結構緊湊的光場相機的製作方法

2023-05-20 23:31:46

本發明屬於光學技術領域，更具體地說，是涉及一種結構緊湊的光場相機。

背景技術：

光場相機相對於傳統相機而言，不僅可以獲取光線的強度還可以採集到光線的方向，這使得光場相機擁有更多的功能，比如先拍照後聚焦、大景深成像、3d成像以及透視成像等等。光場相機中使用比較廣泛的結構是基於微透鏡陣列(mla)的結構，即通過在感光晶片與成像透鏡之間布置一個mla陣列，每個mla陣列單元對應於多個感光晶片上的像素，通過mla單元即可以使得原本聚焦為一點的目標光線經mla單元以不同的角度成像在該單元對應的像素上，後期通過對這些像素的處理從而實現上述的多種功能。

在現有技術中，為了提高拍照的質量，諸如去除紅外線幹擾、減少「鬼影」等問題，往往在相機中增加至少一個光學元件，增加光學元件無疑會帶來一些問題，比如相機體積增大，相機內部結構複雜導致不便組裝以及故障率高等等。

技術實現要素：

本發明實施例的目的在於提供一種結構緊湊的光場相機，以解決現有技術中存在相機體積大、結構複雜、不易安裝的技術問題。

為實現上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：提供一種結構緊湊的光場相機，包括依序設置的：

底座；

圖像傳感器，設置於所述底座上，其表面設有可見光濾光片；

微透鏡陣列，設置於所述圖像傳感器的入光側，包括陣列排布的多個微透鏡單元，每個所述微透鏡單元對應所述圖像傳感器上的多個感光單元；

主透鏡，設置於所述微透鏡陣列的入光側，用於接收待成像物體的光並將其投射到所述微透鏡陣列；

鏡筒，設置於所述底座上並用於固定所述主透鏡和微透鏡陣列；

紅外截止濾光片，貼敷於所述微透鏡陣列背向所述圖像傳感器的一面；

增透膜，貼敷於所述微透鏡陣列面向或背向所述圖像傳感器的一面。

本發明實施例提供的光場相機與傳統光場相機相比具有如下有益效果：在微透鏡陣列背向圖像傳感器的一面設置紅外截止濾光片，有效抑制紅外光信息，在微透鏡陣列面向或者背向圖像傳感器的一面設置增透膜，避免光學元件各表面之間的往復反射造成的「鬼影」現象，並減少光能量的損失。

更重要的是，紅外截止濾光片和增透膜分別與微透鏡陣列的表面貼合，不需單獨設置鍍膜元件於光路中，減小了光學成像系統的體積，進而減小了整個光場相機的體積；並且，直接在微透鏡陣列表面貼合紅外截止濾光片和增透膜，使三者結合為一整體，便於相機組裝，提高裝配效率；並且，三者一體結構提升了光學元件的穩定性，防止紅外截止濾光片和增透膜出現異位、傾斜等現象，保證成像效果，提升相機品質。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的光場相機的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的光場相機的微透鏡陣列的結構示意圖。

其中，圖中各附圖標記：

10-底座；20-圖像傳感器；30-微透鏡陣列；40-主透鏡；50-鏡筒；60-紅外截止濾光片；70-增透膜；301-微透鏡單元。

具體實施方式

為了使本發明實施例所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

需要說明的是，當元件被稱為「固定於」或「設置於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是「連接於」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。

需要理解的是，術語「長度」、「寬度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明實施例的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

