CN104520931B - 用于可见和近可见光的大孔径波前的高效记录的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于记录光的波前的混合系统和方法。这个系统组合两种成像系统(全息术和全景成像)的元件以产生如下成像系统：与全景成像相比，该成像系统具有更高的效率和更好的分辨率以及很少的全息记录的限制。

Description

用于可见和近可见光的大孔径波前的高效记录的系统和方法
优先权声明/相关申请
本申请要求于2011年12月29日提交的、标题为“System and Method for theEfficient Recording of Large Aperture Wave Fronts of Visible and Near VisibleLight”、序列号为61/581,389的美国临时专利申请的利益和在35 USC 119(e)和120下的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开一般地涉及一种成像系统和方法，并且具体地讲，涉及一种用于使用全息术和全景成像（integral imaging）记录光的波前的系统和方法。
背景技术
存在许多用于记录光的波前的方案。这些方案能够被任意分为三类记录：
1.将真实图像的振幅记录在记录介质上的方案，真实图像由光学系统产生。通常，这些过程被称为摄影术。
2.通过把由信号波前和参考波前产生的干涉图案的振幅记录在记录介质上来记录光的波前的相位的方案。通常，这些过程被称为全息术。
3.通过同时把大量视点的光振幅记录在记录介质上来记录光的波前的相位的方案。这些过程经常被称为全景成像。
以上方案中的每一个具有优点和限制。
例如，摄影术产生容易处理和理解的图像，但局限于单个视点和单个焦平面。用于记录照片的技术很好理解，被广泛地使用，并且它的记录和计算部件受益于大规模生产的成本效率。不幸的是，摄影术在光的输入波前的能量的使用方面具有不良的效率。这是由于以下事实所导致：摄影术过程必须为了最佳景深而使用小孔径在空间上对光进行滤波，并且按照频率对光进行滤波，以记录颜色。由于使用小孔径的光学系统的衍射限制，小孔径的使用也限制了照片可捕捉的信息的量。
全息术在记录介质的孔径上产生成为光的波前的完全再创造的图像，没有关于视点或焦平面的限制。全息术在其对光的输入波前的能量的使用方面是非常高效的。来自两个波前的全部入射光被记录。使用与记录的波前的衍射限制匹配的干涉记录全息图。由于记录孔径是整个记录区域，所以全息图接近记录视觉信息的理论上的信息和分辨率限制。不幸的是，存在如下严重的约束，该约束限制可记录全息图的时间，这使得它们无法实际用作记录广泛各种图像的一般方案。例如，仅可使用具有空间和频率相干性的光记录全息图。
全景成像能够记录多个视点，并且通过使用附加的计算而不受焦平面约束。在全景成像中使用经典光学系统带来与摄影术相同的效率和信息限制，具有经常在单个记录装置或表面上对许多视点成像的附加资源负担。
因此，希望提供一种克服已知方案的以上限制的成像系统和方法，并且，本公开所涉及的是达到这个目的。
附图说明
图1和2分别是混合全景成像系统的实现方式的例子；
图3A-3D图示混合全景成像系统的更多细节；
图4A-4B图示用于混合全景成像的方法；
图5图示用于红色/绿色/蓝色映射的全息复用器元件的实施例；
图6图示用于三维映射的全息复用器元件的实施例；和
图7A、7B、8A和8B图示用于调整系统的景深或视场的用户界面的例子。
具体实施方式
本公开特别适用于以下描述的高效地记录可见和近可见光的大孔径波前的混合全景成像系统和方法，并且将在这种背景下描述本公开。然而，将会理解，该系统和方法具有更大的效用。例如，以下描述的实施例可被用于可见光，但混合全景成像系统和方法也可被与非可见光一起使用。更一般地讲，混合全景成像系统和方法可被与各种类型的电磁辐射一起使用。
在一个实现方式中，该系统和方法可被与具有落在电磁波谱的可见区域和近红外(IR)区域内的线光谱的电磁辐射一起使用。例如，线光谱(具有一定范围的波长)可包括下面各项中的一个或多个：在380–450 nm的紫色、在450–495 nm的蓝色、在495–570 nm的绿色、在570–590 nm的黄色、在590–620 nm的橙色、在620–750 nm的红色和在2,500至750 nm的近ir。
