TWI490629B - 具全幅對焦之三維影像擷取裝置及方法 - Google Patents

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Description

具全幅對焦之三維影像擷取裝置及方法 【相關申請案的交互參照】
美國專利第5,748,371號(1998年5月5日發證，名稱為"全幅對焦光學系統(Extended Depth of field Optical systems)"，於此併入作參考。美國專利第6,069,738號(2000年5月30日發證，名稱為"延伸影像投射系統之景深之裝置及方法(Apparatus and Methods for Extending Depth of field in Image Projection Systems)")，於此併入作參考。美國專利第6,525,302號(2003年2月25日發證，名稱為"波前編碼相位對比取像系統(Wavefront Coding Phase Contrast Imaging Systems)")於此併入作參考。國際專利申請案PCT/US2006/036556(申請日為2006年9月19日，名稱為"任務式取像系統(Task-based Imaging Systems)"，於此併入作參考。
本發明是有關於一種具全幅對焦之三維影像擷取裝置及方法。
結構式照明(SI)或圖案化照明將一狹小光帶投射至一三維場景之上，用以產生多條出現扭曲的照明線。扭曲可被取像並用以藉由扭曲線之位置之三角測量來將一個或多個物體之表面形狀重建在場景之內。
平行條紋之圖案已經廣泛被使用在結構式照明中。兩種關於條紋圖案產生之共同方法為雷射干涉與投射。雷射干涉方法使用兩種互相干涉的雷射光束以產生有規則的線圖案。不同的圖案尺寸可藉由改變這些光束的角度而獲得。這方法產生具有未受限的景深之細微圖案。然而，雷射干涉技術具有一些缺點，包含與實施相關的高成本，無法調變個別條紋，以及與從物體反射之光束的可能干擾。
另一方面，投射方法使用一種具有一非相干(incoherent)光源之投影機，用以產生圖案化的光(例如一視頻投影機)。圖案可能藉由一個在投影機內之顯示器(例如液晶顯示器(LCD))而產生。
仍然維持有一種對於發展以高解析度且低成本擷取三維影像之系統與方法之需求。再者，存在有一種對於透過一寬廣景深(DOF)偵測投射線之強健方法之需求。
本揭露內容藉由提供一種具全幅對焦之三維影像擷取系統而推進此技藝。三維影像擷取系統合併波前編碼(WFC)元件以延伸景深。
在一實施例中，提供一種用以擷取一三維物體之三維影像之光學系統。光學系統包含一投影機以供物體之結構式照明用。投影機包含：一光源；一網格遮罩，安置在光源與供物體之結構式照明用之物體之間；以及一第一波前編碼元件，具有一安置在網格遮罩與物體之間之相位調變遮罩，用以經由網格遮罩接收來自光源之圖案化的光。第一波前編碼元件被建構並配置成能使投影機之一點擴散函數(PSF)比不具有第一波前編碼元件之投影機之一點擴散函數(PSF)遍及更寬的網格遮罩之景深之範圍實質上維持不變。
在另一實施例中，提供一種用以擷取一三維物體之影像之折疊式光學系統。光學系統包含一投影機以供物體之結構式照明用。投影機包含：一光源；一網格遮罩，安置在光源與供物體之結構式照明用之物體之間；一第一波前編碼元件，具有一安置在網格遮罩與物體之間之相位調變遮罩，以及一分光器，在第一波前編碼元件與物體之間，用以改變來自光源之一光方向。第一波前編碼元件被建構並配置成能使投影機之一點擴散函數(PSF)比不具有第一波前編碼元件之投影機之一點擴散函數(PSF)對於網格遮罩之一景深較不敏感。
在更進一步的實施例中，提供一種用以擷取一三維物體之影像之光學系統。光學系統包含一投影機以供物體之結構式照明用。投影機包含一光源，以及依據一電腦產生全像片(CGH)被浮雕以具有一表面凸紋圖案之一實體媒介。實體媒介被安置在光源與物體之間以供物體之結構式照明用。電腦產生全像片包含一網格遮罩之一第一電腦表現與一第一波前編碼元件之一第二電腦表現。光學系統亦包含一個在實體媒介與物體之間的分光器，用以改變來自光源之一光方向。實體媒介被建構並配置成能使投影機之一點擴散函數(PSF)比不具有實體媒介之投影機之一點擴散函數(PSF)對於實體媒介之一景深較不敏感。
在一實施例中，提供一種用以擷取一三維物體之一影像之方法。此方法包含：(1)從一投影機投射光經由一網格遮罩與一相位調變遮罩以產生圖案化的光；(2)以圖案化的光照明三維物體；以及(3)以一偵測器擷取由三維物體所反射的圖案化的光。
在一實施例中，提供一種用以擷取一三維物體之一影像之方法。此方法包含從一投影機朝向三維物體投射圖案化的光，於此投影機包含一光源與依據一電腦產生全像片被浮雕以具有一表面凸紋圖案之一實體媒介，實體媒介被安置在光源與供物體之結構式照明用之物體之間。電腦產生全像片包含一網格遮罩之一第一電腦表現與一第一波前編碼元件之一第二電腦表現。此方法亦包含將圖案化的光照明至三維物體上。此方法更包含以一偵測器擷取三維物體之影像，其中實體媒介被建構並配置成能使投影機之一第一點擴散函數(PSF)比不具有實體媒介之投影機之一點擴散函數(PSF)對於實體媒介之一景深較不敏感。
額外實施例與特徵是在下述說明中被提出，且熟習本項技藝者在說明書之檢驗之時將更明白或可能藉由本發明之實行而學到。本發明之本質與優點之更進一步的理解可能參考說明書之其餘部分而被實現。
本揭露內容可能參考下述與圖式相關聯被考量之詳細說明而得以理解。吾人可注意到，為了說明清楚之目的，附圖中之某些元件並未按比例繪製。為清楚起見，可能省略出現多次項之參考數字。在可能的情況下，遍及圖式與下述說明係使用相同的參考數字以表示相同的或類似的部分。
結構式照明可經由一網格投射圖案化的光至一物體之上，用以藉由測量網格之表面失真來擷取物體之表面斜率。這個結構式照明技術需要投射並偵測網格之細微線遍及SI系統之一擷取量。因此，一種習知之SI系統之擷取量(capture volume)受限於系統之景深，以使難以正確投射及/或偵測網格線與它們的交叉點遍及大的擷取量。
波前編碼("WFC")為一種用以延伸光學系統之景深及用以校正光學像差之方法。舉例而言，波前編碼利用特別設計的相位遮罩以產生具有全幅對焦或聚焦("EdoF"或"EDOF")之點擴散函數(PSF)。點擴散函數("PSF")描述一取像系統對於一點源或點物體之反應。舉例而言，波前編碼可能使用一種使一影像均勻模糊不清之立方體的相位遮罩。一數位影像處理器接著可移除模糊(例如，當期望可視影像時)。然而，可能犧牲動態範圍以延伸景深。亦即，取像系統之一調變轉換函數(其可被看作是對比之測定)在如偵測到的影像資料中之某個空間頻率中可能是低的。調變轉換函數可利用影像處理而被增加，但放大低對比信號一般亦放大於相同空間頻率下之雜訊。
