专利名称：光学装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种用于减少图像错误的光学装置，尤其涉及一种增加景深(cbpth of field)的光学装置及其制造方法。
背景技术：
光学图像技术发展长久以来的目标就是改善光学图像系统而得到没有因光学图像系统的光学装置所引起的错误或失真的图像。因光学装置所引起的错误或失真包括透镜像差(aberration)，例如非旋转对称像差(如，慧形(coma)或像散(astigmatism)像差)及旋转对称像差(如，球面像差)，以及由于物体处于离开最佳聚焦位置所引起的失焦 (misfocus)错误。减少上述因光学装置所引起的图像错误或失真的一方法为增加透镜的光圈值 (F-number)(其为焦距与有效光圈直径的比率)。然而，增加透镜的光圈值会降低光学图像硅统的光学效率。减少上述因光学装置所引起的图像错误或失真的另一方法为增加光学图像系统的景深。一般来说，复杂的透镜系统能够大幅增加延伸景深，但是却非常的昂贵。因此，有必要提供一种简单的光学图像系统，其仅具有单一或少许透镜却仍能延伸景深。美国专利第5，748，371揭示一种延伸景深(extended depth of field)光学系统， 其使用特定相位掩模(phase mask)，位于图像系统中至少一主面(principal plane)。上述相位掩模的设计使得光学转换函数(optical transferfunction, 0TF)在对焦的范围内几乎维持不变。然而，由于相位掩模需具有高精度的非旋转表面，其制作相当困难。也就是说，具有复杂轮廓的相位掩模会增加制造错误，而造成后续图像复原工艺失效，因而相机模块的制造成本。因此，有必要寻求一种新的增加景深的光学装置，其能够减轻上述的问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，根据本发明一实施例的一种光学装置的设计方法， 其中光学装置包括一透镜及一微透镜阵列，上述方法包括规划出透镜的一点扩散函数 (point spread function, PSF)，其包括多个旋转对称像差系数，其中点扩散函数呈现出各种不同球形点尺寸；提供具有多个相位系数的一虚拟相位掩模且将相位系数加入于透镜的点扩散函数，以将球形点尺寸均一化；将虚拟相位掩模转换为一多项函数，其包括多个高阶像差系数及多个低阶像差系数；根据旋转对称像差系数及低阶像差系数来决定透镜的一表面轮廓；以及根据高阶像差系数来决定微透镜阵列中每一微透镜的一球高。根据本发明另一实施例的一种光学装置，包括一图像感测装置，包括位于其上的一微透镜阵列；以及一透镜模块，包括一透镜，设置于图像感测装置上方；其中透镜具有根据多个旋转对称像差系数及多个低阶像差系数来决定的一表面轮廓，且其中微透镜阵列中每一微透镜具有根据多个高阶像差系数来决定的一球高。本发明可延伸光学装置的景深，减少图像错误及失真；降低制造成本及简化工艺步骤；减少因制造错误而造成后续图像复原工艺的失效。
图1是示出根据本发明一实施例的光学装置剖面示意图。图2是示出根据本发明一实施例的光学装置设计方法流程图。其中，附图标记说明如下10 物体；20 表面/物面；30 表面/图像聚焦面；100 光学装置；102 图像感测装置；104 微透镜阵列；104a 微透镜；105、107 表面轮廓；106 透镜模块；106a 透镜；108 虚拟相位共轭透镜；S 球高；S10、S20、S30、S40 步骤。
具体实施例方式以下说明本发明的实施例。此说明的目的在于提供本发明的总体概念而并非用以局限本发明的范围。本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。图1是示出根据本发明一实施例的光学装置100。在本实施例中，光学装置100， 例如数码相机，可包括一图像感测装置102及一透镜模块106，其由至少一透镜106a所构成且设置于图像感测装置102上方。图像感测装置102上具有一微透镜阵列104对应于内部的像素阵列(未示出)。也就是说，微透镜阵列104内每一微透镜10 对应于像素阵列内的每一图像感测器。