图1和2分别是混合全景成像系统100的实现方式的例子。在图1中，该系统可包括耦合到混合全景成像单元104的处理模块102。处理模块102可以是能够处理由以下更详细描述的混合全景成像单元104产生的数据的任何典型的微处理器、微控制器、状态机等。在一些实施例中，处理模块102和混合全景成像单元104两者可都被容纳在单个外壳中。在图1中的例子中，处理模块102可包括存储装置，该存储装置允许存储和处理来自混合全景成像单元104的数据。在图2中，处理模块102可以是计算机系统106或计算机系统的部分。计算机系统可以是个人计算机、服务器计算机，云计算资源、膝上型计算机、智能电话装置等。在图2中的例子中，计算机系统是桌上型计算机系统，该桌上型计算机系统可具有显示器106a、机箱106b(可容纳处理单元102和存储器或永久存储单元106c)以及允许用户与计算机系统交互的一个或多个输入/输出装置，诸如，键盘106d和鼠标106e。计算机系统还可具有允许处理单元102以无线方式或以有线方式与远程装置通信的接口和电路106f。如图2中所示，混合全景成像单元104可被耦合到计算机系统。
除了图1-2中示出的处理模块102的实现方式之外，处理模块还可包含一组个体微处理器元件，其中每个微处理器元件被映射到图像记录元件的一区域作为输入。每个微处理器元件还可被以如下方式映射到表示处理的图像的部分的存储器的许多部分作为输出：该方式允许并行计算到所请求的视野的一部分中的复用输入。替代地，处理模块102可包含一组个体微处理器元件，每个微处理器元件被映射到图像记录元件或关联的处理器的几个区域作为输入并且以如下方式被映射到所请求的视野的单个部分作为输出：该方式允许并行计算到所请求的视野的部分中的复用输入。以下提供处理单元102和混合全景成像单元104的细节。
图3A和3B图示混合全景成像单元104的更多细节。如图3A中所示，混合全景成像单元104可包括外壳104A，外壳104A容纳图3B中示出的单元上的其它部件。混合全景成像具有摄影术和全景成像的成本优势，并且通过利用图3B中示出并且在以下更详细地描述的全息复用元件200替换摄影术或全景光场成像的标准光学系统来移除它们的许多约束。
全息复用元件200向个体记录装置提供输入光波前中的信息的高效复用。更具体地讲，全息复用元件200可高效地将波前复用到用于颜色、视点和深度的分立通道中。
混合全景成像单元104可由五个部件构成，包括图3中示出的全息复用元件200、一个或多个图像记录元件202、支撑部件204、一个或多个光路206。混合全景成像单元104还可包括图1-2中示出的处理模块102、用户界面模块(诸如，图2中的显示器106a)和处理模块的其它部分以及图3A中示出的外壳104A。
全息复用元件200
全息复用元件200可以是记录在李普曼-布喇格（Lipmann-Bragg）体系中的体积反射全息图。这种类型的全息图包含在1/2波长层切通记录介质的体积的记录的干涉条纹。这个几何形状反射特定波长的光并且对特定波长的光进行滤波。可获得在重构方面非常高效的记录材料，因此可在这个全息图中记录高效地反射和聚焦窄波长的光的许多虚拟离轴凹形抛物线形(或球体)聚焦子元件(诸如，反射镜)。每个虚拟反射镜子元件可被设计为把来自特定视点、具有特定虚拟孔径和特定景深的、特定频带的图像聚焦到个体记录元件。子元件还可被映射到图像记录元件的各部分。替代地，每个聚焦子元件可与图像记录元件配对。
在一个实现方式中，全息复用元件200可被实现为一组分立体积反射全息图元件。每个全息元件可在李普曼/布喇格域中通过使用相长干涉的颜色光谱对光的传入波前进行滤波。每个全息元件可通过在菲涅耳域中使用相长干涉重构光的传入波前的部分的真实图像来基于视点和/或深度进行滤波。
为了制造全息复用元件200，每个分立体积全息图可被使用自动化过程顺序地写到全息记录基底(诸如，例如光学玻璃上的重铬酸盐明胶)，而非使用作为物体波和参考波的相干光的特定光谱描述将每个分立全息元件的孔径映射到传入波前中的输入点和图像记录元件上的输出点。
