CN113168019B - 用于大场成像的衍射光学元件 - Google Patents

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Abstract

生成用于在大图像场上对对象进行成像的波前调制元件(WME)的技术包括(i)通过将大的图像分成更小的子图像并且然后应用逆成像操作以找到WME(以DOE形式)的多个分段(324‑1至334‑n)中的产生子图像的分段来设计WME，以及(ii)指定光学系统以照射由多个分段中的每一个产生的WME，使得尽可能接近地再现大的图像。沿着这些路线，给定远场中的大目标图像，WME生成系统将目标图像分解成子图像。根据这种分解，WME生成系统然后产生与子图相对应的WME分段。然后将WME分段布置在光学系统中，使得电磁辐射束(316)被再现成法向入射在WME分段上的子束(例如，通过光栅332将光朝向DOE衍射并返回到光导320中)。

Description

用于大场成像的衍射光学元件
技术领域
本说明书涉及针对大场设计用于WME的衍射光学元件(DOE)。
背景技术
一些成像系统使用衍射光学元件(DOE)来形成对象的图像。激光器或其他相干电磁辐射源在DOE的输入平面处形成电场。DOE然后对电场应用传输函数，使得从DOE发出的辐射在图像平面处产生图像强度。当图像平面与焦平面重合(例如，在电场具有球形波前时)或者与DOE足够远(例如，在电场具有平面波前时)时，那么图像强度经由DOE的传输函数的傅里叶变换与DOE的传输函数有关。
发明内容
在一个一般方面中，一种方法能够包括：基于第一图像生成波前调制元件(WME)，所述WME包括多个WME分段，所述多个WME分段中的每一个均与所述第一图像的相应部分相对应。所述方法也能够包括由照射系统生成电磁辐射束。所述方法能够进一步包括对所述电磁辐射束执行束复制操作以用所述电磁辐射束以指定入射角照射所述多个WME分段中的每一个，所述多个WME分段形成所述WME并且在照射时产生第二图像，所述第一图像与所述第二图像之间的差异小于指定阈值。
在另一一般方面中，一种包括非暂时性存储介质的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括代码，所述代码当由计算设备的处理电路执行时，使所述处理电路执行一种方法。所述方法能够包括接收表示第一图像的强度数据。所述方法也能够包括执行图像分解操作以产生所述第一图像的多个子图像，所述多个子图像中的每一个均表示所述图像的一部分。所述方法能够进一步包括，对于所述图像的多个子图像中的每一个，对该子图像执行逆成像操作以产生多个WME分段的波前调制元件(WME)分段，所述多个WME分段中的每一个均与所述多个子图像中的相应的子图像相对应。所述方法能够进一步包括基于所述图像分解操作布置所述多个WME分段以形成WME。
在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实现方式的细节。其他特征根据说明书和附图以及根据权利要求书将显而易见。
附图说明
图1是图示可以实现本文描述的改进技术的示例电子环境的图。
图2是图示实现如图1所示的改进技术的示例方法的流程图。
图3A是根据图1所示的改进技术的、具有镜子耦合器的示例光导的图。
图3B是根据图1所示的改进技术的、具有衍射光栅耦合器的示例光导的图。
图4是图示实现图3A和/或图3B所示的改进技术的示例方法的流程图。
图5A是具有嵌入在光导的壁中并且上面设置有DOE分段的闪耀衍射光栅的示例光导的图。
图5B是具有嵌入在光导的壁中的体衍射光栅的示例光导的图。
图6是图示可以与这里描述的电路一起使用的计算机设备和移动计算机设备的示例。
具体实施方式
许多DOE使用诸如光学光刻的图案转移技术来制造。例如，当传输函数是相位函数时，那么DOE可以采取玻璃平滑曲线的形式，其中玻璃高度与相位值成比例。实际上，平滑曲线由像素近似并且仅有很少数目的相位值(通常为两个或四个)；DOE然后包括玻璃的小堆叠或凹入，其中的每一个均具有两个或四个规定高度或深度中的一个，例如，与针对两级的(0、180)度或针对四级的(0、90、180、270)度相对应。
在诸如面部辨识的一些成像应用中，图像平面中的图像强度被指定并且期望推导出产生指定图像强度的DOE的组成。当图像平面在远场中时，那么确定DOE的传输函数的常规方法使用迭代傅立叶变换算法(ITFA)来从指定图像强度推导出传输函数的相位。因为许多这样的相位可以产生指定图像强度，所以IFTA在每个变换步应用约束以产生满足那些约束的传输函数。对于需要制造DOE的情况，约束涉及传输函数为相位函数，使得相位采取两个或四个规定值中的一个。
使用IFTA来确定在图像平面中产生指定强度的DOE的传输函数中的技术问题是上述对对象进行成像的常规方法不太适合于较大图像场上的图像。例如，IFTA假定DOE与图像平面之间的电场波前的传播角度小于阈值(例如，不到20度)。较大的图像场可以使用传播角度显著地大于阈值的波前。此外，即便当将IFTA与对大于阈值的角度有效的更精确的图像模型组合时，所得的DOE也可能无法制造。
DOE是波前调制元件(WME)的一个示例，所述WME用于在对象或光瞳平面中产生波前，从而在图像或远场平面中生成指定图像。其他WME包括空间光调制器、可变形镜子、自适应光学器件等。