請一併參閱圖1及圖2，現對本發明實施例提供的結構緊湊的光場相機進行說明。

該結構緊湊的光場相機至少包括底座10、圖像傳感器20、微透鏡陣列30、主透鏡40、鏡筒50、紅外截止濾光片60及增透膜70；其中，主透鏡40、微透鏡陣列30、圖像傳感器20和底座10沿著成像光束的傳輸方向依次設置，鏡筒50用於固定主透鏡40和微透鏡陣列30，並且鏡筒50的一端與底座10固定連接，優選地，鏡筒50的軸線垂直於底座10表面。紅外截止濾光片60則設置於微透鏡陣列30背向圖像傳感器20的表面，即面向主透鏡40。增透膜70則優選設置於微透鏡陣列30面向圖像傳感器20的表面，與紅外截止濾光片60分設於微透鏡陣列30的兩側表面。在另一種可行的實施方式中，增透膜70也可以設置於微透鏡陣列30背向圖像傳感器20的表面，即與紅外截止濾光片60一起位於微透鏡陣列30的同一側。圖像傳感器20用於紀錄到達光線的強度信息，表面設有可見光濾光片以實現清晰的成像，圖像傳感器20包括多個感光單元；微透鏡陣列30包括陣列排布的多個微透鏡單元301，每個微透鏡單元301對應圖像傳感器20上的多個感光單元。在本實施例中，紅外截止濾光片60和增透膜70均貼覆於微透鏡陣列30的表面，與微透鏡陣列30形成一整體。本實施例所述的「貼覆」不僅包括將不同的光學元件貼合到一起，還包括在一光學元件的表面直接形成另一光學元件，例如電鍍、噴塗、列印、電沉積、化學沉積、塗刷、濺射沉積等。

本發明實施例中的微透鏡陣列30與主透鏡40的間距等於主透鏡40的焦距，圖像傳感器20與微透鏡陣列30的間距等於微透鏡單元301的焦距，以保證良好的成像效果。

上述光場相機的工作原理為：物方光線由主透鏡40射入，經過主透鏡40聚焦於微透鏡陣列30，經過微透鏡陣列30表面的紅外截止濾光片60將紅外光有效攔截後，入射到微透鏡陣列30的每一微透鏡單元301上，再由微透鏡單元301的折光作用向圖像傳感器20的方向出射，並投向與微透鏡單元301對應的多個感光單元上，並且在微透鏡陣列30一表面上的增透膜70減弱或消除了不同光學表面之間的光反射，增加了透過率。與一個微透鏡單元301對應的多個感光單元收集的光強度之和代表該微透鏡單元301發出的總光強度。這樣空間中一點發出的光線經由主透鏡40聚焦到微透鏡單元301上之後會繼續發散，最終到達該微透鏡單元301對應的多個感光單元上。空間中該點的多條光線的方向信息可以通過感光單元與微透鏡單元301之間的相對角度計算出來，同時每個微透鏡單元301對應的多個感光單元接收的光強度之和可以看成是該空間點的強度信息。這樣通過主透鏡40、微透鏡陣列30與圖像傳感器20的配合工作可以紀錄目標光線的強度信息以及方向信息，進而實現光場相機的相應功能，例如先拍照後聚焦。

上述的圖像傳感器可以採用ccd或cmos圖像傳感器，其表面設置的可見光濾光片可以採用拜爾濾光片，以保證圖像傳感器可以獲取紅、綠、藍三種光信號用於可見光成像。

本發明實施例提供的光場相機中，紅外截止濾光片60和增透膜70分別與微透鏡陣列30的表面貼合，不需設置專門的鍍膜元件，減小了光學成像系統的體積，進而減小了整個光場相機的體積；並且，直接在微透鏡陣列30表面貼合紅外截止濾光片60和增透膜70，使三者結合為一整體，便於相機組裝，提高裝配效率；並且，三者一體結構提升了光學元件的穩定性，防止紅外截止濾光片60和增透膜70出現異位、傾斜等現象，保證成像效果，提升相機品質。

更進一步地，在光傳輸過程中，由於紅外截止濾光片60設置於微透鏡陣列30背向圖像傳感器20的表面，可以將主透鏡40射出的光線中的紅外光進行有效隔離，防止紅外光進入微透鏡陣列30，進而避免一系列幹擾成像的因素，例如，當紅外截止濾光片60設置於微透鏡陣列30面向圖像傳感器20的表面時，紅外光在微透鏡陣列30中多次折反射，不僅會影響截止效果，還會造成微透鏡陣列30的發熱，影響微透鏡陣列30材質的穩定性，導致微變形及某些光學性能參數改變，這些都會影響成像效果。

