專利名稱：：低高度成像系統(tǒng)及相關(guān)方法低高度成像系統(tǒng)及相關(guān)方法本申請(qǐng)為2005年9月14日提交的、標(biāo)題為"低高度成像系統(tǒng)及相關(guān)方法"的第200580034581.X號(hào)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2004年9月14日提交的題為"改進(jìn)的微型照相機(jī)"的第60/609,578號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)、以及于2005年7月8日提交的題為"光線校正裝置及方法"的第60/697,710號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，并將它們的全部?jī)?nèi)容通過引用而并入本文。以下幾個(gè)美國專利的全部?jī)?nèi)容也通過引用而并入本文Cathey等人的題為"擴(kuò)展了景深的光學(xué)系統(tǒng)，，的第5,748,371號(hào)美國專利、Dowski,Jr.等人的題為"波前編碼相位對(duì)比成像系統(tǒng)"的第6,525,302號(hào)美國專利、Dowski，Jr.等人的題為"組合波前編碼和相位對(duì)比成i象系統(tǒng)"的第6,783,733號(hào)美國專利、Dowski,Jr.等人的題為"波前編碼光學(xué)器件"的第6,842,297號(hào)美國專利、Dowski,Jr.等人的題為"波前編碼變焦透鏡成^f象系統(tǒng)"的第6,911,638號(hào)美國專利、以及Dowski，Jr.等人的題為"波前編碼成像系統(tǒng)"的第6,940,649號(hào)美國專利。
背景技術(shù)：
：成像裝置的一個(gè)最新趨勢(shì)是小型化。隨著蜂窩電話和集成有照相機(jī)的其他便攜式手持設(shè)備的激增，例如微型照相機(jī)的緊湊的成像系統(tǒng)已普遍存在。雖然目前可獲得的緊湊的成像設(shè)備對(duì)個(gè)人娛樂來說足以滿足低分辨率的圖像捕獲要求，但是它們中的大多數(shù)僅能提供相當(dāng)?shù)偷某上褓|(zhì)量或者其長度太長。圖1示出了示例性的成^象系統(tǒng)10。系統(tǒng)10例如可以為農(nóng)(型照相^L,并^皮示出為包括一組光學(xué)組件2(在圖中一皮示為包括兩個(gè)分離的折射元件)和探測(cè)器4。光學(xué)組件2可由光學(xué)材料制成，例如形成有四個(gè)非J求形表面的PMMA，并且在60度全一見場(chǎng)內(nèi)焦距為2.6mm、F#為2.6。來自于物體(未示出)的光線5大致沿著Z方向3穿過光學(xué)組件2,并成像于探測(cè)器4上。探測(cè)器4然后將在其上面接收的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)(由較大的箭頭7表示)，然后送入處理器8。信號(hào)處理器18對(duì)所述數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理以形成最終圖像9。仍然參照?qǐng)D1,系統(tǒng)10的光學(xué)組件2被定位成Z長度(被定義為從入射光線所遇到的、光學(xué)器件組的第一表面到探測(cè)器的前表面的距離，并且由水平的雙頭箭頭表示)近似等于探測(cè)器4的長度L(由垂直的雙頭箭頭表示)。在圖1所示的示例性的成像系統(tǒng)中，探測(cè)器的長度L為4.4mm,而Z長度設(shè)置為4.6mm。繼續(xù)參照?qǐng)D1，系統(tǒng)10(像許多其他短成像系統(tǒng)一樣)沒有足夠的自由度，因而無法控制系統(tǒng)中可能明顯存在的多樣化的光學(xué)像差和機(jī)械像差。也就是說，由于構(gòu)成系統(tǒng)的部件數(shù)量較少(例如，僅有幾個(gè)透鏡及其固定器、小探測(cè)器等)，并且在例如微型照相機(jī)的緊湊應(yīng)用中組件也非常小，因此難以實(shí)現(xiàn)不同組件的理想設(shè)計(jì)或調(diào)準(zhǔn)(alignment),和/或一旦組裝后便難以對(duì)所有組件進(jìn)行調(diào)整。因此，最終獲得的圖像的質(zhì)量不高。此外，由于系統(tǒng)10的物理組件(例如光學(xué)組件2和探測(cè)器4)未調(diào)準(zhǔn)而有可能引入像差是非常有可能的，因而在加工過程中需要提高精度。即使最終獲得的系統(tǒng)的圖像質(zhì)量相對(duì)較差，這一要求也增大了系統(tǒng)10的成本。此外，在現(xiàn)有技術(shù)的成像系統(tǒng)10中，探測(cè)器4邊緣處的光線角可能較淺。也就是說，探測(cè)器邊緣處的主光線(穿過光學(xué)組件2所限定的孔的中心的光線)與探測(cè)器法線所成的角6可能會(huì)高達(dá)約30度。由于在探測(cè)器處捕獲的光的強(qiáng)度依賴于與探測(cè)器所成的角度，因此被捕獲的光的強(qiáng)度會(huì)隨著主光線角的增大而減小。此外，較大的光線角可導(dǎo)致被捕獲的光在探測(cè)器形成錯(cuò)誤的像素，從而使像素干擾(cross-talk)。因此，由于當(dāng)入射光線遠(yuǎn)離探測(cè)器的法線時(shí)，利用實(shí)際的CMOS、CCD和IR探測(cè)器所形成的圖像就會(huì)變差，因此大的主光線角是不希望有的。由于在努力使系統(tǒng)進(jìn)一步小型化時(shí)系統(tǒng)的Z長度縮短，因此光線角問題加重并且愈加導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。
發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)通道以及探測(cè)器陣列，所述多個(gè)光學(xué)通道中的每一個(gè)(a)與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)關(guān)聯(lián)，(b)具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件和限制性光線校正器，以及(c)被配置成將入射角較陡的場(chǎng)光線引導(dǎo)到所述至少一個(gè)探測(cè)器上。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括探測(cè)器陣列；以及GRIN透鏡，其包括具有波前編碼的表面，并且#1配置成使入射角較陡的場(chǎng)光線傳輸?shù)剿鎏綔y(cè)器陣列中的多個(gè)探測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括多個(gè)光學(xué)通道；以及探測(cè)器陣列;其中所述光學(xué)通道中的每一個(gè)(a)與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)探測(cè)器關(guān)聯(lián)，以及(b)具有非球面的GRIN透鏡。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種用于形成具有波前編碼的透鏡的方法包括在模具中定位透鏡；以及在所述透鏡的表面上添加固化材料，以形成所述透鏡的具有波前編碼的非球形表面。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括光透射材料塊，具有入射孔徑、出射孔徑和至少一個(gè)內(nèi)反射面，其中傳輸通過所述入射孔徑的波前由所述反射面反射，并離開所述具有波前編碼的出射孔徑。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括多個(gè)光學(xué)通道和探測(cè)器陣列，所述多個(gè)光學(xué)通道中的每一個(gè)都與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)探測(cè)器關(guān)聯(lián)、并且具有非球面限制性光線校正器，其中所述非球面限制性光線校正器優(yōu)先使顏色指向所述探測(cè)器陣列中的特殊探測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)包括至少一個(gè)光學(xué)元件和非球形表面，其中所述系統(tǒng)的非常數(shù)MTF在物體與所述光學(xué)元件之間的范圍進(jìn)行補(bǔ)償。在一個(gè)實(shí)施方式中，一種限制性光線校正器包括靠近探測(cè)器陣列放置或者與所述探測(cè)器陣列耦合的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件形成至少一個(gè)表面，從而使光學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)的場(chǎng)光線按照這樣的入射角指向所述探測(cè)器陣列，即，所述入射角與入射到不包含所述光學(xué)元件的探測(cè)器陣列的場(chǎng)光線的入射角相比，更靠近所述探測(cè)器陣列的表面法線。6在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括第一晶片，其包括多個(gè)探測(cè)器；以及第二晶片，其包括多個(gè)非球面光學(xué)組件，從而使所述成像系統(tǒng)的MTF在所述探測(cè)器的通帶內(nèi)沒有零點(diǎn)；所述第一和第二晶片被堆疊以形成具有多個(gè)光學(xué)通道的低高度成像系統(tǒng)，所述多個(gè)光學(xué)通道中的每一個(gè)具有至少一個(gè)光學(xué)組件和至少一個(gè)探測(cè)器。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的成像系統(tǒng)；圖2示出了低高度成像系統(tǒng)，以說明用于主光線校正的一種配置；圖3示出了低高度成像系統(tǒng)，以說明用于主光線校正的又一種配置；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的短成像系統(tǒng)，其中所述短成像系統(tǒng)包括具有波前編碼的GRIN透鏡；圖5示出了入射到不具有波前編碼的GRIN透鏡上的、半個(gè)60度視場(chǎng)內(nèi)的光線圖樣；圖6-8示出了在多個(gè)入射角的3見場(chǎng)上、GRIN透鏡的經(jīng)計(jì)算的在一個(gè)波長上截取的光線圖9是用于GRIN透鏡的經(jīng)計(jì)算的單色調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的一系列圖，其中調(diào)制傳遞函數(shù)為視場(chǎng)角的函數(shù)；圖IO是用于GRIN透鏡的、作為視場(chǎng)角和物體位置的函數(shù)的一系列散點(diǎn)圖11-16是與圖5-10對(duì)應(yīng)的、但用于與波前編碼一起使用的修改的GRIN透4竟的i兌明；圖17和18是分別用于圖5-10和圖11-16所示的系統(tǒng)的同軸出瞳的圖19-21和22-24是分別用于圖5-10和圖11-16所示的系統(tǒng)的、作為視場(chǎng)角的函數(shù)的點(diǎn)狀物的采樣的像。圖25是包括與波前編碼一起使用的修改的GRIN透鏡的成像系統(tǒng)的MTF的圖，其中示出MTF在信號(hào)處理之前和之后的差異；圖26和27分別示出了圖像形式和網(wǎng)格形式的、用于形成圖22-257中的圖像的數(shù)字濾波器；圖28圖解說明用于制造修改的GRIN透鏡的加工系統(tǒng)；圖29圖解說明用于評(píng)價(jià)修改的GRIN透鏡(例如圖28的修改的GRIN透鏡)的測(cè)量系統(tǒng)；圖30是適合與修改的GRIN透鏡一起使用的、示例性薄膜光鐠濾波器響應(yīng)的圖31圖解說明根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)，其中示出使用成組的GRIN透鏡的集合來增大成像系統(tǒng)的視場(chǎng)；圖32圖解說明根據(jù)本發(fā)明的另一成像系統(tǒng)，其中示出使用可選的校正和控制光學(xué)器件來增大成像系統(tǒng)的視場(chǎng)；圖33圖解說明根據(jù)本發(fā)明的可選的成像系統(tǒng)，其中示出使用微型反射光學(xué)器件來進(jìn)一步縮小成像系統(tǒng)的總長度；圖34是入射到構(gòu)成小透鏡陣列的一部分的單個(gè)小透鏡上的光線的光線圖35以立體圖形式示出了由圖34所示的多個(gè)單獨(dú)的小透鏡構(gòu)成的小透鏡陣列，其中所述小透鏡陣列適合于用來代替圖31和32所示的成組的GRIN透鏡；圖36是穿過適于在圖31和32所示的成像系統(tǒng)中使用的、折疊光學(xué)器件配置的光線的光線圖37以立體圖形式圖解說明包括幾個(gè)成像系統(tǒng)(例如圖31和32所示的成像系統(tǒng))的微型光學(xué)系統(tǒng)的總體陣列表示；圖38以局部剖視圖形式圖解說明根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器陣列子系統(tǒng)；圖39以局部剖視圖形式圖解說明現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器陣列子系統(tǒng)的一部分，圖中示出光線穿過小透鏡陣列而到達(dá)包括探測(cè)器陣列的襯底，而所述子系統(tǒng)不包括任何光線校正裝置；圖40和41以局部剖視圖形式圖解說明根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器陣列子系統(tǒng)的一部分，圖中示出光線穿過小透鏡陣列而到