CN108419070B - 一种基于pb相位调制的光场成像方法 - Google Patents

一种基于pb相位调制的光场成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于PB(Pancharatnam‑Berry)相位调制的光场成像方法，所述方法包括以下步骤：(1)场景中的三维物体经过主透镜系统进行普通的光学成像；(2)通过PB相位衍射光学元件对系统中入射光线的相位进行调制，使光线按照特定的方向偏转；(3)最终在图像传感器上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的光场图像。传感器上形成的图像可以是一系列稀疏排列的光场子图，或者是一系列堆叠在一起的复用图像。后者需要对复用图像进行移位编码，解复用处理，最终得到稀疏排列的光场子图。本发明首次提出将PB相位与光场成像相结合的方法，避免了传统光场成像方法复杂、繁琐的步骤，同时图像分辨率不受微透镜阵列的限制，可以实现高分辨的光场成像，为未来真三维显示的进一步发展提供了新思路。

Description

一种基于PB相位调制的光场成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于PB相位调制的光场成像方法，属于真三维显示领域。
背景技术
Pancharatnam-Berry相位是与光的偏振相关的几何相位。早在2002年以色列的科学家Bomzon等人就证明了基于亚波长光栅的PB相位光学器件可以得到任意想要的相位。之后ErezHasman团队利用PB相位实现了圆偏振光的聚焦透镜。L.Marrucci等人制作了基于PB相位的光学器件用于波前整形。斯坦福大学的Lin等人利用PB相位的原理制作了适用于圆偏振光入射的介质超表面，实现了半波片、棱镜、透镜等光学器件的功能。利用PB相位可以非常简便的实现所需的相位，因此更容易达到光调控的目的。
近年来，三维成像与显示技术受到越来越多的关注。光场三维显示技术可以同时捕获场景的空间和角度信息，将场景的三维信息完整地再现出来，显示具有纵深感的图像。观察者可以直接看出场景中各物体的远近，迅速直观地洞察场景中物体的三维空间关系，从而获得完整和准确的信息。利用PB相位衍射光学元件调控光线的偏折方向，可以更便捷地获得具有不同视角的光场图像。
目前行业内所使用的光场成像方法主要包括以下几种，其一，通过多传感器捕获光场。这种光场成像方法需要在平面或球面上分布图像传感器阵列，以同时从不同视点捕捉光场样本，通过组合拍摄的图像来记录光场，典型设备有相机阵列，PiCam集成光场相机等。但是，这种类型的装置很大、成本较高并且难以操作。其二，使用单个图像传感器通过多次曝光捕获多个光场样本的时间复用方法。然而，这种方法只能应用于静态场景。其三，通过将角度域复用到空间(或频率)域来将4D光场编码到2D传感器平面中的多路复用方法。它允许利用单个图像传感器进行动态光场捕捉。复用成像可以进一步分为空间复用和频率复用。大多数空间复用方法是通过使用安装在图像传感器上的微透镜阵列或小透镜阵列来实现的。但是微透镜阵列生产周期长，制作成本大，空间分辨率不足。频率复用方法使用调制掩模来实现傅里叶域中的某个特性。但是，采集光场图像之后，需要对其进行预处理。本发明提供了一种基于PB相位调制的光场成像方法，将PB相位衍射光学元件放置在成像系统中，调控光线偏折方向，更方便、快速地进行光场成像，而且该结构更易于操作、生产。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的不足提供一种基于PB相位调制的光场成像方法，该方法首次提出了将PB相位调制的方法应用到光场成像领域，获取具有不同视角的多张光场子图像，同时获取三维物体的空间和角度信息。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于PB相位调制的光场成像方法，该方法包括如下步骤：
(1)场景中的三维物体经过主透镜系统进行普通的光学成像；
(2)通过PB相位衍射光学元件对系统中入射光线的相位进行调制，使光线按照特定的方向偏转；
(3)最终在传感器上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的光场子图。
所述步骤(1)中的主透镜系统可以是单个透镜或者几个透镜的组合。
所述步骤(2)中的PB相位光学元件可以通过微纳结构或者液晶材料来实现其相位调制的功能。
所述步骤(2)中的PB相位光学元件需要通过控制输入圆偏振的旋向来产生可见光的螺旋模式。当光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出圆轨迹时为圆偏振光的情形，是椭圆偏振光的特殊情况。当两个频率相同，沿着相同的传播方向，振动面互相垂直并且相位差恒定为
Figure BDA0001619009100000021
的线偏振光叠加(其中m为整数)，便可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。当
Figure BDA0001619009100000022
时，为右旋圆偏振光；当
Figure BDA0001619009100000023
时，为左旋圆偏振光。可见，为了改变圆偏振光的旋转方向，只须使构成它的两个相互垂直分量的相位差角
Figure BDA0001619009100000024
由1/2π转变为-1/2π或反之即可。将衍射几何相位(DGP)定义为当入射光束是圆极化时的衍射级的相位。对于|R>极化和|L>极化，PB相位光学元件的相位变化结果如下：
Figure BDA0001619009100000025
其中，θ(x，y)为PB相位光学元件结构单元中光轴与x轴的夹角。
