CN106456070A - 成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种成像装置和成像方法。将来自被摄体的光作为多个光束集提供至具有多个元件的相位差阵列。所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些光束集内所包括的光提供不同的光路。在成像元件阵列处接收来自所述相位差阵列的光。所述成像元件阵列包括多个成像元件。可以显示基于所述成像元件阵列的输出信号根据高光谱成像数据所获得的信息。

Description

成像装置和方法
技术领域
本技术涉及一种成像装置和方法，并且尤其涉及能够在不具有移动单元的情况下实现高灵敏度的高光谱成像(HSI)的成像装置和方法。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2014年6月26日递交的日本优先权专利申请JP2014-131808的权益，该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
近年来，在除了由诸如普通照相机的成像装置处理的红、绿和蓝(RGB)三种原色以外具有数量增加的谱段的多波段成像当中，特别是针对每个像素获得连续的光谱信息的高光谱成像(下文中，也简称作HSI)已引起关注。
能够从通过HSI捕获的图像中以像素为单位获得窄波段的光谱信息，因而能够对一个图像内的各个区域进行光谱分析，并实现物体的规格、变更和状态变化的可视化等。HSI应用领域的示例包括医疗保健、环境、食品安全、农业、军事等。
作为以往HSI的第一种方法，提出了如下方法：来自被摄体的光由狭缝剪切，由在垂直于该狭缝的纵向的方向上的被称为棱镜或光栅的分散元件分散，并由诸如图像传感器(包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS))的成像元件记录，以扫描该狭缝。
作为以往HSI的第二种方法，提出了如下方法：通过声光可调滤波器(AOTF)分散来自光源的光以照射被摄体并扫描波长，因而能够顺序获取每个波长的反射图像。
此外，作为以往HSI的第三种方法，提出了如下方法：在成像元件正上方形成针对各个像素差别地间隔开的法布里-珀罗镜，并因而形成各个法布里-珀罗镜用以执行窄带的分散的间隔，从而进行准确的控制(参见非专利文献1)。
此外，作为以往HSI的第四种方法，提出了如下方法：在无焦物镜的光瞳面的一半区域中形成相位调制镜，并且对通过移位扫描该镜所获得的干涉图进行傅里叶变换，以获得每个图像点的分光光谱(参见专利文献1)。
此外，作为以往HSI的第五种方法，提出了空间地执行第四方法中的时间相位调制(参见非专利文献2)。
换言之，在第五种方法中，通过微透镜阵列(MLA)形成复眼图像，在图像平面上设置由双折射材料制成的棱镜(诺玛斯基棱镜)，并且根据棱镜的厚度控制P偏光分量与S偏光分量之间的光路差，使得能够对光重新成像并将其记录在成像元件中。
在各个MLA中记录具有不同相位差的干涉图像(单个眼图像)，并且针对单个眼图像中的每个图像点获得干涉图(每个单个眼图像的相同点处的输出值相对于添加的相位差)，并对其进行傅里叶变换，因而能够获得每个图像点的分光光谱，换言之，能够获得HSI数据立方。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利第5078004号
非专利文献
非专利文献1：
SPIE Vol.8613,861314-1,A Snapshot Multispectral Imager withIntegrated,Tiled Filters and Optical Duplication,B.Geelen等
非专利文献2：2012/Vol.20,No.16/OPTICS EXPRESS 17985,Compact real-timebirefringent imaging spectrometer,M.W.Kudenov等
发明内容
技术问题
通过使用上述第一种方法，HSI可以实现相对简单的结构，然而，被称作狭缝扫描的驱动单元本身将成为失败的原因。由于狭缝扫描难以实现运动图像的HSI。此外，由于通过分散元件针对各波长分散能量，输入至成像元件的一个像素的能量变弱，并且系统的灵敏度低，使得需要具有大输出的宽波段光源。此外，扫描方向上的空间分辨率被狭缝的宽度平均化，并且这限制速率。
此外，通过使用第二种方法，HSI可以实现相对简单的结构，并且通过AOTF电驱动波长扫描，使得不存在机械移动单元，但由于其涉及波长扫描，因而难以实现运动图像的HSI。此外，由于在不同的时间捕获各波长的光谱图像，因而难以确保光谱图像的同步。另外，由于通过AOTF对宽波段波长的光源进行谱提取，每一光谱波长的功率很弱，并且系统灵敏度因而很低。
以往的第一和第二方法的HSI已经被商品化为光谱仪，但甚至包括照明装置的整个系统尺寸变大，因而便携性不好并且昂贵。
此外，由于在半导体工艺中形成第三方法的HSI所需的组件，因而存在诸如使得装置小型化和降低成本的优点。然而，由于法布里-珀罗镜是反射型窄波段光谱滤波器系统，当波长分辨率增加(即，执行窄波段分散)时，光利用效率低并且因而宽波段光源需要具有大的输出，使得整体上难以实现小型化。
在第四种方法中，存在光利用效率高并使用滤波器方法之外的方法的示例。因此，首先，由于使用干涉图像，能量损耗低且效率高，因而不需要具有高输出的光源。第二，在原理上确保用于同时获得最终获得的各个波长的光谱图像的构造。第三，能够通过使镜的移位范围变大来容易地降低波长分辨率。第四，由于不必使用特殊材料，因而能够以低成本制造该构造。
然而，在第四种方法中，由于必需移位镜，因而难以获得运动图像。
此外，与上述第四种方法类似，在第五种方法中，首先，由于使用干涉图像，能量损耗低且效率高，因而不需要具有高输出的光源。此外，第二，在原理上确保用于同时获得最终获得的各个波长的光谱图像的构造。由于不存在移动单元，因而存在如下优点：不存在变成失败的原因的部分。