達(dá)具有根據(jù)本發(fā)明的校正元件的探測(cè)器陣列，其中所述校正元件與所述小透鏡陣列位于不同的位置；圖42以局部剖視圖形式圖解說明根據(jù)本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)，其中所述光線校正系統(tǒng)包括以堆疊方式設(shè)置于小透鏡陣列之上的多個(gè)校正元件；圖43以局部剖視圖形式圖解說明根據(jù)本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)的另一實(shí)施方案，其中所述光線校正系統(tǒng)包括多個(gè)校正元件和濾色器陣列；圖44-46以局部剖視圖形式圖解說明適于用作本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)中的4交正元件的4交正元件的實(shí)施例；圖47以俯視圖形式圖解說明具有校正元件陣列的晶片的一部分，其中校正元件陣列設(shè)置于探測(cè)器元件陣列(不可見)之上，圖中示出了校正元件的可能形狀的實(shí)施例；圖48以局部剖視圖形式圖解說明穿過示例性校正元件的光線，圖中示出本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)的校正元件所提供的可能的光線校正類型；圖49以局部剖視圖形式圖解說明穿過本發(fā)明的增強(qiáng)的校正元件的光線，圖中示出為了增強(qiáng)光線校正而對(duì)校正元件本身所做的某些可能的修改；圖50-54以局部剖視圖形式圖解說明穿過本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)的附加實(shí)施方案的光線，其中示出用于定制光線校正元件的光線校正特征的可能的改動(dòng)；圖55和56以正視圖和側(cè)視圖的形式圖解說明根據(jù)本發(fā)明的顏色分離功能，其中顏色分離功能可由一對(duì)堆疊的校正元件提供；圖57-59以截面俯視圖形式圖解說明圖55和56的顏色分離功能，其中示出由于光穿過堆疊的校正元件，因而顏色被分成不同的空間區(qū)域；圖60圖解說明Bayer顏色過濾陣列格式；圖61圖解說明使用圖55-59中用來產(chǎn)生顏色分離的堆疊的校正元件來實(shí)現(xiàn)空間顏色分離，其中示出空間顏色分離功能可以被定制，從而使最后獲得的顏色分離對(duì)應(yīng)于圖60所示的Bayer顏色濾波陣列格式的顏色分布；圖62以剖視圖形式圖解說明在利用波長使照明在空間色散時(shí)所使用的棱鏡，該棱鏡適合用于根據(jù)本發(fā)明的空間顏色分離功能中；圖63以局部剖視圖形式圖解說明在利用波長使照明在空間色散時(shí)所使用的兩級(jí)二元衍射結(jié)構(gòu)，該衍射結(jié)構(gòu)也適合用于根據(jù)本發(fā)明的空間顏色分離功能中；圖64以局部剖視圖形式圖解說明了炫耀衍射結(jié)構(gòu)，所述炫耀衍射結(jié)構(gòu)也適于本發(fā)明的空間顏色分離；圖65是用于兩個(gè)不同的波前編碼系統(tǒng)的兩個(gè)示例性的焦距-光瞳位置曲線圖，其中比較了立方相位系統(tǒng)和恒定信噪比(SNR)系統(tǒng)的特性曲線；圖66是用于焦距呈一維線性變化的系統(tǒng)的模糊函數(shù)(AF)的圖；圖67示出了在歸一化空間頻率為0.175時(shí)，圖66的AF截面上的響應(yīng)與歸一化的散焦之間的關(guān)系；圖68是用于焦距呈一維指數(shù)變化的系統(tǒng)的模糊函數(shù)(AF)的圖；圖69示出了在歸一化空間頻率為0.175時(shí)，圖68的AF截面上的響應(yīng)與歸一化的散焦之間的關(guān)系；圖70是不具有波前編碼的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的模糊函數(shù)(AF)的圖；圖71示出了在歸一化空間頻率為0.175時(shí)，圖70的AF截面上的響應(yīng)和歸一化的散焦之間的關(guān)系；以及圖72是說明用于將波前編碼應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的方法的流程圖。應(yīng)當(dāng)注意，為了能夠清楚地說明，可能沒有按照比例繪制附圖中的某些元件。具體實(shí)施例方式下面描述這樣一種光學(xué)系統(tǒng)和設(shè)備，即使它們相對(duì)于探測(cè)器的尺寸具有短的Z長度或等價(jià)的低高度，也可以提高圖像質(zhì)量。"短，，或"低高度"一般性地定義為小于光學(xué)系統(tǒng)有效焦距的兩倍Z長度(從光學(xué)器件的第一表面到探測(cè)器之前的距離)。這些系統(tǒng)和設(shè)備可以提供其他優(yōu)點(diǎn)，例如，雖然它們的光學(xué)器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及數(shù)字探測(cè)器具有不嚴(yán)格的公差(以降低成本)，但是仍然可以實(shí)現(xiàn)高的圖像質(zhì)量；為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成像而使用修改的非定制的小體積光學(xué)器件；可以使用定制的小體積光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成10像；使用具有反射元件的、定制的小體積光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成像；使用小體積光學(xué)器件組來形成高質(zhì)量的圖像；可以使用專用的成像系統(tǒng)的特殊出瞳設(shè)計(jì)，以使檢測(cè)概率或圖像的SNR在物距范圍內(nèi)為常數(shù)。這些系統(tǒng)還提高了系統(tǒng)的光敏性。雖然本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)和設(shè)備可以包括折射和/或衍射元件，但是這些附加元件的主要用途并不是使入射光聚焦于例如探測(cè)器的特殊位置上，而是在不必使光線聚焦的情況下，控制入射光朝向期望的位置，從而在探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)期望的入射角。也就是說，本文所提供的教導(dǎo)旨在以特殊方式"引導(dǎo)，，光線，或者換句話說，沿著一個(gè)或多個(gè)期望的"光通道"引導(dǎo)光線以提供以下優(yōu)點(diǎn)例如，探測(cè)器處的光強(qiáng)增大、顏色分離可定制以及系統(tǒng)尺寸減小。圖2示出了用于解決在短成像系統(tǒng)中的探測(cè)器處，大光線角問題的一種公知的嘗試。圖2示出了示例性的低高度成像系統(tǒng)20，其包括一般沿著Z方向13設(shè)置的光學(xué)組件12和探測(cè)器14，這與圖1中沿著成像系統(tǒng)10的Z方向3設(shè)置的光學(xué)組件2和探測(cè)器4類似。低高度成像系統(tǒng)20還包括折射限制光線校正透鏡22，其設(shè)置于探測(cè)器14上或探測(cè)器14附近。折射限制光線校正透鏡22使得探測(cè)器14處的某些光線角比不采用折射限制光線校正透鏡22時(shí)的光線角陡峭。通過在探測(cè)器前面放置折射限制性光線校正透鏡22,圖2中的系統(tǒng)20的主光線角的最大值與系統(tǒng)IO的主光線角的最大值相比，可以減小6倍，從而達(dá)到5度。最終獲得的5度的主光線角被認(rèn)為是比較小的，并且位于大多數(shù)實(shí)際的探測(cè)器的優(yōu)質(zhì)操作區(qū)域以內(nèi)。繼續(xù)參照?qǐng)D2，系統(tǒng)20的一個(gè)潛在的缺點(diǎn)在于，由于折射限制光線校正透鏡22為折射性的，因此其具有相當(dāng)?shù)暮穸取Ｕ凵湎拗乒饩€校正透鏡22的厚度一般約為lmm，該厚度足以使光線角減小，但是也潛在地將其他像差增加至探測(cè)器14之前的光線15的波前。圖3示出了可選的低高度成像系統(tǒng)30，其包括與圖1中的成像系統(tǒng)10的光學(xué)組件2和探測(cè)器4類似的光學(xué)組件12和探測(cè)器14。低高度成像系統(tǒng)30還包括衍射限制光線校正器32(例如，菲涅耳透鏡)，其采用與系統(tǒng)20的折射限制光線校正透鏡32類似的方式發(fā)揮作用。ii與折射限制光線校正透鏡32相比，衍射限制光線校正器32的厚度大大減小，但同時(shí)還提供相同的功能。雖然探測(cè)器處的最大光線角仍然約為5度，但是衍射限制光線校正器32的厚度較小則意味著，在光線15入射到探測(cè)器14之前，事實(shí)上并不會(huì)在光線15的波前中引入附加的像差。在實(shí)踐中，根據(jù)使用的材料、使用的波長范圍以及衍射區(qū)的間距，衍射限制光線4交正器32的厚度可以小于1/10mm。消除需要對(duì)探測(cè)器處或探測(cè)器附近的光線角進(jìn)行校正的一種方法是，使成^f象系統(tǒng)對(duì)于圖4象來說是遠(yuǎn)心(telecentric)的。圖《象側(cè)的遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)具有基本平行于光軸的主光線角。對(duì)于遠(yuǎn)心透鏡來說，探測(cè)器處的光線角可以僅與邊緣光線(即從透鏡邊緣到像平面的哪些光線)角有關(guān)，而邊緣光線角與透鏡的速度或F/弁有關(guān)。由于像點(diǎn)到光軸的距離，而沒有引入附加的光線角。在實(shí)踐中，成像系統(tǒng)最好具有遠(yuǎn)心特性，而不必嚴(yán)格;也遠(yuǎn)心。在從透鏡的探測(cè)器一側(cè)看時(shí)，孔徑的圖像無窮大或者接近于無窮大的情況下，可以構(gòu)建短遠(yuǎn)心折射光學(xué)器件。當(dāng)孔徑的圖像接近于無窮大時(shí)，孔徑就應(yīng)當(dāng)位于最后一組光學(xué)器件前面，并且孔徑與最后一組光學(xué)器件之間的距離為最后一組光學(xué)器件的有效焦距。對(duì)于例如圖1所示的由兩個(gè)元件構(gòu)成的成像系統(tǒng)來說，孔徑與第二元件之間的距離必須近似為第二元件的焦距，以使系統(tǒng)接近于遠(yuǎn)心。然而，需要增大兩個(gè)元件之間的距離會(huì)妨礙制成非常短的成像系統(tǒng)這一目的。在設(shè)計(jì)愈加短的折射成像系統(tǒng)時(shí)，在某種程度上不可能使系統(tǒng)遠(yuǎn)心，并且也不可能滿足長度約束。例如，下面描述一種改進(jìn)的孩t型照相機(jī)。在蜂窩電話照相機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、內(nèi)診鏡、汽車成像系統(tǒng)、玩具、紅外(IR)成像系統(tǒng)、生物統(tǒng)計(jì)成像系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、以及與上述系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)內(nèi)可以采用類似的技術(shù)。在本文中的某些實(shí)施方案中，通過梯度折射率(GRIN)光學(xué)器件來提供遠(yuǎn)心成像。GRIN光學(xué)器件折射率的變化通常是在光學(xué)器件內(nèi)的位置的函數(shù)。GRIN光學(xué)器件具有空間變化的折射率，該折射率由以下^^式給出其中n(r,z)為徑向(r)和軸向(z)的折射率?？偤碗S著參數(shù)i的改變而改變。在折射率的公式中出現(xiàn)其他變量也是可能的。一些變量包括，作為沿著球形輪廓或者透鏡形狀的輪廓的厚度z的函數(shù)而改變、并且動(dòng)態(tài)改變折射率分布的折射率。通過適當(dāng)配置GRIN光學(xué)器件，成像系統(tǒng)可以近似為遠(yuǎn)心成<象系統(tǒng)，并且同時(shí)還可以為短的成〗象系統(tǒng)。圖4示出了短的成像系統(tǒng)100,其包括修改的GRIN鏡頭104。修改的GRIN鏡頭104(例如最初為NSG(NipponSheetGlass,日本板銷子林式會(huì)社)GRIN透鏡ILH-0.25)凈皮^修改以實(shí)現(xiàn)波前編碼，并且被設(shè)置在探測(cè)器102前面以實(shí)現(xiàn)長度短、高速以及非常寬的視場(chǎng)。修改的GRIN透鏡104具有定制的前表面106，定制的前表面106包括專用設(shè)計(jì)的采用波前編碼的組件。最后獲得的來自探測(cè)器102的圖像的信號(hào)處理可用來顛倒波前編碼的空間作用并生成最終像。修改的GRIN透鏡104的后表面107被定位成幾乎接近探測(cè)器102或與其接觸。修改的GRIN透鏡104的一側(cè)包括變黑的外表面108，用于吸收光、減少反射以及用作視場(chǎng)光闌(fieldstop)。修改的GRIN透鏡104所基于的NSGILH-0.25GRIN透鏡具有以下參數(shù)焦距f-0.25mm、F/l、直徑-250/mi、長度-400/mi、以及全^L場(chǎng)(FOV)為60度。探測(cè)器102例如可以為56x56像素、并具有3.3/mi正方像素的CMOS探測(cè)器。除了定制的前表面106之外，修改的GRIN透鏡104的前表面或后表面還可以涂有薄膜光譜過濾器。在短成像系統(tǒng)100中，使用專用的表面和梯度折射率光學(xué)器件產(chǎn)生總長度(Z長度)較短的基本遠(yuǎn)心的光學(xué)系統(tǒng)。遠(yuǎn)心光學(xué)器件有助于確保探測(cè)器表面的主光線角足夠陡，以保持在可獲得的探測(cè)器的輸入角的實(shí)用范圍之內(nèi)。圖5-10示出了不具有波前編碼的GRIN透鏡的性能。