本揭露書提供整合取像系統與波前編碼以延伸一景深，用以低成本地擷取三維影像之系統與方法。更明確而言，這些系統使用一第一波前編碼元件以遍及一全幅對焦投射結構式照明之網格，並使用一可選擇的第二波前編碼元件以遍及一全幅對焦偵測結構式照明之網格。波前編碼元件亦可減少關於色彩編碼的結構式照明之色像差。
圖1為一種供一物體之結構式照明用之習知光學系統100之簡化圖。習知之光學系統100可包含一台投影機102及一台用以觀看物體106之偵測器104(例如照相機)。投影機102包含一個用以朝向物體106放射光之光源。偵測器104接收來自物體106之散射或繞射光。
圖2為一種具全幅對焦之光學系統200之簡化圖。系統200包含一投射臂220與一偵測臂230，投射臂220具有一投影機202，投影機202具有一第一波前編碼元件208，而偵測臂230具有一偵測器204(例如照相機)，偵測器204具有一可選擇的第二波前編碼元件214。來自投影機202之光通過第一波前編碼元件208並碰到物體206。從物體206朝向偵測器204之光散射或繞射通過第二波前編碼元件214。投影機202可包含一網格遮罩210以供結構式照明用。
第一波前編碼元件208提供網格210相位調變，以使網格210於最佳聚焦下，在系統200中比在習知系統100中似乎較不銳利。然而，將第一波前編碼元件208併入系統200允許投影機202之網格210被偵測遍及景深之一較寬範圍，以使網格210之矩心可能透過景深之較寬範圍而正確被決定。雖然系統200具有全幅對焦，但因為併入第一波前編碼元件208之結果，於最佳聚焦下可能減少系統200中之一信號雜訊比(SNR)。
可選擇的第二波前編碼元件214被併入系統200中以供補償因第一波前編碼元件208而產生之橫向位移。然而，第二波前編碼元件214可能使影像模糊不清。第二波前編碼元件214可能是可移動或可移除的，且只有在需要用以對橫向位移加以補償時被使用。以下更進一步討論第一與第二波前編碼元件。
系統200之一項限制為物體206不應但可能阻礙來自投影機202之照明。在系統200中，投影機202與偵測器204並未對準。一投影機與一偵測器較佳是可對準，以使來自投影機之光碰到一物體，且光朝與如可由系統偵測到的光之輸入方向相同的方向返回散射朝向偵測器。對準的投影機與偵測器之優點為被投射光學所照明之所有表面對接收光學是"可見的"，而反之亦然。某些物體可能在其他物體後方，但將照明對接收光學是"可見的"至少所有物體。為這種具有與一偵測器對準之一投影機之系統提供一例子。
圖3為一種具全幅對焦之折疊式光學系統300。折疊式光學系統300包含以虛線為界限之一照明臂或一投射臂320以及一偵測臂330。投射臂320可包含一光源302、一網格遮罩304、一準直透鏡306A、一第一波前編碼元件308、透鏡306B、一雙用途折疊分光器310，以及一雙用透鏡(dual-purpose lens)312。偵測臂330包含透鏡312、分光器310、一可選擇的第二波前編碼元件314、透鏡322，以及一偵測器316。分光器310與透鏡312被使用於投射臂320及偵測器臂330兩者以提供雙用途。
在投射臂320中，來自光源302之光經由準直透鏡306A而被凝聚，其可能位於距離光源302大概一個焦距。準直透鏡306A提供網格遮罩304均勻的照明。透鏡306B可能被置於距離網格遮罩304大概一個焦距，並以傅立葉方式變換網格遮罩304之一影像。一傅立葉平面為在垂直於光學軸線之空間中的平面，於此一影像藉由一透鏡而被進行傅立葉變換。對於在透鏡之前之一個焦距之一影像而言，其傅立葉變換是在透鏡之後的一個焦距被發現。第一波前編碼元件308安置在透鏡306B與分光器310之間且靠近投射臂320之一傅立葉平面320A，以使網格遮罩304維持良好聚焦遍且比沒有使用第一波前編碼元件308的更長的距離。傅立葉平面320A大概距離透鏡312一個焦距以及距離透鏡306B一個焦距。透鏡312為一雙用透鏡，其運作為供投射臂320用之一投射鏡頭以及供偵測臂330用之一傅里葉變換鏡頭。投射臂320中之第一波前編碼元件308於最佳聚焦下，使得網格遮罩304比習知光學系統100之一網格遮罩似乎較不銳利。因此，於最佳聚焦下，系統300之信號雜訊比可能低於習知光學系統100之信號雜訊比。然而，系統300允許網格遮罩304遍及一全幅對焦而被偵測，以使網格遮罩304之矩心可能遍及全幅對焦而正確被決定。
光源302可放射可見光或不可見光。舉例而言，當系統300之一使用者不想要物體318(例如人類或動物)察覺到影像擷取時，可能使用紅外光。在一替代實施例中，網格遮罩304、準直透鏡306以及第一波前編碼元件308之一個或多個可能結合或併入單一元件222(以虛線為界限)中，藉以減少系統300所需要的部件數量與對準步驟，並潛在地降低製造成本及增加系統之品質及性能。網格遮罩304可能是可移動或可移除的，以使投射臂320可能用來照明物體318，藉以使系統300類似照相機地擷取物體318之簡單影像。
分光器310允許系統300藉由改變來自投影機臂320之光方向而被折疊，俾能使其共用一條具有被偵測器316所接收之光之光路徑。分光器310將來自光源302之一輸入光束332局部反射至物體318。更明確而言，光束332以大約45度碰到分光器310之表面334，其至少局部反射來自表面334之光束332以形成朝向物體318之光束332a。光束332a碰到物體318，返回散射並傳輸通過分光器310，且可能通過可選擇的第二波前編碼元件314，並在偵測器316上形成照明物體318之一影像。分光器310亦可能是可移動或可移除的，用以在不需要來自投射臂320之照明時，允許系統300之低光或低照明操作。一分光器310之反射表面334譬如可能是一半鍍銀鏡。表面334可能由一種具有一薄金屬塗層(例如鋁)或一介電塗層之玻璃板所構成。表面334之反射對傳輸比率可隨著材料與波長改變。
在偵測臂330中，透鏡322操作為一目鏡透鏡，藉以形成一影像至偵測器316之上。透鏡322被置於距離偵測器316大概一個焦距。分光器310將來自物體318之光傳輸至偵測器316。第二波前編碼元件314可能可選擇地被包括在內以提供讓物體318之取像用的全幅對焦，及/或以補償因第一波前編碼元件308而產生之橫向位移。