然而，使用由双折射材料制成的棱镜形成相位差，并且材料是特殊的，因而对于半导体工艺应用利用特殊材料的棱镜成型处理很难。结果，成本增加。
换言之，第四种和第五种方法使得能够通过对干涉图像执行傅里叶变换并遵循原则上广泛地使用于有机材料的组分分析的FT-IR装置(傅里叶变换红外光谱仪)来获得HSI数据立方，因而存在可靠的精良算法。
然而，在第五种方法中，由于必需使用被称为双折射材料的特殊材料，因而成本增加。
鉴于这种情形提出了本技术。根据本公开内容的实施方式，通过对干涉图像执行傅里叶变换而不使用滤波器，特别是利用不需要移动单元或特殊材料的结构来实现用于提取光谱图像的方法，并且这可以采用能够以相对低的成本实施的半导体工艺。
问题的解决方案
根据本公开内容的一种实施方式，提供了一种成像装置，包括：具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些内所包括的光提供不同的光路，以及包括多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成从所述相位差阵列接收所述光束集之一。
根据本公开内容的其它实施方式，提供了一种检测设备，所述检测设备包括连接结构、光源和外壳。所述光源和所述外壳连接至所述连接结构。所述外壳包括具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些内所包括的光提供不同的光路。所述外壳还包括包含多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成从所述相位差阵列接收所述光束集之一。另外，所述检测设备包括显示器，其中，所述显示器连接至所述连接结构，并且其中，所述显示器可操作用于显示根据由所述成像元件阵列所提供的数据生成的检测信息。
根据本公开内容的又一其它实施方式，提供了一种用于检测物理属性的方法，所述方法包括：将光发射至被摄体上，在相位差阵列中所包括的多个相位差元件处接收来自被摄体的光，其中，所述相位差元件中的至少一些根据入射在所述相位差元件上的光生成相位差，在成像元件阵列处接收来自所述相位差元件的光，并且基于所述成像元件阵列的输出信号显示根据高光谱成像(HSI)数据所获得的信息。
根据本技术的一种实施方式，通过成像元件阵列捕获同一成像区域作为多个单元图像，并且通过相位差阵列在由成像元件阵列所捕获的多个单元图像的各个成像区域的一部分中产生各个不同的光路差。
根据本技术的一种实施方式的成像装置可以是单独的设备，或者可以是用于执行成像处理的块。
发明的有益效果
根据本技术的一种实施方式，能够捕获高灵敏度的HSI图像。
附图说明
图1是示出采用本技术的成像装置的血液测试设备的实施方式的构造示例的图。
图2是示出血液测试设备的构造的框图。
图3是示出摄像头阵列的构造的图。
图4是示出摄像头阵列的构造的图。
图5是示出相位差阵列的构造的图。
图6是示出信号处理的图。
图7是示出用于设计摄像头阵列的方法的图。
图8是示出血液测试处理的流程图。
图9是示出相位差阵列的制造过程的流程图。
图10是示出相位差阵列的制造过程的图。
图11是示出作为第一变型的相位差阵列的、另一构造示例的图。
图12是示出作为第二变型的、用于在成像元件阵列中设置用于捕获彩色图像的区域的构造示例的图。
图13是示出第二变型中用于进一步扩大用于捕获彩色图像的区域的构造示例的图。
图14是示出作为第三变型的、通过使用立体图像来生成深度图像的示例的图。
图15是示出作为第四变型的、通过使用四种类型的偏光器来获得偏光状态的示例的图。
图16是示出通用个人计算机的构造示例的图。
具体实施方式
<将本技术的成像装置应用于血液测试设备的示例>
图1示出了采用本技术的成像装置的血液测试设备的实施方式的构造示例。图1的血液测试设备11基于由内置的成像装置捕获的高光谱成像(HSI)对血管中的血液成分进行分析，并且测量并显示血液信息，诸如血液中的氧浓度、血脂水平和血糖水平。
更具体地，例如，如图1的左上部中的外部视图P1所示，血液测试设备11在如同手表一样沿着作为使用者的人的手臂12佩戴时使用，以捕获手臂12内的动脉12a和静脉12b的图像，并且从被捕获为HSI 31的动脉12a和静脉12b的光谱反射率数据中检测血液中所包含的成分。
如图1的右上部所示，血液测试设备11包括例如本体31、光源32-1和32-2，显示单元33以及连接结构，连接结构例如为带条或带34的形式。血液测试设备11具有如下构造，其中，本体31、宽波段光源32-1和32-2(诸如包括近红外光分量的卤素灯)以及显示单元33被设置于带34上并分别电连接。通过环绕手臂12佩戴血液测试设备11而将其固定至手臂12上。此外，图1的右上部为在通过使用带34环绕手臂12佩戴血液测试设备11而将其固定至手臂12的状态下沿着构成手臂12的骨头的纵向的轴的垂直剖面图。
HSI本体31包括成像装置，该成像装置捕获HSI，被设置成在血液测试设备11通过带34而环绕佩戴在手臂12上的状态下面对手臂12，并且捕获由从光源32-1和32-2发射的光反射在手臂12内的动脉12a内的血液(动脉血)和静脉12b内的血液(静脉血)上而产生的反射图像。
在这种情况下，本体31捕获如下图像：在该图像中，对应于图1的左下部中的图像P11所示的通过可见光人眼可见的手臂12的图像，通过例如红色波长的光至仅红外光将动脉12a和静脉12b投影在皮肤下数毫米处的图像中，如图1的左下部中的图像P12所示。作为示例，假设动脉12a为桡动脉。由于动脉12a的可见性不是很好，可以通过从运动图像中提取跳动部分来定位动脉12a。
此外，本体31对所捕获的动脉12a和静脉12b中的血液进行光谱分析，测量血液中的氧浓度、血脂水平和血糖水平，并且在显示单元33上显示测量结果以及对应于测量结果的信息。
<本体的构造示例>
接下来，将参照图2的框图描述本体31的构造。本体31包括摄像头阵列51和信号处理单元52。