圖5示出在半個(gè)60度視場(chǎng)內(nèi)、進(jìn)入GRIN透鏡124的多條輸入光線(由虛線橢圓122表示)的光線圖樣120。輸入光線進(jìn)入GRIN透鏡124的前表面125，并且在GRIN透鏡124的后表面126上聚焦，其中GRIN透鏡124被設(shè)置成與探測(cè)器127鄰近。由于GRIN透鏡124具有梯度折射率構(gòu)造，因此探測(cè)器處的多條光線角(由虛線橢圓128表示)都較小，20度或更小。探測(cè)器處的最大光線角主要由GRIN透鏡的速度決定，其中該GRIN透鏡的速度為F/l。圖6-8示出在視場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)波長處，GRIN透鏡124的光線截取圖。圖6-8中的每一對(duì)圖都對(duì)應(yīng)于對(duì)于不同輸入光線角、在輸入面(如圖5中的前表面125所示)上、GRIN透鏡的孔徑內(nèi)的像點(diǎn)與光瞳點(diǎn)的關(guān)系，并且圖6-8中的每個(gè)圖的刻度為-5微米到5微米。圖6-8中示出的光線截取圖表示GRIN透鏡124存在大量的場(chǎng)曲〗象差、球面<象差、彗差和像散。其他波長處的性能也是類似的。這些像差大大限制了在除了同軸(on-axis)位置之外的所有位置的成像性能。圖9示出了用于圖5的GRIN透鏡的單色調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF),其中單色調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)是視場(chǎng)角的函數(shù)?？梢钥闯?，隨著視場(chǎng)角的不斷增大，MTF急劇下降。在最大視場(chǎng)角處，MTF在1101p/mm附近具有零點(diǎn)。3.3微米像素的探測(cè)器所捕獲的最大空間頻率約為151lp/mm。由于場(chǎng)曲像差、球面像差、彗差和像散，探測(cè)器所捕獲的圖像質(zhì)量在很大程度上依賴于圖像位置。圖IO示出了透鏡124的光點(diǎn)曲線圖，其中光點(diǎn)曲線是視場(chǎng)角和物體位置的函數(shù)。從圖IO中可以看出，光點(diǎn)曲線圖的形狀和尺寸在視場(chǎng)和l象平面內(nèi)截然不同。這種不同再次表明，在大視場(chǎng)配置的情況下，GRIN透鏡獨(dú)自成像較差。通過使用通過形成透鏡的專用光學(xué)表面的波前編碼、以及對(duì)最終獲得的圖像進(jìn)行信號(hào)處理，由光學(xué)器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、環(huán)境、加工以及組裝所引起的像差的影響可以全部得到控制。信號(hào)處理可以提高整個(gè)系統(tǒng)的自由度，從而補(bǔ)償物理上較短的成像系統(tǒng)的相對(duì)較小的自由度。通過波前編碼，甚至可以使現(xiàn)成的梯度折射率(GRIN)快速(F/1)透鏡在大視場(chǎng)(60度全視場(chǎng))范圍內(nèi)形成具有高空間分辨率(3.3微米像素)的圖像。圖11示出了可被修改以便與波前編碼一起使用的GRIN透鏡。圖11示出了在半個(gè)60度視場(chǎng)內(nèi)、進(jìn)入GRIN透鏡134的多條輸入光線(由虛線橢圓132表示)的光線圖樣130。輸入光線進(jìn)入修改的GRIN透鏡134的前表面135，并且在GRIN透鏡134的后表面126上聚焦，其中GRIN透鏡134被設(shè)置成與探測(cè)器137鄰近。后表面136處的光線角(由虛線橢圓138表示)還是比較小的。探測(cè)器137將它所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)140,電信號(hào)140被送入信號(hào)處理單元142。從信號(hào)處理單元142獲得的電信號(hào)144用于形成最終圖像146。修改的GRIN透鏡134與圖5的GRIN透鏡124的不同之處在于，在修改的GRIN透4竟134的前表面135上形成了專用的表面。注意到，與圖5中的后表面126上的光束相比，圖11中的后表面136上的光束的形狀有所不同。在修改的GRIN透鏡134的前表面135上形成的專用的表面例如可以實(shí)施為矩形可分離的立方相位<務(wù)改(cubicphasemodification)。在數(shù)學(xué)上，所述相位修改被描述為{c<xA3+yA3)},其中a被選擇用來提供多達(dá)11個(gè)波長的波峰到波谷的光程差(OPD)。為了簡(jiǎn)化起見，選取專用的表面的這一形式與^"改的GRIN透鏡134一起使用。各種其他的表面形式也是有價(jià)值的和可能的。通過修改的GRIN透鏡134發(fā)送、且在探測(cè)器137處探測(cè)到的光信號(hào)隨后通過信號(hào)處理單元142來處理。信號(hào)處理單元142例如可以補(bǔ)償由專用的表面實(shí)現(xiàn)的相位修改。例如，如果專用的表面被配置成公知的波前編碼元件，那么信號(hào)處理單元142則可用來顛倒(reverse)通過波前編碼的光線傳輸而引入的相位修改的空間作用。圖12-14示出了在視場(chǎng)內(nèi)修改的GRIN透鏡134的光線在單一波長上截取的示意圖，圖12-14中的每個(gè)圖的刻度均為-50微米到+50微米。這些曲線僅是針對(duì)光學(xué)器件的，而不包括探測(cè)器或信號(hào)處理。對(duì)于其他波長來說，性能是類似的。從圖12-14中可以看出，光線截取曲線作為視場(chǎng)角的函數(shù)，基本全部都是不變的。為此，希望作為視場(chǎng)角的函數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng)是基本不變的。應(yīng)當(dāng)注意，圖12-14中示出的光線截取曲線的刻度是圖6-8中示出的刻度的10倍。圖15示出了用于4I"改的GRIN透鏡134的MTF。這些MTF也不包括探測(cè)器或信號(hào)處理的作用。可以看出，僅針對(duì)光學(xué)器件的MTF在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)具有基本不變的狀態(tài)。該MTF狀態(tài)與圖9所示的GRIN透鏡124的MTF狀態(tài)完全不同。圖16示出了j務(wù)改的GRIN透鏡134的點(diǎn)列圖(Spotdiagram),,并且圖16再一次示出了未執(zhí)行信號(hào)處理時(shí)、僅與光學(xué)器件有關(guān)的信息?？梢钥闯觯鳇c(diǎn)列圖，在視場(chǎng)角和像平面內(nèi)是基本不變的。點(diǎn)列圖的特殊形狀主要由與修改的GRIN透鏡一起使用的特殊的矩形可分離的表面l侖廓決定。通過比較圖17和圖18示出了用以區(qū)分修改的GRIN透鏡134的前表面135和GRIN透鏡124的前表面125的變化。圖17以網(wǎng)格形式示出了GRIN透鏡124的同軸出瞳輪廓150。可以看出，同軸出瞳輪廓(profile)150是基本扁平的，并且是一種略微彎曲的輪廓。圖18示出了修改的GRIN透鏡134的專用的同軸出瞳輪廓155。根據(jù)期望的波前編碼效果，專用的同軸出瞳輪廓155被構(gòu)造成將特定的相位修改引入通過其發(fā)送的光線中。GRIN透鏡124的前表面125和后表面126祐j人為是基本扁平的，如圖5所示。對(duì)于圖17所示的輪廓來"^兌，波峰到波谷的OPD近似為2.2個(gè)波長。相反地，修改的GRIN透鏡134的前表面135具有可以實(shí)現(xiàn)矩形可分離的立方相位修改的表面輪廓。在(x，y)坐標(biāo)系中，該表面的形式為{(乂^+/3)}，其中常數(shù)a被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)期望的表面高度。在圖18所示的實(shí)施例中，修改的GRIN透鏡134的前表面135的表面高度被配置成對(duì)于修改的GRIN透鏡134來說同軸的波峰到波谷的OPD近似為11個(gè)波長。雖然圖11的前表面135稍微偏離扁平，但是這一點(diǎn)在視覺上是難以看到的。圖19至21示出了對(duì)于各種視場(chǎng)角、利用3.3微米探測(cè)器進(jìn)行采樣之后，采用修改的GRIN透鏡134所形成的、作為視場(chǎng)角的函數(shù)的點(diǎn)狀物的圖像。對(duì)于矩形可分離的系統(tǒng)來說，如圖19至21所示點(diǎn)狀物的圖像或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)呈現(xiàn)出特有的三角形，并且在視覺上幾乎不會(huì)根據(jù)視場(chǎng)角而變化。以像素為單位的PSF的側(cè)面長度約為10。如圖11所示，在探測(cè)器137處探測(cè)到的圖像被送入信號(hào)處理單元142,以形成最終的圖像。圖22至24示出了通過信號(hào)處理單元142對(duì)通過修改的GRIN透鏡134形成的點(diǎn)狀物的像進(jìn)行處理而產(chǎn)生的PSF。圖22至24中示出的用于產(chǎn)生PSF的信號(hào)處理為線性數(shù)字濾波。在該信號(hào)處理中所釆用的線性數(shù)字濾波器在像場(chǎng)中的所有位置都是不變的。在對(duì)圖19至21的采樣的PSF進(jìn)行線性濾波之后，從圖22至1624可以看出經(jīng)濾波的PSF在空間上是緊湊的，并且在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)是基本不變的。對(duì)于寬范圍的物體位置來說，雖然沒有示出，但作為物體位置的函數(shù)的PSF與圖19至21以及圖22至24中示出的、用于#"改的GRIN透鏡134的PSF是類似的。圖25示出了采用修改的GRIN透鏡134的成像系統(tǒng)的MTF，其中修改的GRIN透鏡134在信號(hào)處理之前和之后均采用了波前編碼。如圖22-24所示那樣，圖25中示出的信號(hào)處理為線性數(shù)字濾波。信號(hào)處理之前的MTF被示為由虛線橢圓160表示的較低的一組曲線，而信號(hào)處理之后的MTF被示為由虛線橢圓170表示的較高的一組曲線。這些MTF代表整個(gè)視場(chǎng)以及從3mm到15mm的物體位置范圍。這些MTF還包括來自具有100%占空因數(shù)的、3.3微米探測(cè)器的理想像素MTF。返回參照?qǐng)D9，可以回想起具有傳統(tǒng)GRIN透鏡的成〗象系統(tǒng)即使在一倍物距處成圖像質(zhì)量量也較差。從圖25中可以看出，在信號(hào)處理之前，在所有視場(chǎng)角內(nèi)以及在物距范圍內(nèi)，由包含修改的GRIN透鏡的修改的系統(tǒng)而產(chǎn)生的MTF的較低的一組曲線160是基本不變的。對(duì)于所有視場(chǎng)位置和物距采用相同的線性數(shù)字濾波器進(jìn)行信號(hào)處理，產(chǎn)生了以較高的一組曲線組170表示的MTF。應(yīng)當(dāng)注意，豐支高的一組曲線組170表示的MTF與采用傳統(tǒng)GRIN透鏡獲得的最佳聚焦的同軸MTF具有相同的高度(假定采用傳統(tǒng)GRIN透鏡獲得的MTF包括理想的3.3微米像素的像素MTF)。圖26和27表示用來形成圖22-24的圖像和西25的圖的線性數(shù)字濾波器。圖26以圖像形式500示出了線性數(shù)字濾波器的表示，圖27以網(wǎng)格形式550示出了線性數(shù)字濾波器的表示。如圖26和27所示，線性數(shù)字濾波器在空間上是緊湊的，并且具有極少的獨(dú)特的值。這種數(shù)字濾波器在計(jì)算上足以在硬件處理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。在圖26和27所示的實(shí)施例中，數(shù)字濾波器的所有值的和等于1。該濾波器的平方值之和妁平方根給出了在采用該濾波器之后，產(chǎn)生的加性噪聲的RMS增益(或噪聲增益)的近似值。因而經(jīng)過計(jì)算，該示例性數(shù)字濾波器的噪聲增益為3.2。圖28示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的、用于生產(chǎn)、修改的GRIN透鏡17802的加工系統(tǒng)800的實(shí)施例。修改的GRIN透鏡802包括傳統(tǒng)GRIN透鏡804，在傳統(tǒng)GRIN透鏡804上增加了專用的相位表面(specializedphasesurface)806。專用的相位表面806形成于傳統(tǒng)GRIN透鏡804的前表面808，并且采用可模壓的材料，例如但不局限于UV固化材料、環(huán)氧樹脂、粘膠劑或類似的材料。專用的相位表面806的形狀由銷(pin)812的機(jī)器加工表面810的形狀來決定。銷812的表面810被機(jī)器加工成準(zhǔn)確代表專用的相位表面806所希望的表面輪廓的反面。因此，可模壓材料(因而形成專用的相位表面806)所采取的形式由銷812的機(jī)器加工表面810決定。專用的相位表面806的形狀例如可以為非球形表面。也就是說，銷810與注模機(jī)中通常使用的其他銷類似。在將傳統(tǒng)GRIN透4竟804插入加工系統(tǒng)800中之前，將測(cè)量的一定數(shù)量的可模壓材料增加至銷812的機(jī)器加工表面810。環(huán)(collar)814容納傳統(tǒng)GRIN透鏡804，并擠壓傳統(tǒng)GRIN透鏡804以使其抵靠銷812。例如，如果UV固化材料用作可模壓材料，那么可從背面818引入U(xiǎn)V固化光816而使其穿過GRIN透鏡804。傳統(tǒng)GRIN透鏡804的背面818還可覆蓋有薄膜光譜過濾器820。如果在對(duì)專用的相位表面806進(jìn)行模壓之前，將光i普過濾器820增加至傳統(tǒng)GRIN透鏡804，并將UV固化材料用作專用的相位表面的可模壓材料，那么光譜過濾器820則應(yīng)被配置成使適合于所使用的特定的UV固化材料的UV固化波長的光通過。