全息复用元件200可另外被实现为具有施加的特定闪耀涂层的一组分立凹凸透射全息图。每个分立全息元件可通过在菲涅耳域中使用相长干涉重构光的传入波前的部分的真实图像来基于视点和深度进行滤波。每个全息元件可通过闪耀涂层的相长干涉对光的传入波前的颜色光谱进行滤波。在全息复用元件200的这个实施例的制造中，每个分立凹凸全息图可被使用自动化过程顺序地写到全息记录基底(诸如，例如施加于光学玻璃的光敏塑料)，而非使用作为物体波和参考波的相干光的特定光谱来描述将每个分立全息元件的孔径逆映射到传入波前中的输入点和图像记录元件上的输出点。每个记录元件通过蒙片而被涂覆有一系列膜以提供光谱滤波。所获得的全息复用元件可随后以一定方式安装以使用它的共轭(或反影)重构几何形状。以上方法还可被用于制造主全息复用元件，该元件随后被使用本领域技术人员已知的方法复制。
全息复用元件可具有编码在其中的数据，该数据可由处理模块102读取。例如，可在全息复用元件的未使用部分上使用已知的格雷码对二进制数据进行编码以产生线或点的图案。以这种方式，数字数据可与特定全息复用元件关联。数字数据可包含全息复用元件如何将光的传入波前映射到一个或多个图像记录元件的各部分的信息。例如，数字数据可指示全息复用元件的第一元件在特定位置映射到第一图像记录元件。
全息复用元件200的特性可被改变以便为了特定用途优化成像装置。例如，可制造提供分立元件的全息复用元件200，该分立元件提供大量的各种光谱滤波器和仅几个空间点，并且这将会对光谱术有用。替代地，可制造仅对红色、绿色和蓝色光谱滤波器以及布置在水平平面上的将会对三维成像有用的各种空间视点进行编码的全息复用元件200。在图3B中的例子中，全息复用元件200可以是单个元件，但全息复用元件200还可被实现为一个或多个分离的元件，当组合在一起时，这些元件具有与单个全息复用元件200相同的效果。
图5图示用于红色/绿色/蓝色映射的图像记录元件202和全息复用器元件200的实施例。如图5中所示，全息复用器元件200可具有一个或多个全息子元件2001，并且这些全息子元件2001可包括：具有红色相长滤波的全息元件2002，反射来自输入空间点500的红色波长电磁辐射；具有蓝色相长滤波的全息元件2003，反射来自输入空间点500的蓝色波长电磁辐射；以及具有绿色相长滤波的全息元件2004，反射来自输入空间点500的绿色波长电磁辐射。如图5中所示，红色、绿色和蓝色波长电磁辐射被反射到一个或多个图像记录元件202(在图5中的例子中示出单个图像记录元件，但该系统并不仅限于单个图像记录元件。)在图5中的实施例中，图像记录元件202可具有一个或多个输出子元件，每个全息元件将不同波长的电磁辐射引导至所述一个或多个输出子元件。例如，图像记录元件可具有记录元件蓝色输出2021、记录元件绿色输出2022和记录元件红色输出2023。因此，使用这个实施例，红色、绿色和蓝色波长电磁辐射被映射到图像记录元件上的不同部分。
图6图示用于三维映射的全息复用器元件200和图像记录元件202的实施例。如图6中所示，全息复用器元件200可具有一个或多个全息子元件2001，并且这些全息子元件2001可包括具有特定波长的相长滤波（诸如在这个例子中为绿色）的一个或多个全息元件2004，全息元件2004反射来自一个或多个输入空间点500、502、504的电磁辐射(诸如，在这个例子中为绿色波长电磁辐射)，以使得由于所述一个或多个输入空间点而发生三维映射。如图6中所示，单波长电磁辐射(诸如，图6中的例子中的绿色)被反射到所述一个或多个图像记录元件202(在图5中的例子中示出单个图像记录元件，但该系统并不仅限于单个图像记录元件)。在图6中的实施例中，图像记录元件202可具有一个或多个输出子元件，每个全息元件把来自不同输入空间点的电磁辐射引导至所述一个或多个输出子元件。例如，图像记录元件可具有记录元件空间点一输出2024、记录元件空间点二输出2025和记录元件空间点三输出2026。因此，使用这个实施例，在三个不同输入空间点，一个波长的电磁辐射被映射到图像记录元件上的不同部分以产生三维映射。
图像记录元件202