依照本文描述的实现方式，对生成用于在大图像场上对对象进行成像的WME的上述技术问题的技术方案包括(i)通过将大的图像分成较小的子图像并且然后应用IFTA以找到WME的多个分段中的产生子图像的分段来设计WME，以及(ii)指定光学系统以照射由多个分段中的每一个产生的WME，使得尽可能接近地再现大的图像。沿着这些路线，给定远场中的大目标图像，WME生成系统将目标图像分解成子图像。根据这种分解，WME生成系统然后产生与子图像相对应的WME分段。子图像和对应的WME分段的尺寸被定义为使得，在以法向入射角照射WME分段时，在远场(即，图像)平面附近的图像光线的最大角度在阈值角度(例如，10度)以下。然后将WME分段布置在光学系统中，使得电磁辐射束被再现成以相同角度(例如，法向入射角)入射在WME分段上的子束。对由WME分段产生的图像的聚合产生聚合图像，该聚合图像与目标图像相差少于指定阈值(例如，5％)。
上述技术方案的技术优点是其使用诸如IFTA的简单逆成像模型来产生准确结果的能力以及实现那些准确结果的简单光学组件。通过组装这样的光学系统，更容易生成产生与在简单模型中预测的那些图像密切吻合的图像的WME。因为WME的设计基于简单近轴波动光学模型，所以大大简化了设计过程，因为和对大角度准确的图像模型对比，大多数算法都是基于傅立叶变换。通过将设计用于大图像场的WME的问题分解成针对小图像场的更小WME，可以甚至更迅速地并行执行WME分段的设计。因此，上述技术方案提供了用于指定图像的准确再现的掩模的快速设计和部署的基础架构。
用于执行成像的光学系统被配置成以指定入射角照射每个WME分段。在一些实现方式中，该光学系统被配置成以法向入射角照射WME分段。常规的光学系统可以使用和WME分段一样多的照射源(例如，二极管激光器)来产生这种照射。然而，这样的光学系统复杂且昂贵。因此，改进的光学系统将辐射束转换成所需数目的束，其具有每个WME分段上的指定入射角。在一些实现方式中，并且如关于WME为DOE的图3A、图3B、图5A和图5B所示的，改进的光学系统包括光导和整体式衍射堆叠，包括嵌入在光导的壁中以将辐射以指定入射角定向到DOE分段的衍射光栅。
作为示例，考虑映射小房间内的人的深度图像的远程呈现(telepresence)应用。(人的深度图像是该人在房间空间中的形状的映射。)虽然可以使用多个深度传感器来检测深度图像，但是能够通过使深度传感器的数目最小化来大大降低系统成本。然而，当深度传感器很少时，每个深度传感器可能不得不覆盖大的图像场。因此，上述技术方案允许使用最小数目的深度传感器以大幅度地降低这样的远程呈现系统的成本。
注意，虽然接下来的讨论围绕用于在图像平面中产生图像的DOE(和DOE分段)，但是上述技术方案不必需DOE。例如，在一些实现方式中，被照射以产生图像的对象采取空间光调制器(SLM)的形式。虽然针对大场上设计SLM的一些细节可能与DOE的细节不同，但是上述技术方案的一般原理(即，分成小分段并且以指定入射角照射每个分段)保持不变。
图1是图示可以在其中实现上述技术方案的示例电子环境100的图。计算机120被配置成生成最好地再现给定目标图像的多个DOE分段。
计算机120包括网络接口122、一个或多个处理单元124和存储器126。网络接口122包括例如以太网适配器、令牌环适配器等，以用于将从网络150接收到的电子信号和/或光信号转换为电子形式以供由计算机120使用。该组处理单元124包括一个或多个处理芯片和/或组件。存储器126包括易失性存储器(例如，RAM)和非易失性存储器如一个或多个ROM、磁盘驱动器、固态驱动器等两者。该组处理单元124和存储器126一起形成控制电路，该控制电路被配置和布置成执行如本文所描述的各种方法和功能。
在一些实施例中，计算机120的部件中的一个或多个可以是或能够包括被配置成处理存储在存储器126中的指令的处理器(例如，处理单元124)。如图1所描绘的此类指令的示例包括目标图像管理器130、图像分解管理器140、逆成像管理器150和DOE布置管理器160。另外，如图1所图示的，存储器126被配置成存储各种数据，关于使用此类数据的相应管理器对存储器126进行描述。
目标图像管理器130被配置成接收表示目标图像的强度数据，即目标图像数据132。在一个示例中，这样的目标图像在面部辨识应用中可以采取人脸的形式。在另一示例中，这样的目标图像在远程呈现应用中可以采取人的深度图像的形式。在一些实现方式中，目标图像管理器130通过网络接口122即通过网络从远程计算机(未画出)接收目标图像数据132。在一些实现方式中，目标图像管理器130从本地存储装置(例如，磁盘驱动器、闪存驱动器、SSD等)接收目标图像数据132。
目标图像数据132表示将由待确定的DOE再现的目标图像。目标图像数据132包括空间范围上的强度值(即，非负值)。在一些实现方式中，目标图像数据132包括网格(例如，像素或体素)上的此类强度值的数组。在一些实现方式中，目标图像数据132包括指示相对于相机视图的可见性的值(即，目标图像是深度图像)。