摄像头阵列51配置有布置在垂直方向和水平方向上的多个(例如m×n个)摄像头单元。对相同的成像区域进行切割并对其进行诸如XY移位的视差校正。多个摄像头单元捕获其中强调各自不同波长的干涉图像，并将干涉图像输出至信号处理单元52。
此外，图2示出了其中在摄像头阵列51中在水平方向上布置n个摄像头单元并且在垂直方向上布置m个摄像头单元的示例。此外，在图2的水平方向上在顶行处分别自左向右顺序地布置摄像头单元A(1)，A(2)，A(3)….A(n-1)和A(n)。此外，甚至在自顶部起的第二行中，自左向右顺序地布置摄像头单元A(n+1)，A(n+2)和A(n+3)。然后，甚至在底行中，自左向右顺序地布置摄像头单元A(mn-n+1)，A(mn-n+2)和A(mn-n+3)，并且在底行最右列中布置摄像头单元A(mn)。在以下的说明中，如果对布局上的各个摄像头单元进行区分，则将这些摄像头单元称作如上所述的摄像头单元A(mn)，然而，如果不对这些摄像头单元进行区分，则将它们简称为摄像头单元A。
信号处理单元52通过以相同位置的像素为单位读取从各个摄像头单元A供应并包括其中强调不同波长的干涉图像的图像信号，来生成干涉图。此外，信号处理单元52通过以像素为单位对干涉图执行傅里叶变换来生成由分光光谱构成的数据。然后，信号处理单元52基于所生成的由分光光谱构成的数据分析血液中的必要成分(诸如氧浓度、血脂水平和血糖水平)，并将分析结果显示在显示单元33上。这里，在成像期间，信号处理单元52使光源32-1和32-2发射光。此外，在以下的描述中，如果对光源32-1和32-2进行区分，则将它们简称为光源32，并且假定以相同的方式指代其它组件。
【摄像头阵列的详细构造】
接下来，将参照图3详细说明摄像头阵列51的构造。
摄像头阵列51配置有为光学元件的透镜阵列71、相位差阵列72和透镜阵列73以及成像元件阵列74。此外，图3中的苹果图像表示被摄体。换言之，来自被摄体的光按照透镜阵列71、相位差阵列72、透镜阵列73和成像元件阵列74的次序传输。
透镜阵列71例如是针对各个摄像头单元配置的焦距为f的物镜阵列，并且透镜阵列71关于各个摄像头单元A将入射光转换成圆柱形平行光束，并且将该平行光束输入至相位差阵列72。特别地，针对成像元件阵列的每个摄像头单元A设置物镜，并且每个物镜针对其相应的摄像头单元A根据入射光建立平行光束集。
相位差阵列72包括由遮光部72a限定的多个相位差元件。例如，可以针对由透镜阵列71形成的每个平行光束集设置一个相位差元件。相位差阵列72的至少一些元件包括以具有预定折射率的物体72b遮盖从透镜阵列71入射的平行光束的一部分的滤波器。相位差阵列72的与这样的物体72b相关联的元件生成穿过该元件的以物体72b遮盖的区域的光束与穿过该元件的未以物体72b遮盖的区域的光束之间的光路差。相位差阵列72生成对应于光路差的相位差，并且将相位差输入至作为成像透镜阵列的透镜阵列73。特别地，相位差阵列72可以包括用于或对应于各摄像头单元A的元件。针对各个摄像头单元A，相位差不同，并且在一些情况下，相位差可以为零。另外，在图2中，相位差变为零的摄像头单元A被具体称作图2中的摄像头单元A(C)。
透镜阵列73为成像透镜的阵列，并且以摄像头单元A为单位在成像元件阵列74上对由相位差阵列72添加了相位差的光通量成像。换言之，获得干涉图像。
成像元件阵列74由互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器构成，以摄像头单元A为单位捕获不同的干涉图像，并且将所捕获的干涉图像的图像信号输出至信号处理单元52。换言之，成像元件阵列74在整体上为单个成像元件，并且通过对成像元件上的像素分类而针对用于捕获用以捕获同一成像区域的单位图像的每个成像元件区域获得上述摄像头单元A。这里，在获得同一成像区域时，图像被切割以执行视差校正，并经过XY移位。因此，摄像头单元A不是单独的成像元件，并且单个成像元件区域整体上表示划分为预定数量像素的各区域的区域。即，每个摄像头单元A包括多个像素。另外，使用不具有滤色器的单色成像装置作为成像元件阵列74。
换言之，如图4所示，作为物镜阵列的透镜阵列71将入射光转换成对应于各个摄像头单元A(1)至A(mn)范围的平行光束。相位差阵列72通过以预定折射率的类滤波器物体72b生成平行光束的一些区域与其它区域之间的光路差，在图4的左部和右部中产生相位差，并且通过以由圆形开口构成的遮光部72a限制光通量将光通量输入至作为成像透镜阵列的透镜阵列73。
作为成像透镜阵列的透镜阵列73以摄像头单元A为单位将添加了相位差的光通量成像在成像元件阵列74上，并且使构成成像元件阵列74的成像元件以摄像头单元A为单位捕获干涉图像，其中，在干涉图像中，对应于添加的相位差强调不同波长。
这里，例如，如图5所示，通过以物体72b遮盖半圆区域，物体72b在元件的以物体72b遮盖的区域中的光和元件的未以物体72b遮盖的区域中的光之间产生对应于物体72b的厚度D的光路差，从而生成对应于光路差的干涉图像。此外，如图5所示，通过相对于物体72的其余部分的厚度改变物体72b的厚度d，形成其中强调不同波长的干涉图像。
换言之，例如，如图4所示，在设置摄像头单元A(1)，A(2)，...A(mn)时，将图4的左部中的物体72b的厚度D设置为最大，厚度D循序减小，在中间位置处的摄像头单元A(C)中，厚度D被设置为0(光路差＝0)，此后，物体72b的厚度D转而朝向图4右部以预定间隔循序增加，并且在图4的右部(摄像头单元A(mn))中，物体72b的厚度D被调节至最大。
针对相应的多个摄像头单元A，用于产生相位差的物体72b的厚度D并不相同，并且在待测波长范围内，假定各种类型的折射率分散足够小。此外，物体72b也可以为例如45度入射的反射型。另外，针对45度入射的反射型的构造，请参见日本专利第5078004号。另外，在图4中，图4的顶部所示的作为被摄体的苹果的颜色相同，而图4的底部所示的苹果的颜色不同，这表示通过相应的摄像头单元A捕获其中强调不同波长的干涉图像。