在一實施例中，第一波前編碼元件208或308可包含高階可分離(HOS)元件與高階近乎可分離(HONS)元件或弱非可分離元件。HOS及/或HONS元件具有集中它們在水平與垂直方向(大部分的網格影像沿著其所配向之方向)的調變之益處。然而，HOS及/或HONS元件亦可按照散焦產生點擴散函數(PSF)之一橫向位移，其意味著於各種深度之三維物體318之點在偵測器臂330之影像平面中具有不同的橫向位移。
第二波前編碼元件314可能被置於靠近偵測臂330之一傅立葉平面330A，以增加不僅物體318之擷取影像而且增加投射的網格遮罩304之擷取影像之DOF。傅立葉平面330A距離透鏡322大概一個焦距且遠離透鏡312大概一個焦距。第二波前編碼元件314可能是與第一波前編碼元件208或308相同的型式，但被旋轉俾能補償或校正由第一波前編碼元件308所導致的橫向位移，如現在要說明的。
假設分光器310被使用以將投射與偵測臂320與330兩者結合至一個系統300中，且分光器包含位於45度角之反射表面334，則在包含第一波前編碼元件308之投射臂320之一光軸線350與包含第二波前編碼元件314之偵測臂330之一光軸線360之間將有90度之旋轉。舉例而言，投射臂320之光軸線350實質上垂直於偵測器臂330之光軸線360。依據圖3所示之座標系統370A，第一波前編碼元件308可具有在x與y座標上之一相位輪廓以及沿著z軸線方向之光軸線350。依據圖3所示之座標系統370B，第二波前編碼元件314具有在X'及Y'座標上之一相位輪廓以及沿著Z'軸線之光軸線360。
如圖3所顯示，第二波前編碼元件314之Y'軸線位在與第一波前編碼元件308之Y軸線相同的方向。第二波前編碼元件314之Z'軸線繞著第一波前編碼元件308之Y軸線順時針旋轉90度，以使第二波前編碼元件314之Z'軸線位在與第一波前編碼元件308之x軸線相同的方向。第二波前編碼元件314之X'軸線與第一波前編碼元件308之z軸線正相反，以使因第一波前編碼元件308而產生之橫向位移可能由第二波前編碼元件314所補償。第一波前編碼元件308具有兩個末端340A與340B，末端340A位於比末端340B更正的x座標。關於第二波前編碼元件314相對於第一波前編碼元件308之方向，吾人可以想像第二波前編碼元件314可從第一波前編碼元件308之末端340A，繞著第一波前編碼元件308之Y軸線逆時針方向旋轉90度。在90度旋轉之後，第二波前編碼元件314圍繞第二波前編碼元件314之Y'軸線快速移動180度。在旋轉之後，第二波前編碼元件314之一端355B位於比第二波前編碼元件314之一第二端355A更正的X'座標。第二波前編碼元件之末端355A與355B分別對應至末端340A與340B。這種方式的在網格遮罩304與偵測器316之間的所有點經由第一與第二波前編碼元件308與314而經歷大概相同的相位調變量，從而按照散焦補償任何因第一波前編碼元件308而產生之橫向位移。
藉由在第一波前編碼元件208或308中使用一種三次或HOS函數，大部分的調變被集中在x與y方向，於此網格線不失真，譬如60%、80%、90%或更高。換言之，第一波前編碼元件208或308被設計成用以沿著網格線(例如圖7-9之網格線702、802與902)集中大部分的相位調變。
在一實施例中，第一與第二波前編碼元件可包含一弱非可分離函數(weakly non-separable function)。第一波前編碼元件之弱非可分離函數可能被表示成：
於此，i與j為從1開始的正整數，且N為最高的多項式階數。實際上，N通常受限於大約5，其乃因為較高階數項之效果通常會由於製造公差之實際限制而失去。第二波前編碼元件314之弱非可分離函數可能被表示成：
於此，i與j為從1開始的正整數，且於此減號表示繞著第二波前編碼元件314之光學軸線360旋轉180度，如以前所說明的。係數α與β可能相等或可能不相等。當係數γ等於零時，弱非可分離函數變成一高階可分離函數。第一波前編碼元件308可包含一高階可分離函數，被表示成：
第二波前編碼元件314可包含一高階可分離函數，被表示成：
在一特定實施例中，第一波前編碼元件308之高階可分離函數可能是三次函數，被表示成：
P(x,y)=αx3 +βy3 　方程式(5)
第二波前編碼元件314之三次函數表示成：
P(x,y)=-(αX'3 +βY'3 )　方程式(6)
係數α與β可能相等或可能不相等。
在一替代實施例中，第二波前編碼元件214或314可能不同於第一波前編碼元件214或314。舉例而言，第二波前編碼元件214或314可具有一循環對稱函數。循環對稱函數並未補償因第一波前編碼元件208或308而產生之橫向位移，且更進一步使物體之影像模糊不清。然而，循環對稱函數促進相當自然的並可具有相當少的人工製品之影像之生產。因此，循環對稱函數可能非常適合於在使用偵測臂330以擷取取悅人類觀眾之影像時之應用。循環對稱函數可能被表示成：
P(ρ)=f(ρ)　方程式(7)
於此，ρ2 =x2 +y2 ，而ρ為偵測器臂330之傅立葉平面330A之半徑，且f(ρ)為一高階多項式。
第二波前編碼元件214或314可能是可移動或可移除的，用以擷取並不需要全幅對焦之場景(例如當使用系統200或300作為照相機時)。
在一替代實施例中，第一波前編碼元件208或308可能是循環對稱，以使投射網格線較佳是並未受到取決於聚焦的橫向位移。然而，調變不宜均勻地散佈遍及所有方向且未被集中在不失真網格線之方向。於此組態中，第二波前編碼元件214或314亦可能是循環對稱以供EDOF用。如上所述，在某些實施例中，第二波前編碼元件214或314是可移動或可移除的。
圖4-33包含於聚焦與散焦下之一網格與一單點之模擬的灰階影像、於聚焦與散焦下之網格與單點之等高線圖，以及於聚焦以及於各種數量之散焦下之三維網圖中的模擬的PSF。這些圖為了不具有波前編碼元件之習知系統100，以及為了具全幅對焦之光學系統200或300(亦即，利用一例示的第一波前編碼元件208或308)兩者而提供。系統200或300勝過習知系統100之潛在優點係在以下之後續段落中被證明。
圖4-6為於最佳聚焦下或分別於零個波之散焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之由圖1之習知光學系統100所看到的一網格之灰階影像，於此一波被定義成來自一光源(例如來自圖1之投影機102)之照明光之中心波長。現在參見圖4，於最佳聚焦下之灰階影像400清楚顯示一網格。與灰階影像400比較而言，於五個波之散焦下之圖5之灰階影像500是模糊不清的。現在參見圖6，於八個波之散焦下之灰階影像600甚至比灰階影像500更模糊不清。在灰階影像500與600中不能清楚看出網格線。影像400、500與600相關於它們的最大值是被標準化。一般而言，習知系統100於大約半波之散焦下停止工作。