另外，由於微透鏡陣列30面向或背向圖像傳感器20的表面設置了增透膜70，可以減少或消除光學元件不同表面間的光反射，提高光能利用率，並消除由反射光線導致的「鬼影」問題。本發明實施例優選將紅外截止濾光片60和增透膜70分設於微透鏡陣列30的不同表面，既保證成像效果，又利於工藝加工以及結構上的穩定性。

進一步地，增透膜70可以是多種材質、結構或形狀，厚度和層數也不必嚴格限制，可以從單層到多層，每層的厚度滿足對相應波長的光實現增透的效果，凡是被用來增加光線透過率的光學膜層都可以作為增透膜70。

在本發明實施例中，底座10可以與圖像傳感器20電連接，比如底座10為pcb電路板、軟硬結合板，也可以是柔性電路板與剛性材料組成的底板等。作為一種優選的實施例，底座10採用半導體基板。底座10和圖像傳感器20可以在同一製程中形成，在該半導體基板上直接製作多個陣列排布的感光單元即形成圖像傳感器20。具體地，在一個晶圓上以一定的間距同時製作多個圖像傳感器20，然後圍繞每個圖像傳感器20直接封裝上已經安裝微透鏡陣列30及主透鏡40等光學元件的鏡筒50，最後再進行切割就可以直接形成多個光場相機。這種方式可以大大提高製造效率。

進一步參考圖2，本發明實施例中的微透鏡陣列30是一種由耐高溫、高透光的玻璃材質加工而成的一面為平面、另一面為陣列凸面的陣列式微透鏡結構，具體材質可以但不限於採用藍玻璃。該微透鏡陣列30的平面面向主透鏡40，凸面面向圖像傳感器20，一個凸面和與其正對的平面之間的部分構成了一個微透鏡單元301，優選地，平面上設置紅外截止濾光片60，凸面上設置增透膜70。

在其他實施例中，微透鏡陣列30也可以由其他材料加工成上述形狀或者其他形狀，例如將其兩面均加工為曲面，即兩面均為陣列凸面，或者一面為陣列凸面另一面為陣列凹面等。考慮加工工藝的易於實施以及光路的簡化，本實施例優選為一面平面、另一面為陣列凸面的結構。

在本發明實施例中，微透鏡陣列30和主透鏡40由鏡筒50固定，該鏡筒50可以是組合結構，也可以是一體結構，組合結構的鏡筒50包括用於固定主透鏡40的上鏡筒50和用於固定微透鏡陣列30的下鏡筒50，下鏡筒50的端部與底座10固定連接，上鏡筒50和下鏡筒50的端部可以對接，即上鏡筒50和下鏡筒50的端部通過粘接或焊接等方式正對連接。上鏡筒50和下鏡筒50也可以套接，即上鏡筒50和下鏡筒50的直徑不同，二者的端部各設有螺紋結構，二者螺紋套接，或者二者的端部設有相互配合的卡扣結構，二者卡扣套接等。而一體結構的鏡筒50，其上鏡筒50和下鏡筒50是一體成型的，二者的劃分僅是對其固定的主透鏡40和微透鏡陣列30而言，在結構上並不具有可拆分性。在實際組裝時，可以根據組裝的難易選擇採用適合的鏡筒結構。

進一步地，鏡筒50靠近底座10的一端與底座10固定連接，具體地，鏡筒50的一端與底座10之間可以膠水連接、焊接或通過連接件連接。例如，可以在底座10上設置若干個定位柱，在鏡筒50端部對應開設定位孔，或者在底座10上開設定位孔，在鏡筒50端部設置定位柱。

在本實施例中，主透鏡40用於接收目標光線並聚焦成像，可以是單個透鏡也可以是多個透鏡構成的透鏡組，也可以是變焦透鏡組。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。