图像分解管理器140被配置成对目标图像数据132执行图像分解操作以产生子图像142(1)、…、142(N)。例如，假定目标图像在图像平面中具有2米的范围，并且图像平面与待在光学系统中成像的对象相距2米。假定可以忽略对象与光学系统的出射光瞳之间的距离，则形成对象在图像平面中的图像的最大光线角度为30度。这显著地大于在计算对象在图像平面中的图像时使用的简单近轴成像模型(例如，菲涅耳衍射)的有效区域中的任何角度。为了减轻这种问题，图像分解管理器将目标图像划分成具有更小范围的子图像。例如，如果在以上示例中划分目标图像使得最大子图像具有10厘米的范围，则所涉及的光线角度小于约1.4度，完全在近轴图像模型的有效区域内。
子图像数据142(1)、...、142(N)中的每一个，例如子图像142(1)，包括目标图像数据132的子集。子图像数据142(1)中的数据的子集是根据子图像在目标图像内的位置来选取的。然而，子图像数据142(1)中包括的目标图像数据的每个子集表示目标图像的毗邻子图像。在一些实现方式中，子图像数据142(1)包括子图像标识符，该子图像标识符指示子图像数据142(1)与目标图像的哪一个区域相对应。
逆成像管理器150被配置成对子图像数据142(1)、...、142(N)中的每一个执行逆成像操作以产生对应的DOE分段数据152(1)…、152(N)。逆成像操作包括用来找到最好地近似所对应的子图像的DOE分段的过程。在一些实现方式中，逆成像操作包括Gerchberg-Saxton算法。在一些实现方式中，逆成像操作包括迭代傅立叶变换操作(IFTA)。在一些实现方式中，逆成像操作包括使用诸如菲涅耳衍射的不同光学模型的迭代算法。
DOE分段数据152(1)…152(N)，例如DOE分段数据152(1)表示与子图像(例如，子图像142(1))相对应并经由逆成像操作(例如，IFTA)确定的DOE分段。在一些实现方式中，DOE分段数据152(1)包括复数的数组。在一些实现方式中，由DOE分段152(1)表示的DOE分段是仅相位DOE并且复数具有单位幅度或相同幅度。
在一些实现方式中，DOE分段数据152(1)的每个值表示DOE分段的相应像素的幅度和/或相位。因此，在此类实现方式中成像模型在性质上是离散的而不是连续的。此外，当(例如，以光刻方式)制造DOE分段时，个体相位可以对应于入射光穿过并且从具有不同玻璃高度的另一像素接收相位差的玻璃的高度。然而，在一些实现方式中，在不同玻璃高度之间的边界处的散射可以引发在成像模型设想并不存在的DOE分段内的散射。在此类实现方式中，逆成像管理器150可以将幅度引入到每个像素以校正此类散射效应。
逆成像管理器150可能无法在规定光学系统中成像时再现确切的子图像数据142(1)。这是由于DOE的离散性质以及光学成像模型(例如，近轴模型)中的物理近似而导致的。因此，在一些实现方式中逆成像操作150是迭代的并且重复直到已实现阈值误差为止。在一些实现方式中，迭代过程的收敛阈值基于跨子图像的均方根误差。在一些实现方式中，迭代过程的收敛阈值基于跨子图像的最大绝对差。在一些实现方式中，阈值是5％或更小。
同样注意，由于像素的小尺寸(例如，5μm或更小)，像素边界处的衍射效应在一些实现方式中变得显著。此类衍射效应的结果是在像素之间且甚至在邻近DOE分段的图像之间引起图像中的串扰。因此，在一些实现方式中，逆成像管理器150被配置成执行衍射校正操作以虑及DOE分段中的这种串扰。在一些实现方式中，衍射校正操作对于DOE分段边界处的像素使用GS算法。
DOE布置管理器160被配置成以产生表示完整DOE的DOE数据162的方式布置DOE分段数据152(1)…、152(N)，该完整DOE总体上在光学系统中的照射时产生目标图像的近似。关于图3A、图3B、图4、图5A和图5B更详细地讨论产生这样的对目标图像的近似的示例光学系统。
用户设备120的部件(例如，模块、处理单元124)可以被配置成基于一个或多个平台(例如，一个或多个类似或不同的平台)操作，该一个或多个平台可包括一种或多种类型的硬件、软件、固件、操作系统和/或运行时库等等。在一些实施方式中，计算机120的部件可被配置成在设备的集群(例如，服务器群)内操作。在这样的实施方式中，计算机120的部件的功能性和处理可分布到设备的集群中的若干设备。
计算机120的部件可以是或者可包括被配置成处理属性的任何类型的硬件和/或软件。在一些实施方式中，图1中的计算机120的部件中示出的部件的一个或多个部分可以是或者可包括基于硬件的模块(例如，数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器)、固件模块和/或基于软件的模块(例如，计算机代码的模块、可在计算机处执行的计算机可读指令的集合)。例如，在一些实施方式中，计算机120的部件的一个或多个部分可以是或者可包括被配置成由至少一个处理器(未示出)执行的软件模块。在一些实施方式中，部件的功能性可被包括在与图1所示的那些不同的模块和/或不同的部件中。
尽管未示出，但是在一些实施方式中，用户设备120的部件(或其各部分)可被配置成在例如数据中心(例如，云计算环境)、计算机系统、和/或一个或多个服务器/主机设备等内操作。在一些实施方式中，计算机120的部件(或其各部分)可被配置成在网络内操作。因此，计算机120的部件(或其各部分)可被配置成在可包括一个或多个设备和/或一个或多个服务器设备的各种类型的网络环境内操作。例如，网络可以是或者可包括局域网(LAN)、和/或广域网(WAN)等。网络可以是或者可包括无线网络和/或使用例如网关设备、桥接器、部件交换机等来实现的无线网络。网络可包括一个或多个区段并且/或者可具有基于诸如网际协议(IP)和/或专有协议的各种协议的部分。网络可包括因特网的至少一部分。