【信号处理方法】
接下来，将参照图6描述信号处理方法，其用于根据由摄像头阵列51中的相应的多个摄像头单元A捕获的干涉图像生成HSI，并输出以像素为单位的分光光谱数据。
此外，这里，假定摄像头阵列51中所包括的各个摄像头单元A的像素数量例如为QVGA(320×240个像素)。此外，为了说明简单起见，假定被摄体存在于无穷远处并且认为每个摄像头单元的视差为零。另外，假定由构成摄像头阵列51的各个摄像头单元A所捕获的干涉图像中的预定位置处的像素为各干涉图像内的相同位置处的像素。
如图6的左部和中部所示，如果根据相位差分布各个干涉图像中相同位置处的像素，例如获得图6的右上部所示的干涉图。
换言之，读取图6中的各个摄像头单元A(1)至A(mn)中同一位置处的像素P(1)至P(mn)，并且根据对应于每个图像的相位差的像素P(1)至P(mn)的接收光强度的分布为图6的右上部所示的干涉图。这里，在图6中，水平轴表示相位差(相移)，而垂直轴表示接收光强度(强度)。
因此，获得与对应于QVGA(320×240个像素)的像素数相同数量的干涉图。
通过对针对每个像素位置单独获得的干涉图执行快速傅里叶变换(FFT)，获得对应于摄像头单元的每个图像的每个像素的分光光谱，如图6的右下部所示。换言之，在图6的右下部中，水平轴表示波长，并且垂直轴表示反射率。
因此，通过这样的处理获得QVGA(320×240个像素)图像的分光光谱。在以下的说明中，将以该方式获得的QVGA(320×240个像素)图像的每个像素的分光光谱数据统称为HSI数据立方。另外，图6的中下部所示的苹果的图像和其下的立方模拟由被摄体为苹果的图像中的各像素的分光光谱数据构成的高光谱成像(HSI)数据立方。
例如，摄像头单元A在摄像头阵列51中水平方向×垂直方向上的数量为8×8，并且在总数为64的情况下，所有像素的数量为64×QVGA＝4.9M像素。因此，其为当前的商用固体成像元件中可以实现的像素数量。此外，例如，如果假定成像元件的单元尺寸为3微米，则摄像头单元A的水平方向和垂直方向上的尺寸分别为约1毫米，在数量为8×8的情况下，由于水平方向和垂直方向上的整体尺寸分别适配于10毫米内，因而在实施时能够充分实现小型化。实际上，例如，在4.9M像素以上的上述单个CMOS图像传感器(CIS)上针对每个8×8的QVGA区域执行信号处理，使得针对对应于64个摄像头单元A的各区域执行处理。
【具体的设计方法】
接下来，将具体描述摄像头单元A的数量(透镜阵列71和73中所设置的多个图像的数量)的示例以及用于设计相位差阵列中的相位差步幅的方法。
例如，如图7所示，假定血液中的氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的光谱吸收特性为测量目标。通过光谱特性的峰度确定必需的测量波长分辨率。在图7中，水平轴表示波长，并且垂直轴表示吸收系数。
例如，在通过HSI测量图7所示的血液中的氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的光谱吸收特性的情况下，如果假定必需波长分辨率为还原血红蛋白(Hb)的近750nm的极值检测，则根据采用定理需要约25nm的波长分辨率(Δλ)。然后，如果假定必需的最小波长(λmin)为600nm，则关注中心波长(λc)为665nm，其为氧合血红蛋白(HbO2)的吸收极值。根据波长分辨率的采样定理，相位差步幅为λmin/2＝600/2＝300nm。
在傅里叶域中根据采样定理获得的波长分辨率为(λc)2/相位差范围。由于必需的波长分辨率为25nm，因而相位差范围为(λc)2/0.025＝(0.665)2/0.025＝17.7微米。另外，相位步进的数量(在透镜阵列71和73中，具有相同捕获成像区域的图像的数量，换言之，摄像头单元A的数量)等于或大于相位差范围/相位差步幅＝17.7/0.3＝59。换言之，配置8×8个透镜阵列以及如下相位差阵列，其中，在该相位差阵列中，通过空气转换以300nm的步幅从0nm至17.7微米形成8×8＝64行的相位差。
因此，由于空气转换的相位差为300nm以便形成这样的相位差阵列，在使用折射率n＝1.5的普通透明树脂材料形成图5所示的物体72b时，以600nm的步幅从0nm至35.4微米形成8×8＝64行。
【血液测试处理】
接下来，将参照图8的流程图描述使用图1的血液测试设备的血液测试处理。
在步骤S11中，信号处理单元52使光源32发射光，并且将光投射至其中可能存在待检测手臂12的动脉12a和静脉12b的区域。
在步骤S12中，在光入射方向上设置在前一行中的阵列71的各透镜透过入射光作为对应于各摄像头单元A的光，使得入射光转换为入射在相位差阵列72上的平行光集。
在步骤S13中，相位差阵列72使得具有添加的相位差的光通量关于各摄像头单元A入射在透镜阵列73上。
在步骤S14中，在光的入射方向上设置在后继行中的阵列73的各透镜透过从相位差阵列72入射的各个光通量，以在成像元件阵列74上成像。
在步骤S15中，以摄像头单元A为单位，检测成像元件阵列74的每个像素中的干涉图像的光接收水平，并且将作为检测结果的像素输出输出至信号处理单元52。
在步骤S16中，信号处理单元52基于从成像元件阵列74提供的以摄像头单元A为单位的像素信号，生成用于以像素为单位构成干涉图的数据。
在步骤S17中，信号处理单元52对作为干涉图所获得数据执行快速傅里叶变换(FFT)，并且生成由每个像素的分光光谱的数据构成的高光谱成像(HSI)数据立方。
在步骤S18中，信号处理单元52从作为分光光谱数据的HSI数据立方中提取动脉部分和静脉部分的分光光谱，对血液中的预定成分进行分析，并且将分析值显示在显示单元33上作为测试结果。HSI可以依据待分析的内容改变分析目标为动脉血还是静脉血，或者使用两种数据。例如，信号处理单元52基于动脉部分的分光光谱数据来检测血液中的氧浓度和血脂水平，基于静脉部分的分光光谱数据来检测血糖水平等，并且将检测值显示在显示单元33上作为分析结果。
