[发明专利]具有带至少一个定径切趾光圈的移位台的光学机构及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月27日提交的、发明名称为“An Optical Mechanism with Indexing Stage with at Least One Fixed Diameter Apodized Aperture and Method of Making Same(具有带至少一个定径切趾光圈的移位台的光学机构及其制造方法)”的美国临时专利申请No.61/616152的优先权。

技术领域

本发明整体涉及一种具有带至少一个定径切趾光圈的移位台的光学机构及其制造方法。

背景技术

基本上由于摄影的问世，可调节的相机设定在获得正确曝光照片方面便变得至关重要。这些调节包括“快门速度”(“胶片”的可调节曝光时间)、“胶片速度”(胶片灵敏度的选择)以及镜头光圈(镜头中的可调节光阑)。除了影响胶片曝光之外，这些调节还提供其他必要好处。例如快门速度调节允许拍摄者及时抓拍到快速移动的场景。胶片速度允许拍摄者得到所需的图像颗粒(grain in the image)。镜头光圈调节允许拍摄者得到所需的景深。

在数码相机中，通常电子快门控制(图像传感器的可调节积分时间)代替了机械快门，但这不会消除对镜头的光圈调节的需要，机械快门仍然是不可缺少的工具，不仅用于控制入射到成像传感器上的光量，而且还用于获得相关图像中所需的景深。

数码相机的镜头光圈调节的一种常见形式为机械虹膜式光阑或机械虹膜。机械虹膜由多个叶片组成，这些叶片能够相对于彼此移动，以便形成可调节的伪圆形的多边形光圈。这些叶片以相对于彼此移动的方式连接在内圈和外圈上，以调节机械虹膜。大多数胶片相机和许多数码摄像机采用机械虹膜或一些其他形式的镜头光圈调节(例如基本的光圈轮)。

然而，也有一些明显的例外：一次性胶片相机、非常低价的数码相机和许多手机。在这些领域中，不使用镜头光圈调节的主要原因是成本。例如廉价的机械虹膜设计可以是数码相机的合理部件，而成本可能低于整个照相机单元的零售价的1％的1/2，但这个同样廉价的虹膜部件的成本可能会超过一次性照相机的零售价的1/3或超过用于计算机或手机的相机组件的成本的1/3。因此，几乎所有的手机相机(也被称为手机相机组件)都不包括镜头光圈调节。

最初，手机相机并未设计为用来替代传统相机。手机相机组件应当在不使用闪光灯的情况下在昏暗的光线条件下产生可以接受的图像。因为这个原因，手机相机装有具有大的固定光圈(例如f/2.8)的镜头，从而以景深为代价使灵敏度最大化，并且手机相机依赖于电子快门来调节曝光量。结果，这些没有光圈调节的手机相机在低光照水平下因不良的散粒噪声和读出噪声而在高光照水平下因较差的景深产生有质量问题的图像，并且因透镜像差降低了清晰度。

然而，由于其巨大的人气(销量已经超过了胶片相机和数码相机)，手机相机组件正在取代传统相机。作为流行程度的参考点，在2010年底，全球有超过53亿部移动手机的订购量，或者说超过世界人口的3/4，其中，美洲有8.8亿订购量且欧洲有7.4亿订购量。关于手机相机的使用，根据2010年12月的研究，美国52.7％的移动手机用户、欧洲57.5％的移动手机用户和日本62.9％的移动手机用户在使用他们的移动手机设备进行拍照。

手机相机组件需要以传统相机的成本的一小部分来接近或匹配传统相机的成像质量。这个问题因价格压力和市场对更大量像素的需求而进一步加剧了。随着半导体技术的发展，图像传感器变得越来越清晰，而且像素变得越来越小，因此需要具有更宽光圈的镜头，以保持同样的灵敏度。这种需要与更清晰的镜头(因为更宽的光圈会导致更大的透镜像差)和增大的景深(因为更宽的光圈会导致景深的减小)的要求相冲突。

试图改进手机相机组件的两个解决方案是使用“流体镜头”的光学自动对焦和使用图像处理算法的“相位掩模”方法。在使用流体镜头的光学自动对焦的情况下，景深不增大。更准确地说，只是简单地将焦距调节为特定的距离。在相位掩模方法的情况下，镜头的焦距实际上被减少了。相位掩模(放置在透镜元件之一上)在整个扩大的景深上引入相对恒定的散焦量。然后通过数字地使用图像处理算法来部分地恢复清晰度。不幸的是，清晰度恢复算法同样会在图像中引入大量的噪声。