在一些实施例中，计算机120的部件中的一个或多个可以是或者可包括被配置成处理存储在存储器中的指令的处理器。例如，目标管理器130(和/或其一部分)、图像分解管理器140、逆成像管理器150以及DOE布置管理器160可以是被配置成执行与实现一个或多个功能的过程有关的指令的处理器和存储器的组合。
在一些实现方式中，存储器126可以是任何类型的存储器，诸如随机存取存储器、磁盘驱动器存储器、闪速存储器和/或类似物。在一些实现方式中，能够将存储器126实现为与VR服务器计算机120的部件相关联的不止一个存储器部件(例如，不止一个RAM部件或磁盘驱动器存储器)。在一些实现方式中，存储器126可以是数据库存储器。在一些实现方式中，存储器126可以是或能够包括非本地存储器。例如，存储器126可以是或能够包括由多个设备(未示出)共享的存储器。在一些实现方式中，存储器126能够与网络内的服务器设备(未示出)相关联并且被配置成为VR服务器计算机120的部件服务。如图2所图示的，存储器126被配置成存储各种数据，包括目标图像数据130、子图像数据142(1)…142(N)、DOE分段数据152(1)…152(N)和DOE数据162。
图2是描绘解决虚拟环境内的冲突的示例方法200的流程图。方法200可以由结合图1描述的软件构造来执行，这些软件构造驻留在计算机120的存储器126中并且由该组处理单元124运行。
在202处，目标图像管理器130接收表示第一图像(即，目标图像)的强度数据(例如，目标图像数据132)。
在204处，图像分解管理器140执行图像分解操作以产生第一图像的多个子图像(例如，子图像数据142(10、…、142(N))，多个子图像中的每一个表示图像的一部分。也就是说，如以上所讨论的，子图像数据中的每一个表示目标图像在由子图像数据表示的子图像的连续区域上的一部分。
在206处，对于图像的多个子图像中的每一个，逆成像管理器150对该子图像执行逆成像操作以产生多个DOE分段(例如，DOE分段数据152(1)…、152(N))中的DOE分段，多个DOE分段中的每一个与多个子图像中的相应子图像相对应。
在208处，DOE布置管理器160基于图像分解操作布置多个DOE分段以形成DOE(例如，DOE数据162)。在一些实现方式中，不需要形成正式的聚合DOE，因为对DOE分段执行成像。然而，DOE分段由DOE布置管理器布置，使得在照射时，DOE分段总体上产生对目标图像的近似。
图3是图示被配置成形成目标图像的近似的示例光学系统300的图。如图3A所示的光学系统300包括照射系统310、光导320和整体式衍射堆叠330。
照射系统310被配置成生成经由光导320入射在DOE分段中的每一个上的照射。照射系统310包括照射源312和扩束器314。
照射源312被配置成产生电磁辐射的稳定束以供输入到扩束器314中。在一些实现方式中，照射源312是激光器。在一些实现方式中，照射源312是汞弧灯。在一些实现方式中，照射源312输出电磁光谱的红外部分(例如，800nm-2000nm)中的电磁辐射。
扩束器314被配置成产生具有比照射源312产生的宽度大的宽度的束316。如图3A所示，扩束器314包括发散透镜和准直透镜。其他扩束器(例如，会聚透镜和放置在会聚透镜的焦点之外的准直透镜)在将来的实现方式中是可能的。
光导320被配置成捕获从照射系统310输出的束316并且从该束产生在DOE分段中的每一个上的入射照射。如图3A所示，光导320使用镜子324来耦合从照射系统310输出的光316。镜子成一定角度，使得光在这样的位置处反射离开光导的壁322：在该位置处束316之后被以法向入射角(或任何指定入射角)定向到每个DOE分段。可以构造光导320，使得所捕获的束316经由全内反射传播通过光导320。关于图5A和图5B讨论有关光如何传播通过光导320的进一步细节。
整体式衍射堆叠330被配置成形成相应子图像近似，这些子图像近似总体上形成对目标图像的近似。如图3A所示，整体式衍射堆叠330包括衍射光栅332和DOE分段334(1)…、334(3)。(注意可以有更多的DOE分段。)
衍射光栅332被配置成将入射在整体式衍射堆叠330上的光定向到DOE分段上的法向入射中。在一些实现方式中，衍射光栅被嵌入在光导320的壁中。在一些实现方式中并且如图3A所示，DOE分段334(1)…、334(3)被设置在衍射光栅332之上。在一些实现方式中，衍射光栅被设置在与DOE分段334(1)…、334(3)相对的壁上。在一些实现方式中，衍射光栅332被分段，使得每个分段与DOE分段334(1)…、334(3)相对应。
DOE分段334(1)…、334(3)被配置成产生近似从图像分解操作获得的子图像的图像。在一些实现方式中，这些分段被设置到衍射光栅332上以形成整体式衍射堆叠。在一些实现方式中，DOE分段334(1)…、334(3)被附接到或嵌入在光导320的壁中；在这种情况下整体式衍射堆叠在衍射光栅332与DOE分段334(1)…、334(3)之间具有空气界面。
图3B是图示被配置成形成对目标图像的近似的另一示例光学系统350的图。在光学系统350中，光导320使用衍射光栅326而不是镜子来耦合束316。衍射光栅然后被刻划(例如，具有节距)，使得其最强的传播级次被定向以经由全内反射在光导320中传播并且在DOE分段334(11)、..中的每一个上产生法向入射照射。