此外，銷812和環(huán)814可涂有例如TEFLON⑧不粘材料，以便在加工之后易于釋放修改的GRIN透鏡802。現(xiàn)在參照?qǐng)D29并結(jié)合圖28描述用于評(píng)價(jià)修改的GRIN透鏡(例如圖28的修改的GRIN透鏡802)的測(cè)量系統(tǒng)830。在取下銷812之后、但是在取下環(huán)814之前，修改的GRIN透鏡802用于形成試-瞼物體842的圖像840，試驗(yàn)物體842例如為點(diǎn)狀物體、條形圖表或者用于試驗(yàn)的其他適當(dāng)?shù)奈矬w。顯微鏡物鏡844可用于使在修改的GRIN透鏡802的后表面818上形成的圖像840聚焦。顯微鏡物鏡844與成像透鏡846協(xié)調(diào)工作，以便將圖像840轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程探測(cè)器陣列848上，成為^皮轉(zhuǎn)移的像850。物鏡844例如可選地^皮無限校正(infinitycorrected)。在圖29所示的實(shí)施例中，假定物鏡844被無限校正。通過使試-驗(yàn)物體842成^象于探測(cè)器陣列848上，同時(shí)環(huán)814仍附著于<奮改的GRIN透鏡802上，便可重復(fù)檢差被轉(zhuǎn)移的像850的質(zhì)量。通過指示特別修改的透鏡的專用的相位表面是否需要重新加工，測(cè)量系統(tǒng)830可用來改進(jìn)特別l奮改的GRIN透4竟802的質(zhì)量。這樣，測(cè)量系統(tǒng)830可用來加快修改的GRIN透鏡的可靠加工。在加工GRIN透鏡組并按照透鏡組來粘附時(shí)，可并行使用這種試-驗(yàn)和重做的加工方法。圖30示出了用于4I"改的GRIN透鏡(例如圖28的修改的GRIN透鏡)的殺例性的薄膜光語過濾器響應(yīng)870。表1描述了圖30的薄膜光語過濾器的可能配置的一個(gè)實(shí)施例。表1列出了13層薄膜帶通光譜過濾器的各層材料和厚度(即處方)。該13層薄膜過濾器的成像通帶約為50nm。UV通帶略微小于50nm寬的帶寬。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)過濾器內(nèi)的不同層，可使光譜過濾器的成像帶寬足夠?qū)?，以覆蓋可見光波段。通過設(shè)計(jì)波前編碼的前表面和最終圖^f象的信號(hào)處理方式，可以去除通常由傳統(tǒng)GRIN透鏡產(chǎn)生的彩色像差的影響。<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表1暫時(shí)回到圖4，修改的GRIN透鏡104的最大圖像尺寸在實(shí)踐中受到GRIN透鏡體積內(nèi)折射率變化范圍的限制。在GRIN透鏡中，折射率改變0.1被認(rèn)為是普遍的。折射率改變0.3則被認(rèn)為是不尋常的。雖然這種折射率的較大改變?cè)趯砜赡軙?huì)變得日趨普遍，但是仍需要對(duì)圖像的尺寸和目前可得到的折射率改變進(jìn)行平衡。圖31示出了用于使較大物體成像、以及用于形成尺寸更大的圖像的一種系統(tǒng)。系統(tǒng)900包括多個(gè)GRIN透鏡904的組902，用以形成較大的圖像。多個(gè)GRIN透鏡904中的每一個(gè)例如可以為圖28中的4務(wù)改的GRIN透鏡802或傳統(tǒng)的GRIN透鏡804。多個(gè)GRIN透鏡卯4中的每一個(gè)使較大物體908的較小能視域906(即每個(gè)GRIN透鏡所看到的物體部分)成像于探測(cè)器912上，探測(cè)器912將探測(cè)的光學(xué)像轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)信號(hào)917。然后，在信號(hào)處理器918中對(duì)圖像數(shù)據(jù)信號(hào)917進(jìn)行處理，以生成最終圖像919。因此，最終圖像919的總的圖像尺寸可能比單獨(dú)利用任意一個(gè)GRIN透鏡而生成的圖像的尺寸大得多。在圖31中，多個(gè)GRIN透鏡904的組902被配置成可以實(shí)現(xiàn)全部物體908的連續(xù)覆蓋。每個(gè)GRIN透鏡的能視域906的可以與任何其他GRIN透鏡的方面的3見場(chǎng)重疊。系統(tǒng)900可以可選地包括控制光學(xué)器件920,用以控制單獨(dú)GRIN透鏡的視場(chǎng)部分。在圖31中，以折射配置示出了控制光學(xué)器件920，但是也可以采用其他配置。例如，在衍射配置中，控制光學(xué)器件920可以包括一個(gè)或多個(gè)棱鏡，其中棱鏡具有用于光學(xué)校正的附加的表面變體。這種棱鏡還可以直接安裝到GRIN透鏡組的前表面?？刂乒鈱W(xué)器件920還可配置成展示光功率和執(zhí)行某些像差平衡。現(xiàn)在參照?qǐng)D31并結(jié)合圖4，增加至圖4的GRIN透鏡104前表面的波前編碼表面，在圖31的系統(tǒng)卯O中例如可采用以下三種方式之一來實(shí)現(xiàn)1)非球形表面可增加至單獨(dú)的折射和/或衍射控制光學(xué)器件，例如控制光學(xué)器件920的一部分；2)非球形表面可直接增加至組902中的多個(gè)GRIN透鏡904中的每一個(gè)的前表面；或者3)定制的前表面對(duì)成《象波前的影響可以并入組902中的每個(gè)單獨(dú)的GRIN透4竟的i殳計(jì)中。應(yīng)當(dāng)注意，所列舉的第三種方法不需要像圖28所示的加工方法中示出的那樣，在每個(gè)GR1N透鏡的前表面或后表面附上或形成專用的非球形表面。仍然參照?qǐng)D31,在GRIN透鏡904的組902與〗果測(cè)器912之間可以設(shè)置可選的校正板922或者僅設(shè)置自由空間。例如，如果衍射元件或體積元件用作校正板922,那么則可以減輕來自每個(gè)GRIN透4竟的附加像差。如果采用自由空間來代替校正板922，那么通過自由空間傳播的作用可有助于平滑單獨(dú)的GRIN透鏡之間的子像(sub-image)邊界。此外，可以使GRIN透鏡之間的邊界便黑，以^象視場(chǎng)光闌(fieldstop)—樣作用。繼續(xù)參照?qǐng)D31，由于每個(gè)GRIN透鏡904都4吏不同能視域906成像，因此對(duì)于較寬的^f見場(chǎng)可以專用設(shè)計(jì)單獨(dú)的GRIN透鏡及其相應(yīng)的波前編碼光學(xué)器件。此外，可定制每個(gè)GRIN透鏡的光學(xué)特性，以便以特殊的入射角較好地成像，其中GRIN透鏡以該入射角接收來自于物體的光。這樣，同軸觀測(cè)GRIN透鏡和偏軸(off-axis)觀測(cè)GRIN透鏡所固有的像差可以得到最佳控制。對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的GRIN透鏡還可以定制用于產(chǎn)生最終像919的信號(hào)處理918。所采用的信號(hào)處理例如可以與圖26和27中示出的線性濾波類似?，F(xiàn)在參照?qǐng)D32并結(jié)合圖31，圖32示出了(采用波前編碼的)GRIN透鏡系統(tǒng)的組的另一種形式。除了控制光學(xué)器件之外，圖32所示的系統(tǒng)與圖31中的系統(tǒng)900類似。像圖31的系統(tǒng)900那樣，系統(tǒng)950包括多個(gè)GRIN透鏡954的組952。然而，與系統(tǒng)900不同的是，系統(tǒng)950包括控制光學(xué)器件955，控制光學(xué)器件955被配置成物體958的不同能視域956在探測(cè)器912之前的某個(gè)距離相交。系統(tǒng)950的這種配置有助于在對(duì)已探測(cè)的圖像進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)降低對(duì)信號(hào)處理器964的某些要求。GRIN透鏡954的組952的放大倍數(shù)可以為負(fù)，以使圖像顛倒。從圖31中可以看出，對(duì)于單個(gè)GRIN透鏡來說，物體908遠(yuǎn)離光軸(即始于探測(cè)器912中心的表面法線)的部分在較靠近光軸的位置成像于探測(cè)器912上。然后，需要進(jìn)行信號(hào)處理918，以便對(duì)由每個(gè)能視域906產(chǎn)生的子像進(jìn)行分類并對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行校正。圖32的系統(tǒng)950不存在這種放大倍數(shù)問題，因?yàn)樵谔厥獾腉RIN透鏡中，物體958遠(yuǎn)離光軸的部分在遠(yuǎn)離光軸的位置成像。因此，不需要顛倒所獲得的子像。繼續(xù)參照?qǐng)D31和32，圖31和32的信號(hào)處理918和964分別仍然必須去除令人不快的失真、以及隨著視場(chǎng)角的變小而可能出現(xiàn)的照度降低，并且還必須去除由波前編碼而導(dǎo)致的圖像模糊。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，失真通常會(huì)增加，由于圖像視場(chǎng)隨著GRIN光學(xué)器件增大而增大，而照度卻會(huì)降低。在去除模糊之前或之后，可執(zhí)行失真和照度校正。例如可以采用如圖26和27所示的簡(jiǎn)單的線性濾波器來去除;f莫糊。通過降低引入到例如圖33中示出的微型光學(xué)器件中的反射，可以減小反射成像系統(tǒng)980的總長度D。在圖33中示出的實(shí)施例中，反射光學(xué)器件982包括第一表面984,第一表面984例如可以為反射面或折射面，或者包括菲涅耳透鏡。反射光學(xué)器件982還包括附加的反射面986和988,以進(jìn)一步修改通過反射光學(xué)器件982的光990的波前。在其中一個(gè)反射面上或者在其中一個(gè)反射面附近，還可以設(shè)置孔徑光闌(未示出)。此外，在最終面992上可以引入附加的相位修改。構(gòu)成反射光學(xué)器件982的材料可以為GRIN材料、一般的體積元素或均質(zhì)材料。反射面986和988的存在為反射光學(xué)器件982引入了附加的自由度，這些附加的反射面可提供進(jìn)一步的可定制性，以補(bǔ)償當(dāng)以均質(zhì)材料代替GRIN或一般的體積材料時(shí)自由度的降低。反射成像系統(tǒng)980可被配置成基本是遠(yuǎn)心的。也就是說，可以使通過反射光學(xué)器件982的主光線角較小，從而使探測(cè)器994處的最終入射角較小，進(jìn)而保證反射成像系統(tǒng)980基本像遠(yuǎn)心系統(tǒng)一樣操作?？蛇M(jìn)一步控制通過反射成像系統(tǒng)980發(fā)送的光線的主光線角，以減少探測(cè)器強(qiáng)度損耗。在反射光學(xué)器件982的其他表面上也可以實(shí)現(xiàn)反射面或衍射面。如果最終面992保持扁平，那么反射光學(xué)器件982則可以按照類似于圖4的GRIN透鏡104的方式直接安裝在探測(cè)器994的表面上。直接安裝在探測(cè)器上、或者等價(jià)地安裝在探測(cè)器蓋板上可大大減小系統(tǒng)的加工公差。然而，如果將反射成像系統(tǒng)980直接安裝在探測(cè)器994上是行不22通的，那么成像系統(tǒng)980還可以安裝在與探測(cè)器有一定距離的位置。圖34-36示出了圖31和32所廣泛代表的光學(xué)組件的其他配置。如前面討論的那樣，專用的GRIN透鏡組作為圖31和32的基礎(chǔ)?？偟膩碚f，有許多其他類型的成像配置可用來代替GRIN透鏡陣列。也就是說，利用單獨(dú)的光學(xué)器件構(gòu)成的組可以實(shí)現(xiàn)與圖31和32中所描述的配置的功能類似的功能。例如，成組的光學(xué)元件除了可以是圖31和32中的成組的GRIN透鏡902和952之外，還可以是圖34中的簡(jiǎn)單的小透鏡(lenset)1201，其中可以通過小透鏡1201發(fā)送一束光線(由虛線橢圓1205表示)，并且圖34中的小透鏡1201可以構(gòu)成圖35中的透鏡陣列1210。陣列1210的表面形式可以概括為包括波前編碼的非球面的光學(xué)器件，因而GRIN透鏡所實(shí)現(xiàn)的、以及圖11-25中示出的成像性能的類型可以采用小透鏡陣列來實(shí)現(xiàn)。也可以采用多個(gè)小透鏡陣列，并且將多個(gè)小透鏡陣列沿著光軸堆疊，以逐漸提高成圖像質(zhì)量量。通過在陣列上形成的安裝特征或者通過單獨(dú)的陣列隔離器，可以保持沿著光軸堆疊的成像陣列之間的間隔。陣列隔離器(arrayspacer)本質(zhì)上為折射率不同于陣列光學(xué)元件的折射率的光學(xué)盤片，或者可以為具有以陣列光學(xué)元件的光軸為中心的孔的非光學(xué)盤片。圖36示出了在圖31和32的成組透《竟902和952中可以^使用的另一種光學(xué)配置。圖36中采用的折疊的光學(xué)器件1220起到使光軸的路徑折疊(fold)的作用，以允許在反射面上具有附加的光學(xué)自由度，以及允許探測(cè)器平面的方向改變。因此，改變穿過折疊的光學(xué)器件1220的光線束1225的方向，以使其與入射方向大約成卯度?？梢圆捎脝蝹€(gè)物理組件構(gòu)造這種折疊的光學(xué)配置，以簡(jiǎn)化安裝和對(duì)準(zhǔn)。迄今為止所描述的微型光學(xué)器件一般具有可使光通過的一層以上的材料。圖31和32示出了三個(gè)不同的層。圖中示出的第一層(920和955)用作校正和控制光學(xué)器件。成組的光學(xué)器件902和952對(duì)光進(jìn)行聚集并使其朝探測(cè)器傳遞。層922用作進(jìn)一步的校正板。