图像感测装置102可为电荷耦合装置(charge-coupled deviCe，CCD) 或互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)图像感测装置。透镜模块106内的透镜106a将由一物体10所形成的图像透过微透镜阵列104而聚焦于图像感测装置102上。也就是说，物体10面向透镜模块106的表面20作为光学装置100的物面，且图像感测装置102面向透镜模块106的表面30作为图像聚焦面。在本实施例中，为了在后续图像复原工艺中修正由透镜模块106所形成的动态模糊(motion blurred)图像，光学装置100的设计是将不同聚焦面及景域(field)中透镜模块106的点扩散函数(point spread function, PSF)变异最小化，以延伸光学装置100的景深。此处，点扩散函数(PSF)是在空间域(spatial domain)中光学装置100的冲击响应 (impulse response)。也就是说，来自光学装置100的图像构成了在暗黑背景的一亮点。以下将详细说明上述设计。图2是示出根据本发明一实施例的光学装置设计方法流程图。需注意的是以下所述的方法涉及图1的光学装置100，然而本发明的方法也可实施于其他光学装置或系统。进行步骤S10，首先，规划出为光学装置所设计的透镜或透镜组的点扩散函数，以获得最佳化透镜设计。在本实施例中，最佳化透镜设计表示所规划出的透镜或透镜组的点扩散函数包括旋转对称像差系数以及残余的非旋转对称像差系数，使得所规划出的透镜或透镜组的点扩散函数在不同的景域及聚焦点中呈现各种不同的球形点尺寸。旋转对称像差系数通常由球面像差所产生，而非旋转对称像差系数则由慧形像差及像散像差所产生。因此，若不将非旋转对称像差系数最小化以形成残余的非旋转对称像差系数，则点扩散函数无法呈现出球形点。在一实施例中，将点扩散函数中的非旋转对称像差系数最小化，使得由规划出的点扩散函数所呈现出球形点绝大部分由旋转对称像差系数(即，球面像差)所造成。进行步骤S20，产生具有相位系数(phase coefficient)的一虚拟相位掩模，用以修正规划出的透镜或透镜组的点扩散函数。在本实施例中，提供具有相位系数的虚拟相位掩模并将相位系数加入于透镜或透镜组的点扩散函数，使得规划出的点扩散函数所呈现出各种不同球形点尺寸能均一化(homogenized)。在本实施例中，虚拟相位掩模作为一虚拟相位共轭透镜，其能够轻易将透镜或透镜组引起的球面像差最小化。进行步骤S30，将虚拟相位掩模转换为多项函数，其包括高阶及低阶像差系数。举例来说，将虚拟相位掩模转换为泽尔尼克aernike)多项式。在泽尔尼克多项式中，可根据泽尔尼克系数而将光学像差量化。在本实施例中，将虚拟相位掩模中相位系数所转换的泽尔尼克系数分解成高阶及低阶像差系数。进行步骤S40，产生一光学装置的设计，该设计包括透镜模块中的透镜或透镜组、图像感测装置上的微透镜以及虚拟相位共轭透镜。举例来说，根据规划出的点扩散函数中旋转对称像差系数以及低阶像差系数来决定透镜模块中透镜的表面轮廓。再者，根据高阶像差系数来决定微透镜阵列中每一微透镜的球高(sag height)。在另一实施例中，也可根据规划出的点扩散函数中残余非旋转对称像差系数以及高阶像差系数来决定微透镜阵列中每一微透镜的球高。在本实施例中，具有特定轮廓的透镜表面可面向一物面。另一实施例中，具有特定轮廓的透镜表面可面向一图像聚焦面。请再参照图1，根据图2所示的设计方法来制造光学装置100，使一虚拟相位共轭透镜108形成于物面20与图像聚焦面30之间。在一实施例中，使透镜106a的表面轮廓105 形成具有旋转对称的轮廓，其由规划出的点扩散函数中旋转对称像差系数以及低阶像差系数所决定。而具有旋转对称轮廓的表面105面向光学装置30的图像聚焦面30。再者，微透镜阵列104中每一微透镜104具有一球高S，其由高阶像差系数来决定或由规划出的点扩散函数中残余非旋转对称像差系数以及高阶像差系数来决定，使得微透镜阵列104的表面103形成具有非旋转对称的轮廓。也就是说，位于微透镜阵列104的中心轴的对称位置上的微透镜10 具有不同的球高。特别的是具有经过设计的表面轮廓105 的透镜106a可透过公知制造技术而形成。再者，具有经过设计的表面轮廓103(具有非旋转对称轮廓)的微透镜阵列104可透过公知光刻工艺而形成。