專利名稱：光學(xué)相位光柵型低通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用固體成像器件的成像系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種采用相位光柵及其結(jié)構(gòu)構(gòu)成僅透過較低空間頻率的光學(xué)低通濾波器的方法。本發(fā)明提供一種利用二維排列的相位光柵結(jié)構(gòu)去除具有較高空間頻率圖像的方法。本發(fā)明提出一種構(gòu)成采用二維排列相位光柵的光學(xué)低通濾波器的方法，以便在采用半導(dǎo)體固體成像器件例如CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器的成像系統(tǒng)中去除具有較高空間頻率的圖像，并且提供用于實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)低通濾波器的光柵結(jié)構(gòu)。
在當(dāng)前廣泛用作圖像傳感器的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或者自90年代以來使用的CMOS圖像傳感器中，由光接收元件成形的圖像傳感器是二維排列的，以將輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號。

圖1表示二維圖像傳感器中在光接收元件的重復(fù)周期在x方向?yàn)閄并且在y方向?yàn)閅的情況下的理想采樣。如果采用具有圖1空間采樣特性的二維傳感器對具有圖2A空間頻譜的圖像成像，則采樣圖像具有圖2B的空間頻譜，其中重復(fù)了原始圖像的空間頻譜。在圖2B中，采樣圖像頻譜的重復(fù)周期對應(yīng)于采樣間隔的倒數(shù)，也即，在x方向?yàn)?／X并且在y方向?yàn)?／Y。相應(yīng)地，為了將輸入該二維圖像傳感器的圖像恢復(fù)成原始狀態(tài)，需要能夠通過對應(yīng)于自原點(diǎn)起一個(gè)周期的頻譜但是阻斷更高空間頻率的光學(xué)低通濾波器。
圖3表示傳統(tǒng)的攝錄組合像機(jī)(camcorder)或數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。待成像的運(yùn)動(dòng)畫面或靜止畫面1由光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)2聚焦，然后通過光學(xué)低通濾波器3，入射至設(shè)在圖像傳感器4表面的光接收元件中。光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)2包括適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)透鏡例如凹透鏡和凸透鏡，以便將輸入圖像1聚焦在成像器件上。圖3所示的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)2一般包括一個(gè)UV濾波器或IR濾波器，分別用于阻擋包含在輸入圖像1中的紫外光線或紅外光線。該UV或IR濾波器一般通過在透鏡或透明基片上涂覆適當(dāng)?shù)牟牧蟻碇瞥伞?br> 如上所述，為了將輸入固體成像器件的圖像恢復(fù)至原始狀態(tài)，圖3所示的光學(xué)低通濾波器3最好具有為采樣空間頻率一半的截止頻率。此處，采樣空間頻率對應(yīng)于固體成像器件的光接收元件的重復(fù)周期的倒數(shù)。也就是說，在圖1的二維光接收元件結(jié)構(gòu)中， 并且fc=fs2=12d,]]>其中d為x方向的X以及y方向的Y。此處，fs表示采樣頻率而fc表示理想光學(xué)低通濾波器的截止頻率。
圖4表示該光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的空間頻率傳遞特性。圖4中虛線限定的頻帶為理想光學(xué)低通濾波器的頻率傳遞函數(shù)。該透鏡的最大傳遞頻率fm為2(NA／λ)。此處，NA表示透鏡的數(shù)值孔徑，λ表示入射光的波長。盡管該透鏡用作一種光學(xué)低通濾波器，但是其最大截止頻率fm通常顯著高于圖4所示光學(xué)低通濾波器的截止頻率fc。該透鏡的頻率傳遞特性可以近似至圖4的直線，以便進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，且該直線表示的近似值與實(shí)際傳遞特性之間的差別隨著fm越來越大于fc而變得越來越小。
圖5A、5B和5C表示采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器，目前大量用作傳統(tǒng)成像系統(tǒng)中光學(xué)低通濾波器。參見圖5A，入射在雙折射片一個(gè)表面上的入射光束在通過該雙折射片時(shí)被分束成兩束，其間距為dn。雙折射片的厚度和折射率與該間距dn的的關(guān)系滿足下式dn=t(ne2-no2)2neno]]>其中t表示雙折射片的厚度，ne表示非常折射率，no表示尋常折射率。如圖5B所示，采用該雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器以如下方式構(gòu)造，即一個(gè)x方向雙折射片和一個(gè)y方向雙折射片堆疊放置使得光束沿x方向和y方向分離。通常將一個(gè)IR去除濾波器插在這兩個(gè)雙折射片之間。