通过正确确定结构单元中光轴的方向，可以实现任何期望的DGP，从而实现诸如透镜或衍射光栅的相位运算器。
所述步骤(3)中传感器接收的光场图像可以是一系列稀疏排列的不同视角的光场子图；同时也可以是光场子图重叠在一起的复用图像，通过对得到的复用图像进行移位编码，解复用，得到稀疏排列的光场子图像。
作为本发明的一种改进，所述步骤(1)和步骤(2)的顺序可以颠倒，即先实施步骤(2)的PB相位调制，再进行步骤(1)中主透镜系统的成像。
作为本发明的一种改进，所述步骤(1)和步骤(2)的功能可以合二为一，即用一个PB相位光学元件同时实现聚焦透镜和相位调制的功能。该方案通过用一个光学元件代替两个光学元件，系统更简单。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明首次提出了将PB相位调制的方法应用到光场成像领域，获取具有不同视角的多张光场子图像，同时获取三维物体的空间和角度信息，避免了传统光场成像方法的复杂、繁琐的步骤。基于PB相位调制的方法所获取的光场子图的分辨率不受微透镜阵列的限制，可以实现高分辨的光场成像，可以直接在图像传感器上形成一系列稀疏排列的不同视角的光场子图，更简单、快速地获取光场信息，同时首次提出利用移位编码的原理进行光场成像，为未来真三维显示的进一步发展提供了新思路。
附图说明
图1为实施例1的系统光路图；
图2为实施例2的系统光路图；
图3为实施例3的系统光路图；
图4为一种成像结果示意图；
图5为另一种成像结果及其图像后处理过程示意图；
图6为量子化PB透镜的放大几何图形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于PB相位调制的光场成像方法，主要包括以下步骤：
(1)、自然场景中的三维物体[1]经过主透镜系统[3]进行普通的光学成像。其中，主透镜系统可以是一个单透镜，同时也可以是几个透镜组成的透镜组。
(2)、当光线经过由微纳结构或者液晶材料产生的PB相位衍射光学元件[4]时，通过控制输入圆偏振[2]的旋向使得PB相位光学元件[4]产生可见光的螺旋模式。当光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出圆轨迹时为圆偏振光的情形，是椭圆偏振光的特殊情况。当两个频率相同，沿着相同的传播方向，振动面互相垂直并且相位差恒定为
Figure BDA0001619009100000041
的线偏振光叠加(其中m为整数)，便可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。当
Figure BDA0001619009100000042
时，为右旋圆偏振光；当
Figure BDA0001619009100000043
Figure BDA0001619009100000044
时，为左旋圆偏振光。可见，为了改变圆偏振光的旋转方向，只须使构成它的两个相互垂直分量的相位差角
Figure BDA0001619009100000046
由1/2π转变为-1/2π或反之即可。将衍射几何相位(DGP)定义为当入射光束是圆极化时的衍射级的相位。对于|R>极化和|L>极化，PB相位光学元件的相位变化结果如下：
Figure BDA0001619009100000045
其中，θ(x，y)为PB相位光学元件结构单元中的光轴与x轴的夹角。
通过正确确定结构单元中光轴的方向，可以实现任何期望的DGP，使光线按照特定的方向偏转，产生所需的相位。
(3)、传感器5上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的多个图像模式，即不同视点的光场子图。此时，传感器上形成的不同视点的光场图像以两种方式呈现出来，分别如图4和图5所示。
如图4所示，自然场景中从不同视角观察的三维物体[6]在传感器[5]上分别形成对应的子图像，这些子图像大小相等，在不同的方向上有一定的偏移，它们将场景的三维信息完整地再现出来，显示的图像具有纵深感。
如图5所示，自然场景中从不同视角观察的三维物体6在传感器5上形成一系列堆叠的复用图像。通过对这些复用图像进行移位编码[8]，解复用处理，最终得到稀疏排列的光场子图。移位编码架构可以通过光圈分割来实现，将入射光瞳细分为相等面积的部分。通过放置在入口光瞳附近的一组反射镜将多个视场引导到物镜中以形成复用图像。通过使反射镜倾斜快速移动多路复用图像的各层来执行图像编码。通过组合多个移位编码的复用帧，可以创建场景的解复用图像9。我们将此成像过程建模为具有附加噪声的从物体到图像空间的线性变换。这个过程可以表示为：
y＝Ax+ε (2)
其中，y表示传感器上测量的复用图像；A表示成像转换矩阵；x表示自然场景中从不同视角观察的三维物体的光场图像；ε表示干扰每个像素测量的噪声。
对于一个已知的复用图像y，反解上述方程(2)，即可得到对应的光场图像：
Figure BDA0001619009100000051
图4和图5只示出了三个视角的情况，实际上可以有多个视角。
实施例2：
如图2所示，本发明实施例公开的一种基于PB相位调制的光场成像方法，主要包括以下步骤：
(1)、从自然场景中的三维物体[1]发出的光线经过由微纳结构或者液晶材料产生的PB相位衍射光学元件4，通过控制输入圆偏振[2]的旋向使得PB相位光学元件[4]产生可见光的螺旋模式。当光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出圆轨迹时为圆偏振光的情形，是椭圆偏振光的特殊情况。当两个频率相同，沿着相同的传播方向，振动面互相垂直并且相位差恒定为
Figure BDA0001619009100000052
的线偏振光叠加(其中m为整数)，便可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。当