圖7-9為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之由具全幅對焦之光學系統200或300所看到的一網格之灰階影像。使用於所有模擬之波前編碼相位函數為具有六個波之總相位偏差之三次函數，其在數學上由下述方程式而取得：
P(x,y)=1.5(x3 +y3 )　方程式(8)
於此，x與y被標準化到-1至1之範圍跨越函數之程度(例如，跨越波前編碼元件208、308或314之任何一個之寬度)，其中對應於光軸線，x=y=0。
具體言之，圖7顯示包含網格線702之灰階影像700，圖8顯示包含網格線802之灰階影像800，而圖9顯示包含網格線902之灰階影像900。如藉由比較圖4至圖7可明白到的，系統200或300於最佳聚焦下並未取像出像系統100一樣清楚的網格線。然而，系統200或300較佳是能夠於比系統100更大數量之散焦下清楚地取像網格線。舉例而言，如圖8與9所示，系統200或300可以於五個波或八個波之散焦下清楚地取像網格線，而系統100無法於這些數量之散焦下取像網格線，如網格線不是可區別的圖5與6所示。
圖10-12為藉由習知系統100之灰階影像400、500以及600之模擬等高線圖。如圖10所示，藉由習知系統100之等高線圖1000清楚顯露於最佳聚焦下之網格線1002。然而，於五個波之散焦下之等高線圖1100以及於八個波之散焦下之等高線圖1200並未顯示任何網格線，如分別顯示於圖11與12中。換言之，習知系統100之網格線畫質對於景深是敏感的。
圖13-15分別為灰階影像700、800以及900之模擬等高線圖1300、1400以及1500。因此，等高線圖1300表示於最佳聚焦下由系統200或300所產生之影像，等高線圖1400表示於五個波之散焦下由系統200或300所產生之影像，以及等高線圖1500表示於八個波之散焦下由系統200或300所產生之影像。在每一個等高線圖1300、1400以及1500中分別看得見網格線1302、1402以及1502。影像是相關於它們的最大振幅而被標準化，且在等高線圖1300、1400以及1500之每一個中顯示總共10個等高線。如圖13-15所顯示的，具有第一波前編碼元件208或308之光學系統200或300顯露於最佳聚焦與散焦下之網格線。換言之，系統200或300對於網格遮罩210或304之景深比習知系統100更不敏感。
圖16-18為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之由習知系統100所取像之單點之模擬灰階影像1600、1700以及1800。這些影像顯示在習知系統100之模擬中用單點遮罩代替網格遮罩，以使系統100之投影機102之一點擴散函數(PSF)被獲得。如圖16所示，影像1600幾乎顯露於最佳聚焦下之單點1602。然而，於散焦下之影像1700與1800不再侷限於一點。取而代之的是，影像1700顯露一圓形光點1702以及在圓形光點1702之中心中的最亮光點1704，而影像1800顯露一大的圓形光點1802以及在圓形光點1802之中心中的最亮光點1804。圓形光點1802係大於圓形光點1702。
圖19-21為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之由光學系統200或300所取像之一點之模擬灰階圖案1900、2000、2100。這些圖顯示在模擬中用單點遮罩代替網格遮罩304，以使取像系統300之投影機臂320之一點擴散函數(PSF)被獲得。灰階圖案1900(圖19)包含形成具有直角之實質上三角形形狀之多個點1904，並於三角形形狀之直角之一個角落顯露一最暗點1902。因為圖19中之倒灰階(inverted gray scale)，最暗光點1902實際上為一實際影像中之最亮光點。
因為三次函數之使用，三角形形狀為沿著水平與垂直軸線之延伸相位調變之結果。舉例而言，如果已經使用一循環對稱相位函數，則所產生之PSF亦將是循環對稱的。
因為遍及相反符號之一第三階相位偏差(三次相位函數)之疊加之第二階相位偏差(散焦)之結果，橫向位移出現，藉以產生具有按照散焦變化之斜率之一線性相位項。一線性相位斜率之傅立葉變換為與斜率成比例(因此，與散焦之數量成比例)之一空間的轉變。另一方面，散焦之數量係與於場景之一既定點與最佳聚焦之平面之間的距離成比例。
圖20之灰階圖案2000包含主要沿著X軸線與Y軸線之多個點2004以及靠近X軸線與Y軸線之交點之最暗光點2002。圖21之灰階圖案2100包含靠近X軸線與Y軸線之多條暗條紋2106。灰階圖案2100亦包含遠離X軸線與Y軸線之多條較亮的條紋2104。為清楚起見，影像使用倒色階(亦即，暗光點表示較強的光亮度之點)。因此，一"亮條紋"實際上將具有比一"暗條紋"更少光。最暗光點2102靠近X軸線與Y軸線之交點。因此，在系統200或300中可見的灰階圖案2000與2100之光點2002與2102似乎比在系統100中看到的各個光點1702與1802更暗且更緊密的多，藉以表示一種偵測於散焦下之一單點之更好的能力。
在於最佳聚焦下之小光點1602以及於散焦下之較大的圓形光點1702與1802(圖16-18)之間的差異，係遠大於在於最佳聚焦下之最暗光點1902以及於散焦下之最暗光點2002與2102之間的差異。換言之，系統200或300比習知系統100更好可以於各種數量之散焦下偵測單點，其亦可藉由比較習知光學系統100之投影機102之PSF與系統200或300之投射臂220或320之PSF而說明。取像系統通常假設是線性的，在這情況下應用疊加。亦即，任何影像可被分解成點之總和，且正確偵測或投射單點之能力表示正確偵測或投射形成任何既定影像之多重點之能力。
圖22-24為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之習知系統100之投影機102之PSF2200、2300以及2400之三維圖式。於最佳聚焦下之PSF 2200相當不同於在五個波之散焦下之PSF 2300以及於八個波之散焦下之PSF 2400。主峰部2202、2302以及2402分別對應至圖16、17以及18之最暗或最亮光點1602、1704以及1804。最暗光點1602將是在一實際影像中之最亮光點，因為灰階係被倒轉以使影像在一白色(紙)背景中更易於想像。在PSF之間的大差異暗示其難以於五個波之散焦或八個波之散焦下由習知系統100偵測一點。