图4是描绘形成对目标图像的近似的示例方法400的流程图。
在402处，基于第一图像(即，目标图像)生成衍射光学元件(DOE)，该DOE包括多个DOE分段(例如，DOE分段334(1)、…)，多个DOE分段中的每一个与第一图像的相应部分相对应。注意，可以如图2所描述的那样执行生成。
在404处，电磁辐射束(例如，束316)由照射系统(例如，照射系统310)生成。
在406处，对电磁辐射束执行束复制操作以用电磁辐射束照射多个DOE分段中的每一个，多个DOE分段形成DOE并且在照射时产生第二图像，第一图像与第二图像之间的差异小于指定阈值。在一些实现方式中，束复制操作由如图3A和图3B所示的光导320执行。
图5A是示例光学系统500的图，该示例光学系统包括光导320和用于产生对目标图像的近似的整体式衍射堆叠330。如图5A所示，整体式衍射堆叠330包括闪耀衍射光栅332和DOE分段334(1)。闪耀衍射光栅332的目的是为了将倾斜照射重新定向到DOE分段334(1)上的法向入射中。闪耀衍射光栅332因此具有成角度的特征，其中角度被配置成基于在光导320中发生全内反射的角度来产生法向入射。另外，如图5A所示，闪耀衍射光栅332被蚀刻到光导320的壁中并且DOE分段334(1)被设置在衍射光栅332的背面上。
在由照射系统310照射时(图3A和图3B)，DOE分段334(1)上的法向入射光产生光520，从而形成对目标图像在目标(远场)图像平面510中的子图像的近似的图像。该近似至多在与目标图像在图像平面中的子图像的差异的某个阈值(例如，5％、2％、1％或更小)内；这是逆成像操作的结果。在一些实现方式中，该差异被定义为跨子图像的均方根差。在一些实现方式中，该差异是跨子图像的最大绝对差。
在一些实现方式中，衍射光栅332具有二维结构。以这种方式，整体式衍射堆叠330使辐射在两个正交方向上传播并相互作用。在两个正交方向上的相互作用可以进一步增强图像平面510中的图像图像案的复合视场。
图5B是示例光学系统550的图，该示例光学系统包括：光导320，该光导具有设置在光导320的壁上的DOE分段334(1)；和体衍射光栅530，该体衍射光栅被蚀刻到光导320的相对壁中。体衍射光栅530从入射光束产生反射束和法向入射在DOE分段334(1)上的衍射束。在一些实现方式中，体衍射光栅520在光导中沿正交方向复制束316；以这种方式，可以在图像平面510中再现全2D图像。
图6图示可以与这里描述的技术一起使用的通用计算机设备600和通用移动计算机设备650的示例。
如图6中所示，计算设备600旨在表示各种形式的数字计算机，诸如膝上型计算机、台式计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片服务器、大型机和其他适当的计算机。计算设备650旨在表示各种形式的移动设备，诸如个人数字助理、蜂窝电话、智能电话和其他类似的计算设备。这里示出的部件、其连接和关系以及其功能仅意在为示例性的，而不意在限制本文件中描述和/或要求保护的发明的实施方式。
计算设备600包括处理器602、存储器604、存储设备606、连接到存储器604和高速扩展端口610的高速接口608以及连接到低速总线614和存储设备606的低速接口612。部件602、604、606、608、610和612中的每一个均使用各种总线来互连，并且可以被酌情安装在公共主板上或者以其他方式安装。处理器602可处理在计算设备600内执行的指令，包括存储在存储器604中或者在存储设备606上以在诸如耦合到高速接口608的显示器616的外部输入/输出设备上，显示用于GUI的图形信息的指令。在其他实施方式中，可以酌情使用多个处理器和/或多条总线以及多个存储器和多种类型的存储器。另外，可以连接多个计算设备600，其中每个设备提供必要的操作的各部分(例如，作为服务器组、一组刀片服务器或多处理器系统)。
存储器604存储计算设备600内的信息。在一个实施方式中，存储器604是一个或多个易失性存储器单元。在另一实施方式中，存储器604是一个或多个非易失性存储器单元。存储器604也可以是另一形式的计算机可读介质，诸如磁盘或光盘。
存储设备606能够为计算设备600提供大容量存储。在一个实施方式中，存储设备606可以是或者包含计算机可读介质，诸如软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备、闪速存储器或其他类似的固态存储器设备或设备的阵列，包括存储区域网络或其他配置中的设备。可在信息载体中有形地具体实现计算机程序产品。计算机程序产品还可以包含指令，所述指令当被执行时，执行一种或多种方法，诸如上述那些方法。信息载体是计算机或机器可读介质，诸如存储器604、存储设备606或处理器602上的存储器。
高速控制器608管理计算设备500的带宽密集操作，而低速控制器612管理较低带宽密集操作。这种功能的分配仅是示例性的。在一个实施方式中，高速控制器608(例如，通过图形处理器或加速器)耦合到存储器604、显示器616，并且耦合到高速扩展端口610，其可以接受各种扩展卡(未示出)。在该实施方式中，低速控制器612耦合到存储设备506和低速扩展端口614。可以包括各种通信端口(例如，USB、蓝牙、以太网、无线以太网)的低速扩展端口可以例如通过网络适配器耦合到一个或多个输入/输出设备，诸如键盘、指点设备、扫描仪或诸如交换机或路由器的联网设备。