Figure BDA0001619009100000053
时，为右旋圆偏振光；当
Figure BDA0001619009100000054
时，为左旋圆偏振光。可见，为了改变圆偏振光的旋转方向，只须使构成它的两个相互垂直分量的相位差角
Figure BDA0001619009100000056
由1/2π转变为-1/2π或反之即可。将衍射几何相位(DGP)定义为当入射光束是圆极化时的衍射级的相位。对于|R>极化和|L>极化，PB相位光学元件的相位变化结果如下：
Figure BDA0001619009100000055
其中，θ(x，y)为PB相位光学元件结构单元中光轴与x轴的夹角。
通过正确确定结构单元中光轴的方向，可以实现任何期望的DGP，使光线按照特定的方向偏转，产生所需的相位。
(2)、光线经过主透镜系统3进行聚焦成像。其中，主透镜系统可以是一个单透镜，同时也可以是几个透镜组成的透镜组。
(3)、传感器5上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的多个图像模式，即不同视点的光场子图。此时，传感器上形成的不同视点的光场图像以两种方式呈现出来，分别如图4和图5所示。
成像结果在实施例1中已有详细说明，不在此实施例中做具体阐述。
实施例3
如图3所示，本发明实施例公开的一种基于PB相位调制的光场成像方法，主要包括以下步骤：
(1)、从自然场景中的三维物体[1]发出的光线经过由微纳结构或者液晶材料产生的PB相位衍射光学元件[7]，此PB相位衍射光学元件[7]兼具聚焦透镜和相位调制的功能。所以，光线经过此PB相位衍射光学元件[7]可以直接进行光学成像；同时控制输入圆偏振[2]的旋向使得PB相位光学元件[7]产生可见光的螺旋模式。当光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出圆轨迹时为圆偏振光的情形，是椭圆偏振光的特殊情况。当两个频率相同，沿着相同的传播方向，振动面互相垂直并且相位差恒定为
Figure BDA0001619009100000062
的线偏振光叠加(其中m为整数)，便可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。当
Figure BDA0001619009100000063
时，为右旋圆偏振光；当
Figure BDA0001619009100000064
时，为左旋圆偏振光。可见，为了改变圆偏振光的旋转方向，只须使构成它的两个相互垂直分量的相位差角
Figure BDA0001619009100000065
由1/2π转变为-1/2π或反之即可。将衍射几何相位(DGP)定义为当入射光束是圆极化时的衍射级的相位。对于|R>极化和|L>极化，PB相位光学元件的相位变化结果如下：
Figure BDA0001619009100000061
其中，θ(x，y)为PB相位光学元件结构单元中光轴与x轴的夹角。
通过正确确定结构单元中光轴的方向，可以实现任何期望的DGP，使光线按照特定的方向偏转，产生所需的相位。
(2)、传感器5上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的多个图像模式，即不同视点的光场子图。此时，传感器上形成的不同视点的光场图像以两种方式呈现出来，分别如图4和图5所示。
成像结果在实施例1中已有详细说明，不在此实施例中做具体阐述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PB相位调制的光场成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)场景中的三维物体经过主透镜系统进行普通的光学成像；
(2)通过PB相位衍射光学元件对系统中入射光线的相位进行调制，使光线按照特定的方向偏转；
(3)最终在传感器上形成对应于自然场景中从不同视角观察的三维物体的光场子图；
所述步骤(1)中的主透镜系统设置为单个透镜或者几个透镜的组合；
所述步骤(2)中的PB相位光学元件通过微纳结构或者液晶材料来实现其相位调制的功能；
所述步骤(2)中的PB相位光学元件需要通过控制输入圆偏振的旋向来产生可见光的螺旋模式；将衍射几何相位(DGP)定义为当入射光束是圆极化时的衍射级的相位，对于|R＞极化和|L＞极化，PB相位光学元件的相位变化结果如下：
Figure FDA0002270405840000011
其中，θ(x,y)为PB相位光学元件结构单元中光轴与x轴的夹角；
通过正确确定结构单元中光轴的方向，可实现任何期望的DGP，从而实现诸如透镜或衍射光栅的相位运算器。
2.根据权利要求1所述的基于PB相位调制的光场成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中传感器接收的光场图像设置为一系列稀疏排列的不同视角的光场子图；或者设置为光场子图重叠在一起的复用图像，通过对得到的复用图像进行移位编码，解复用，得到稀疏排列的光场子图像。
3.根据权利要求1所述的基于PB相位调制的光场成像方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)的顺序可颠倒，即先实施步骤(2)的PB相位调制，再进行步骤(1)中主透镜系统的成像。
4.根据权利要求1所述的基于PB相位调制的光场成像方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)的功能可合二为一，即用一个PB相位光学元件同时实现聚焦透镜和相位调制的功能。
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