全息复用元件200将光的输入波前复用到一个或多个图像记录元件202，图像记录元件202定位在支撑部件204上的预定位置处(诸如，图3B中示出的定位)。每个图像记录元件可以是能够接收电磁辐射并且存储接收的电磁辐射/将接收的电磁辐射转换成电信号的图像记录装置。在一个实现方式中，每个图像记录装置可以是，但不限于，具有与不昂贵的高产量生产过程匹配的中等数量的像素元件的CCD成像装置。由于总体系统分辨率可基于所有的图像记录元件的总和，所以可选择具有最好的每像素成本的图像记录装置，而非选择高分辨率装置。另外，由于全息复用元件从非常大的孔径将光聚焦在每个图像记录元件上，所以可选择具有较小的感测面积的低成本装置。例如，传感器尺寸的理论上的限制是传感器必须记录的波长的2倍。
每个图像记录元件具有用于将电信号传送到处理模块102的机构，诸如导线或线缆。
支撑部件204
支撑部件204支撑全息复用元件200和一个或多个图像记录元件202，并且匹配全息复用元件200和一个或多个图像记录元件202之间的离轴复用关系。具体地讲，如图3B中所示，如果存在垂直于全息复用元件200的轴，则所述一个或多个图像记录元件202是离轴的。支撑部件可由诸如塑料或金属的材料制成，以使其在需要的温度和湿度的范围上在设计公差内保持该几何关系。替代地，支撑部件204可以是替代铝的碳纤维复合物，以使得具有大孔径的照相机可在宽的温度范围上保持校准(提供清晰而真实的图像)。全息复用元件200和所述一个或多个图像记录元件202之间的几何关系的例子被示出在图3B中，但也可使用其它几何关系。
光路206
每个光路206可以是连接到支撑部件204的具有用于抑制环境或反射电磁能量的某些性质的 一块材料(诸如，塑料或金属)，诸如图3B中示出的配置。也可使用光路206的其它配置。第一组光路2061可定位在混合全景成像单元104的输入以允许光208的信号波前(其例子在图3C中以虚线示出)撞击全息复用元件200。第二组光路2062(诸如，在一个实现方式中每个图像记录元件202两个光路)允许一组复用光分量210(其例子在图3D中以虚线示出)撞击图像记录元件202。这两组光路206都抑制所有其它环境和反射光。
对于简单的映射几何形状，光路可使用蜂窝形状来构造，其中蜂窝元件的宽度与深度的比例被选择为与照相机视角匹配，并且与蜂窝壁的厚度成比例地选择蜂窝的宽度以优化电磁辐射波前的吞吐量并且减少来自光路的阴影或伪像。对于更复杂的光路，针对给定分立全息子元件的每个输入和输出光线的路径可被激光切削为重量轻的刚性泡沫块。
处理模块102
处理模块102可以是可执行一段软件(或多行计算机代码)以执行与混合全景成像单元关联的各种过程的处理单元或基于处理单元的装置(诸如图1和2中所示)。使用这些过程的用于混合全景成像的方法400被更详细地公开在图4A和4B中。这些过程从每个图像记录元件接收从全息复用元件反射的数据，并且将该数据映射到光的输入波前。处理模块可因此控制图像记录元件(402)。在一个或多个图像记录元件的控制期间，处理模块可读取在全息复用元件内编码的数据，除了其它数据，该数据还包含关于特定全息复用元件被如何配置的数据，以使得处理模块能够处理来自一个或多个图像记录元件的数据，将该数据映射到光的输入波前并且重构光的输入波前。在该控制期间，处理模块还可在特定时间期间开始和/或停止记录，以使得一个或多个图像记录元件记录波前数据(404)。
处理模块可随后使用特定方法和属性从图像记录元件获取数据(406)。例如，可从包含类似视点的几个光学元件获取图像数据，并且使用映射到图像记录元件的各部分的多个处理元件组合这些视点以包括更清晰、更高分辨率的图像数据。另外，来自各种视野的输入图像数据可被分析，并且转换为表示波前的分量分水岭的三维表示，诸如二进制空间分割或八叉树。还可基于一个或多个空间或颜色空间中的差异使用已知方法(诸如，熵编码)压缩图像数据。
处理模块可随后存储从图像记录元件获取的数据和/或加载来自图像记录元件的已经存储的数据(408)。处理模块(诸如，上述图2中的计算机系统)可具有界面和电路106f，以使得处理模块能够经网络将获取的图像记录元件数据传送到另一装置。因此，处理模块确定是否将图像记录数据发送给另一装置(410)，并且然后能够发送数据(412)。然后，处理模块(或具有类似资源的其它装置)可利用特定方法和属性将获取的数据重构为图像(414)。
