專(zhuān)利名稱(chēng)：具有電可變的擴(kuò)展景深的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
擴(kuò)展景深(EDOF)為相機(jī)用戶提供增大的范圍，物體被聚焦在該增大的范圍上。然而，該范圍以調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在共軛的給定范圍處的下降為代價(jià)。解決這種問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是通過(guò)為相機(jī)提供具有可控直徑的孔徑光闌，諸如虹彩光圈。然而，虹彩光圈需要僅適用于大型相機(jī)而不適用于超緊湊相機(jī)(諸如手機(jī)相機(jī))的大型、笨重且較昂貴的元件。此夕卜，通過(guò)有效地增大透鏡焦比，虹彩光圈獲得增大的景深，從而使到達(dá)透鏡和相機(jī)傳感器的光的量降低與孔徑面積的降低成比例的量。因此，需要一種系統(tǒng)和方法能夠?yàn)橄鄼C(jī)用戶提供具有足夠靈活性以適于不同成像情況的可變的EDOF量。下列美國(guó)專(zhuān)利提供關(guān)于波前編碼的信息，并且其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文 第 5，748，371,6, 525，302,6, 842，297,6, 911，638,6, 940，649,7, 115，849,7, 180，673、 7，218，448,7, 260，251,7, 379，613 號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。

發(fā)明內(nèi)容
本光學(xué)器件提供一種光學(xué)成像系統(tǒng)，諸如相機(jī)，其具有擴(kuò)展景深(EDOF)并允許 EDOF的量被改變(或完全去除)，從而在距離的可變范圍內(nèi)生成具有清晰細(xì)節(jié)的圖像。例如，當(dāng)拍攝風(fēng)景時(shí)，可以關(guān)閉EDOF功能，而當(dāng)拍攝快速運(yùn)動(dòng)的對(duì)象時(shí)(例如，在體育活動(dòng)中)，可以提供大量ED0F。在一個(gè)實(shí)施方式中，該光學(xué)器件包括光學(xué)透明的液晶層；光學(xué)透明的相位掩模板，與液晶層光學(xué)對(duì)齊，并通過(guò)光學(xué)透明的基板與液晶層隔開(kāi)；光學(xué)透明的折射率匹配層， 相鄰于相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置，并具有與相位掩模板的折射率基本匹配的折射率； 以及一對(duì)電極，用于生成作用于液晶層以與施加至電極的信號(hào)的幅度成比例地改變光學(xué)系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)。


圖IA是示出現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)諧液晶透鏡的圖示；圖IB是示出可選的現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)諧液晶透鏡的圖示；圖2A是示出采用本系統(tǒng)的光學(xué)器件的示例性成像系統(tǒng)的高級(jí)圖示；圖2B是示出與本系統(tǒng)結(jié)合使用的方法所實(shí)行的一組示例性高級(jí)步驟的圖示；圖3A是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可變、可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件的細(xì)節(jié)的圖示；圖;3B是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可變、可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件的細(xì)節(jié)的圖示；圖3C是示出本光學(xué)器件的另一個(gè)實(shí)施方式的示例性光學(xué)器件的細(xì)節(jié)的圖示；
圖3D是示出本光學(xué)器件的另一個(gè)實(shí)施方式的示例性光學(xué)器件的細(xì)節(jié)的圖示；圖4是示出在使用具有可變EDOF的相機(jī)處理波前編碼的圖像時(shí)所實(shí)行的一組示例性步驟的流程圖；以及圖5是示出在對(duì)具有自動(dòng)對(duì)焦和EDOF功能的器件進(jìn)行設(shè)定時(shí)所實(shí)行的一組示例性步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖IA是示出現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)諧液晶透鏡100的圖示。透鏡100包括液晶(LC)層 102、以及具有核心透鏡107的“隱藏”層104。層104是光學(xué)透明的并在LC層102中引起電場(chǎng)，該電場(chǎng)相對(duì)于核心透鏡107的形狀成比例地成形。核心透鏡107由光學(xué)透明的材料制成。透鏡100的聚焦通過(guò)對(duì)通過(guò)電源108施加至電極109/110的信號(hào)的幅度和/或頻率進(jìn)行控制來(lái)實(shí)行。LC材料通常表現(xiàn)為極性分子的形式，極性分子是適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)的，并且因此通過(guò)沿著電場(chǎng)方向重新對(duì)齊它們的電極來(lái)響應(yīng)電場(chǎng)的存在。此外，因?yàn)長(zhǎng)C分子的極性性質(zhì)，所以當(dāng)它們被極化(poled)(也就是說(shuō)，它們的分子沿著優(yōu)選的軸線對(duì)齊)時(shí)，它們所表現(xiàn)出的折射率取決于穿過(guò)它們透射的光的偏振。