這些層中的每一層都可以以陣列的形式加工，以使得圖31和32的系統(tǒng)卯0和950的重要組件，橫跨陣列并沿著陣列來復(fù)制?？梢酝ㄟ^從陣列中割下或切下需要的組件來獲得適于系統(tǒng)900和950的單個(gè)組件。眾所周知，在硅襯底或晶片上以陣列的形式加工例如CMOS傳感器的電子傳感器?？梢酝ㄟ^切割而從晶片上獲得單個(gè)傳感器。圖37示出了微型光學(xué)系統(tǒng)的一般的陣列表示，而圖31和32的系統(tǒng)900和950是所述微型光學(xué)系統(tǒng)的特殊實(shí)施例。圖37示出了由堆疊的晶片構(gòu)成的系統(tǒng)1230。加工的光學(xué)元件的陣列在圖37中還被稱作"晶片光學(xué)器件"1232和1234。在晶片光學(xué)器件1232和1234中，每個(gè)菱形1233表示傳感器水平的光學(xué)器件。像圖37中的晶片1236那樣起校正器作用的光學(xué)器件陣列還被稱作"校正元件晶片"。在校正元件晶片1236中，細(xì)節(jié)處于像素水平，并且以傳感器水平復(fù)制。如果所有晶片光學(xué)器件的復(fù)制比例和空間位置與CMOS晶片1238的對(duì)準(zhǔn)匹配，那么全部晶片光學(xué)器件和電子元件的集合可以綁在一起，以形成成像系統(tǒng)的陣列。在CMOS晶片1238中，每個(gè)正方形1239表示一個(gè)NxM像素的傳感器。可以對(duì)該陣列進(jìn)行切割，以形成組裝的光學(xué)器件加電子元件的完整集合。也就是說，可以將晶片綁在一起，然后將堆疊的晶片切割成單獨(dú)的傳感器和光學(xué)器件。總的來說，可以采用一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)晶片來實(shí)現(xiàn)成像光學(xué)器件和校正光學(xué)器件的功能。利用對(duì)傳感器像素的設(shè)計(jì)可以優(yōu)化這些元件的特殊設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)光捕獲和靈敏度。暫時(shí)回到圖31和32，分別更加詳細(xì)地描述例如圖31和32中的控制光學(xué)器件920和958的校正光學(xué)器件和控制光學(xué)器件的細(xì)節(jié)。在將校正光學(xué)器件和控制光學(xué)器件與迄今所描述的成像系統(tǒng)一起使用時(shí)，可以將校正光學(xué)器件和控制光學(xué)器件設(shè)計(jì)成具有附加的功能，以提供進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。參照?qǐng)D38可以更加全面地描述圖37中的校正光學(xué)器件的晶片1236和CMOS晶片1238。圖38以截面圖的方式示出了包括光學(xué)器件和電子器件的子系統(tǒng)2010。子系統(tǒng)2010包括CMOS晶片2012，在CMOS晶片2012上支撐探測(cè)器陣列。探測(cè)器陣列2014包括通過CMOS晶片2012分布的多個(gè)探測(cè)器像素2016。子系統(tǒng)2010進(jìn)一步包括小透鏡陣列2018，用于增強(qiáng)探測(cè)器陣列的光捕獲。此外，子系統(tǒng)2010包括光線校正裝置，其一般性地由標(biāo)號(hào)2020表示。光線校正裝置202024為圖37的才交正元件晶片1236的另一實(shí)施例。在圖38所示的實(shí)施方案中，光線校正裝置2020包括透明襯底2022，校正元件2024附于透明襯底2022上。校正元件2024可以是一個(gè)光學(xué)元件或者多個(gè)光學(xué)元件的組合(包括但不局限于衍射光柵、折射元件、全息元件、菲涅耳透鏡和其他衍射元件)。光線校正裝置2020被配置成可在較寬的入射角0in范圍內(nèi)接收入射光(由箭頭2030表示)、并且入射光還可以到達(dá)多個(gè)探測(cè)器像素2016之一。也就是說，無論入射角^n的大小如何，當(dāng)光線校正裝置2020存在時(shí)比沒有光線校正裝置2020時(shí)會(huì)有更多入射光2030達(dá)到探測(cè)器像素2014。實(shí)際上，如果表示入射光2030的箭頭被看作入射光2030的主光線，那么光線校正裝置2020將對(duì)非理想的主光線入射角進(jìn)行充分校正，從而使得即使在遠(yuǎn)離法線入射的位置入射時(shí)，入射光也可以到達(dá)多個(gè)探測(cè)器之一。這樣，子系統(tǒng)2010可以接收相當(dāng)大的入射角圓錐內(nèi)的輸入光，并且仍然可以有效地發(fā)揮作用。在圖38所示的實(shí)施方案中，校正元件2024應(yīng)被定位成距離小透鏡陣列2018足夠近，以使色散和像素干擾最小化。為了進(jìn)行比較，圖39示出了現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器陣列子系統(tǒng)，其中該子系統(tǒng)中未設(shè)置光線校正裝置。圖39示出了探測(cè)器陣列系統(tǒng)2035的一部分的截面圖。和圖38所示的那樣，入射光束2030(包括主光線2032)以入射角^入射到小透鏡陣列2018的一部分上。在探測(cè)器陣列系統(tǒng)2035中沒有設(shè)置任何光線校正裝置的情況下，小透鏡陣列2018將入射光束2030聚焦于探測(cè)器2016之間的點(diǎn)，以使得入射光沒有落在探測(cè)器上并因此而被丟失，進(jìn)而降低了感測(cè)的亮度。用于增強(qiáng)入射光線角較大的被探測(cè)光的方法包括，使小透鏡2018的光心相對(duì)于像素2016移動(dòng)。雖然移動(dòng)小透鏡的光心在某種程度上可以改善性能，但是對(duì)不確定的性能的改善，由于普通像素結(jié)構(gòu)的3D性質(zhì)所導(dǎo)致的漸暈(vignetting)而受到限制。因此，如圖38所示，包含光線校正裝置2020的子系統(tǒng)2010，與現(xiàn)有技術(shù)的不包含光線校正裝置的系統(tǒng)相比，在性能方面提供了重大改進(jìn)。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖40和41并結(jié)合圖38，說明探測(cè)器陣列系統(tǒng)中校正元件的作用的細(xì)節(jié)。首先參照?qǐng)D40，子系統(tǒng)2037包括4交正元件2024，入射光在到達(dá)小透鏡陣列之前到達(dá)校正元件2024。校正元件2024以入射角^接收入射光束2030。4交正元件2024凈皮配置成用于才交正非法線的入射，以便使入射光束2030在通過校正元件2024之后，以近似法線角(near-normalangle)到達(dá)小透鏡陣列2018，從而使入射光束聚焦于探測(cè)器之一。圖41示出了包括校正元件的類似配置，但是與圖40不同的是，校正元件放置在小透鏡陣列之后的入射光束傳播的路徑上。如圖39所示那樣，圖41中的小透鏡陣列首先使入射光束2030聚焦于探測(cè)器像素2016之間的點(diǎn)。然而，圖41中的校正元件2024用于校正最后獲得的光束的傳播方向，從而使光束落在探測(cè)器2016之一上，進(jìn)而使所探測(cè)的亮度最大化。轉(zhuǎn)到圖42和43，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的光線校正裝置的裝飾(embellishment).圖42示出了探測(cè)器系統(tǒng)2100，探測(cè)器系統(tǒng)2100包括光線校正裝置2120，光線校正裝置2120包括多個(gè)校正元件和透明襯底。在圖42所示的實(shí)施例中，光線校正裝置2120包括多個(gè)校正元件2122、2124、2126、2128和2130。這些才交正元件可由多個(gè)透明襯底支撐(例如透明襯底2022支撐校正元件2124和2122,透明襯底2132支撐校正元件2128和2130)或者獨(dú)立設(shè)置(例如校正元件2124和2126)。與單個(gè)校正元件相比，多個(gè)校正元件的堆疊提供了更好的光線校正效果，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)例如大范圍的主光線角、更寬范圍的波長或更高的衍射效率的更多補(bǔ)償。探測(cè)器2016例如可以包括單色探測(cè)器和多色探測(cè)器。圖43示出了與圖42的探測(cè)器系統(tǒng)2100類似的配置，但是該配置中還包括濾色器陣列。圖43的探測(cè)器系統(tǒng)2200包括探測(cè)器陣列2014、小透鏡陣列2018、光線校正裝置2220和用于分離顏色的濾色器陣列2250,其中光線校正裝置2220包括堆疊配置的多個(gè)校正元件和多個(gè)透明襯底。光線校正裝置2220中的多個(gè)校正元件可以被配置成使光線校正裝置所實(shí)現(xiàn)的光線校正適合于與濾色器中的顏色對(duì)應(yīng)的多種波長。例如，光線校正裝置2220可以被配置成特別引導(dǎo)入射光束中的綠色分量通過被配置用來探測(cè)綠光的探測(cè)器/濾色器組合。圖44-46示出了適于用作本發(fā)明的光線校正裝置中的校正元件的元件形式的三個(gè)實(shí)施例。圖44示出了用于校正作為徑向尺寸的函數(shù)而變化的主光線角的折射元件2302。這種折射元件的一個(gè)實(shí)施例為場(chǎng)校正器。圖45示出了具有或不具有光功率的菲涅耳透鏡2304，菲涅耳透鏡2304具有與折射元件2302相同的作用，但是菲涅耳透鏡2304在沿光軸方向上一般可以比折射元件薄。圖中示出菲涅耳透鏡2304包括山脊形表面2306，山脊形表面2306具有主光線校正作用。圖46示出了衍射元件2310，^汙射元件2310包括表面2312,表面2312具有空間變化的光柵周期。衍射元件2310例如可配置成校正主光線角的任意變化。如圖—42和43所示，可將多種校正元件組合以實(shí)現(xiàn)更大的i殳計(jì)靈活性。轉(zhuǎn)到圖47，圖47示出了探測(cè)器系統(tǒng)2400的俯^L圖，其中探測(cè)器系統(tǒng)2400包括定位于CMOS晶片2012之上的4吏正元件2420的陣列。例如，如圖所示，在圖38中，CMOS晶片2012包括多個(gè)探測(cè)器像素2016。注意，探測(cè)器像素的形狀并不是簡(jiǎn)單的正方形或矩形。總的來說，像素的形狀可以是非常復(fù)雜的。校正元件2420的陣列設(shè)置在多個(gè)探測(cè)器之上，以便對(duì)入射到它上面的光進(jìn)行校正。校正元件2420中的每一個(gè)的形狀和表面形式可以適合于入射光束的尺寸和形狀以及探測(cè)器像素的形狀。圖48和49通過示例性校正元件說明了光線校正的機(jī)理。如圖48所示，校正元件2502是用于接收光2504的衍射元件。光2504以入射角^入射到4交正元件2502的上表面2506。在光2504離開校正元件2502的山脊形下表面2508時(shí)，光2504以出射角62射出，其中出射角02小于入射角^。這種校正元件將適于在本發(fā)明的光線校正系統(tǒng)中4吏用。在校正元件2502的變體中，圖49的才交正元件2512包括沉積有反射抑制涂層2516的上表面2514。反射抑制涂層2516允許來自遠(yuǎn)離法線的大的角錐的光耦合，從而使入射角^^艮據(jù)具體的涂層設(shè)計(jì)可以為小于90度的任意角度。校正元件2512進(jìn)一步包括下表面2518，下表面2518包4舌多個(gè)交替的反射面2520和過渡面2522。反射面被設(shè)計(jì)成可能具有彎曲的表面，以便對(duì)光2504進(jìn)行期望的光線校正，從而使其以適當(dāng)?shù)某錾浣荿ut出射。過渡面是傾斜的，以使最少的光被過渡面散射；例如，過渡面可以被設(shè)計(jì)成在校正元件上的特殊點(diǎn)處位于主光線入射角附近。發(fā)射面和過渡面的方向可以適合于給定類型的光源，例如包括輸入光學(xué)器件的光源，其中該輸入光學(xué)器件提供入射光錐而非校準(zhǔn)的光束。發(fā)射面的光學(xué)形狀還可適合于所采用的特殊的成像光學(xué)器件。例如圖49的校正元件2512的校正元件的另一方面在于，對(duì)特定成像透鏡系統(tǒng)的主光線和周圍光線，以及傳感器的位置進(jìn)行控制。例如，將圖50作為這一問題的示例。在圖50所示的系統(tǒng)2600中，才交正元件2024起到控制主光線2032的作用，以l更在主光線通過小透鏡2018和濾色器2250之后，主光線2032^皮晶片2012上的像素2016收集。為了便于說明，圖50示出了垂直于校正元件2024的主光線。總的來"i兌，主光線和其他光線可以任意角度入射到校正元件2024上?？梢钥闯觯饩€2632在角度上遠(yuǎn)離主光線2032。光線2632可以看作是來自于普通錐的邊緣光線、或者松散地以主光線2032為中心的光線。對(duì)于快速成像系統(tǒng)來說，邊緣光線將會(huì)偏離主光線較大角度。對(duì)于波前編碼的成像系統(tǒng)來說，邊緣光線與主光線之間可以存在不平均的和平均的更大偏離。如果4交正元件2024僅#^殳計(jì)成控制主光線2032，那么傳感器2016很有可能探測(cè)不到邊緣光線2632。通過利用成^^系統(tǒng)的知識(shí)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)物體和傳感器之間的校正元件2024則可以避免這種情況。圖51和52說明了專用的校正器、即圖50的校正器2512的改進(jìn)版本的兩種表示，其中校正器2512的改進(jìn)版本用于利用透鏡系統(tǒng)的知識(shí)對(duì)主光線和周圍光線進(jìn)行校正。與圖50相反，在圖51中，除了主光線2032之外，邊緣光線2632也由才交正器2024來校正，從而使全部范圍的光線通過小透鏡2018和濾色器2250，從而被晶片2012上的像素2016收集。