在另一实施例中，透镜106a 的表面轮廓107可取代表面轮廓105而形成具有旋转对称轮廓，使得具有旋转对称轮廓的表面面向物面20。经过设计的透镜106a的表面轮廓105或107以及经过设计的微透镜阵列104的表面轮廓103构成了位于物面20与图像聚焦面30的间的虚拟相位共轭透镜108。根据上述实施例，由于虚拟相位共轭透镜加入于光学装置中，因此可使不同景域及聚焦面中点扩散焊数的变异最小化，而可延伸光学装置的景深，进而减少由光学装置本身引起的图像错误及失真。再者，由于不需要实际的相位掩模来延伸光学装置的景深，因此可降低制造成本以及简化工艺步骤。另外，由于虚拟相位共轭透镜中透镜的设计具有旋转对称表面轮廓，透镜模块的制造得以简化，因而可减少因制造错误而造成后续图像复原工艺的失效。 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种光学装置的设计方法，其中该光学装置包括一透镜及一微透镜阵列，该方法包括规划出该透镜的一点扩散函数，其包括多个旋转对称像差系数，其中该点扩散函数呈现出各种不同球形点尺寸；提供具有多个相位系数的一虚拟相位掩模且将所述多个相位系数加入于该透镜的该点扩散函数，以将所述多个球形点尺寸均一化；将该虚拟相位掩模转换为一多项函数，其包括多个高阶像差系数及多个低阶像差系数；根据所述多个旋转对称像差系数及所述多个低阶像差系数来决定该透镜的一表面轮廓；以及根据所述多个高阶像差系数来决定该微透镜阵列中每一微透镜的一球高。
2.如权利要求1所述的光学装置的设计方法，其中该多项函数为泽尔尼克多项式。
3.如权利要求1所述的光学装置的设计方法，其中该规划出的该点扩散函数还包括多个残余的非旋转对称像差系数，且根据所述多个高阶像差系数以及所述多个残余的非旋转对称像差系数来决定该微透镜阵列中每一微透镜的该球高。
4.如权利要求1所述的光学装置的设计方法，其中该透镜的该表面面向一图像聚焦面或一物面。
5.一种光学装置，包括一图像感测装置，包括位于其上的一微透镜阵列；以及一透镜模块，包括一透镜，设置于该图像感测装置上方；其中该透镜具有根据多个旋转对称像差系数及多个低阶像差系数来决定的一表面轮廓；其中该微透镜阵列中每一微透镜具有根据多个高阶像差系数来决定的一球高。
6.如权利要求5所述的光学装置，其中透过规划出该透镜的一点扩散函数来得到所述多个旋转对称像差系数，其中该点扩散函数呈现出各种不同球形点尺寸。
7.如权利要求6所述的光学装置，其中透过下列步骤来得到所述多个高阶及低阶像差系数提供具有多个相位系数的一虚拟相位掩模且将所述多个相位系数加入于该透镜的该点扩散函数，以将所述多个球形点尺寸均一化；以及将该虚拟相位掩模转换为一多项函数，其包括所述多个高阶像差系数及所述多个低阶像差系数。
8.如权利要求7所述的光学装置，其中该多项函数为泽尔尼克多项式。
9.如权利要求6所述的光学装置，其中该规划出的该点扩散函数还包括多个残余的非旋转对称像差系数，且该微透镜阵列中每一微透镜的该球高是根据所述多个高阶像差系数以及所 述多个残余的非旋转对称像差系数来决定。
10.如权利要求5所述的光学装置，其中该透镜的该表面轮廓形成具有一旋转对称轮廓或一非旋转对称轮廓，且该透镜的该表面面向该光学装置的一图像聚焦或一物面。
全文摘要
本发明揭示一种光学装置及其设计方法，其中光学装置包括一透镜及一微透镜阵列，上述方法包括规划出透镜的一点扩散函数，其包括多个旋转对称像差系数，其中点扩散函数呈现出各种不同球形点尺寸；提供具有多个相位系数的一虚拟相位掩模且将相位系数加入于透镜的点扩散函数，以将球形点尺寸均一化；将虚拟相位掩模转换为一多项函数，其包括多个高阶像差系数及多个低阶像差系数；根据旋转对称像差系数及低阶像差系数来决定透镜的一表面轮廓；以及根据高阶像差系数来决定微透镜阵列中每一微透镜的一球高。本发明可延伸光学装置的景深，减少图像错误及失真；降低制造成本及简化工艺步骤；减少因制造错误而造成后续图像复原工艺的失效。
文档编号G02B27/00GK102402003SQ20111028145
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月15日
发明者徐运强, 邓兆展, 高玉书 申请人:美商豪威科技股份有限公司, 采钰科技股份有限公司