當(dāng)光垂直于LC分子的取向的平均方向偏振時(shí)，Iirff =η。(即，有效折射率neff基本接近于該材料的普通折射率η。)并且不發(fā)生光延遲。當(dāng)光在任何其他方向偏振時(shí)(或，相反地，當(dāng)LC分子改變它們的取向的平均方向時(shí))，neff取η。與非常折射率ne之間的值。在該情況下，透射的光經(jīng)歷光延遲，光延遲空間地變化且與n0與 neff之間的差以及光學(xué)材料的厚度成比例。光延遲的空間變化是這樣一種效果，該效果允許人們空間地調(diào)制穿過(guò)可調(diào)諧LC 透鏡100的光的相位(也就是說(shuō)，波前)，并因此獲得可調(diào)諧聚焦功率。位置X處的相位延遲的局部量Δ θ (χ)可通過(guò)以下方程式確定Δ θ (χ) = 2 Π (neff_n0) t (χ) / λ其中t (χ)是LC材料的局部厚度，λ是光在真空中的波長(zhǎng)。對(duì)于典型鐵電LC材料，在約28伏特的施加電壓下，在IOOHz至IOOkHz的范圍內(nèi)， 電源108在LC單元102表現(xiàn)出強(qiáng)烈反應(yīng)的頻率處被調(diào)制。電源108在LC層102中引起電場(chǎng)，該電場(chǎng)導(dǎo)致極性LC分子的長(zhǎng)分子軸線的平均方向的重新取向。LC分子的這種重新取向?qū)е翷C材料的有效折射率變化為新的有效值nrff，并且相應(yīng)地影響波前的調(diào)制。用于驅(qū)動(dòng)電源108的控制器的一個(gè)示例是SummitMicroelectronics (頂峰微電子公司)型號(hào)為 SMB274的可編程AF驅(qū)動(dòng)器。透鏡100包括三個(gè)平的、剛性的透明(例如，玻璃)基板101、103、105，并具有限定于基板101與103之間的第一單元間隙102、以及限定于基板103與105之間的第二間隙104。透鏡100還包括設(shè)置在單元間隙102內(nèi)的LC層102。單元間隙104包括透明介電材料(諸如光學(xué)粘合劑)制成的隱藏透鏡形元件(核心透鏡)107，如圖所示，該透明介電材料具有與兩個(gè)折射率匹配層106和111基本配合的凸?fàn)畋砻?。光學(xué)粘合劑表現(xiàn)為高的光透射、低的散射、以及均勻的折射率。光學(xué)粘合劑通常是設(shè)置為所需形狀或形式并隨后通過(guò)固化(通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理效果，例如，在暴露于紫外光時(shí)固化的液體光聚合物)而凝固的液體。這種粘合劑的合適示例是Norland Products, Inc制造的Norland光學(xué)粘合劑61 (Optical Adhesive 61) (NOA 61)。層106和111是光學(xué)透明的折射率匹配層，其特征在于與透鏡形元件107的折射率基本匹配的折射率。第一基板103與層114之間設(shè)置有基本環(huán)形或方形的光學(xué)透明的材料(例如，粘合劑)以提供折射率匹配層111，折射率匹配層111具有與透鏡形元件107的折射率基本匹配的折射率。在層111與層106之間設(shè)置有由合適材料(例如SiOx或聚酰亞胺)制成的對(duì)齊層116(通過(guò)虛線示出)。對(duì)齊層116設(shè)置在薄的、光學(xué)透明的、第四基板114上，基板114具有用于將非平面輪廓(例如，圖1示例中的凹狀)給予層106的非平面形狀(例如，圖1示例中的凸?fàn)?。 基板114可以是最初設(shè)置有對(duì)齊層116并隨后形成為非平面形狀的柔性片。透鏡100還包括設(shè)置于基板101的內(nèi)表面上并由透明導(dǎo)電材料(例如，ΙΤ0)制成的第一、平且光學(xué)透明的電極109，以及設(shè)置在基板105的內(nèi)表面上的相似的光學(xué)透明的電極110。透鏡100還包括對(duì)齊層113，對(duì)齊層113通過(guò)使用面向?qū)?06的合適材料(例如 SiOx或聚酰亞胺)覆蓋電極110而設(shè)置于層106與基板105之間。任選地，中間光學(xué)透明電極115可以設(shè)置在基板114上，從而給予電極115非平面形狀。電極109和110，或可替換地，電極109和115用以產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)作用于LC層102以改變透鏡100的光學(xué)參數(shù)， 電場(chǎng)的形狀由核心透鏡107的形狀決定。核心透鏡107和折射率匹配層111的介電常數(shù)基本不同，即使它們的折射率基本匹配。這導(dǎo)致在LC層102中引起的電場(chǎng)處于非常顯著的RF頻率(例如，IO2至IO5Hz)下。 例如，核心透鏡107可由具有1. 56的固化折射率和4. 04的介電常數(shù)的NOA 61制成，而折射率匹配層可由具有1. 56的固化折射率和3. 1的介電常數(shù)的另一種光學(xué)粘合劑(例如， Opti-tec 5012(由 Intertronics Co. ,UK 制造))制成。在一種實(shí)施方式中，層111包括沿著其外圍延伸的一個(gè)或多個(gè)剛性的、單元內(nèi)部的間隔器112，并且層106相似地包括一個(gè)或多個(gè)剛性的、單元外部的間隔器112’。圖IB是示出可選的現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)諧液晶透鏡150的圖示。透鏡150與透鏡 100 (圖1A)相似，但去掉了基板101和LC層102，并用透鏡150中的LC層106代替透鏡100 中的功能相當(dāng)?shù)腖C層102。透鏡150的聚焦通過(guò)對(duì)經(jīng)由電源108施加至電極109/110(或 115)的信號(hào)的幅度或頻率進(jìn)行控制來(lái)實(shí)行。任選的中間光學(xué)透明電極115可以設(shè)置在基板114上，從而給予電極115非平面形狀。