在采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器的操作中，垂直入射在濾波器表面上的入射光束在x方向雙折射片處分成兩束，并且這兩束光的每一束在y方向雙折射片處進(jìn)一步分成兩束。從而一個(gè)入射光束在到達(dá)固體成像器件的光接收元件時(shí)被分成四束。也就是說，采用雙折射片的光學(xué)低通濾波器用作一4束分束器，如圖5C所示。通過將一束入射光分成四束，便將具有較高空間頻率的圖像在固體成像器件采樣之前轉(zhuǎn)換成了較低的空間頻率。
2片型雙折射片的一般光學(xué)傳遞特性函數(shù)等于周期1／dn傅立葉變換后的cos函數(shù)絕對值的幅值。也即，該傳遞函數(shù)的值正比于abs〔cos(2π×f×dn)〕，其中f為空間頻率，dn為被雙折射片分束的光束之間的距離。
圖6表示當(dāng)dn=d時(shí)雙折射片濾波器的光學(xué)傳遞函數(shù)。通過將圖4所示透鏡的傳遞函數(shù)乘以雙折射片的傳遞函數(shù)，可以得到透過光學(xué)透鏡到達(dá)雙折射片濾波器的圖像的光學(xué)傳遞函數(shù)。該光學(xué)傳遞函數(shù)對應(yīng)于圖6中的實(shí)線。
在雙折射片應(yīng)用于采用固體成像器件的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)中時(shí)，與理想光學(xué)低通濾波器相比，在低于截止頻率的空間頻帶中其傳遞函數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗。該損耗降低了圖像傳感器的分辨率。另外，在高于截止頻率的的空間頻帶中存在一周期性的傳遞函數(shù)，從而不能消除高頻成分。由此產(chǎn)生假頻從而導(dǎo)致余輝。換句話說，采用雙折射片的的光學(xué)低通濾波器在較低頻帶具有較大的損耗，在較高頻帶具有較大的多余部分，導(dǎo)致分辨率降低并且去除余輝的效果較差。
為了改進(jìn)采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器的性能，已經(jīng)提出具有各種結(jié)構(gòu)的光學(xué)相位光柵型低通濾波器，如圖7A至7E中所示。圖7A表示美國專利US 4，083，627中所述的垂直光柵濾波器，圖7B表示美國專利US 4，083，627中提出的圓形光柵濾波器，圖7C表示美國專利US 4，009，939中公開的菱形光柵濾波器。圖7D表示美國專利US 4，795，236和US 4，178，611中提出的平行重復(fù)光柵濾波器，圖7E表示美國專利US 4，795，236中公開的光學(xué)相位光柵型低通濾波器，其構(gòu)造方式為使用了光柵基片的全部兩個(gè)表面，并且具有不同于光柵基片折射率的光柵被平行重復(fù)排列。
然而，大多數(shù)前述光學(xué)相位光柵型低通濾波器由于不能制造而未被實(shí)際采用。這是因?yàn)閳D7A至7E的光學(xué)相位光柵型低通濾波器具有如下結(jié)構(gòu)，即具有彼此不同相移的兩個(gè)光柵被二維排列。因而，根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬和傅立葉變換，其性能與采用雙折射片的傳統(tǒng)低通濾波器相比沒有顯著改善。也就是說，傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器具有如下缺點(diǎn)，由于光學(xué)相位光柵型低通濾波器具有相位不同的兩個(gè)光柵，使得其空間頻譜的傳遞特性與采用雙折射片的傳統(tǒng)濾波器相比沒有多大改善。這就是為改進(jìn)采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器而提出的所述光學(xué)相位光柵型低通濾波器不能實(shí)際使用的原因。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)相位光柵型低通濾波器，它在低于對應(yīng)于固體成像器件采樣空間頻率一半的截止頻率的頻帶提高了光學(xué)傳遞函數(shù)，而在高于該截止頻率的頻帶抑制了傳遞函數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)0-相移光柵，用于產(chǎn)生0相移；一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的右方和下方；和一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的對角側(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括多個(gè)周期性排列的基本結(jié)構(gòu)圖形，其中各基本結(jié)構(gòu)圖形包括一個(gè)0-相移光柵，用于產(chǎn)生0相移；一