圖25-27為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之具有第一波前編碼元件208或308之系統200或300之投射臂220或320之PSF2500、2600以及2700之三維圖式。參見圖25，於最佳聚焦下之PSF 2500包含一主峰部2502以及多個靠近主峰部2502之小峰部2504。參見圖26，於五個波之散焦下之PSF 2600包含一主峰部2602以及多個靠近主峰部2602之弱峰部2604。參見圖27，於八個波之散焦下之PSF 2700仍然包含一主峰部2702以及多個靠近主峰部2702之弱峰部2704。於八個波之散焦下之弱峰部2704似乎比於五個波之散焦下之弱峰部2604更顯著。主峰部2502、2602以及2702分別對應至圖19、20以及21之最暗光點1902、2002以及2102。不管聚焦或散焦，主峰部2502、2602以及2702可以由具有第一波前編碼元件208或308之光學系統200或300所偵測。換言之，在系統200或300中，於最佳聚焦下之PSF 2500類似於於散焦下之PSF 2600與2700。相較之下，在系統100中，於最佳聚焦下之PSF 2200與於散焦下之PSF2300與2400非常不同。更明確而言，系統200或300之PSF於大量的散焦下，甚至於八個波之散焦下並未改變太多。
圖28-30為分別於最佳聚焦、五個波之散焦以及八個波之散焦下之藉由習知系統100之灰階影像1600、1700以及1800之模擬等高線圖2800、2900以及3000。圖28-30是相關於它們個別的最大振幅被標準化，且於每個情況下使用十個等高線階層。又，將等高線圖2800、2900以及3000之圍繞最大的等高線階層放大，俾能清楚顯示細節。
圖31-33為分別藉由光學系統200或300之灰階影像1900、2000以及2100之模擬等高線圖3100、3200以及3300。如於圖31所顯示的，於最佳聚焦下之等高線圖3100包含一主峰部3102，其具有最大數目之封閉環路且靠近X軸線與Y軸線之交點。等高線圖3100亦包含多個較小峰部3104，其具有較少封閉環路且遠離X軸線與Y軸線以及X軸線與Y軸線之交點。影像1900之最暗光點1902對應至等高線圖3100之主峰部3102。因為圖19中之倒灰階，最暗光點1902實際上為一實際影像中之最亮光點。
參見圖32，於五個波之散焦下之等高線圖3200包含一主峰部3202，其具有靠近X軸線與Y軸線之交點之最大數目之封閉環路。等高線圖3200亦包含多個軸向峰部3204以及多個較小峰部3206，軸向峰部3204具有延長的環路且沿著X軸線與Y軸線，而較小峰部3206具有小數目之封閉環路且遠離X軸線與Y軸線以及X軸線與Y軸線之交點。
參見圖33，於八個波之散焦下之等高線圖3300類似於在最佳聚焦下之等高線圖3100以及在五個波之散焦下之等高線圖3200。等高線圖3300包含一主峰部3302，其具有靠近X軸線與Y軸線之交點之最大數目之封閉環路。然而，等高線圖3300之較小峰部3304具有較少環路且分別比等高線圖3100與3200之較小峰部3104與3206更分佈遠離X軸線與Y軸線。請注意到在圖31-33中，每個影像是相關於其各個最大振幅被標準化，且每張圖是圍繞最大的等高線階層被放大以便詳細顯示。又請注意到，在關於具全幅對焦之系統200或300之圖31-33之間的比例尺差異比在關於習知系統100之圖28-30之間的比例尺差異小得多。此種差異之理由為具有第一波前編碼元件208或308之取像系統200或300所提供之較大的PSF散焦不變性或全幅對焦。
以下提供具全幅對焦之光學系統之額外例子。圖34顯示光學系統300之一替代實施例3400。系統3400包含投射臂3420與偵測臂330。投射臂3420包含一光源3402、一光學透鏡3404以及一實體媒介3406。透鏡3404被置於距離光源3402大概一個焦距，凝聚來自光源3402之光，並實質上提供實體媒介3406均勻的照明。投射臂3420亦包含分光器310以允許透鏡312之雙使用，如關於系統300所說明的。實體媒介3406被置於距離雙用透鏡312大概一個焦距。一計算的電腦產生全像片被傳送至實體媒介3406。電腦產生全像片包含一網格遮罩之一第一電腦表現(未顯示)以及第一波前編碼元件308之傅立葉變換之一第二電腦表現。系統3400中之偵測臂330與其他元件係與系統300相同。
實體媒介3406可能是一種例如聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)之光學透明塑膠，其浮雕有一種利用由電腦產生全像片演算法所決定之相位變化調變透射光之透明性圖案。聚甲基丙烯酸甲酯允許以相當低的成本創造一些電腦產生全像片。系統3400勝過系統300之一項優點為圖3之網格遮罩304、透鏡306B以及第一波前編碼元件308並不需要實體上存在。然而，用以照明浮雕實體媒介3406之光源3402必須提供至少局部地相干光(partially coherent light)。光源3402可能是一雷射二極體，以提供在光源之間的一相當高的信號雜訊比與效率。光源3402亦可以是一LED，用以以比雷射二極體相對較低的成本提供令人滿意的結果。
電腦產生全像片可能藉由使用一電腦演算法而產生。一期望影像之一電腦表現首先由電腦演算法所產生，電腦演算法包含網格遮罩304之一第一電腦表現以及第一波前編碼元件308之一第二電腦表現。接著，例如Beamprop之一電腦演算法計算出位於實體上設置有電腦產生全像片之一平面之一光學波前。一般而言，一網格投射發生於電腦產生全像片之一傅立葉平面。電腦產生全像片可能經由使用一種電腦產生全像片規定(例如羅曼全息圖(Lohmann hologram))而被計算，並以一種供實體媒介3406之製造用之形式，譬如以於各種位置之變化高度之棒之形式，或一表面凸紋圖案被提供。一初始電腦產生全像片可能藉由期望影像之一傅立葉變換而提供。然後，一中間電腦產生全像片可能藉由使用電腦演算法而計算出以獲得一錯誤影像，其為在期望影像與中間影像之間的差異。藉由使用例如梯度下降法或重量微擾之最佳化技術，中間電腦產生全像片可能被修正，直到最後的電腦產生全像片獲得在錯誤影像中之最小誤差為止。應用光學，第5卷，第6期，第967-969頁(1966)之由B.R.Brown以及A.W.Lohmannn所著之"具有二進位遮罩之複雜空間濾光(Complex Spatial Filtering with Binary Masks)"中提供關於電腦產生全像片之更多細節。
熟習本項技藝者將明白光學系統200或300可具有各種組態。在一特定實施例中，分光器310可能是可移動或可移除的，例如在習知之影像擷取期間減少光之損失。分光器310並非是100%反射，且朝向物體318由分光器310所投射之至少某些光將會損失。