如图中所示，可以以许多不同的形式实现计算设备600。例如，它可以作为标准服务器620被实现，或者多次被实现在一组此类服务器中。它也可以作为机架服务器系统624的一部分被实现。此外，它可以被实现在诸如膝上型计算机622的个人计算机中。替选地，来自计算设备600的部件可以与移动设备(未示出)(诸如设备650)中的其他部件组合。此类设备中的每一个均可以包含计算设备600、650中的一个或多个，并且整个系统可以由彼此通信的多个计算设备600、650组成。
计算设备650包括处理器652、存储器664、诸如显示器654的输入/输出设备、通信接口666和收发器668及其他部件。设备650还可以被提供有存储设备，诸如微驱动器或其他设备，以提供附加存储。部件650、652、664、654、666和668中的每一个均使用各种总线来互连，并且这些部件中的若干个可以被酌情安装在公共主板上或者以其他方式安装。
处理器652可执行计算设备650内的指令，包括存储在存储器664中的指令。处理器可以作为包括单独的及多个模拟和数字处理器的芯片的芯片组而被实现。处理器可以提供例如用于设备650的其他部件的协调，诸如对用户接口、由设备650运行的应用以及由设备650进行的无线通信的控制。
处理器652可以通过耦合到显示器654的控制接口658和显示接口656来与用户进行通信。显示器654可以是例如TFT LCD(薄膜晶体管液晶显示器)或OLED(有机发光二极管)显示器或其他适当的显示技术。显示接口656可以包括用于驱动显示器654以向用户呈现图形和其他信息的适当电路。控制接口658可以从用户接收命令并对该命令进行转换以用于提交给处理器652。此外，可以提供与处理器652通信的外部接口662，以便使得能实现设备650与其他设备的近区域通信。例如，外部接口662可以在一些实施方式中提供有线通信，或者在其他实施方式中提供无线通信，并且还可以使用多个接口。
存储器664存储计算设备650内的信息。存储器664可作为一个或多个计算机可读介质、一个或多个易失性存储器单元或一个或多个非易失性存储器单元中的一个或多个而被实现。还可以提供扩展存储器674并且通过扩展接口672将其连接到设备650，扩展接口672可以包括例如SIMM(单列直插存储器模块)卡接口。这样的扩展存储器674可以为设备650提供额外的存储空间，或者还可以为设备650存储应用或其他信息。具体地，扩展存储器674可以包括用于执行或者补充上述过程的指令，并且同样可以包括安全信息。因此，例如，扩展存储器674可以作为用于设备650的安全模块而被提供，并且可以被允许安全使用设备650的指令进行编程。此外，可以经由SIMM卡提供安全应用以及附加信息，诸如以不可破解的方式将标识信息放置在SIMM卡上。
如下所述，存储器可以包括例如闪速存储器和/或NVRAM存储器。在一个实施方式中，计算机程序产品被有形地具体实现在信息载体中。计算机程序产品包含指令，当执行该指令时执行诸如上述的一种或多种方法。信息载体是计算机或机器可读介质，诸如可以通过收发器668或外部接口662接收的存储器664、扩展存储器674或处理器652上的存储器。
设备650可以通过通信接口666以无线方式通信，该通信接口666必要时可以包括数字信号处理电路。通信接口666可以提供用于在各种模式或协议下的通信，各种模式或协议诸如GSM语音呼叫、SMS、EMS或MMS消息传送、CDMA、TDMA、PDC、WCDMA、CDMA2000或GPRS等。这种通信可以例如通过射频收发器668而发生。此外，短距离通信可以诸如使用蓝牙、Wi-Fi或其他这种收发器(未示出)来发生。此外，GPS(全球定位系统)接收器模块670可以向设备650提供附加的导航和位置相关的无线数据，其可以由在设备650上运行的应用酌情使用。
设备650还可以使用音频编解码器660听觉地通信，音频编解码器660可以从用户接收口语信息并将其转换为可用的数字信息。音频编解码器660可以同样地诸如通过例如在设备650的头戴式耳机中的扬声器为用户生成可听声音。这样的声音可以包括来自语音电话呼叫的声音，可以包括录制的声音(例如，语音消息、音乐文件等)并且还可以包括由在设备650上运行的应用生成的声音。
如图中所示，可以以许多不同的形式实现计算设备650。例如，它可以作为蜂窝电话680被实现。它还可以作为智能电话682、个人数字助理或其他类似移动设备的一部分被实现。
这里描述的系统和技术的各种实施方式可用数字电子电路、集成电路、专门设计的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合加以实现。这些各种实施方式可包括一个或多个计算机程序中的实施方式，计算机程序在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行和/或可解释，该至少一个可编程处理器可以是专用的或通用的，被耦合以从存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，并且向存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备发送数据和指令。