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的右方和下方；和一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的對角側(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括多個(gè)周期性排列的基本結(jié)構(gòu)圖形，其中各基本結(jié)構(gòu)圖形包括一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且形成在一個(gè)透明光柵基片上；一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，具有φ-相移光柵兩倍的厚度，并且形成在所述同一光柵基片上；和一個(gè)用于產(chǎn)生0相移的部分，沒有光柵。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在一個(gè)透明光柵基片上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在另一個(gè)透明光柵基片上；其中第一和第二光柵的表面互相面對地彼此接合，從而構(gòu)成在這兩個(gè)透明光柵基片之間周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
該光學(xué)低通低通濾波器在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面之一上形成有用于阻斷IR光線或UV光線的濾波器。該光學(xué)低通低通濾波器可以在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面上各形成有用于阻斷IR光線或UV光線的濾波器。該光學(xué)低通低通濾波器還可以在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面之一上形成有用于阻斷UV光線的濾波器，在其另一表面上形成有用于阻斷IR光線的濾波器。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在一個(gè)透明光柵基片上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在另一個(gè)透明光柵基片上；其中所述兩個(gè)光柵基片的其上未形成光柵的表面互相面對地彼此接合，從而構(gòu)成一周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
該光學(xué)低通濾波器在所述兩個(gè)光柵基片的接合表面之間插入有用于阻斷UV光線或IR光線的濾波器。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在透明光柵基片的一個(gè)表面上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在該透明光柵基片的另一個(gè)表面上；其中第一和第二光柵以及該光柵基片由具有相同折射率的材料制成，從而構(gòu)成一周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
圖1為用于說明傳統(tǒng)CCD或CMOS固體成像器件中理想采樣的示意圖；圖2A為根據(jù)圖1的二維固體成像器件的理想采樣的頻率傳遞函數(shù)的特性圖，表示采樣前的原始函數(shù)特性；圖2B為根據(jù)圖1的二維固體成像器件的理想采樣的頻率傳遞函數(shù)的特性圖，表示采樣后的傳遞函數(shù)特性；圖3為表示傳統(tǒng)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為表示傳統(tǒng)成像系統(tǒng)中光學(xué)透鏡空間頻率傳遞特性的函數(shù)特性圖；圖5A為表示采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器結(jié)構(gòu)的示意圖，用于解釋雙折射片的衍射特性；圖5B為表示采用3片型雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5C為表示采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器結(jié)構(gòu)的示意圖，表示傳統(tǒng)雙折射片濾波器的工作特性；圖6為用于說明傳統(tǒng)雙折射片濾波器的頻率傳遞函數(shù)和光學(xué)函數(shù)的示意圖；圖7A為傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器的例示圖，其為垂直光柵濾波器；圖7B為傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器的例示圖，其為圓形光柵濾波器；圖7C為傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器的例示圖，其為菱形光柵濾波器；圖7D為傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器的例示圖，其為平行重復(fù)濾波器