由于通过上述处理能够通过对干涉图像执行快速傅里叶变换获得分光光谱，因而不存在诸如光谱滤波器的能量损耗，并且变得能够实现高灵敏度的HSI。另外，这样的构造不需要具有大输出的光源，能够使得整个设备的构造小型化。此外，由于能够以高灵敏度同时捕获分光光谱数据和图像中的所有像素，因而能够在不使用特殊材料和移动单元的情况下通过HSI以廉价的构造实现运动图像的捕获。
【关于制造方法】
接下来，将参照图9的流程图描述相位差阵列72的制造方法。
在步骤S31中，如图10中的状态B所示，通过在图10中的状态A所示的玻璃基板101的上表面上进行喷涂而形成铬(Cr)层102。
在步骤S32中，如图10中的状态C所示，在铬(Cr)层102的上表面上形成抗蚀剂层103。
在步骤S33中，如图10中的状态D所示，通过曝光和显影形成圆孔形状的开口104-1～104-4，开口104-1～104-4决定上述摄像头阵列数量的数值孔径(数值孔径(NA)或F值)。此外，尽管示出了四个开口104-1～104-4的情况的示例，但其仅为示例，并且以下将描述四个开口104-1～104-4的情况。
在步骤S34中，如图10中的状态E所示，通过干蚀刻对铬(Cr)层102进行转印加工(transfer machining)，以形成开口104’-1～104’-4。另外，此后没有示出，抗蚀剂层103被移除。
在步骤S35中，如图10中的状态F所示，为了背面处理中的装置保护，形成二氧化硅膜105等。
在步骤S36中，如图10中的状态G所示，将玻璃基板101倒置。此外，如图10中的状态H所示，在玻璃基板101的背面上形成抗蚀剂层106。此外，使用灰阶掩模(灰阶光掩模)曝光抗蚀剂层106。关于通过灰阶掩模曝光，请参见申请人的日本专利第429643号。
在步骤S37中，如图10中的状态I所示，通过显影在抗蚀剂层106中形成突起106a～106d。
在步骤S38中，如图10中的状态J所示，通过干蚀刻在玻璃基板上形成对应于物体72b的突起101a～101d。此后，如果移除氧化物膜105，则相位差阵列72完成。换言之，突起101a～101d被形成为图5中的半圆物体72b。
此外，在使用永久抗蚀剂的情况下，在步骤S37中，当在抗蚀剂层106中形成了突起106a～106d时，处理终止，并且跳过步骤S38的处理。换言之，在这种情况下，突起106a～106d被形成为图5中的半圆物体72b。
通过以上处理，由于可以在不使用特殊材料的情况下在半导体工艺中加工相位差阵列72，因而变得能够实现摄像头阵列51的成本降低。此外，由于通过在共同的成像元件上形成阵列结构而能够经由成像元件中的区域划分对信号进行处理，成像元件实质上可以为单个元件，因此能够实现成本降低并增加处理速度。
另外，以上给出了关于应用于血液测试设备的示例的说明，该血液测试设备通过使用由HSI数据立方获得的分光光谱数据来检测诸如氧浓度、血脂水平和血糖水平分量，但只要能够通过使用分光光谱数据执行检测，本申请也可以应用于其它装置，例如，其可以应用于各种测量技术，诸如医疗保健、美容、农业、食品卫生和环境测量。
此外，由于已经给出了关于被摄体存在于无穷远处的情况的说明，已经说明了可以忽略每个摄像头单元的视差，实际上，在每个摄像头单元中存在视差。假定各摄像头单元要捕获的图像相同，通过对各摄像头单元的图像进行切割并执行被称作XY移位的视差校正，能够使用例如摄像头阵列51的中心附近的摄像头单元所捕获的图像，因而能够提高HSI图像的精度。
【第一变型】
以上，给出了关于通过物体72b提供光路差的示例的说明，其中，如图11的上部所示，在图11中，物体72b被划分为左右两部分，其中设置有物体72b的区域和其中未设置物体72b的区域除了可以设置在左右两部分中之外，还可以设置在上下两部分中，或者设置在倾斜方向上的右、左、上和下部分中。
此外，如图11的下部所示，可以将其中未设置对象72b’的区域设置在中心部分，以在每个摄像头单元A的区域中提供圆柱形的物体72b’。
【第二变型】
以上给出了关于通过摄像头阵列51仅获取HSI的示例的说明，但如图12的右部所示，可以针对摄像头单元之一设置RGB滤色片161，因而能够通过去马赛克生成红色图像、绿色图像和蓝色图像以捕获普通的彩色图像。在这种情况下，在相位差阵列72中，如图12的左部所示，在对应的摄像头单元A的区域中配置非相位差阵列151，使得在整个区域中不发生相位差，其中，在非相位差阵列151中没有设置物体72b。另外，在图12的左上部示出了左下部中的相位差阵列72的剖面AB。此外，分配给每个正方形的编号为摄像头单元A的标识号。
另外，成像元件阵列74中的其中设置非相位差阵列151的区域以外的区域用于用以获得HSI数据立方的处理，并且其中设置非相位差阵列151的区域用于用以生成彩色图像的处理。
利用这种配置，变得能够同时获得同一成像区域中的彩色图像和HSI数据立方，并且以将叠加的方式使用彩色图像和HSI。此外，令人满意的是，彩色图像位于摄像头阵列51的中心附近。
此外，如图13的左部所示，在如下区域中设置非相位差阵列171，该区域用于生成摄像头单元在水平方向和垂直方向上的区域的2×2倍的区域的彩色图像，如图13的右部所示，可以设置相同尺寸的滤色片181。在这种情况下，能够生成HSI数据立方，同时生成VGA(640×480个像素)的图像。甚至在这种情况下，令人满意的是，彩色图像位于摄像头阵列51的中心附近。此外，滤色片可以为RGB三种颜色以外的一种颜色，并且还能够捕获仅包含辉度的单色图像。此外，如果必要时分配SXGA(1280×960个像素)的像素数，则能够提供高清晰度(HD)品质的普通彩色图像。
【第三变型】
已经给出了关于获取HSI数据立方或HSI数据立方和彩色图像的示例的说明，并且在摄像头阵列51中设置相应的摄像头单元，相应端部在水平和垂直方向上间隔开，但在相应的端部设置作为摄像头单元的立体摄像头，因此能够获得包括关于摄像头单元中的像素单位的深度距离的深度信息的所谓深度图像。这使得能够同时获得物体的光谱信息和深度信息。