電極109和110，或可替換地，電極109和115用以產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)作用于LC層106 以改變透鏡100的光學(xué)參數(shù)。在一種實(shí)施方式中，層111任選地包括沿著其外圍延伸的一個(gè)或多個(gè)剛性的、單元內(nèi)部的間隔器112，并且層106相似地包括沿著其外圍延伸的一個(gè)或多個(gè)剛性的、單元外部的間隔器112’。圖2A是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的采用光學(xué)器件250的示例性成像系統(tǒng)200的高級(jí)圖示。如圖2中所示，包括光學(xué)器件250的透鏡系統(tǒng)222設(shè)置在透鏡系統(tǒng)的孔徑光闌225處或附近，并且光學(xué)傳感器230 (諸如CXD或CMOS器件)設(shè)置在器件250的光瞳平面227處。在一個(gè)實(shí)施方式中，成像系統(tǒng)200包括具有本地儲(chǔ)存器(存儲(chǔ)器)255的板上(單片的)處理器對(duì)0。存儲(chǔ)器255可用于例如儲(chǔ)存前處理圖像和后處理圖像沈0、以及編碼的圖像處理和其他算法沈5。處理器240根據(jù)圖像處理算法(下面將詳細(xì)說(shuō)明)控制電源 108。自動(dòng)聚焦元件270可以是LensVector液晶AF元件或傳統(tǒng)AF系統(tǒng)。
波前編碼成像波前編碼以保留形成于存在光學(xué)像差(諸如散焦)的情況下的圖像的某些方面的方式修改基于傳感器的光學(xué)系統(tǒng)。采用信號(hào)處理對(duì)形成于傳感器上的中間圖像進(jìn)行解碼。 信號(hào)處理通過(guò)編碼來(lái)確定，編碼通過(guò)利用相位掩模板(諸如下面描述的圖3A/3B中的元件 307)使系統(tǒng)光學(xué)件影響波前。信號(hào)處理考慮由傳感器的像素陣列的寬度、高度、和間隔提供的空間集成度。波前編碼系統(tǒng)中的最終圖像是對(duì)波前進(jìn)行編碼的光學(xué)件以及對(duì)中間圖像進(jìn)行解碼以形成最終圖像的信號(hào)處理的共同結(jié)果。更特別地，在波前編碼中，通過(guò)使用特別設(shè)計(jì)的相位掩模板(“波前編碼”元件)來(lái)創(chuàng)建用于透鏡的合適的光學(xué)傳遞函數(shù)，以產(chǎn)生具有可操縱信息(諸如景深)的圖像的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。相位掩模板使光學(xué)傳遞函數(shù)在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)位置的某些范圍內(nèi)保持基本恒定。數(shù)字處理還原掩模板的光學(xué)傳遞函數(shù)修改效果，產(chǎn)生在波前編碼元件所提供的增加的景深上的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的(in-focus)圖像的分辨率。對(duì)所儲(chǔ)存圖像實(shí)行景深后處理，以通過(guò)逆轉(zhuǎn)掩模板所完成的光學(xué)傳遞變換來(lái)恢復(fù)圖像。可以通過(guò)檢查候選掩模板函數(shù)的模糊度函數(shù)來(lái)確定哪個(gè)特定掩模板函數(shù)具有在物距范圍內(nèi)最接近于恒定的光學(xué)傳遞函數(shù)，并制造具有該特定候選的掩模板函數(shù)的掩模板，來(lái)構(gòu)造用于擴(kuò)展景深光學(xué)系統(tǒng)的相位掩模板。本方法采用具有相位掩模板(例如下文描述的圖3A/3B中的相位掩模板307)形式的核心光學(xué)元件來(lái)以點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)容忍(tolerant)離焦(misfocus)的方式修改非相干成像系統(tǒng)(采用光學(xué)器件300)，同時(shí)光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)在其所關(guān)心的通帶內(nèi)不具有零值區(qū)域，因此允許數(shù)字處理用于恢復(fù)所采樣的中間圖像。此外，由于OTF在離焦的寬范圍內(nèi)始終恒定，故相同數(shù)字處理在離焦的寬范圍內(nèi)恢復(fù)圖像。這種結(jié)合的光學(xué)-數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生與衍射限制的PSF相比擬的PSF，但在聚焦的更大區(qū)域上。術(shù)語(yǔ)“波前編碼”在這里被用于描述通過(guò)相位掩模板修改非相干光學(xué)系統(tǒng)和所接收的非相干波前的一般過(guò)程。通過(guò)僅修改所接收波前的相位，特定的波前編碼技術(shù)允許獲得可變的EDOF而沒(méi)有光損失。在圖3A-3D所示的實(shí)施方式中(下面描述)，核心透鏡307/337用作相位掩模板， 相位掩模板具有EDOF表面的形式，例如三次方。下面的方程式1描述三次方相位掩模板的形式方程式1ζ = α (x3+y3)，其中α是用于控制波前調(diào)制的最大量的縮放常數(shù)，是垂直于光軸的空間坐標(biāo)。如果具有由方程式1數(shù)學(xué)地描述的形式的光學(xué)表面放置在透鏡系統(tǒng)(諸如圖3所示的透鏡系統(tǒng))的孔徑光闌處或附近，或者如果該形式被增加至孔徑光闌附近的現(xiàn)有透鏡的表面，則系統(tǒng)的聚焦深度能夠擴(kuò)展。每種類(lèi)型的相位掩模板都具有操作范圍，在該操作范圍上具有擴(kuò)展景深。在描述簡(jiǎn)單三次方相位系統(tǒng)的上述方程式1中，這個(gè)范圍由α的值確定。用于對(duì)圖像解碼的去卷積核必須是施加至器件的信號(hào)的幅度的函數(shù)。也就是說(shuō)， 更大的幅度需要更大的核。