在重构过程期间，例如，处理模块可使用多个处理器以对按3d形式存储的信息进行解码，并且变换输入数据以表示给定视点、合成孔径或颜色空间。处理模块还可通过直接组合来自编码在全息复用元件中并且以容易平铺并且重构的方式映射到图像记录元件的特定视点的图像来构造图像。处理模块可随后使用在类似或相邻视野中发现的边缘或高频来改进图像，诸如重构图像。
处理模块(或其它装置)还可基于来自用户界面部件或经网络来自另一装置的配置选项调整它的重构过程。
用户界面部件/模块
用户界面部件具有用于用户设置属性和方法并且将它们传送到处理模块102的装置/机构/过程。例如，一个属性可以是处理模块将会如何从记录元件获取数据的特定方法。另外，这些属性之一可以是处理模块何时开始和/或停止对来自图像记录元件的光的波前的记录。属性还可例如包括将获取的数据的重构显示为图像的方法。另外，由用户设置并且传送给处理模块的属性之一可以是在什么深度重构什么视点。图7A和7B示出由用户从用户界面选择的视野向左改变和视野向右改变，而图8A和8B图示由用户从用户界面选择的景深远和景深近。
外壳
外壳以如下方式保持所有的其它系统部件：保护它们免受光、灰尘和/或物理损伤。它以使用户合意地握住、触摸和观看的方式实现这一点。外壳可由碳复合材料(碳复合材料可以是刚性的并且重量轻)制成，并且可在表面上铸造有纹理，纹理可以是装饰性的并且可以提供容易握住的表面。
混合全景成像几何形状的实现方式
混合全景成像几何形状可被设计为使李普曼-布喇格体系中的全息复用元件的效率最大化，同时减少来自各种系统元件的内部反射。配置的一个例子是在装置的后面放置针对光的传入波前的全息复用元件平面，并且在装置孔径下方将记录元件放置为离轴，如图3A-3D中所示。混合全景成像系统可使用其它几何形状，并且本公开不限于图3A-3D中示出的几何形状。
全息复用元件可根据需要被从装置移除和替换。一旦确定了混合全景成像几何形状，全息复用元件和图像记录元件之间的几何形状保持固定。然而，在替换全息复用元件的情况下，复用的形式可被改变。例如，如果混合全景成像系统具有3200x2400的64个图像记录元件，则可能的复用配置(需要全息复用元件改变)能够是：
1、 530(640x480)个视点， 处于3种颜色，具有总共491兆像素。
2、 2130(320x240)个视点，处于3种颜色。
3、 16(3200x2400)个视点，12个深度，单色
4、 1(3200x2400)个视点，8个深度，8个颜色采样，针对全光谱成像。
在以上例子中，相同数量的图像记录元件像素(或感测区域)被用于每个配置，并且从由例子(2)表示的大孔径3d光场照相机和由例子(4)表示的高分辨率光谱深度成像照相机改变而所需的改变是全息复用元件200。在例子(2)的情况下，全息复用元件200可被制造为把许多输入波前空间点映射到图像记录元件的小区段中。在例子[4]的情况下，更多的频率滤波和更少的输入空间点被用于把光的输入波前映射到图像记录元件的大的区域。该系统的实现方式的几何形状的例子被示出在图3A-3D中。
混合全景成像系统接收光的波前并且使用光的相长干涉，(由全息复用元件)将光的波前分配到聚焦在一个或多个图像记录元件上的许多振幅图像中。在该系统中，根据波长、观察的位置和/或焦深分配每个聚焦的图像记录元件。
尽管前面的内容参照本发明的特定实施例，但本领域技术人员将会理解，在不脱离其范围由所附权利要求限定的本公开的原理和精神的情况下可做出这个实施例中的改变。

Claims (25)

1.一种混合全景成像设备，包括：
支撑部件；
全息复用元件，根据频率和空间位置反射电磁辐射的波前以及对电磁辐射的波前进行滤波；
一个或多个图像记录元件，每个图像记录元件接收来自全息复用元件的电磁辐射的反射的波前，并且产生表示所述反射的波前的一组电信号；和