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)包括用于可编程处理器的机器指令并且可用高级过程和/或面向对象编程语言和/或用汇编/机器语言加以实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”、和“计算机可读介质”指代用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、装置和/或设备(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑器件(PLD))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指代用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
为了提供与用户的交互，可在计算机上实现这里描述的系统和技术，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)以及用户可用来向该计算机提供输入的键盘和指向设备(例如，鼠标或轨迹球)。其他种类的设备也可用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且可以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。
可在计算系统中实现这里描述的系统和技术，计算系统包括后端部件(例如，作为数据服务器)，或者包括中间件部件(例如，应用服务器)，或者包括前端部件(例如，具有用户可用来与这里描述的系统和技术的实施方式交互的图形用户界面或Web浏览器的客户端计算机)，或者包括此类后端、中间件或前端部件的任意组合。系统的部件可通过任何形式或介质的数字数据通信(例如，通信网络)来互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)和因特网。
计算系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般地彼此远离并通常通过通信网络来交互。客户端和服务器的关系借助于在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
已经描述了许多实施例。然而，应理解的是，可以在不脱离本说明书的精神和范围的情况下做出各种修改。
还应理解的是，当一个元件被称为在另一元件上、连接到、电连接到、耦合到或者电耦合到另一元件时，它可以直接地在另一元件上，连接或者耦合到另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相反，当一个元件被称为直接地在另一元件上、直接地连接到或者直接地耦合到另一元件时，不存在中间元件。尽管在整个详细描述中可以不使用术语直接地在…上、直接地连接到或直接地耦合到，然而被示出为直接地在…上、直接地连接或直接地耦合的元件可被如此表示。可以修改本申请的权利要求书以叙述在说明书中描述或在图中示出的示例性关系。
虽然已经图像本文中所描述的那样示出了所描述的实施方式的某些特征，但是本领域的技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此应当理解的是，所附权利要求书旨在涵盖如落入实施方式的范围内的所有此类修改和改变。应该理解的是，它们已仅作为示例而非限制被呈现，并且可以做出形式和细节上的各种改变。可以按照除互斥组合外的任何组合来组合本文中描述的装置和/或方法的任何部分。本文中描述的实施方式可包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。
此外，图中描绘的逻辑流程不要求所示的特定次序或顺序次序来实现所期望的结果。此外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程中消除步骤，并且可以向所描述的系统添加或者从所描述的系统移除其他部件。因此，其他实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种用于大场成像的方法，包括：
基于第一图像来生成波前调制元件WME，所述WME包括多个WME分段，所述多个WME分段中的每个WME分段与所述第一图像的相应部分相对应；
由照射系统生成电磁辐射束；以及
对所述电磁辐射束执行束复制操作以用所述电磁辐射束以指定入射角照射所述多个WME分段中的每个WME分段，所述多个WME分段在照射时产生第二图像，所述第一图像与所述第二图像之间的差异小于指定阈值，
其中，执行所述束复制操作包括：将所述电磁辐射束耦合到光导中，所述光导包括与所述WME连接的壁，
其中，所述多个WME分段中的每个WME分段被设置在相应的衍射光栅上以产生该WME分段的相应的整体式衍射堆叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个WME分段中的每个WME分段的所述整体式衍射堆叠被配置成产生对与该WME分段相对应的所述第一图像的部分的近似，所述多个WME分段中的每个WME分段的所述整体式衍射堆叠被设置在所述光导的壁上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光导包括壁，并且