幅度對(duì)核的映射能夠通過(guò)根據(jù)所施加電壓的幅度測(cè)量器件的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)來(lái)完成。一旦PSF已知，隨后就可以使用已知技術(shù)應(yīng)用濾波器。例如，可以應(yīng)用 Wiener 濾波器[Fales等人,“Wiener restoration of sampled image data end-to-end analysis (取樣圖像數(shù)據(jù)的 Wiener 恢復(fù)端到端分析)，” J. Opt. Soc. Am. A, vol. 5，no. 3， pp.300-314(1988)]。依據(jù)特定應(yīng)用，可以根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施不同的EDOF相位掩模板形式(例如，下面描述的相位掩模板307/337)。此外，可以根據(jù)成像條件(例如，為了全景而關(guān)閉、為了動(dòng)態(tài)拍攝而設(shè)定為最大值、或?yàn)榱似渌上駰l件而設(shè)定為中間值)對(duì)圖像傳感器330進(jìn)行編程以激活/去激活EDOF功能。圖2B是示出與本系統(tǒng)結(jié)合使用的方法所實(shí)行的一組示例性高級(jí)步驟的圖示。通過(guò)結(jié)合彼此觀察圖2A和2B，系統(tǒng)操作被最佳地理解。如圖2A/2B所示，來(lái)自待成像景象的入射光220穿過(guò)透鏡系統(tǒng)222，其中所產(chǎn)生的波前編碼中間圖像235被傳感器230捕捉。使用適于光學(xué)器件250的算法的圖像處理272隨后被實(shí)行以生成具有擴(kuò)展景深的最終圖像 275，如下面將參照?qǐng)D4詳細(xì)描述的那樣。圖3A是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件300的細(xì)節(jié)的圖示。如圖3A所示，在一個(gè)實(shí)施方式中，本可調(diào)諧EDOF液晶光學(xué)器件(此后稱(chēng)“光學(xué)器件”)300包括兩個(gè)光學(xué)透明的基板301/303，基板301/303限定單元間隙302，單元間隙302中設(shè)置有液晶層322。通過(guò)改變由電源308 (在例如IkHz的標(biāo)稱(chēng)頻率下)施加至電極309/310(或31 的電壓，在相對(duì)于層304中的相位掩模板307的形狀成比例地成形的LC層322中引起電場(chǎng)。電極309/310由分別設(shè)置在基板301和305的內(nèi)表面的透明導(dǎo)電材料(例如，ΙΤ0)制成。層304限定于光學(xué)透明的基板303與305之間，并且包括相位掩模板307。相位掩模板307是由光學(xué)透明的介電材料(諸如NOA 61)制成并具有與光學(xué)透明的折射率匹配層306相配合的表面的特別成形的元件，折射率匹配層306的特征在于折射率與相位掩模板307的折射率基本匹配但介電常數(shù)基本不匹配。在一個(gè)實(shí)施方式中，折射率匹配層306 由 Opti-tec 5012 形成。相位掩模板307靠著由光學(xué)透明基板316的內(nèi)邊緣(面向相位掩模板307)所提供的對(duì)齊層314而形成，基板316可由一個(gè)或多個(gè)任選的剛性的、單元內(nèi)部的間隔器312支撐。對(duì)齊層314可由合適的透明材料制成，諸如SiOx或聚酰亞胺?；?16可以是形成合適的非平面形狀以提供對(duì)齊層314的柔性片。任選的中間的、光學(xué)透明的、電極315(由虛線示出)可設(shè)置在基板316的對(duì)齊層314上以代替電極310。在圖3A所示的實(shí)施方式中，本光學(xué)器件300以與可調(diào)諧透鏡100(圖1所示)的光學(xué)器件相似的方式構(gòu)造，并且根據(jù)下面描述的圖4所示的處理使用波前編碼信號(hào)處理以提供可變的EDOF的量和范圍。圖;3B是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件350的細(xì)節(jié)的圖示。光學(xué)器件350與光學(xué)器件300(圖3A)相似，但去掉了基板 301和間隙302/LC層322，并用光學(xué)器件350中的LC層3 代替光學(xué)器件300中層306。 LC層3 功能上對(duì)應(yīng)于光學(xué)器件300中的LC層322。光學(xué)器件350的調(diào)制通過(guò)對(duì)經(jīng)由電源108施加至電極109/110(或，可替換地，電極11 的信號(hào)的幅度和/或頻率進(jìn)行控制來(lái)實(shí)行。優(yōu)選地，但不是必須地，相位掩模板307的折射率與LC層326的普通折射率η。相匹配。
光學(xué)器件350可以以與關(guān)于圖1和3A所示的器件或在上述可選實(shí)施方式中關(guān)于器件300所描述的光學(xué)器件相同的方式構(gòu)造。圖3C是示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件360的細(xì)節(jié)的圖示。光學(xué)器件360包括兩個(gè)光學(xué)器件300/300’，這兩個(gè)光學(xué)器件300/300’中的每一個(gè)都與圖:3B的器件300相似，具有對(duì)應(yīng)于掩模板307的相位掩模板 337，以及對(duì)應(yīng)于器件300中的LC層322的LC層332和332，。如圖所示，兩個(gè)器件300 彼此相鄰；更特別地，每個(gè)器件300均相對(duì)于另一個(gè)定向，使得相位掩模板337的平面?zhèn)让嫦虮舜恕Ｔ诒緦?shí)施方式中，液晶(LC)層322和322’被極化(即，它們的分子沿著優(yōu)選的軸線對(duì)齊)，這些層相對(duì)于彼此定向，使得這兩層中的液晶結(jié)構(gòu)以彼此正交的方式極化(分別如虛線符號(hào)和點(diǎn)符號(hào)表示)。