更具体地，如图14中的箭头所示，关于相位差被配置成在相位差阵列72中物体72b的厚度D在水平方向上向右连续且循序地变化。这使得能够根据由与存在于图14的右端部的相位差阵列72R对应的摄像头模块A和与存在于底下一行的左端部的相位差阵列72L对应的摄像头模块A所获得的单色图像之间的视差获得深度图像。另外，如果相位差阵列72R和相位差阵列72L处于厚度D的高度等级，则它们彼此邻近，因而相位差的变化量非常小。因此，视差对深度距离的影响非常小。另外，使用对相位差阵列72R和72L执行视差校正之前的图像来以此方式获得深度图像是自然的。
【第四变型】
以上，给出了关于对HSI图像和深度图像同时成像的示例的说明，但其能够获得偏光信息。
换言之，如图15的中下部所示，在相位差阵列72和透镜阵列73之间设置偏光器阵列201，因此能够获得偏光信息。
更具体地，在摄像头单元A设置为正方形的情况下(如图15的左上部所示)，以2×2块的范围为单位设置相同光路的相位差阵列72，如图15的中间部所示。
此外，如图15的右上部所示，在偏光器阵列201中，在存在于相同光路的相位差阵列72区域的2×2个摄像头单元中布置相差45度的偏光器。
通常，在偏光器中，通过对四个方位的偏光分量进行分析来获得用于表示偏光状态的斯托克斯参数或琼斯矢量。因此，基于关于相同光路的相位差阵列72区域中四个方位的偏光器的摄像头单元的信息，通过例如信号处理单元52获得每个像素的斯托克斯参数或琼斯矢量，因而能够获得以像素为单位的偏光状态。
如果摄像头单元A的尺寸为一个QVGA像素，则将通过通常的轧制工艺所形成的偏光片切割成摄像头单元区域的尺寸(诸如约1毫米正方形的尺寸)，并且改变切割片的方位，因而能够实现图15所示的配置。
利用这种配置，变得能够同时获得并叠加包含分光光谱的HSI图像、深度图像和偏光图像。
然而，上述系列处理可以由硬件执行，但也可以由软件执行。在由软件执行该系列处理的情况下，将构成软件的程序从记录介质装载在嵌入专用硬件的计算机中或者例如能够通过装载各种程序来执行各种功能的通用个人计算机中。
图16是示出通用个人计算机的配置示例的图。中央处理单元(CPU)1001内置于个人计算机中。CPU1001通过总线1004连接至输入和输出接口1005。只读存储器(ROM)1002和随机存取存储器(RAM)1003连接至总线1004。
以下单元连接至输入和输出接口1005：输入单元1006，包括用户用以输入操作命令的输入装置，诸如键盘和鼠标；输出单元1007，用于在显示装置上输出处理所产生的处理操作画面和图像；存储单元1008，包括用于存储程序和各种类型的数据的硬盘驱动器，以及通信单元1009，其包括通过以因特网为代表的网络执行通信处理的局域网(LAN)适配器。此外，用于向可移除介质1011读写数据的驱动器1010连接至输入和输出接口1005，其中，可移除介质1011诸如磁盘(包括软盘)、光盘(包括只读光盘驱动器(CD-ROM)和数字化多功能光盘(DVD))、磁光盘(包括微型盘(MD))或半导体存储器。
CPU1001根据存储在ROM1002中的程序或者从可移除介质1011(诸如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器)读取并安装在存储单元1008中并且从存储单元1008读出并装载至RAM 1003中的程序执行各种处理。RAM1003适当地存储CPU 1001执行各种处理所需的数据等。
在如上所述配置的计算机中，通过由CPU 1001经由输入和输出接口1005和总线1004将例如存储在存储单元1008中的程序装载在RAM 1003上并执行该程序，来执行如上所述的一系列的处理。
可以通过记录于例如为包装介质等的可移除介质1011上来提供计算机(CPU1001)所执行的程序。此外，可以通过有线或无线传输介质(诸如局域网、因特网和数字卫星广播)提供该程序。
在计算机中，通过将可移除介质1011安装在驱动器1010中，可以经由输入和输出接口1005将该程序装载在存储单元1008中。此外，该程序可以由通信单元1009经由有线或无线传输介质接收，并被装载在存储单元1008中。可替代地，可以将该程序事先装载在ROM1002或存储单元1008中。
另外，计算机所执行的程序可以为在其中按照说明书中描述的时间顺序执行处理的程序，或者为在其中并行地执行处理或在必要时刻(诸如进行调用时)执行处理的程序。
在本说明书中，系统是指多个组件(装置和模块(部分)等)的集合，并且所有组件是否在同一壳体中并不重要。因此，容纳在单独的壳体中并经由网络连接的多个装置以及包括容纳在一个壳体中的多个模块的一个装置均为该系统。
另外，本技术的实施方式不限于上述实施方式，并且在不背离本技术的精神的范围内存在各种变型。
例如，本技术可以采用云计算配置，其中，多个装置分担一个功能以经由网络共同处理。
此外，上述流程图中的每个步骤可以由多个装置分担执行，也可以由一个装置执行。
此外，在一个步骤包含多个处理的情况下，包含在一个步骤中的多个处理可以由多个装置分担执行，也可以由一个装置执行。
另外，本技术可以具有如下配置：
(1)一种成像装置，包括：
具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些光束集内所包括的光提供不同的光路；以及
包括多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成接收来自所述相位差阵列的光束集之一。
(2)根据(1)或(2)所述的成像装置，所述成像装置还包括：物镜阵列，其中，所述物镜阵列包括多个物镜，并且其中，所述物镜阵列被配置成向所述相位差阵列提供所述多个光束集。
(3)根据(2)所述的成像装置，其中，由所述物镜阵列提供的所述多个光束集为圆柱形平行光束。
(4)根据(1)至(3)中的任意一项所述的成像装置，其中，所述相位差阵列的至少一些元件被配置成生成入射在所述元件的第一部上的光束的第一部分与入射在所述元件的第二部上的所述光束的第二部分之间的光路差。