其中，执行所述束复制操作包括：
经由离开所述光导的壁的全内反射来通过所述光导传播所述电磁辐射束；以及
将由所述整体式衍射堆叠反射的杂散光收集回到所述光导中以产生照射，当入射在所述WME的多个分段中的每个WME分段上时所述照射具有基本上相同的亮度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述电磁辐射束包括：在将所述电磁辐射束耦合到所述光导中之前使用扩束器来使所述电磁辐射束扩大和均匀化。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一图像来生成所述WME包括：
接收表示所述第一图像的强度数据；
执行图像分解操作以产生所述第一图像的多个子图像，所述多个子图像中的每个子图像表示所述第一图像的一部分；以及
对于所述第一图像的多个子图像中的每个子图像，对该子图像执行逆成像操作以产生WME分段的多个表示中的相应WME分段的表示。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对所述第一图像的多个子图像中的每个子图像执行所述逆成像操作包括：
对所述多个子图像中的每个子图像应用Gerchberg-Saxton算法。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述WME包括衍射光学元件DOE，并且所述多个WME分段中的每个WME分段包括所述DOE的相应的DOE分段，并且
其中，所述多个DOE分段中的DOE分段的每个表示包括相应的多个像素，所述多个像素中的每个像素具有指定数目的相位值中的一个。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个像素中的每个像素进一步包括强度值。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，基于所述第一图像来生成所述WME进一步包括：
基于所述图像分解操作来布置所述多个DOE分段以形成所述DOE。
10.一种用于大场成像的系统，包括：
DOE生成系统，所述DOE生成系统包括控制电路，所述控制电路被配置成基于第一图像来生成衍射光学元件DOE，所述DOE包括多个DOE分段，所述多个DOE分段中的每个DOE分段与所述第一图像的相应部分相对应；
照射系统，所述照射系统被配置成生成电磁辐射束；以及
成像系统，所述成像系统被配置成：在用所述电磁辐射束照射时，通过对所述电磁辐射束执行束复制操作以用所述电磁辐射束照射所述多个DOE分段中的每个DOE分段，来产生第二图像，所述第一图像与所述第二图像之间的差异小于指定阈值，
其中，被配置成执行所述束复制操作的所述成像系统被进一步配置成将所述电磁辐射束耦合到光导中，所述光导包括与所述DOE连接的壁，
其中，所述多个DOE分段中的每个DOE分段被设置在相应的衍射光栅上以产生该DOE分段的相应的整体式衍射堆叠。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个DOE分段中的每个DOE分段的所述整体式衍射堆叠被配置成产生对与该DOE分段相对应的所述第一图像的部分的近似，所述多个DOE分段中的每个DOE分段的所述整体式衍射堆叠被设置在所述光导的壁上。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述衍射光栅具有基于所述DOE的分段的最大长度的节距。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述衍射光栅被配置成将照射反射回到所述光导中，所述照射在所述光导中在至少两个正交方向上传播。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光导包括用以将所述电磁辐射束耦合到所述光导中的镜子表面。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光导包括用以将所述电磁辐射束耦合到所述光导中的衍射光栅。
16.一种非暂时性存储介质，所述非暂时性存储介质存储代码，所述代码当由计算设备的处理电路执行时，使所述处理电路执行一种方法，所述方法包括：
接收表示第一图像的强度数据；
执行图像分解操作以产生所述第一图像的多个子图像，所述多个子图像中的每个子图像表示所述第一图像的一部分；
对于所述第一图像的多个子图像中的每个子图像，对该子图像执行逆成像操作以产生多个波前调制元件WME分段的WME分段，所述多个WME分段中的每个WME分段与所述多个子图像中的相应的子图像相对应；以及
基于所述图像分解操作来布置所述多个WME分段，以形成WME。
17.根据权利要求16所述的非暂时性存储介质，其中，对所述第一图像的多个子图像中的每个子图像执行所述逆成像操作包括：
对所述多个子图像中的每个子图像应用Gerchberg-Saxton算法。
18.根据权利要求16所述的非暂时性存储介质，其中，所述多个WME分段中的WME分段的每个表示包括相应的多个像素，所述多个像素中的每个像素具有指定数目的相位值中的一个。
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