校正器2024利用透鏡系統(tǒng)的知識(shí)或者等價(jià)地利用形成圖像的透鏡系統(tǒng)所產(chǎn)生的波前，對(duì)主光線2032和所有其他光線進(jìn)行校正。圖52示出了圖51的結(jié)構(gòu)的波前表示。波前2652由透鏡系統(tǒng)(未示出)發(fā)出，并且總的來說依賴于照明波前和圖像的位置。與波前2652相比，在圖51的校正器2024之后，波前2654是基本扁平的。波前2654只需要是足夠扁平的，以便在通過小透鏡和濾色器之后照明落在探測(cè)器像素2016之內(nèi)。較大的探測(cè)器像素2016或較不精確的小透鏡2018需要較不扁平的波前2654。在小透鏡2018之后，產(chǎn)生波前2656，并且波前2656大致朝著像素2016會(huì)聚。圖53通過對(duì)波前的描述示出了包括透鏡系統(tǒng)2100在內(nèi)的圖51的更一般的情況。在系統(tǒng)2700中，來自物體2702的照明光線2704由透鏡系統(tǒng)2710收集。透鏡系統(tǒng)2710包括多個(gè)光學(xué)器件2714。該透鏡系統(tǒng)形成主光線2032和其他光線2732，并且對(duì)于特殊的照明顏色、圖像和/或物體2702的位置來說，主光線2032和其他光線2732與所有其他光線一起由波前2752表示。校正器2554像圖51所示的校正器一樣，起到去除大量的局部波前翹起、以及產(chǎn)生基本朝著特殊的探測(cè)器像素2016會(huì)聚的較扁平的波前2756的作用。接著，來自透鏡系統(tǒng)2710的光線由晶片2012上的^f象素2016收集。校正器利用波前2752是照明顏色和空間位置的函數(shù)這一知識(shí)，以基本消除波前2752的彎曲并產(chǎn)生較扁平的波前2556，以允許最大量的光線到達(dá)探測(cè)器像素的區(qū)域。不需要形成聚焦的圖像；重要的是光線到達(dá)任意活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的探測(cè)器像素。例如可以通過但不局限于互補(bǔ)表面形狀(complementarysurfacesh叩e)、校正器的體積改變和全息圖來實(shí)現(xiàn)波前的消除。圖54示出了對(duì)圖51的系統(tǒng)的另一種修改，這次是將小透鏡并入校正器2024中。在系統(tǒng)2800中，校正器2810起到基本消除來自透鏡系統(tǒng)(未示出)的波前、以及主光線2030和邊緣光線2632的作用，以便在濾色器2250之后，晶片2012上的像素2016可以探測(cè)到在校正元件2810之前廣泛變化的光線。校正器2810在圖中被示為在一個(gè)或多個(gè)像素上方具有重復(fù)的彎曲表面。所述彎曲表面可具有需要用來消除來自于透鏡系統(tǒng)的波前的曲率、以及本來如圖51那樣由小透鏡提供的曲率。這樣，校正器可以是透鏡系統(tǒng)和晶片2012之間惟一的光學(xué)元件?？蛇x地，在彩色成像系統(tǒng)中，濾色器2250可集成在校正器281029上或集成在校正器2810中。雖然圖中示出校正器2810具有反射面，但是菲涅耳面和書f射面也等同地適于用作體全息元件。圖55-64進(jìn)一步描述了用于形成特別適合于例如圖43的彩色成像系統(tǒng)的校正元件的方法。在^f啟型照相^L系統(tǒng)中，這些才交正元件可以單獨(dú)使用，或者與圖44至55中的光線校正元件一起使用。圖55-64中的校正元件的特別重要的特征在于顏色分離。顏色分離用來使不同顏色的光在空間上朝向適當(dāng)?shù)臑V色器或像素位置，從而與未使用顏色分離時(shí)相比大大提高光的捕獲?？紤]采用目前成像系統(tǒng)中使用的濾色器陣列。不同像素通常具有不同的濾色器，然后多個(gè)顏色與信號(hào)處理一起使用，以形成最終的彩色圖像。常用的濾色器陣列圖稱為Bayer格式(pattern),并且由紅色、綠色和藍(lán)色濾色器構(gòu)成。圖60示出了Bayer格式。在現(xiàn)有技術(shù)的成4象系統(tǒng)中，代表物體的所有顏色的光入射到所有相關(guān)像素上。如果圖像的特殊像素和濾色器與物體的白色一致，那么白光則會(huì)入射到該特殊像素和濾色器上。如果該特殊濾色器的顏色例如為紅色，那么只有大約1/3的入射的白光光子可以被該像素捕獲，因?yàn)闉V色器起到去除藍(lán)色和綠色光子的作用。被構(gòu)造和設(shè)置用來提供顏色分離的校正元件會(huì)在空間上分離入射光，以使得入射到過濾紅色的像素(redfilteredpixel)上的主要是紅色光子、入射到過濾綠色的像素上的主要是綠色光子以及入射到過濾藍(lán)色的像素上的主要是藍(lán)色光子。除了紅色、綠色和藍(lán)色之外，利用該方法還可以配置其他類型的顏色分離，因而可以將一定比例的紅色、綠色和藍(lán)色分開，并將其引導(dǎo)至某些像素。因此，較大共享的入射光子被捕獲，以允許高的信號(hào)強(qiáng)度大大提高微光成像性能。圖55和56示出了根據(jù)本發(fā)明的兩級(jí)顏色分離子系統(tǒng)的方案圖。在實(shí)踐中，有時(shí)必需的是一級(jí)顏色分離系統(tǒng)而不是兩級(jí)顏色分離子系統(tǒng)。圖55和56中具有復(fù)制的晶片配置的子系統(tǒng)是圖37中的校正元件1232的晶片的實(shí)施例。入射到第一校正元件(第一校正元件2855)上的照明表示為2850。該照明通常具有紅色、綠色和藍(lán)色分量，其中紅色、綠色和藍(lán)色分量的比例取決于被捕獲的場(chǎng)景、透鏡系統(tǒng)和傳感器的空間位置。在圖55和56中綠色分量由兩個(gè)分量G1和G2表示。Gl為綠紅色/綠色，G2為綠色或藍(lán)色。為了便于說明，圖中示出照明2850垂直于第一4吏正元件2855。在第一校正元件2855之后、第二沖交正元件2865之前，R(紅色)和G1照明分量與G2和B(藍(lán)色)分量分離在照明2860中，如正視圖所示。圖56的相應(yīng)的側(cè)視圖示出在第二校正元件2865之前照明2860中不存在分離，這就意味著一維分離受到第一校正元件2855的影響。在第二校正元件2865之后，圖55的正視圖示出照明2870的顏色分離沒有變化(即在正視圖中，第二校正元件2865未改變照明光線方向)。然而圖56的側(cè)視圖示出了照明2870的(R/G1)和(G2/B)分量的附加顏色分離。第一校正元件2855所導(dǎo)致的顏色分離與第二校正元件2865所導(dǎo)致的顏色分離相差90度。在第一校正元件和第二校正元件之后，入射照明2850凈皮分成四個(gè)空間獨(dú)立的顏色分量2870。第一校正元件和笫二校正元件可位于村底的相對(duì)表面上，例如圖43中的元件2024和2122，而襯底2022位于二者之間。此外，產(chǎn)生一維分離的兩個(gè)校正元件可以組合成產(chǎn)生二維顏色分離的單個(gè)4交正元件。校正元件例如可以為具有修改的表面或體積光學(xué)元件的襯底。圖57-59額外說明了圖55和56中顏色分離的本質(zhì)。首先，在第一校正元件之前，入射照明2850基本上是空間均勻的。照明2850的光束被描述為圓形輪廓內(nèi)的擬合(fitting),如圖57所示。在第一才交正元件2855之后、第二校正元件2865之前，照明2860凈皮分成兩個(gè)區(qū)&戈2862和2864，如圖58所示。(R/G1)照明分量(區(qū)域2862)與(G2/B)照明分量(區(qū)域2864)是空間分離的。圖中示出這些照明分量的光束是平滑的和重疊的。即使對(duì)于照明分量的一小部分來說照明分量的密度增大，那么也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的好處。在第一和第二校正元件(2855和2865)之后，照明2870在空間上^皮進(jìn)一步分開，如圖59所示。在四個(gè)空間上分離的空間區(qū)域(2872、2874、2876和2878)中，R、G2、G1和B分量具有更高的密度。只是為了清晰起見而在圖中示出這些區(qū)域是不重疊的，但是在實(shí)際的裝置中，這些區(qū)域稍稍重疊也是可能的。也就是說，在鄰近像素中，任何高比例的顏色都對(duì)應(yīng)于改31進(jìn)的顏色分離。如果顏色分離區(qū)域?qū)?yīng)于單獨(dú)的探測(cè)器像素，例如圖42中的探測(cè)器像素2016,那么2x2像素區(qū)域中的每個(gè)像素都將對(duì)特殊照明光譜的光子進(jìn)行采樣。如果被分離的顏色與單個(gè)探測(cè)器像素濾色器匹配，那么探測(cè)器將會(huì)捕獲增加的照明量。例如，假定圖60中的2x2區(qū)域2880西北邊的像素具有紅色濾色器。那么，如果在圖61中照明2880在該位置被分離的顏色為紅色，那么該特殊像素所捕獲的入射光子部分將大于照明中未采用顏色分離時(shí)所捕獲的光子部分。這樣便直接改進(jìn)了光的捕獲和微光成像性能。如果被分離的顏色的空間構(gòu)圖足夠清楚，那么便不再需要圖43的濾色器陣列2250。僅采用校正光學(xué)器件的顏色分離可用來使空間照明光譜以任何期望的方式成形。被分離的顏色可以是任何期望的混合顏色，而不僅僅是顏色R、Gl、G2、和B。例如，絳紅色、黃色和青色這三種顏色可以被分離，并且在不與R、G和B濾色器一起使用時(shí)可以產(chǎn)生圖像的新顏色采樣?？梢杂脕砝眯Ｕ?shí)現(xiàn)顏色分離的方法有很多。圖62示出了利用波長使照明空間色散的一種方法，該方法釆用色散棱鏡。為了在空間上使顏色分離，棱鏡利用了光學(xué)材料的色散(即折射率作為照明波長的函數(shù)而改變)。給定^i:型照相機(jī)的不重要的性質(zhì)，對(duì)于某些系統(tǒng)來說，僅僅使用色散棱鏡不能夠提供實(shí)際的解決方案。為了縮小具有與色散棱鏡類似的特征的校正元件的尺寸和降低其成本，可以如圖63和64所示那樣采用顏色分離衍射型結(jié)構(gòu)。圖63和64說明了利用波長使照明空間色散的緊湊的方法。眾所周知，衍射結(jié)構(gòu)一般用于采用例如光i普儀的儀器來使照明分量空間分離。甚至如圖63所示的簡(jiǎn)單的兩級(jí)二元衍射結(jié)構(gòu)也會(huì)使照明分量相對(duì)于其顏色發(fā)生衍射。顏色分量的角度偏離直接取決于波長。更復(fù)雜的衍射結(jié)構(gòu)可以通過控制以不期望的方向或順序衍射的光的量來更有效地分離顏色分量。圖64示出了炫耀衍射結(jié)構(gòu)。這些衍射結(jié)構(gòu)可以為兩級(jí)以上，并且具有作為空間位置的函數(shù)而改變的結(jié)構(gòu)高度。精度提高的結(jié)構(gòu)可能更接近圖55和圖59所示的空間顏色分離。圖65-70描述了采用波前編碼以使圖像的SNR相等、或者對(duì)于某些系統(tǒng)來說使作為物距函數(shù)的4笨測(cè);f既率相等的成像系統(tǒng)的出瞳配置。許多基于任務(wù)的系統(tǒng)被用來獲取來自于遠(yuǎn)處物體的專用的信息。這些基于任務(wù)的成像系統(tǒng)一般來說不會(huì)形成對(duì)于人眼而言理想的圖像?；谌蝿?wù)的系統(tǒng)的一個(gè)示例為生物測(cè)定成像系統(tǒng)，具體為虹膜識(shí)別系統(tǒng)。另一個(gè)示例為圖像跟蹤系統(tǒng)。在這兩種情況下，遠(yuǎn)處的物體都在發(fā)光或者反射一定量的光。這些示例性的系統(tǒng)中的成像系統(tǒng)被配置成在存在噪聲、采用不精確的光學(xué)器件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，分別獲取例如虹膜編碼或物體(x,y)位置的專用的信息。在理想情況下，可以在大物體的體積上采用高精度并且充分平均地獲取上述信息。在某些情況下，可能希望指定在物體體積內(nèi)獲取信息的精度或精確性。例如，根據(jù)物體在體積內(nèi)所處的位置，可以認(rèn)為信息是更重要。信息的最高精度估計(jì)可以被設(shè)計(jì)成與物體體積內(nèi)的重要位置相對(duì)應(yīng)。在一般的成像器中這一點(diǎn)也是有用的，比如說，例如從無窮大到1.5米的圖像質(zhì)量比1.5米到10cm的圖像質(zhì)量更重要。當(dāng)在較大的物體體積內(nèi)使一般的場(chǎng)景成像時(shí)，對(duì)于人類觀察者來說，如果物體體積足夠大，從而使光學(xué)器件的特征在物體體積內(nèi)是不變的，那么對(duì)成像系統(tǒng)或波前編碼系統(tǒng)進(jìn)行配置通常認(rèn)為是可以接受的。調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)例如通常被配置成在廣闊的物體體積內(nèi)基本形成相同的值。一維立方相位成〗象系統(tǒng)加上理想透鏡可以i兌明這一扭jt念。對(duì)于該系統(tǒng)來說，對(duì)于某個(gè)常數(shù)a，增加至透鏡或出瞳的相位輪廓為p(y)=a/3。參數(shù)y表示沿著理想的一維透鏡的空間位置。我們可以認(rèn)為通過透鏡光闌的相位輪廓隨著連續(xù)可變的焦距的變化是在理想透鏡的變化。由于透鏡焦距可近似為透鏡相位的二階導(dǎo)數(shù)，因此在整個(gè)立方相位系統(tǒng)中焦距的改變可描述為Focal一length(y)dA2p(y)/dA2=6*a*x=j8*x或者，透鏡焦距的變化是線性的。我們可以將簡(jiǎn)單的立方相位系統(tǒng)看作是增加至理想透鏡的小透鏡的焦距的無限聚集，而小透鏡的焦距線性地改變穿過光闌的焦距。焦距的線性變化導(dǎo)致MTF在某個(gè)較寬的物距范圍內(nèi)近似為常數(shù)。使用模糊函數(shù)允許對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行筒單分析，以顯示MTF在較寬的物距范圍內(nèi)或相等的散焦范圍內(nèi)基本為常數(shù)?？