[发明专利]具有电可变的扩展景深的光学器件

说明书

技术领域

本申请涉及光学器件。

背景技术

扩展景深(EDOF)为相机用户提供增大的范围，物体被聚焦在该增大的范围上。然而，该范围以调制传递函数(MTF)在共轭的给定范围处的下降为代价。解决这种问题的传统方法是通过为相机提供具有可控直径的孔径光阑，诸如虹彩光圈。然而，虹彩光圈需要仅适用于大型相机而不适用于超紧凑相机(诸如手机相机)的大型、笨重且较昂贵的元件。此外，通过有效地增大透镜焦比，虹彩光圈获得增大的景深，从而使到达透镜和相机传感器的光的量降低与孔径面积的降低成比例的量。因此，需要一种系统和方法能够为相机用户提供具有足够灵活性以适于不同成像情况的可变的EDOF量。

下列美国专利提供关于波前编码的信息，并且其全部内容通过引用并入本文：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号美国专利。

发明内容

本光学器件提供一种光学成像系统，诸如相机，其具有扩展景深(EDOF)并允许EDOF的量被改变(或完全去除)，从而在距离的可变范围内生成具有清晰细节的图像。例如，当拍摄风景时，可以关闭EDOF功能，而当拍摄快速运动的对象时(例如，在体育活动中)，可以提供大量EDOF。

在一个实施方式中，该光学器件包括：光学透明的液晶层；光学透明的相位掩模板，与液晶层光学对齐，并通过光学透明的基板与液晶层隔开；光学透明的折射率匹配层，相邻于相位掩模板的一个表面而设置，并具有与相位掩模板的折射率基本匹配的折射率；以及一对电极，用于生成作用于液晶层以与施加至电极的信号的幅度成比例地改变光学系统的景深的电场。

附图说明

图1A是示出现有技术的可调谐液晶透镜的图示；

图1B是示出可选的现有技术的可调谐液晶透镜的图示；

图2A是示出采用本系统的光学器件的示例性成像系统的高级图示；

图2B是示出与本系统结合使用的方法所实行的一组示例性高级步骤的图示；

图3A是示出根据本光学系统的一个实施方式的用于提供可变、可控的EDOF量的示例性光学器件的细节的图示；

图3B是示出根据本光学系统的另一个实施方式的用于提供可变、可控的EDOF量的示例性光学器件的细节的图示；

图3C是示出本光学器件的另一个实施方式的示例性光学器件的细节的图示；

图3D是示出本光学器件的另一个实施方式的示例性光学器件的细节的图示；

图4是示出在使用具有可变EDOF的相机处理波前编码的图像时所实行的一组示例性步骤的流程图；以及

图5是示出在对具有自动对焦和EDOF功能的器件进行设定时所实行的一组示例性步骤的流程图。

具体实施方式

图1A是示出现有技术的可调谐液晶透镜100的图示。透镜100包括液晶(LC)层102、以及具有核心透镜107的“隐藏”层104。层104是光学透明的并在LC层102中引起电场，该电场相对于核心透镜107的形状成比例地成形。核心透镜107由光学透明的材料制成。透镜100的聚焦通过对通过电源108施加至电极109/110的信号的幅度和/或频率进行控制来实行。

LC材料通常表现为极性分子的形式，极性分子是适当地移动的，并且因此通过沿着电场方向重新对齐它们的电极来响应电场的存在。此外，因为LC分子的极性性质，所以当它们被极化(poled)(也就是说，它们的分子沿着优选的轴线对齐)时，它们所表现出的折射率取决于穿过它们透射的光的偏振。当光垂直于LC分子的取向的平均方向偏振时，n_eff＝n_o(即，有效折射率n_eff基本接近于该材料的普通折射率n_o)并且不发生光延迟。当光在任何其他方向偏振时(或，相反地，当LC分子改变它们的取向的平均方向时)，n_eff取n_o与非常折射率n_e之间的值。在该情况下，透射的光经历光延迟，光延迟空间地变化且与n_o与n_eff之间的差以及光学材料的厚度成比例。

光延迟的空间变化是这样一种效果，该效果允许人们空间地调制穿过可调谐LC透镜100的光的相位(也就是说，波前)，并因此获得可调谐聚焦功率。位置x处的相位延迟的局部量Δθ(x)可通过以下方程式确定：