；圖7E為傳統(tǒng)光學(xué)相位光柵型低通濾波器的例示圖，其為平行重復(fù)濾波器，利用了其折射率不同于基片折射率的光柵的全部兩個(gè)表面；圖8A和8B為表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的一維基本構(gòu)思的原理圖；圖9為用于說明根據(jù)本發(fā)明的二維光學(xué)相位光柵型低通濾波器工作原理的示意圖；圖10為表示本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的相位光柵結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11A為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的相位光柵結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的簡略透視圖；圖11B為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的光柵結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的簡略透視圖，該相位光柵與紅外或紫外濾波器相結(jié)合；圖12A為在接合之前本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第二實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖12B為在接合之后本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第二實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖；圖13A為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第三實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖，其中該相位光柵與置于其上方或者下方的紅外或紫外濾波器結(jié)合；圖13B為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第三實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖，其中該相位光柵與置于其上方以及下方的紅外或紫外濾波器結(jié)合；圖14A為在接合之前本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第四實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖；圖14B為在接合之后本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第四實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖；圖15為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第五實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖；以及圖16為本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第六實(shí)施例光柵結(jié)構(gòu)的簡略透視圖。
圖8A和8B為表示采用根據(jù)本發(fā)明的相位光柵的光學(xué)低通濾波器的一維基本構(gòu)思的原理圖。該相位光柵的表面具有一帶有予定重復(fù)周期凸起和凹陷的光柵。對于透過該光柵的光來說，該相位光柵的垂直凸起部分與凹陷部分之間的相位差對應(yīng)于特定的φ相移，它由光柵的厚度確定。為了使入射光的反射最小，所述凸起最好具有與光柵基片折射率相同的折射率。
在本發(fā)明的一維光柵的光學(xué)傳遞特性中，當(dāng)垂直入射在光柵表面的平行光到達(dá)圖像傳感器表面時(shí)，如圖8所示，光束具有0、+1和-1級主極大，并且在主極大之外的其它區(qū)域具有較低的光學(xué)傳遞特性。此處，當(dāng)0級主極大的光強(qiáng)為α?xí)r，+1和-1級光束分別位于距離原點(diǎn)+β／2和-β／2的點(diǎn)處，其強(qiáng)度變?yōu)?1-α)／2。圖8光柵的空間傳遞特性由下式表示
I(x)=αδ(x)+0．5(1-α)[δ(x-β／2)+δ(x+β／2)]其中δ(x)表示一脈沖函數(shù)。當(dāng)對空間傳遞特性I(x)進(jìn)行傅立葉變換時(shí)，可以獲得本發(fā)明的一維相位光柵濾波器的頻率傳遞函數(shù)(LG)。LG由下式給出LG(f)=α+(1-α)cos(πβf)圖8B表示頻率傳遞特性。在圖8B中，主極大之間的較小值與主極大相比可以忽略。在值α以下可以獲得使光學(xué)低通濾波器的理想特性與該低通濾波器的實(shí)際頻率特性之差的最小化。如果令理想特性與實(shí)際特性之差為△，則Δ=∫0fm(Lideal-Llens×LG)2df]]>其中f為空間頻率，fm為透鏡的最大空間傳遞頻率，Lideal為該光學(xué)低通濾波器的理想傳遞特性，Llens為透鏡的傳遞特性，以及LG為本發(fā)明的相位光柵的頻率傳遞特性。如圖4中虛線所示，當(dāng)空間頻率低于光學(xué)低通濾波器的理想截止頻率fc時(shí)Lideal為1，而在其大于fc時(shí)Lideal為0。也即，Lideal=1若f＜fc，并且Lideal=0若f≥fc。如果假設(shè)傳遞特性在其fm遠(yuǎn)大于fc時(shí)是線性的，則Llens可以由方程Llens=1-f／fm表示。