(5)根据(4)所述的成像装置，其中，针对所述相位差阵列的至少一些元件，所述元件的第一部的厚度不同于所述元件的第二部的厚度。
(6)根据(5)所述的成像装置，其中，所述元件的第一部具有半圆形区域。(7)根据(5)所述的成像装置，其中，所述元件的第一部具有圆柱形区域。
(8)根据(5)所述的成像装置，其中，从所述相位差阵列的第一端处的元件至所述相位差阵列的第二端处的元件，所述元件的第一部的厚度增加。
(9)根据(1)至(8)中的任意一项所述的成像装置，所述成像装置还包括偏光器阵列，其中，所述偏光器阵列包括彼此相差至少45度的四种不同类型的偏光器。
(10)根据(1)至(9)中的任意一项所述的成像装置，所述成像装置还包括包含多个成像透镜的成像透镜阵列，其中，所述成像透镜阵列被放置在所述相位差阵列和所述成像元件阵列之间。
(11)根据(10)所述的成像装置，其中，所述成像透镜阵列的成像透镜将多个光束集成像至至少一些所述成像元件上。
(12)根据(1)至(11)中的任意一项所述的成像装置，其中，所述成像元件中的每一个包括多个像素。
(13)根据(1)至(12)中的任意一项所述的成像装置，其中，来自被摄物体的第一区域的光包括于所述光束集中的第一光束集中，并且其中，来自所述被摄物体的第一区域的光包括于所述光束集中的第二光束集中。
(14)一种检测设备，包括：连接结构；光源，其中，所述光源连接至所述连接结构；外壳，其中，所述外壳连接至所述连接结构，并且其中，所述外壳包括：具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些光束集内所包括的光提供不同的光路；包括多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成接收来自所述相位差阵列的光束集之一；显示器，其中，所述显示器连接至所述连接结构，并且其中，所述显示器可操作用于显示根据由所述成像元件阵列所提供的数据生成的检测信息。
(15)根据(14)所述的检测设备，所述检测设备还包括：物镜阵列，其中，所述物镜阵列包括多个物镜，并且其中，所述物镜阵列被配置成向所述相位差阵列提供所述多个光束集。
(16)根据(15)所述的检测设备，其中，由所述物镜阵列提供的所述多个光束集为圆柱形平行光束。
(17)根据(14)至(16)中的任意一项所述的检测设备，其中，所述相位差阵列的至少一些元件被配置成生成入射在所述元件的第一部上的光束的第一部分与入射在所述元件的第二部上的所述光束的第二部分之间的光路差。
(18)根据(17)所述的检测设备，其中，针对所述相位差阵列的至少一些元件，所述相位差阵列的元件的第一部的厚度不同于所述相位差阵列的元件的第二部的厚度。
(19)根据(18)所述的检测设备，其中，所述元件的第一部具有半圆形区域。(20)根据(18)所述的检测设备，其中，所述元件的第一部具有圆柱形区域。
(21)根据(18)所述的检测设备，其中，从所述相位差阵列的第一端处的元件至所述相位差阵列的第二端处的元件，所述元件的第一部的厚度增加。
(22)根据(14)至(21)中的任意一项所述的检测设备，所述外壳还包括偏光器阵列，其中，所述偏光器阵列包括彼此相差至少45度的四种不同类型的偏光器。
(23)根据(14)至(22)中的任意一项所述的检测设备，其中，所述连接结构为带。
(24)一种用于检测物理属性的方法，包括：将光发射至被摄体上；在包括于相位差阵列中的多个相位差元件处接收来自所述被摄体的光，其中，所述相位差元件中的至少一些根据入射在所述相位差元件上的光生成相位差；在成像元件阵列处接收来自所述相位差元件的光；基于所述成像元件阵列的输出信号显示根据高光谱成像(HSI)数据获得的信息。
(25)一种成像装置，包括：
成像元件阵列，其捕获同一成像区域作为多个单元图像；以及
相位差阵列，其在由所述成像元件阵列所捕获的所述多个单元图像的相应成像区域的一部分中产生相应的不同光路差。
(26)根据(25)所述的成像装置，
其中，所述相位差阵列针对各个成像区域包括半圆形的用以产生光路差的滤波器，以及
其中，所述光路差针对所述多个单元图像的相应成像区域不同。
(27)根据(25)或(26)所述的成像装置，
其中，构成所述相位差阵列的滤波器在待测波长范围内具有足够小的折射率色散，或者为具有45度入射角的反射类型。
(28)根据(25)至(27)中的任意一项所述的成像装置，
其中，所述成像元件阵列捕获由所述相位差阵列针对相应的成像区域所产生的图像作为干涉图像。
(29)根据(28)所述的成像装置，所述成像装置还包括：
信号处理单元，所述信号处理单元根据由所述成像元件阵列针对相应的成像区域所捕获的相应干涉图像的相同位置处的像素的输出数据来生成干涉图，并且通过对所述干涉图执行傅里叶变换来计算相应像素的光谱特性作为高光谱成像(HSI)数据立方。
(30)根据(29)所述的成像装置，
其中，所述相位差阵列的相位差被设置成在顺序布置成像区域的预定方向上单调增加或单调减小，并且
其中，所述信号处理单元通过使用在所述相位差阵列的预定方向上的一端处的成像区域的图像和另一端处的成像区域的图像生成深度图像，作为立体图像。
(31)根据(25)至(30)中的任意一项所述的成像装置，
其中，以晶圆等级形成所述成像元件阵列的相应成像区域中的光学元件，
其中，前一行中的透镜阵列、相位差阵列以及后继行中的透镜阵列被定义为所述光学元件，并且。
其中，所述成像装置还包括由所述光学元件和所述成像元件阵列构成的摄像头阵列。
(32)根据(31)所述的成像装置，
其中，所述成像元件阵列包括至少一个或更多个成像元件区域，所述成像元件区域用于捕获不具有相位差且不是干涉图像的单色图像或由RGB滤色器生成的图像的单元图像。
(33)根据(32)所述的成像装置，
其中，所述成像元件区域为所述高光谱成像(HSI)数据立方的单元图像的成像区域的4n(n为大于等于1的整数)倍。
(34)根据(25)至(33)中的任意一项所述的成像装置，