紤]在專用的纟笨測(cè)系統(tǒng)中，在特殊的空間頻率處常數(shù)MTF的作用。如Shannon教導(dǎo)的那樣，圖像信息歸根結(jié)底是與信噪比(SNR)有關(guān)的。增大SNR可以增大可被提取出的最大量的信息。假定對(duì)于圖像檢測(cè)系統(tǒng)來說，在給定的空間頻率處的響應(yīng)是(被成像系統(tǒng)放大的)該空間頻率的成像系統(tǒng)的MTF與物體光謙的乘積。噪聲與探測(cè)器讀取噪聲、固定圖像噪聲、取決于信號(hào)的噪聲(包括散粒噪聲)以及其他類型的噪聲量有關(guān)。隨著光闌到物體的距離增大，成像系統(tǒng)的入射光瞳所捕獲的光子減少。隨著光闌到物體的距離減小，入射光瞳所捕獲的光子增多光瞳所捕獲的光子增多。在理想的系統(tǒng)中，被捕獲的光子總數(shù)可以遵循距離平方反比規(guī)律。如果物體響應(yīng)隨著距離發(fā)生根本改變，那么假定目前放大倍數(shù)是恒定的，并且對(duì)于距離或遠(yuǎn)處物體足夠小可以看作點(diǎn)狀物，那么被采樣的信號(hào)規(guī)定光學(xué)響應(yīng)的時(shí)間，因而對(duì)于給定的空間頻率來說SNR將隨著恒定的光學(xué)響應(yīng)而改變。即使采用常數(shù)MTF，整體的物體SNR和圖像信息也將會(huì)是物距的函數(shù)。當(dāng)圖像在成像放大倍數(shù)隨著距離改變時(shí)(和大多數(shù)系統(tǒng)中那樣)，放大倍數(shù)的改變進(jìn)一步使散焦范圍內(nèi)的一個(gè)空間頻率處的SNR改變。對(duì)于許多系統(tǒng)來說，圖像信息作為物距的函數(shù)，應(yīng)當(dāng)是恒定的或者是受到特別控制的。我們可以通過改變作為物體位置或散焦的函數(shù)的MTF的基本響應(yīng)來獲取這種特征。由于在所有散焦內(nèi)MTF值的總量的平方是恒定的，因此通過保持光學(xué)器件的^f莫糊特性，可以對(duì)MTF響應(yīng)進(jìn)行分割以形成作為距離函數(shù)的恒定或具體的SNR系統(tǒng)。圖65示出了對(duì)于兩個(gè)不同的波前編碼系統(tǒng)的兩個(gè)示例性的焦距-光瞳位置曲線。指數(shù)變化的焦距曲線表示設(shè)計(jì)用來在物距范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定SNR的新系統(tǒng)。在光闌范圍內(nèi)，焦距呈指數(shù)變化的形式為focal_length(y)={a[b*(y)A2+c*y+d]}。在該特殊的實(shí)施例中，b=c=12，d=-4。圖66和67示出了用于焦距呈線性變化或立方相位系統(tǒng)的模糊函數(shù)(AF)表示。圖66示出了用于焦距呈一維線性變化的系統(tǒng)的AF。通過AF原點(diǎn)的徑向部分表示作為散焦的函數(shù)的MTF。散焦像差系數(shù)與徑向線的角度之間具有線性關(guān)系。通過AF原點(diǎn)的橫向部分表示焦點(diǎn)聚準(zhǔn)的(in-focus)(零散焦)MTF。通過AF的垂直部分表示作為散焦的函數(shù)的MTF在某個(gè)空間頻率處的值?？紤]在歸一化空間頻率(或U軸值)為0.175時(shí)通過AF的垂直部分。該部分表示在歸一化空間頻率為0.175時(shí)作為散焦函數(shù)的MTF。圖67示出了通過AF的垂直部分。在大約為+/-0.2的歸一化散焦區(qū)域內(nèi)，在該空間頻率處的MTF近似恒定的?？蛇x地，焦距線性變化的系統(tǒng)使得MTF在擴(kuò)展的散焦范圍內(nèi)是基本恒定的。值得注意的是，在圖67中，對(duì)一個(gè)空間頻率的作為散焦函數(shù)的響應(yīng)，在指定范圍內(nèi)是基本恒定的。圖68和69示出了用于焦距呈指數(shù)變化的(光子補(bǔ)償)系統(tǒng)的AF。圖65示出了焦距呈指數(shù)變化的系統(tǒng)?？梢钥闯?，圖68中的圖像所示出的AF略微不同于圖66所示的AF。相函數(shù)具有p(y)=cx*(yA4+2yA3-2yA2)的形式。圖69示出了在歸一化空間頻率0.175處通過AF的部分。在以對(duì)數(shù)刻度繪圖時(shí)，該作為散焦函數(shù)的MTF響應(yīng)近似為線性函數(shù)。在以線性刻度繪圖時(shí)，作為散焦函數(shù)的MTF響應(yīng)近似為指數(shù)函數(shù)。在圖69中，可以看出，在以對(duì)數(shù)刻度表示時(shí)，對(duì)一個(gè)空間頻率的作為散焦函數(shù)的響應(yīng)在指定的范圍內(nèi)是基本線性的(或者在以線性刻度表示時(shí)是指數(shù)形式的)。圖70和71示出了用于不具有波前編碼的理想的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)或衍射受限的成4象系統(tǒng)的AF?？梢钥闯?，與圖66和68的波前編碼系統(tǒng)的AF相比，圖70所示的AF非常接近地與才黃軸對(duì)準(zhǔn)。圖70中的AF的這一特征意《未著不具有波前編碼的系統(tǒng)的MTF隨著散焦的改變而大大改變。圖71示出了在0.175歸一化空間頻率處通過AF的部分?？梢钥闯觯揗TF是非常窄的，在零散焦處存在較大的MTF值，而在略微不同于零散焦的歸一化散焦值處，存在較小的MTF值。具有這種MTF的成像系統(tǒng)的SNR在零散焦處被最大化，而在其他各處被最小化。應(yīng)該注意到，對(duì)一個(gè)空間頻率的作為散焦函數(shù)的響應(yīng)，在零散焦時(shí)較大，而在其他各處則非常小。由于保持了模糊，因此對(duì)于應(yīng)用于理想成像系統(tǒng)的出瞳的任何相35位來說，沿著任何特殊垂直線的AF值的平方和為常數(shù)。或者，對(duì)于所有的散焦值來說，一個(gè)空間頻率處的MTF值的平方和為常數(shù)。因此MTF值是恒定不變的。雖然對(duì)于焦距呈線性變化的系統(tǒng)來說，在+/-0.2的散焦范圍內(nèi)，與散焦相對(duì)的MTF值約為0.05，但是對(duì)于焦距呈指數(shù)變化的系統(tǒng)來說，MTF值從0.03變化到0.1以上。由于保持了模糊特性，因此對(duì)于某些散焦值來說MTF值增大，也就意味著對(duì)于某些其他的散焦值來說MTF值減小。但是，與距離相對(duì)的物體響應(yīng)與圖69的光學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)的乘積可以與焦距呈指數(shù)變化的系統(tǒng)匹配，以確保SNR是恒定的，從而確保作為物距函數(shù)的圖像信息是恒定的。對(duì)于焦距呈線性變化的系統(tǒng)來說，SNR和圖像信息將作為物距的函數(shù)而變化。對(duì)于不具有波前編碼的系統(tǒng)來說，在最佳焦點(diǎn)處SNR將被最大化，而在所有其他位置將被最小化。如果要求特殊比例的MTF值是物距的函數(shù)，那么與圖66-69所示的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)可用來逼近焦距變化函數(shù)，進(jìn)而構(gòu)造最后獲得的光瞳函數(shù)。此外，需要通過優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)，以便對(duì)最后獲得的光瞳函數(shù)進(jìn)行微調(diào)。然后，可以定制作為散焦的函數(shù)、或者等價(jià)地作為物體范圍的函數(shù)的MTF，以滿足特殊應(yīng)用的需要。圖72是用于i兌明將波前編碼應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的方法3500的流禾呈圖。方法3500說明了用于實(shí)現(xiàn)具有波前編碼的特殊GRIN透鏡的設(shè)計(jì)、以控制類似于聚焦的效果的步驟。該過程的總體描述如下。步驟3510選擇開始的光學(xué)配置。所述光學(xué)配置包括用以操縱從物體到光子感測(cè)元件或探測(cè)器陣列的光的各個(gè)元件的類型和形式。所述光學(xué)配置包括系統(tǒng)(例如三個(gè)透鏡構(gòu)成的系統(tǒng))中的多個(gè)光學(xué)組件、以及組件的類型，例如折射透鏡、光線校正器、反射鏡(mirror)、衍射元件、體積全息器件等。此外，確定所使用的特殊材料，例如玻璃、塑料、特殊玻璃或塑料、GRIN材料等。步驟3520選擇系統(tǒng)參數(shù)，其中系統(tǒng)參數(shù)是可以變化的或者是事先不固定的。這些參數(shù)將成為優(yōu)化處理(例如下面的優(yōu)化循環(huán)3540)的一部分。系統(tǒng)參數(shù)可包括可使用的光學(xué)材料或機(jī)械材料的集合、組件的物理尺寸和形狀以及相關(guān)的距離。在優(yōu)化期間，例如重量、成本和性能的總體特征也可當(dāng)作參數(shù)來處理。用于形成最終圖像的信號(hào)處理也具有參數(shù)，例如在ASIC實(shí)施中需要用來產(chǎn)生最終圖像的硅面積、線性核心(kernel)值、濾波器核心(filterkernel)的動(dòng)態(tài)范圍、非線性降噪?yún)?shù)等。與波前編碼有關(guān)的重要參數(shù)包括將要應(yīng)用于成像系統(tǒng)的非球形表面光學(xué)才喿控(asphericopticalmanipulations)的組成和類型。這些參數(shù)可以是非常簡(jiǎn)單的參數(shù)(例如，矩形可分離表面的表面高度)，或者可以是非常復(fù)雜的參數(shù)，例如定義體積成像元件的三維折射率的參數(shù)。GRIN透鏡是體積成像元件的一個(gè)實(shí)施例。體積全息器件是體積成^f象元件的另一實(shí)施例。初始光學(xué)設(shè)計(jì)步驟3530包括傳統(tǒng)光學(xué)器件設(shè)計(jì)，并且如許多教科書中實(shí)踐的那樣，設(shè)計(jì)過程特別牽涉到與非焦點(diǎn)(non-focus)有關(guān)的像差的像差平衡。在某些情況下(例如當(dāng)現(xiàn)成的光學(xué)組件為光學(xué)設(shè)計(jì)提供初始假定時(shí))，可以刪除光學(xué)設(shè)計(jì)步驟3530。與焦點(diǎn)有關(guān)的像差包括以下幾種像差例如球形像差、場(chǎng)曲、像散、色差、與溫度有關(guān)的像差以及與加工和對(duì)準(zhǔn)有關(guān)的像差。與非焦點(diǎn)有關(guān)的像差包括以下像差例如彗差、橫向色差以及不能夠通過像面的移動(dòng)或變形(如果以某種方式可以實(shí)現(xiàn)這種變形)而暗自校正的失真，其中像面是例如視場(chǎng)角、顏色、溫度和對(duì)準(zhǔn)的變量的函數(shù)。光學(xué)設(shè)計(jì)步驟3530集中去除利用專用的光學(xué)器件設(shè)計(jì)和最終圖像的信號(hào)處理不容易去除的像差的影響。光學(xué)設(shè)計(jì)步驟3530包括提供與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)集合有關(guān)的初利用初始光學(xué)設(shè)計(jì)，可以開始光學(xué)組件和數(shù)字組件的聯(lián)合優(yōu)化。優(yōu)化循環(huán)3540修改在步驟3520中指定的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)，直到滿足某些最后的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止。優(yōu)化循環(huán)包括步驟3550、3560、3570、3580和35卯，下面將對(duì)這些步驟進(jìn)行討論。在修改步驟3550，將參數(shù)的初始推測(cè)應(yīng)用于來自步驟3530的初始光學(xué)設(shè)計(jì)，從而形成修改的光學(xué)系統(tǒng)。步驟3560確定信號(hào)處理參數(shù)，這些信號(hào)處理參數(shù)將作用于所形成的圖像以產(chǎn)生最終圖像。信號(hào)處理參數(shù)例如可以包括二維線性濾波核心的尺寸和形式。信號(hào)處理參數(shù)可以是基于步驟3550中特殊的修改的光學(xué)系統(tǒng)而選取的。在步驟3560中確定了信號(hào)處理參數(shù)之后，在步驟3570中將相應(yīng)的信號(hào)處理應(yīng)用于來自修改的光學(xué)系統(tǒng)的模擬圖像。模擬圖像可以包括例如點(diǎn)、線、柵格、條等的專用的目標(biāo)圖像，以及/或者可以是一般場(chǎng)景的彩色像。模擬圖像可以包括來自實(shí)際或理想探測(cè)器的噪聲，例如散粒噪聲、固定圖像噪聲、讀取噪聲等。步驟3580對(duì)來自于步驟3570的模擬的光學(xué)圖像和信號(hào)處理進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定是否滿足總體系統(tǒng)規(guī)范。所述規(guī)范可以包括成像性能，例如圖像質(zhì)量的特殊定義，其中圖像質(zhì)量是場(chǎng)位置、顏色、客觀場(chǎng)景、亮度級(jí)等的函數(shù)，所述規(guī)范例如還可以包括系統(tǒng)尺寸、光學(xué)元件的尺寸、光學(xué)器件、電子器件及系統(tǒng)成本、加工公差、組裝和溫度。根據(jù)模擬圖像可以計(jì)算規(guī)格，可以在數(shù)字上計(jì)算規(guī)格值，以判斷它們是高于目標(biāo)值還是低于目標(biāo)值。規(guī)格和目標(biāo)值可用以將人們看到的圖像質(zhì)量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)值。