LC層332’和332”的這種相對(duì)定向具有允許器件通過(guò)任何偏振光或更常見(jiàn)地非偏振光工作的優(yōu)點(diǎn)。透鏡360的聚焦通過(guò)對(duì)經(jīng)由電源108施加至電極309/310(或，可替換地，電極 309’/310’)的信號(hào)的幅度進(jìn)行控制來(lái)實(shí)行。器件360可以以與關(guān)于圖3A和;3B所示的器件所描述的器件相同的方式構(gòu)造。圖3D示出根據(jù)本光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的用于提供可控的EDOF量的示例性光學(xué)器件370的細(xì)節(jié)的圖示。光學(xué)器件370包括兩個(gè)光學(xué)器件350/350’，這兩個(gè)光學(xué)器件 350/350，中的每一個(gè)都與圖:3B的器件300相似。如圖3D所示，光學(xué)器件370包括兩個(gè)器件350和350’，與上面描述的器件360 —樣，各器件350和350’彼此相鄰。液晶(LC)層 342和342’相對(duì)于彼此定向，使得這兩層中的液晶結(jié)構(gòu)以彼此正交的方式極化(分別如虛線符號(hào)和點(diǎn)符號(hào)表示)。370的波前調(diào)制通過(guò)對(duì)經(jīng)由電源108施加至電極309/310(或，可替換地，電極 309’ /310’ )的信號(hào)的幅度和頻率進(jìn)行控制來(lái)實(shí)行。圖:3B所示的器件可以以與關(guān)于圖3C 所示的器件360所描述的器件相同的方式構(gòu)造。圖4是示出在通過(guò)波前編碼圖像生成可變EDOF時(shí)實(shí)行的一組示例性步驟的流程圖。圖4所示的程序用于未采用自動(dòng)聚焦的、具有可變EDOF的器件(例如，相機(jī))，并且在圖2所示的成像系統(tǒng)(相機(jī))200的背景下被描述。在步驟405中，通過(guò)傳感器230捕捉第一圖像，并將其儲(chǔ)存在本地存儲(chǔ)器260中。在步驟410中，在延遲texp之后捕捉具有與第一圖像相同的基本景象的第二圖像，其中延遲texp優(yōu)選與在捕捉最終圖像時(shí)所使用的曝光時(shí)間幾乎相同。第二圖像也儲(chǔ)存在圖像存儲(chǔ)器沈0中。在步驟415中，估計(jì)這兩個(gè)圖像之間的差。例如，如下面的方程式2所示，這可以通過(guò)計(jì)算整個(gè)圖像上每像素的圖像信號(hào)水平差異(第一圖像與第二圖像之間)的平方的和來(lái)完成。也就是說(shuō)，對(duì)于兩個(gè)圖像中的每個(gè)對(duì)應(yīng)像素，在整個(gè)圖像上計(jì)算差的平方的和，其中各“差”是相應(yīng)未處理像素值的差異。未處理像素值是實(shí)行顏色插值之前的像素值，因此， 各像素的值與局部光照射度成比例。方程式2diff =Σ 圖像 Ji，j)"圖像 2(i，j)]2其中，圖像Ji，j)代表第一圖像的坐標(biāo)i和j處的像素的值。 在步驟420中，如果diff >閾值i (在快速運(yùn)動(dòng)的圖像的情況下)，則在步驟430中打開(kāi)EDOF功能[例如，diff > (圖像中的1/2數(shù)量的像素*最大像素值)2]。在步驟435中，生成與diff成比例的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓(施加至EDOF器件)。也就是說(shuō)，施加至EDOF器件的電壓與方程式2中所計(jì)算的信號(hào)強(qiáng)度正比例Vedof = Ii1 · diff典型的透鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓水平是^V，頻率在IOOHz至IOOkHz的范圍內(nèi)。在步驟 420中，如果diff彡閾值1；則在步驟425中關(guān)閉EDOF功能(Vedof = 0)。下面的步驟可用于具有自動(dòng)聚焦和可變EDOF的器件。首先，關(guān)閉EDOF功能。隨后實(shí)行自動(dòng)聚焦以找出最佳聚焦位置Cl1和d2，用于各自的連續(xù)曝光。如果最佳聚焦位置Cl1 與d2之間的差(Cliff1) Wiff1 = abs (Cl1-Cl2)]大于預(yù)定閾值，隨后打開(kāi)EDOF功能，EDOF功能的值通過(guò)以下方程式計(jì)算Vedof = Ii1 · Cliff1，其中 Ii1 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定。接下來(lái)，根據(jù)(di+cQ/2計(jì)算平均聚焦位置dav，并且自動(dòng)聚焦位置被設(shè)定為 dav(艮口，Vaf = k2 · dav)。存在結(jié)合不同數(shù)碼相機(jī)使用的大量自動(dòng)聚焦方法。不考慮特定自動(dòng)聚焦方法，這些方法中的每一個(gè)都返回與物距和/或施加至修改相機(jī)聚焦的促動(dòng)器的電壓成比例的值。 所返回的值僅僅是在該點(diǎn)處的數(shù)字。如果Cl1和d2的該值基本相同，則假設(shè)聚焦位置在連續(xù)曝光中沒(méi)有顯著變化。否則，聚焦發(fā)生變化，因此可以有利地使用EDOF功能。圖5是示出用于對(duì)具有自動(dòng)聚焦和EDOF功能的器件進(jìn)行設(shè)定的可選方法的流程圖。如圖5所示，在步驟505中，實(shí)行自動(dòng)聚焦并且捕捉圖像J自動(dòng)聚焦的附帶產(chǎn)物)，并且保存“最佳聚焦”位置屯。在步驟510中，實(shí)行自動(dòng)聚焦，捕捉圖像2，保存“最佳聚焦”位置d2。隨后在步驟520中關(guān)閉EDOF功能(VEDQF = 0)。