其中，关于所述摄像头阵列，针对所述相位差阵列中的相应的四个成像区域布置一组四方位的偏光器，并且
其中，所述信号处理单元基于一组偏光器的成像区域的像素信号来计算所述单元图像中的每个图像点的斯托克斯参数或琼斯矢量。
(35)一种成像装置的成像方法，所述成像装置包括：成像元件阵列，其捕获同一成像区域作为多个单元图像；以及相位差阵列，其在由所述成像元件阵列所捕获的所述多个单元图像的相应成像区域的一部分中产生相应的不同光路差，所述方法使得所述成像元件阵列捕获同一成像区域作为所述多个单元图像，并且所述相位差阵列导致在由所述成像元件阵列所捕获的所述多个单元图像的相应成像区域的一部分中产生相应的不同光路差。
本领域的技术人员应当理解，根据设计需求和其它因素可以存在各种变型、组合、子组合和变更，只要它们落在所附权利要求书或其等同物范围内即可。
附图标记列表
11 血液测试设备
12 手臂
12a 动脉
12b 静脉
31 本体
32、32-1、32-2 光源
33 显示单元
34 带
51 摄像头阵列
52 信号处理单元
71 透镜阵列
72 相位差阵列
72a 遮光部
72b 物体
73 透镜阵列
74 成像元件阵列。

Claims (24)

1.一种成像装置，包括：
具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些光束集内所包括的光提供不同的光路；以及
包括多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成接收来自所述相位差阵列的光束集之一。
2.根据权利要求1所述的成像装置，所述成像装置还包括：
物镜阵列，其中，所述物镜阵列包括多个物镜，并且其中，所述物镜阵列被配置成向所述相位差阵列提供所述多个光束集。
3.根据权利要求2所述的成像装置，其中，由所述物镜阵列提供的所述多个光束集为圆柱形平行光束。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述相位差阵列的至少一些元件被配置成生成入射在所述元件的第一部上的光束的第一部分与入射在所述元件的第二部上的所述光束的第二部分之间的光路差。
5.根据权利要求4所述的成像装置，其中，针对所述相位差阵列的至少一些元件，所述元件的所述第一部的厚度不同于所述元件的所述第二部的厚度。
6.根据权利要求5所述的成像装置，其中，所述元件的所述第一部具有半圆形区域。
7.根据权利要求5所述的成像装置，其中，所述元件的所述第一部具有圆柱形区域。
8.根据权利要求5所述的成像装置，其中，从所述相位差阵列的第一端处的元件至所述相位差阵列的第二端处的元件，所述元件的所述第一部的厚度增加。
9.根据权利要求1所述的成像装置，所述成像装置还包括：
偏光器阵列，其中，所述偏光器阵列包括彼此相差至少45度的四种不同类型的偏光器。
10.根据权利要求1所述的成像装置，所述成像装置还包括：
包含多个成像透镜的成像透镜阵列，其中，所述成像透镜阵列被放置在所述相位差阵列和所述成像元件阵列之间。
11.根据权利要求10所述的成像装置，其中，所述成像透镜阵列的成像透镜将所述多个光束集成像至所述成像元件的至少一些成像元件上。
12.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述成像元件中的每一个包括多个像素。
13.根据权利要求1所述的成像装置，其中，来自被摄物体的第一区域的光包括于所述光束集中的第一光束集中，并且其中，来自所述被摄物体的第一区域的光包括于所述光束集中的第二光束集中。
14.一种检测设备，包括：
连接结构；
光源，其中，所述光源连接至所述连接结构；
外壳，其中，所述外壳连接至所述连接结构，并且其中，所述外壳包括：
具有多个元件的相位差阵列，其中，所述相位差阵列被配置成针对多个光束集中的至少一些光束集内所包括的光提供不同的光路；
包括多个成像元件的成像元件阵列，其中，所述成像元件中的至少一个被配置成接收来自所述相位差阵列的光束集之一；
显示器，其中，所述显示器连接至所述连接结构，并且其中，所述显示器可操作用于显示根据由所述成像元件阵列所提供的数据生成的检测信息。
15.根据权利要求14所述的检测设备，所述检测设备还包括：
物镜阵列，其中，所述物镜阵列包括多个物镜，并且其中，所述物镜阵列被配置成向所述相位差阵列提供所述多个光束集。
16.根据权利要求15所述的检测设备，其中，由所述物镜阵列提供的所述多个光束集为圆柱形平行光束。
17.根据权利要求14所述的检测设备，其中，所述相位差阵列的至少一些元件被配置成生成入射在所述元件的第一部上的光束的第一部分与入射在所述元件的第二部上的所述光束的第二部分之间的光路差。
18.根据权利要求17所述的检测设备，其中，针对所述相位差阵列的至少一些元件，所述相位差阵列的所述元件的所述第一部的厚度不同于所述相位差阵列的所述元件的所述第二部的厚度。
19.根据权利要求18所述的检测设备，其中，所述元件的所述第一部具有半圆形区域。
20.根据权利要求18所述的检测设备，其中，所述元件的所述第一部具有圆柱形区域。
21.根据权利要求18所述的检测设备，其中，从所述相位差阵列的第一端处的元件至所述相位差阵列的第二端处的元件，所述元件的所述第一部的厚度增加。
22.根据权利要求14所述的检测设备，所述外壳还包括：
偏光器阵列，其中，所述偏光器阵列包括彼此相差至少45度的四种不同类型的偏光器。
23.根据权利要求14所述的检测设备，其中，所述连接结构为带。
24.一种用于检测物理属性的方法，包括：
将光发射至被摄体上；
在包括于相位差阵列中的多个相位差元件处接收来自所述被摄体的光，其中，所述相位差元件中的至少一些相位差元件根据入射在所述相位差元件上的光生成相位差；
在成像元件阵列处接收来自所述相位差元件的光；
基于所述成像元件阵列的输出信号显示根据高光谱成像(HSI)数据获得的信息。
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