在三維影像擷取中，一取像系統之一體積解析度(volumetric resolution)是受限於系統的能力，用以辨別物體空間中的個別點，並正確決定它們在三維空間中的位置。物體空間為在一物體周圍的物理空間。相較之下，影像空間為在物體之影像周圍的空間。舉例而言，在圖3中，關於投影機臂320之物體空間將是在網格遮罩304周圍，而關於偵測器臂330之物體空間將是在物體318周圍。物體318位在關於投影機臂320之影像空間中，但位在關於偵測器臂330之物體空間中。偵測器316位在關於偵測器臂330之影像空間中。
物體空間中之個別點可以由網格影像之交叉點之"質心"所決定，亦即，藉由正確使網格線矩心與它們的各個網格交叉點互有關聯而決定。系統200或300之投射臂220或320之點擴散函數(PSF)關於散焦比習知系統100之投影機102之PSF實質上改變更少。此外，第一波前編碼元件208或308在強度之調變中，以一最小損失提供景深之顯著的增加。因此，網格線矩心可能在散焦之後更清楚地被識別，藉以以一種大得多的DOF產生體積或空間分辨率之實質上的增加。結構照明藉由收集遍及物體空間之一較大體積中的資訊，來增加體積解析度或空間分辨率。藉由增加DOF，增加了體積的解析度。
雖然已說明數個實施例，但熟習本項技藝者將認定在不背離揭露書之精神之下可能使用各種修改、替代構造以及等效設計。此外，一些熟知數學導數與運算式、流程與元素尚未被說明，以便避免不必要的模糊化本揭露書。因此，上述說明不應被視為限制揭露書之範疇。
因此吾人應注意到包含於上述說明中或顯示於附圖中之物質應被解釋成例示的而非在一限制意義中。以下申請專利範圍意圖覆蓋於此所說明的通稱與具體特徵，與本方法與系統之範疇之所有陳述。
100、200、300．．．光學系統
102、202．．．投影機
104、204、316．．．偵測器
106、206、318．．．物體
208、308、314．．．第一波前編碼元件
210、304．．．網格遮罩
214．．．第二波前編碼元件
220、320、3420．．．投射臂
222．．．元件
230、330．．．偵測臂
302、3402．．．光源
306、306A．．．準直透鏡
306B、312、322、3404．．．透鏡
310．．．分光器
320A、330A．．．傅立葉平面
332、332a．．．光束
334．．．反射表面
340A、340B、355A、355B．．．末端
350、360．．．光軸線
370A、370B．．．座標系統
400、500、600、700、800、900、1600、1700、1800、1900、2000、2100．．．灰階圖案
702、802、902、1002、1302、1402、1502．．．網格線
1000、1100、1200、1300、1400、1500、2800、2900、3000、3100、3200、3300、3204．．．等高線圖
1602、1704、1804．．．最亮光點
1702、1802．．．光點
1902、2002、2102．．．最暗光點
1904、2004．．．點
2104．．．較亮的條紋
2106．．．暗條紋
2200、2300、2400、2500、2600、2700．．．點擴散函數
(PSF)
2202、2302、2402、2502、2602、2702、3102、3202、3302．．．主峰部
2504．．．小峰部
2604、2704．．．弱峰部
3104、3206、3304．．．較小峰部
3400．．．替代實施例
3406．．．實體媒介
圖1為一種供物體之結構式照明用之習知光學系統之簡化圖。
圖2為在一實施例中之具全幅對焦之光學系統之簡化圖。
圖3為在一實施例中之具全幅對焦之折疊式光學系統。
圖4為於最佳聚焦下之由圖1之習知光學系統看到的網格之灰階影像。
圖5為於五個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的網格之灰階影像。
圖6為於八個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的網格之灰階影像。
圖7為於最佳聚焦下之由圖2或圖3之全幅對焦光學系統看到的網格之灰階影像。
圖8為於五個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的網格之灰階影像。
圖9為於八個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的網格之灰階影像。
圖10為於最佳聚焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖4之網格之等高線圖。
圖11為於五個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖5之網格之等高線圖。
圖12為於八個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖6之網格之等高線圖。
圖13為於最佳聚焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖7之網格之等高線圖。
圖14為於五個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖8之網格之等高線圖。
圖15為於八個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖9之網格之等高線圖。
圖16為於最佳聚焦下之由圖1之習知光學系統看到的點(例如網格之交點)之灰階影像。
圖17為於五個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖16之點之灰階影像。
圖18為於八個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖16之點之灰階影像。
圖19為於最佳聚焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的點(例如網格之交點)之灰階影像。
圖20為於五個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖19之點之灰階影像。
圖21為於八個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖19之點之灰階影像。
圖22為於最佳聚焦下之圖1之習知光學系統之點擴散函數(PSF)。
圖23為於五個波之散焦下之圖1之習知光學系統之PSF。