在將Lideal、Llens和LG的公式代入上述積分方程得出△時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)△的值正比于fm[α2+0．5(1-α)2]。此處，為最小化△，值α變?yōu)?／3。繼而，為了使理想濾波器特性與本發(fā)明光學(xué)相位光柵型低通濾波器的實(shí)際特性之差最小化，輸入光束必須等分為三個(gè)主極大0、+1和-1級。
當(dāng)按在先專利的設(shè)計(jì)將輸入光束等分為三的相位光柵如圖9所示被二維排列時(shí)，輸入光束被等分為9個(gè)主極大。本發(fā)明的二維光柵由于輸入的平行光被分成9束而用作光學(xué)低通濾波器，使得輸入光束具有較高空間頻率的圖像被壓縮至較低的頻帶。
圖10表示本發(fā)明的相位光柵結(jié)構(gòu)，用于將輸入光束等分為9束。其基本結(jié)構(gòu)以如下方式構(gòu)成，使得在0-相移光柵的右方和下方與之相鄰設(shè)置一個(gè)相移光柵，并在該0-相移光柵的對角側(cè)設(shè)置一個(gè)2-相移光柵。重復(fù)該基本結(jié)構(gòu)圖形以實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)低通濾波器。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例圖10的光學(xué)相移低通濾波器中的相移差別通過設(shè)置具有特定厚度的光柵來實(shí)現(xiàn)。圖11A和11B表示用于實(shí)現(xiàn)圖10結(jié)構(gòu)的相位光柵結(jié)構(gòu)。如果具有特定厚度的光柵產(chǎn)生φ相移，則厚度為該特定厚度兩倍的光柵產(chǎn)生2φ相移，并且沒有光柵的部分產(chǎn)生0相移。該光柵的基本結(jié)構(gòu)以如下方式構(gòu)成，φ-相移光柵設(shè)置在0-相移光柵的右方和下方與之相鄰，具有φ-相移光柵兩倍厚度的2φ-相移光柵設(shè)置在0-相移光柵的對角側(cè)。重復(fù)該基本結(jié)構(gòu)圖形以實(shí)現(xiàn)光學(xué)低通濾波器。
由于在不同折射率材料之間的界面處光會(huì)反射，所以所述相移光柵和光柵基片最好采用具有相同折射率的材料制造。在制造本發(fā)明的相移光柵時(shí)，光柵厚度在制造過程中可能會(huì)稍微改變。然而即使在此情況下，如果由光柵引起的相移誤差不大于φ或2φ，則其厚度變化不會(huì)妨礙本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。相應(yīng)地，由于光柵厚度的細(xì)微變化引起非常小的相移誤差沒有偏離本發(fā)明的基本精神和范圍。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例圖12A和12B表示本發(fā)明光學(xué)相位光柵型低通濾波器的第二實(shí)施例。為了使光柵具有如圖10所示的0、φ、和2φ相移，在一個(gè)光柵基片上沿方向y周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，在一個(gè)光柵基片上沿方向x周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，并且這兩個(gè)光柵表面彼此接合，互相面對，從而構(gòu)成該光學(xué)相位光柵型低通濾波器。該光柵和基片最好采用具有相同折射率的材料制造。
圖12A表示分別沿x方向和y方向排列的光柵，圖12B表示這兩個(gè)光柵互相接合后的光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)這兩個(gè)光柵的接合結(jié)構(gòu)，0相位光柵與0相位光柵彼此相對的部分形成0-相移光柵部分，0相位光柵與φ相位光柵或者φ相位光柵與0相位光柵彼此相對的部分形成φ相位光柵部分，而φ相位光柵與φ相位光柵彼此相對的部分形成2φ相位光柵部分。
在制造本發(fā)明的相移光柵時(shí)，光柵厚度在制造過程中可能會(huì)稍微改變。然而即使在此情況下，如果由光柵引起的相移誤差不大于φ，則其厚度變化不會(huì)妨礙本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。相應(yīng)地，由于光柵厚度的細(xì)微變化引起非常小的相移誤差沒有偏離本發(fā)明的基本精神和范圍。
