _x 和該感測器區域間距p _x 在橫向方向上均小於透鏡間距d _x ；以及在該影像感測器和該透鏡陣列之間的多個有孔擋板層，該多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層分別位於距該像素陣列的相應距離z _k 處，並且分別具有形成孔徑光闌陣列的相應多個孔徑光闌A _m=0,A ₁,...,A _N-1，每個孔徑光闌A _m 的中心與以下兩者都共線：(i)像素陣列區域R _m 的中心，以及(ii)透鏡L _m 的光學中心，該孔徑光闌陣列具有在橫向方向上的孔徑光闌間距a _x ，隨著距離z _k 接近零，該孔徑光闌間距a _x 接近感測器區域間距p _x ，並且隨著距離z _k 接近沿縱向方向在透鏡L ₀和像素陣列區域R ₀之間的距離z _L ，該孔徑光闌間距a _x 接近透鏡間距d _x ，每個孔徑光闌A _m 的寬度具有上限，該上限從當距離z _k 等於零處的感測器區域間距p _x 增加到當距離z _k 等於距離z _L 處的W _x ，使得孔徑光闌A _m 合起來透射穿過透鏡L _m 的在從透鏡L _m 的光學中心起的由像素陣列區域R _m 所對向的角度內的一定範圍的主光線角度以及相關聯的邊緣光線，同時阻擋在該對向的角度之外的主光線和關聯的邊緣光線。
2. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該孔徑光闌間距a _x 是z _k 的線性函數，其範圍從距離z _k 等於零處的感測器區域間距p _x 到當距離z _k 等於距離z _L 處的透鏡間距d _x 。
3. 根據請求項2所述的透鏡陣列成像器，其中該線性函數為(1-z _k /z _L )p _x +(z _k /z _L )d _x 。
4. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度不超過r _x +(z _k /z _L )W _x 。
5. 根據請求項4所述的透鏡陣列成像器，其中該多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度不超過(z _k /z _L )W _x 。
6. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌的寬度不超過(z _k /z _L )W _x 和由透鏡L _m 在像素陣列區域R _m 處形成的繞射限制光斑尺寸中的較大者。
7. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中當(z _k /z _L )W _x 大於由透鏡L _m 在像素陣列區域R _m 處形成的繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌A _m 的寬度不超過(z _k /z _L )W _x ；以及當(z _k /z _L )W _x 小於該繞射限制光斑尺寸時，每個孔徑光闌A _m 的寬度不超過該 繞射限制光斑尺寸。
8. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中對於每個透鏡L _m ，透鏡L _m 的光學中心與像素陣列區域R _m 的中心之間的幾何路徑長度小於透鏡L _m 的焦距f _m ，使得透鏡L _m 被配置為將入射在其上的會聚光聚焦到該像素陣列區域R _m 的中心。
9. 根據請求項8所述的透鏡陣列成像器，其中透鏡L _m 具有相對於透鏡L ₀的遠邊緣，透鏡L _m+1具有相對於透鏡L ₀並且與該遠邊緣相鄰的近邊緣，並且透鏡L _m 的焦距f _m 和透鏡L _m+1的焦距f _m+1被配置為使得：從像素陣列區域R _m 的中心朝向透鏡L _m 的該遠邊緣傳播的第一光線以相對於縱向方向的第一傳播角從透鏡L _m 出射；以及從像素陣列區域R _m+1的中心朝向透鏡L _m+1的該近邊緣傳播的第二光線以該第一傳播角從透鏡L _m+1出射。
10. 根據請求項8所述的透鏡陣列成像器，其中該幾何路徑長度沿著幾何路徑方向，該焦距f _m 是該幾何路徑方向與縱向方向之間的角度θ _m 的遞增函數，該幾何路徑方向在橫向方向和縱向方向的平面中。
11. 根據請求項10所述的透鏡陣列成像器，其中角度θ _m 相對於零度的偏離是在橫向方向上在透鏡L _m 與透鏡L ₀之間的距離的遞增函數；以及 在角度{θ ₀,θ ₁,...,θ _N-1}之中，角度θ ₀最接近零度。
12. 根據請求項10所述的透鏡陣列成像器，其中該透鏡陣列在垂直於縱向方向的透鏡陣列平面中，該像素陣列在像素陣列平面中，角度θ _m 滿足tan θ _m =(m/z _L )(d _x -p _x )。
13. 根據請求項8所述的透鏡陣列成像器，其中焦距f ₁,...,f _N-1中的每個焦距等於焦距f ₀。
14. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該透鏡陣列在垂直於縱向方向的透鏡陣列平面中，該像素陣列在像素陣列平面中。
15. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該多個有孔擋板層包括四個有孔擋板層。
16. 如請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中在該多個孔徑光闌中的相鄰孔徑光闌之間，該多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層對於可見電磁輻射是不透明的。
17. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該多個有孔擋板層中的每個有孔擋板層具有前表面、後表面以及在該前表面和該後表面之間的多個中間表面，每個形成該有孔擋板層的多個孔徑光闌中的相應一個。
18. 根據請求項1所述的透鏡陣列成像器，其中該多個有孔擋板層中的每對緊鄰的有孔擋板層之間的距離在縱向方向上為零。
19. 根據請求項18所述的透鏡陣列成像器，其中該多個有孔擋板層形成單體擋板層。