在步驟530中，如果最佳聚焦位置Cl1與d2之間的差Cliff1 Wiff1 = abs (Cl1-(I2)]大于預(yù)定閾值，則隨后在步驟MO中打開(kāi)EDOF功能，并且驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓(Vemf)被設(shè)定為該差的預(yù)定常數(shù)GO倍如果abs (Cl1-Cl2) [ = diffj > 閾值 1； Vedof = Ii1 · (Iiff1在步驟M5中，使用下面的方程式3計(jì)算整個(gè)圖像上的每個(gè)像素的第一圖像與第二圖像之間的圖像信號(hào)水平差異的平方的和(diff2)方程式3diff2 =Σ 圖像 “i，j)_ 圖像 2(i，j)]2如果diff2大于預(yù)定閾值(步驟550)，則在步驟555中，關(guān)閉自動(dòng)聚焦(即，如果被成像的物體快速運(yùn)動(dòng)，則不使用自動(dòng)聚焦)，并且EDOF功能的值通過(guò)以下方程式計(jì)算(在步驟560中)Vedof = Ii1 · Cliff1，其中 Ii1 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定。用于相機(jī)操作的用戶可選模式，諸如圖2A所示，可以如下處理。如果用戶選擇“動(dòng)作”模式，則關(guān)閉自動(dòng)聚焦，并且將Vemf設(shè)定為最大水平。如果用戶選擇“人像”模式，則將 Vedof設(shè)定為0，并且將Vaf設(shè)定為1 · dav。在“風(fēng)景”模式中，通常應(yīng)關(guān)閉EDOF功能，并將主焦點(diǎn)設(shè)定為無(wú)限遠(yuǎn)。在不背離本文所描述的范圍的情況下，可以對(duì)上述方法和系統(tǒng)進(jìn)行某些改變。應(yīng)注意，所有上面的描述所包含和附圖中所示的所有內(nèi)容應(yīng)被解釋為示意性而非限制性的概念。可以根據(jù)文中所描述的方法對(duì)本附圖中所示的元件和步驟進(jìn)行修改，在不背離如此描述的系統(tǒng)的精神的情況下，可以將文中所示的步驟以其它順序排列。所附權(quán)利要求旨在覆蓋文中所描述的所有一般和特殊的特征，并且在語(yǔ)言范疇，本方法、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的范圍的所有陳述都可以被認(rèn)為落入本權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)系統(tǒng)，包括 光學(xué)透明的液晶層；光學(xué)透明的介電相位掩模板，與所述液晶層光學(xué)對(duì)齊，并通過(guò)光學(xué)透明的基板與所述液晶層隔開(kāi)；光學(xué)透明的介電折射率匹配層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置，并具有與所述相位掩模板的折射率基本匹配的折射率；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述光學(xué)系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)，其中所述液晶層和所述相位掩模板設(shè)置在所述一對(duì)電極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板是波前編碼元件。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述波前編碼元件是三次方相位元件。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)成像系統(tǒng)捕捉的圖像被處理以生成具有所述擴(kuò)展景深的被修改圖像。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板包括具有介電性質(zhì)的光學(xué)粘合劑。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)粘合劑是Norland光學(xué)粘合劑61。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述折射率匹配層包括介電材料。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述介電材料是Opti-tec5012。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板的介電常數(shù)顯著小于所述折射率匹配層的介電常數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述景深能夠隨著所施加信號(hào)的頻率成比例地變化。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，定位為基本接近成像系統(tǒng)的光瞳平面，還包括 傳感器，靠近所述成像系統(tǒng)的圖像平面而設(shè)置并用于捕捉借此獲得的圖像； 電源，用于提供施加至所述電極的信號(hào)；以及處理器，用于(i)處理用于從最初獲得的圖像生成具有擴(kuò)展景深的被修改圖像的算法，并且用于(ii)對(duì)所述電源所生成的信號(hào)的幅度進(jìn)行控制，以控制所述被修改圖像的景深。
12.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)系統(tǒng)，包括 光學(xué)透明的介電相位掩模板；光學(xué)透明的液晶層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述光學(xué)系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)，其中所述相位掩模板設(shè)置在所述一對(duì)電極之間。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板是波前編碼元件。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述波前編碼元件是三次方相位元件。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)成像系統(tǒng)捕捉的圖像被處理以生成具有所述擴(kuò)展景深的被修改圖像。