圖24為於八個波之散焦下之圖1之習知光學系統之PSF。
圖25為於最佳聚焦下之圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統之PSF。
圖26為於五個波之散焦下之圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統之PSF。
圖27為於八個波之散焦下之圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統之PSF。
圖28為於最佳聚焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖16之點之等高線圖。
圖29為於五個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖17之點之等高線圖。
圖30為於八個波之散焦下之由圖1之習知光學系統看到的圖18之點之等高線圖。
圖31為於最佳聚焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖19之點之等高線圖。
圖32為於五個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖20之點之等高線圖。
圖33為於八個波之散焦下之由圖2或圖3之具全幅對焦之光學系統看到的圖21之點之等高線圖。
圖34為在一替代實施例中之具全幅對焦之光學系統之簡化圖。
300．．．光學系統
316．．．偵測器
318．．．物體
308、314．．．第一波前編碼元件
304．．．網格遮罩
320．．．投射臂
330．．．偵測臂
302．．．光源
306、306A．．．準直透鏡
306B、312、322．．．透鏡
310．．．分光器
320A、330A．．．傅立葉平面
332、332a．．．光束
334．．．反射表面
340A、340B、355A、355B．．．末端
350、360．．．光軸線
370A、370B．．．座標系統

Claims (48)

  1. 一種用以擷取一物體之三維影像之光學系統，該光學系統包含一供該物體之結構式照明用之投影機，其中該投影機包含：一光源；一網格遮罩，其安置在該光源與該物體之間，以供該物體之結構式照明用；一第一波前編碼元件，其具有安置在該網格遮罩與該物體之間的一相位調變遮罩，用以經由該網格遮罩接收來自該光源之圖案化的光，其中該第一波前編碼元件被建構並配置成：相較於不具有該第一波前編碼元件之該投影機之一點擴散函數，在涵蓋該網格遮罩之景深有一較寬的範圍時，能使該投影機之一點擴散函數實質上維持不變；以及其中該景深為相對於該光源之一中心波長之散焦之一波之至少一半。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該第一波前編碼元件被設計成用以沿著該網格遮罩之複數條網格線集中至少60%之相位調變。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，更包含一偵測器，用以利用來自該投影機之結構式照明偵測該物 體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，更包含一個位於該物體與該偵測器之間之第二波前編碼元件，以使在該偵測器上之該物體之一第一影像與該網格遮罩之一第二影像具有一個比不具有該第二波前編碼元件的影像來得更大的景深。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第二波前編碼元件包含一循環對稱波前編碼元件。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學系統，其中該循環對稱波前編碼元件被表示成P(ρ)=f(ρ)，其中ρ2 =x2 +y2 ，ρ為該偵測器之一傅立葉平面之一半徑，而f(ρ)為一高階多項式。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第一波前編碼元件與第二波前編碼元件之每一個包含一循環對稱波前編碼元件。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一弱非可分離函數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光學系統，其中關於該第一波前編碼元件之該弱非可分離函數被表示為P(x,y) ，關於該第二波前編碼元件之該 弱非可分離函數被表示為βj (-Y')j +γ(-X')i (-Y')j ，i與j為正整數，其中Y'軸線位在與Y軸線相同的方向，Z'軸線位在與X軸線相同的方向，而X'軸線位在z軸線之相反方向。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一高階可分離函數。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學系統，其中關於該第一波前編碼元件之該高階可分離函數被表示為P(x,y) ，而關於該第二波前編碼元件之該高 階可分離函數被表示為βj (-Y')j ，其中Y'軸線位在與Y軸線相同的方向，Z'軸線位在與X軸線相同的方向，而X'軸線位在z軸線之相反方向。
  12. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一個三次函數。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光學系統，其中關於該第一波前編碼元件之該三次函數被表示為αx3 +βy3 ，而關於該第二波前編碼元件之該三次函數被表示為-(αX'3 +βY'3 )，其中Y'軸線位在與Y軸線相同的方向，Z'軸線位在與X軸線相同的方向，以及X'軸線位在z軸線之相反方向。
  14. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該第二波前編碼元件被設計成是可移動或可移除的。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該網格遮罩與該第一波前編碼元件為單一元件之一部分，該單一元件包含一模壓塑膠。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中來自該光源之光包含可見光與紅外光之至少一者。