处理模块，从每个图像记录元件接收表示所述反射的波前的所述一组电信号，并且将来自每个图像记录元件的表示所述反射的波前的所述一组电信号重构为具有视点和深度之一的重构图像。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述全息复用元件还包括记录在李普曼-布喇格体系中的体积反射全息图。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述记录的全息图还包括在1/2波长层将记录介质的体积切通的一组记录的干涉条纹。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述全息复用元件还包括多个分立全息光学部分。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述全息复用元件还包括多个虚拟离轴凹形反射器子元件，每个反射器子元件聚焦窄波长的电磁辐射。
6.如权利要求5所述的设备，其中每个反射器子元件还包括抛物线形反射器子元件和球体反射器子元件之一。
7.如权利要求6所述的设备，其中每个反射器子元件是反射镜子元件。
8.如权利要求5所述的设备，其中每个虚拟离轴凹形反射器子元件把来自特定视点的具有特定虚拟孔径并且在特定景深的特定频带的图像聚焦到特定图像记录元件。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述支撑部件保持全息复用元件和所述一个或多个图像记录元件之间的固定几何形状。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述全息复用元件被定位成具有垂直于传入电磁辐射的长轴，并且所述一个或多个图像记录元件被定位成从传入电磁辐射离轴。
11.如权利要求1所述的设备，还包括：一个或多个光路，抑制环境电磁辐射和反射的电磁辐射。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述一个或多个光路还包括朝着全息复用元件引导传入电磁辐射的第一组光路。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述一个或多个光路还包括位于每个图像记录元件处的抑制反射的电磁辐射的第二组光路。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述电磁辐射是光。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述电磁辐射是落在电磁光谱的可见和近IR区域内的线光谱。
16.如权利要求1所述的设备，其中每个图像记录元件是电荷耦合装置。
17.如权利要求1所述的设备，还包括：外壳，包围支撑部件、全息复用元件和所述一个或多个图像记录元件。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述处理模块位于外壳内。
19.如权利要求1所述的设备，其中所述处理模块是计算机系统。
20.一种混合全景成像方法，包括：
控制一个或多个图像记录元件接收来自全息复用元件的电磁辐射的反射的波前，以便在每个图像记录元件产生表示所述反射的波前的一组电信号；
由处理模块从每个图像记录元件获取表示所述反射的波前的所述一组电信号；以及
将来自每个图像记录元件的表示所述反射的波前的所述一组电信号重构为具有视点和深度之一的重构图像；
其中全息复用元件根据频率和空间位置反射电磁辐射的波前以及对电磁辐射的波前进行滤波。
21.如权利要求20所述的方法，其中重构所述一组电信号还包括：在处理模块上重构所述一组电信号。
22.如权利要求20所述的方法，还包括：存储来自每个图像记录元件的表示所述反射的波前的所述一组电信号。
23.如权利要求20所述的方法，其中获取所述一组电信号还包括：从存储介质加载来自每个图像记录元件的表示所述反射的波前的所述一组电信号。
24.如权利要求20所述的方法，还包括：将来自每个图像记录元件的表示所述反射的波前的所述一组电信号发送给第二装置。
25.如权利要求24所述的方法，其中重构所述一组电信号还包括：在第二装置重构所述一组电信号。
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