基于任務(wù)的應(yīng)用程序(例如虹膜識(shí)別)可以具有應(yīng)用特定的數(shù)字規(guī)格，該數(shù)字規(guī)格可以不需要將圖像質(zhì)量的參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值。如果步驟3580確定修改的成像系統(tǒng)滿足規(guī)范，那么設(shè)計(jì)過程結(jié)束。如果步驟3580確定修改的成像系統(tǒng)不滿足規(guī)范，那么在步驟3590執(zhí)行參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。在優(yōu)化期間，為了將系統(tǒng)向著滿足系統(tǒng)規(guī)范的特殊系統(tǒng)引導(dǎo)，需要改變光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)。在優(yōu)化期間，改變系統(tǒng)參數(shù)的方法是采用多種解決方案的總體問題。改變或優(yōu)化參數(shù)的典型方法可以包括優(yōu)化速度和找到全局極大值或極小值的能力之間的平衡。像例如Nelder-Mead或遺傳搜索(GeneticSearch)的非線性方法一樣，例如梯度下降(GradientDescent)的線性查找方法也是有用的。優(yōu)化方法的選擇可以是正在設(shè)計(jì)的特殊成像系統(tǒng)的復(fù)雜性的函數(shù)。在步驟3590改變了系統(tǒng)參數(shù)之后，重復(fù)執(zhí)行優(yōu)化循環(huán)3540:然后在步驟3550利用新的參數(shù)來^^改光學(xué)系統(tǒng)、在步驟3560確定信號(hào)處理的參數(shù)、在步驟3570執(zhí)行信號(hào)處理之前和之后形成圖像等等。最后，通過在步驟3580確定滿足M^范、或者由于沒有找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案而非收斂，優(yōu)化循環(huán)3540結(jié)束。方法3500的實(shí)施例是對(duì)圖11的修改的GRIN透鏡134的設(shè)計(jì)。所述方法開始于選擇現(xiàn)成的GRIN透鏡。在步驟3510選取NSGILH-0.25GRIN透鏡和具有3.3pm方像素的灰度級(jí)探測(cè)器。在步驟3520選擇理想的像素和簡(jiǎn)單的線性信號(hào)處理，但是未選擇光線探測(cè)器。同樣在步驟3520，在GRIN透鏡的前表面進(jìn)行非球形表面修改，也就是說，選擇對(duì)圖11的GRIN透鏡134的前表面135的修改，以使其具有矩形可分離的三次曲面形式。矩形可分離的三次曲面形式被定義為height(x,y)=o<x.A3+yA3)。在該實(shí)施例只確定一個(gè)光學(xué)參數(shù)a,其對(duì)應(yīng)于最大表面偏差。由于僅設(shè)計(jì)了對(duì)現(xiàn)成GRIN透鏡的修改，因此在該實(shí)施例中省略了步驟3530。作為對(duì)比，如果目標(biāo)為前表面沒有修改的、定制設(shè)計(jì)(custom-designed)的GRIN透鏡，那么則需要執(zhí)行步驟3530。三次曲面偏差參數(shù)a的特殊的第一值任意選取為a=0。在步驟3550，借助于定制的仿真工具，利用參數(shù)a對(duì)透鏡進(jìn)行矩形可分離的立方相位f務(wù)改。在步驟3560計(jì)算信號(hào)處理參數(shù)，在步驟3570將其應(yīng)用于所述特殊的修改的GRIN透鏡，從而使形成的圖像具有大的MTF值和緊湊的PSF。由于采用線性濾波，因此用來確定線性濾波器的算法為Final_PSF=Sampled—PSF*Linear—Filter在最小平方意義上，其中符號(hào)*表示二維線性巻積。在步驟3560根據(jù)修改的GRIN透鏡仿真和數(shù)字探測(cè)器來確定采樣的PSF(Sampled—PSF)值。在步驟3560，選擇Final—PSF作為傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所生成的PSF，在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中，大多數(shù)功率集中于一個(gè)像素上。對(duì)應(yīng)于這一特殊的Final_PSF的MTF的值(在探測(cè)器的最高空間頻率處)約為0.4。信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，可以采用多種方法來解決這些最小平方線性等式，以便基于采用的PSF集和最后的或期望的PSF來確定線性濾波器。當(dāng)然，可以在頻域中和/或重復(fù)地執(zhí)4亍所述算法。隨著計(jì)算出數(shù)字濾波器，在步驟3570產(chǎn)生信號(hào)處理之后的PSF和MTF。然后，在步驟3580將信號(hào)處理之后的這些PSF和MTF與視覺圖像質(zhì)量規(guī)格進(jìn)行比較，而所述規(guī)格被轉(zhuǎn)換成集中于全部像場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)像素上的大多數(shù)PSF功率、以及在信號(hào)處理之后具有0.3以上最小值的相應(yīng)的MTF。在優(yōu)化循環(huán)3540的第一次重復(fù)過程中，當(dāng)0!=0時(shí)，信號(hào)處理之后的PSF和MTF都不滿足系統(tǒng)規(guī)范。然后在步驟3590開始Ndder-Mead優(yōu)化，以確定光學(xué)參數(shù)a和線性濾波器，從而改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)。圖18示出了優(yōu)化的光學(xué)參數(shù)的最終解決方案。峰到谷的光程差約為ll個(gè)波長(或者在光程差距離內(nèi)a近似為11X)。計(jì)算信號(hào)處理的相應(yīng)的線性濾波器，以便將圖19、20和21中采樣的PFS轉(zhuǎn)換成圖22、23和24中的PSF。在^L覺上可以看出，與圖19、20和21中的PFS相比，圖22、23和24中的PSF在一個(gè)像素中具有的大多數(shù)的功率?？梢钥闯?，圖25中信號(hào)處理之后的相應(yīng)的MTF大于0丄探測(cè)器的最大空間頻率為151lp/mm。在圖26和27中可以看到線性濾波器的實(shí)際形狀。這一特殊的線性濾波器可以看作與圖19、20和21中基本恒定的、采樣的PSF的逆濾波器類似?？稍诓黄x其范圍的情況下對(duì)上述方法和系統(tǒng)進(jìn)行改變。應(yīng)當(dāng)注意，上面的描述中包含的或者附圖中示出的內(nèi)容應(yīng)解釋為示意性的而非限定性的。下面的權(quán)利要求希望覆蓋本文描述的所有一般特征和特定特征以及本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的所有描述范圍，在語言上，可以說本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的所有描述范圍落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。雖然已經(jīng)說明了上述實(shí)施方案中的每一個(gè)、以及具有特殊的各自方向的各種組件，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開內(nèi)容中所描述的系統(tǒng)可以采取各種具體的配置，而各種元件可被定位于多種位置和相互方向上，并且所述系統(tǒng)仍然保持在本公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)。此外，可以采用適當(dāng)?shù)牡葍r(jià)物來代替各種組件或作為其補(bǔ)充，并且保持這種替代組件或附加組件的功能和使用是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，因此其被看作是落在本公開內(nèi)容的范圍之內(nèi)。例如，雖然主要針對(duì)主光線校正情況討論了前述實(shí)施方案中的每一個(gè)，但是可以將一個(gè)或多個(gè)校正元件組合，以便為由光束角的變化而導(dǎo)致的光束寬度差提供照明校正。例如，有角的折射面將會(huì)適合于這種應(yīng)用，并且可以例如與衍射模式進(jìn)一步組合以便同時(shí)校正主光線角。因此，本實(shí)施例應(yīng)看作是示意性的而非限定性的，并且本公開內(nèi)容并不局限于本文所給定的細(xì)節(jié)，而且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可對(duì)本公開內(nèi)容進(jìn)行修改。權(quán)利要求1.一種低高度成像系統(tǒng)，包括探測(cè)器陣列；以及GRIN透鏡，其包括具有波前編碼的表面，并且被配置成使入射角較陡的場(chǎng)光線傳輸?shù)剿鎏綔y(cè)器陣列中的多個(gè)探測(cè)器。2.—種低高度成像系統(tǒng)，包括多個(gè)光學(xué)通道；以及探測(cè)器陣列；其中所述光學(xué)通道中的每一個(gè)(a)與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)探測(cè)器關(guān)聯(lián)，以及(b)具有非球面的GRIN透鏡。3如權(quán)利要求2所述的低高度成像系統(tǒng)，其中所述非球面的GRIN透鏡的非球形表面通過波前編碼而被修改。4.如權(quán)利要求3所述的低高度成像系統(tǒng)，其中所述光學(xué)通道中的每一個(gè)的調(diào)制傳遞函數(shù)在所述探測(cè)器的通帶內(nèi)沒有零點(diǎn)。5.如權(quán)利要求2所述的低高度成像系統(tǒng)，進(jìn)一步包括信號(hào)處理，以便基于由每個(gè)所述多個(gè)光學(xué)通道中的非球面的GRIN透鏡而引起的相位效應(yīng)，提供最終圖像。6.—種用于形成具有波前編碼的透鏡的方法，包括在模具中定位透鏡；在所述透《竟的表面上添加固化材料，以形成所述透鏡的具有波前編碼的非球形表面。7.—種低高度成像系統(tǒng)，包括光透射材料塊，具有入射孔徑、出射孔徑和至少一個(gè)內(nèi)反射面，其中傳輸通過所述入射孔徑的波前由所述反射面反射，并離開所述具有波前編碼的出射孔徑。8.如權(quán)利要求7所述的低高度成像系統(tǒng)，其中所述光透射材料塊的表面形成有波前編碼，并包括所述入射孔徑和所述出射孔徑之一。9.如權(quán)利要求7所述的低高度成像系統(tǒng)，其中所述反射面為非球面，以獲得所述波前編碼。10.如權(quán)利要求7所述的低高度成像系統(tǒng)，其中所述出射孔徑包括所述光透射材料塊的扁平部分，用以安裝到焦平面陣列上。11.一種低高度成像系統(tǒng)，包括多個(gè)光學(xué)通道和探測(cè)器陣列，所述多個(gè)光學(xué)通道中的每一個(gè)都與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)探測(cè)器關(guān)聯(lián)、并且具有非球面限制性光線校正器，其中所述非球面限制性光線校正器優(yōu)先使顏色指向所述探測(cè)器陣列中的特殊探測(cè)器。12.—種光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)光學(xué)元件和非球形表面，其中所述系統(tǒng)的非常數(shù)MTF在物體與所述光學(xué)元件之間的范圍進(jìn)行補(bǔ)償。13.如權(quán)利要求12所述的光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)，其中所述非球形表面包括所述光學(xué)元件的表面。14.如權(quán)利要求12所述的光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)，其中所述非球形表面穿過其孔徑具有非線性焦距變化。15.如權(quán)利要求12所述的光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)，其中所述非球形表面穿過其出瞳具有非線性焦距變化。16.如權(quán)利要求12所述的光子補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)，其中補(bǔ)償包括在所述范圍內(nèi)使穿過焦平面的能量分布?xì)w一化。全文摘要在一個(gè)實(shí)施方式中，一種低高度成像系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)通道以及探測(cè)器陣列，所述多個(gè)光學(xué)通道中的每一個(gè)(a)與所述探測(cè)器陣列中的至少一個(gè)關(guān)聯(lián)，(b)具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件和限制性光線校正器，以及(c)被配置成將入射角較陡的場(chǎng)光線引導(dǎo)到所述至少一個(gè)探測(cè)器上。文檔編號(hào)H01L27/146GK101431087SQ20081016137公開日2009年5月13日申請(qǐng)日期2005年9月14日優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日發(fā)明者保羅·E·X·西爾韋拉,小愛德華·雷蒙德·道斯基,羅伯特·H·考麥克,肯尼思·斯科特·庫貝拉申請(qǐng)人:Cdm光學(xué)有限公司