16.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括 第一光學(xué)組件和第二光學(xué)組件，均包括 光學(xué)透明的相位掩模板，具有一個(gè)平面?zhèn)?；以及光學(xué)透明的液晶層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置； 其中所述液晶層中的液晶被極化；其中所述第一光學(xué)組件和所述第二光學(xué)組件相鄰地設(shè)置，使得其中的所述相位掩模板的平面?zhèn)让嫦虮舜?，且所述液晶層中的液晶相互正交地?duì)齊；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述光學(xué)組件中的每一個(gè)中的液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述成像系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)，其中所述組件中的每一個(gè)中的相位掩模板設(shè)置在所述一對(duì)電極之間。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)所述系統(tǒng)在成像系統(tǒng)的光瞳平面上捕捉的圖像被處理以生成具有所述擴(kuò)展景深的被修改圖像。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板包括具有介電性質(zhì)的光學(xué)粘合劑。
19.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)粘合劑是Norland光學(xué)粘合劑61。
20.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述折射率匹配層包括介電材料。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述介電材料是0pti-tec5012。
22.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板的介電常數(shù)顯著不同于所述折射率匹配層的介電常數(shù)。
23.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述景深能夠隨著所施加信號(hào)的頻率成比例地變化。
24.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括 第一光學(xué)組件和第二光學(xué)組件，均包括 光學(xué)透明的液晶層；光學(xué)透明的相位掩模板，與所述液晶層光學(xué)地對(duì)齊，并通過(guò)光學(xué)透明的基板與所述液晶層隔開(kāi)；光學(xué)透明的折射率匹配層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置， 其中所述第一光學(xué)組件和所述第二光學(xué)組件相鄰地設(shè)置，使得其中的所述相位掩模板的平面?zhèn)让嫦虮舜?，并且所述液晶層中的液晶被極化以相互正交地對(duì)齊；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述光學(xué)組件中的每一個(gè)中的液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述成像系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)，其中所述組件的相位掩模板與液晶層設(shè)置在所述一對(duì)電極之間。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板包括具有介電性質(zhì)的光學(xué)粘合劑。
26.如權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)所述系統(tǒng)在成像系統(tǒng)的光瞳平面上捕捉的圖像被處理以生成具有所述擴(kuò)展景深的被修改圖像。
27.如權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板包括具有介電性質(zhì)的光學(xué)粘合劑。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)粘合劑是Norland光學(xué)粘合劑61。
29.如權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述折射率匹配層包括介電材料。
30.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述介電材料是0pti-tec5012。
31.如權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述相位掩模板的介電常數(shù)顯著少于所述折射率匹配層的介電常數(shù)。
32.如權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述景深能夠隨著所施加信號(hào)的頻率成比例地變化。