在成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，一般在光學(xué)低通濾波器中結(jié)合有IR濾波器或UV濾波器。為了將IR或UV濾波器結(jié)合入本發(fā)明的光學(xué)相位光柵型低通濾波器中，可以在光柵基片的上表面和下表面之一上接合用于去除紅外(IR)或紫外(UV)光束的涂層或?yàn)V波片，如圖13A所示。也可以在光柵基片的上下表面都接合所述涂層或?yàn)V波片，如圖13B所示。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例圖14A和14B表示本發(fā)明光學(xué)相位光柵型低通濾波器的又一種結(jié)構(gòu)。為了使光柵具有如圖10所示的0、φ、和2φ相移，在一個(gè)光柵基片上沿方向y周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，在一個(gè)光柵基片上沿方向x周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，并且將這兩個(gè)光柵基片其上未形成光柵的表面彼此接合在一起，互相面對，從而構(gòu)成該光學(xué)相位光柵型低通濾波器。該光柵和基片最好采用具有相同折射率的材料制造。
圖14A表示分別沿x方向和y方向排列的光柵，圖14B表示這兩個(gè)光柵互相接合后的光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)這兩個(gè)光柵基片的接合結(jié)構(gòu)，透過0相位光柵的光再通過0相位光柵的部分，成為0-相移光柵部分；透過0相位光柵的光再通過φ相位光柵、或者透過φ相位光柵的光再通過0相位光柵的部分，成為φ相位光柵部分；透過φ相位光柵的光再通過φ相位光柵的部分，成為2φ相位光柵部分。
在制造本發(fā)明的相移光柵時(shí)，光柵厚度在制造過程中可能會(huì)稍微改變。然而即使在此情況下，如果由光柵引起的相移誤差不大于φ，則其厚度變化不會(huì)妨礙本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。相應(yīng)地，由于光柵厚度的細(xì)微變化引起非常小的相移誤差沒有偏離本發(fā)明的基本精神和范圍。
在成像系統(tǒng)的構(gòu)造中，IR濾波器或UV濾波器一般集成在此光學(xué)低通濾波器中。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相位光柵濾波器與IR濾波器或UV濾波器的組合結(jié)構(gòu)，可以在上下光柵基片之間插入用于去除IR光線或UV光線的涂層或?yàn)V波片，如圖15所示。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例圖16表示本發(fā)明光學(xué)相位光柵型低通濾波器的再一種結(jié)構(gòu)。為了使光柵具有如圖10所示的0、φ、和2φ相移，在光柵基片的一側(cè)沿方向y周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，在該光柵基片的另一側(cè)沿方向x周期性平行設(shè)置φ相移的光柵，從而構(gòu)成該光學(xué)相位光柵型低通濾波器。該光柵和基片最好采用具有相同折射率的材料制造。
圖16表示形成在同一基片上的光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，兩個(gè)光柵分別設(shè)置在該基片的全部兩個(gè)表面上，互相垂直，從而透過0相位光柵的光再通過0相位光柵的部分成為0相位光柵部分；透過0相位光柵的光再通過φ相位光柵、或者透過φ相位光柵的光再通過0相位光柵的部分，成為φ相位光柵部分；透過φ相位光柵的光再通過φ相位光柵的部分，成為2φ相位光柵部分。
在成像系統(tǒng)的構(gòu)造中，光學(xué)低通濾波器一般與IR濾波器或UV濾波器相結(jié)合。在此實(shí)施例中，須要將用于去除紫外光或紅外光的材料涂覆在光柵的表面，因?yàn)殡y以將用于去除UV光或IR光的涂層或?yàn)V波片插入其光柵分別形成在同一基片上下表面的所述相位光柵的基片中。然而，光柵表面的凸起和凹陷使得材料的涂覆難以均勻。因此，在此實(shí)施例的濾波器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于成像系統(tǒng)時(shí)，最好采用含有用于阻斷UV光或IR光的單獨(dú)濾波器的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明可提供光學(xué)相位光柵型低通濾波器的相移光柵構(gòu)造及其光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)所述的光學(xué)低通濾波器，作為構(gòu)造采用固體成像器件的成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能比采用雙折射片的傳統(tǒng)光學(xué)低通濾波器更為優(yōu)越。
權(quán)利要求
1．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)0-相移光柵，用于產(chǎn)生0相移；一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的右方和下方；和一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的對角側(cè)。