33.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括 光學(xué)透明的液晶層；光學(xué)透明的相位掩模板，與所述液晶層光學(xué)對(duì)齊，并通過(guò)光學(xué)透明的基板與所述液晶層隔開(kāi)；光學(xué)透明的折射率匹配層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置； 一對(duì)電極，用于生成作用于所述液晶層以改變所述成像系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)； 其中所述液晶層和所述相位掩模板設(shè)置在所述一對(duì)電極之間；以及處理器，用于執(zhí)行圖像處理算法以提供被復(fù)原圖像；其中所述處理器執(zhí)行所述算法以處理所述成像系統(tǒng)所捕捉的波前編碼圖像以生成具有擴(kuò)展景深的所述被復(fù)原圖像，所述擴(kuò)展景深與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例。
34.提供擴(kuò)展景深的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括 光學(xué)透明的相位掩模板；光學(xué)透明的液晶層，相鄰于所述相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置，并具有與所述相位掩模板的折射率基本匹配的折射率；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述成像系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)，其中所述相位掩模板設(shè)置在所述一對(duì)電極之間； 存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存圖像處理算法；以及處理器，用于執(zhí)行圖像處理算法以提供被復(fù)原圖像；其中所述處理器執(zhí)行所述算法以處理所述成像系統(tǒng)所捕捉的波前編碼圖像以生成具有擴(kuò)展景深的所述被復(fù)原圖像，所述擴(kuò)展景深與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，還包括用于儲(chǔ)存所述算法、所述波前編碼圖像、以及所述被復(fù)原圖像中的至少一種的存儲(chǔ)器。
36.在光學(xué)成像系統(tǒng)中提供擴(kuò)展景深的方法，包括 捕捉并儲(chǔ)存第一波前編碼中間圖像；捕捉并儲(chǔ)存第二波前編碼中間圖像；在所述第一波前編碼中間圖像和所述第二波前編碼中間圖像中的每個(gè)像素上計(jì)算差值，所述差值等于所述第一圖像與所述第二圖像之間的每像素圖像信號(hào)差異的平方的和；當(dāng)所述差值大于預(yù)定閾值時(shí)，通過(guò)使用波前編碼處理技術(shù)處理所述第二中間圖像來(lái)生成具有可變擴(kuò)展景深的圖像。
37.在光學(xué)成像系統(tǒng)中提供擴(kuò)展景深的方法，包括在透鏡中包括波前編碼元件，所述波前編碼元件使所述透鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)在所述透鏡的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的位置之外的范圍內(nèi)保持基本恒定； 通過(guò)所述透鏡捕捉中間圖像；實(shí)行所述中間圖像的波前編碼處理以逆轉(zhuǎn)所述波前編碼元件所完成的光學(xué)傳遞函數(shù)變換，以提供在所述擴(kuò)展景深上的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的圖像的分辨率。
38.在光學(xué)成像系統(tǒng)中提供擴(kuò)展景深的方法，包括通過(guò)透鏡系統(tǒng)捕捉波前編碼中間圖像； 其中所述透鏡系統(tǒng)包括 成像透鏡組件；光學(xué)透明的介電相位掩模板，放置于所述透鏡組件的孔徑光闌中； 光學(xué)透明的液晶層；以及一對(duì)電極，用于生成作用于所述液晶層以與施加至所述電極的信號(hào)的幅度成比例地改變所述成像系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)；使用去卷積核對(duì)所述波前編碼圖像進(jìn)行解碼，所述去卷積核隨著施加至所述透鏡系統(tǒng)的信號(hào)的特征而變化；通過(guò)根據(jù)所施加信號(hào)的特征測(cè)量所述透鏡系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)來(lái)確定信號(hào)特征對(duì)去卷積核的映射函數(shù)；對(duì)所述中間圖像應(yīng)用包括所述幅度對(duì)去卷積核映射函數(shù)的濾波器，以生成具有擴(kuò)展景深的圖像。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述特征是信號(hào)幅度。
40.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述特征是信號(hào)頻率。
41.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述濾波器是Wiener濾波器。
全文摘要
一種具有電可變的擴(kuò)展景深的光學(xué)器件。提供具有可變的擴(kuò)展景深(EDOF)的光學(xué)器件的系統(tǒng)和方法。該光學(xué)器件包括光學(xué)透明的液晶層；光學(xué)透明的相位掩模板，與液晶層光學(xué)對(duì)齊，并通過(guò)光學(xué)透明的基板與液晶層隔開(kāi)；光學(xué)透明的折射率匹配層，相鄰于相位掩模板的一個(gè)表面而設(shè)置，并具有與相位掩模板的折射率基本匹配的折射率；以及一對(duì)電極，用于生成作用于液晶層以與施加至電極的信號(hào)的幅度成比例地改變光學(xué)系統(tǒng)的景深的電場(chǎng)。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102455509SQ20111036976
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者保羅·E·X·希爾維拉 申請(qǐng)人:全視技術(shù)有限公司