2．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括多個(gè)周期性排列的基本結(jié)構(gòu)圖形，其中各基本結(jié)構(gòu)圖形包括一個(gè)0-相移光柵，用于產(chǎn)生0相移；一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的右方和下方；和一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，設(shè)置在所述0-相移光柵的對角側(cè)。
3．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括多個(gè)周期性排列的基本結(jié)構(gòu)圖形，其中各基本結(jié)構(gòu)圖形包括一個(gè)φ-相移光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且形成在一個(gè)透明光柵基片上；一個(gè)2φ-相移光柵，用于產(chǎn)生2φ相移，具有φ-相移光柵兩倍的厚度，并且形成在所述同一光柵基片上；和一個(gè)用于產(chǎn)生0相移的部分，沒有光柵。
4．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在一個(gè)透明光柵基片上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在另一個(gè)透明光柵基片上；其中第一和第二光柵的表面互相面對地彼此接合，從而構(gòu)成一在這兩個(gè)透明光柵基片之間周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
5．如權(quán)利要求4所述的光學(xué)低通濾波器，其中在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面之一上形成有用于阻斷IR光線或UV光線的濾波器。
6．如權(quán)利要求4所述的光學(xué)低通濾波器，其中在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面上各形成有用于阻斷IR光線或UV光線的濾波器。
7．如權(quán)利要求6所述的光學(xué)低通濾波器，其中在所述接合光柵基片結(jié)構(gòu)的上表面和下表面之一上形成有用于阻斷UV光線的濾波器，在其另一表面上形成有用于阻斷IR光線的濾波器。
8．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在一個(gè)透明光柵基片上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在另一個(gè)透明光柵基片上；其中所述兩個(gè)光柵基片的其上未形成光柵的表面互相面對地彼此接合，從而構(gòu)成一周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
9．如權(quán)利要求8所述的光學(xué)低通濾波器，其中在所述兩個(gè)光柵基片的接合表面之間插入有用于阻斷UV光線或IR光線的濾波器。
10．一種光學(xué)低通濾波器，用于在傳感輸入圖像的成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分，該光學(xué)低通濾波器包括一個(gè)第一光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿水平方向周期性排列在透明光柵基片的一個(gè)表面上；和一個(gè)第二光柵，用于產(chǎn)生φ相移，具有預(yù)定的厚度，并且沿垂直方向周期性排列在該透明光柵基片的另一個(gè)表面上；其中第一和第二光柵以及該光柵基片由具有相同折射率的材料制成，從而構(gòu)成一周期性排列有產(chǎn)生φ相移的φ-相移光柵、產(chǎn)生2φ相移的2φ-相移光柵、和0-相移光柵的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
提供一種采用相位光柵及其結(jié)構(gòu)的僅透過較低空間頻率的光學(xué)低通濾波器。它采用二維排列的相位光柵,以便在采用固體成像器件如CCD的成像系統(tǒng)中去除具有較高空間頻率的圖像。該光學(xué)低通濾波器用于在成像系統(tǒng)中抑制高于一特定頻率的空間頻率成分并且透過低于該特定頻率的成分,其包括一個(gè)用于產(chǎn)生0相移的光柵,一個(gè)設(shè)置在0－相移光柵右方和下方用于產(chǎn)生Φ相移的光柵,和一個(gè)設(shè)置在0－相移光柵對角側(cè)用于產(chǎn)生2Φ相移的光柵。
文檔編號H04N5/357GK1294307SQ0012045
公開日2001年5月9日 申請日期2000年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月27日
發(fā)明者李在哲, 林成禹, 高湷洙, 金示浩, 吳用琥 申請人:哈維特有限公司