  17. 一種用以擷取一物體之三維影像之折疊式光學系統，該光學系統包含一供該物體之結構式照明用之投影機，其中該投影機包含：一光源； 一網格遮罩，安置在該光源與該物體之間，以供該物體之結構式照明用，一第一波前編碼元件，具有安置在該網格遮罩與該物體之間之一相位調變遮罩；以及一分光器，其位在該第一波前編碼元件與該物體之間，用以改變來自該光源之一光方向，其中該第一波前編碼元件被建構並配置成：相較於不具有該第一波前編碼元件之該投影機之一點擴散函數，能使該投影機之一點擴散函數對於該網格遮罩之一景深較不敏感。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之折疊式光學系統，其中該景深為相對於該光源之一中心波長之散焦之一波之至少一半。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之折疊式光學系統，其中該第一波前編碼元件被設計成用以沿著複數條網格線集中至少60%之相位調變。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之折疊式光學系統，更包含一個用以偵測該物體之偵測部分，其中該偵測部分包含一偵測器，其中該分光器安置在該偵測器與該物體之間。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之折疊式光學系統，其中該偵測部分包含一個安置在該分光器與該偵測器之間之第二波前編碼元件，以使在該偵測器上之該物體之一第一影像與該網格遮罩之一第二影像具有一個比不具有該第二波前編碼元件的影像來得更大的景深。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之折疊式光學系統，其中該第二波前編碼元件包含一循環對稱波前編碼元件。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之折疊式光學系統，其中該第一波前編碼元件與該第二波前編碼元件之每一個包含一循環對稱波前編碼元件。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之折疊式光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一弱非可分離函數。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之折疊式光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一高階可分離函數。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之折疊式光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一個三次函數。
  27. 如申請專利範圍第17項所述之折疊式光學系統，其中來自該光源之光包含可見光與紅外光之至少一者。
  28. 如申請專利範圍第17項所述之折疊式光學系統，其中該分光器被設計成是可移動或可移除的。
  29. 一種用以擷取一物體之三維影像之光學系統，該光學系統包含一供該物體之結構式照明用之投影機，其中該投影機包含：一光源；一實體媒介，其依據一電腦產生全像片被浮雕以具有一表面凸紋圖案，該實體媒介安置在該光源與該物體之間以供該物體之結構式照明用，其中該電腦產生全像片包含一網格遮罩之一第一電腦表現與一第一波前編碼元件之一第二電腦表現；以及一分光器，其位在該實體媒介與該物體之間，用以改變來自該光源之一光方向，其中該實體媒介被建構並配置成：能使該投影機之一點擴散函數相較於不具有該實體媒介之該投影機之一點擴散函數，對於該實體媒介之一景深較不敏感。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之光學系統，其中該景深為相對於該光源之一中心波長之散焦之一波之至少一半。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之光學系統，其中該光源包含雷射二極體與發光二極體之至少一者，其中來自該光源之光至少局部相干。
  32. 如申請專利範圍第29項所述之光學系統，其中該實體媒介包含一透明塑膠。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之光學系統，其中該塑膠包含聚甲基丙烯酸甲酯。
  34. 如申請專利範圍第29項所述之光學系統，其中該第一波前編碼元件被設計成用以沿著複數條網格線集中至少60%之相位調變。
  35. 如申請專利範圍第29項所述之光學系統，更包含一個用以偵測該物體之偵測部分，其中該偵測部分包含一偵測器，其中該分光器安置在該偵測器與該物體之間。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之光學系統，其中該偵測部分包含一個安置在該分光器與該偵測器之間的第二波前編碼元件，以使在該偵測器上之該物體之一第一影像與該實體媒介之一第二影像具有一個比不具有該第二波前編碼元件的影像來得更大的景深。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之光學系統，其中該第二波前編碼元件包含一循環對稱波前編碼元件。
  38. 如申請專利範圍第36項所述之光學系統，其中該第一波前編碼元件與該第二波前編碼元件之每一個包含一循環對稱波前編碼元件。
  39. 如申請專利範圍第36項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一弱非可分離函數。
  40. 如申請專利範圍第36項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一高階可分離函數。
  41. 如申請專利範圍第36項所述之光學系統，其中該第一與第二波前編碼元件之每一個包含一個三次函數。
  42. 一種用以擷取一三維物體之一影像之方法，包含下列步驟：從一投影機投射經由一網格遮罩與一相位調變遮罩以產生圖案化的光；以該圖案化的光照明該三維物體以一偵測器擷取由該三維物體所反射之圖案化的 光；以及在擷取之步驟之前，經由一第二相位調變遮罩投射由該三維物體所反射之該圖案化的光。
  43. 一種用以擷取一三維物體之一影像之方法，包含下列步驟：從一投影機投射圖案化的光朝向該三維物體，其中該投影機包含一光源與依據一電腦產生全像片被浮雕以具有一表面凸紋圖案之一實體媒介，該實體媒介安置在該光源與該物體之間以供該物體之結構式照明用，其中該電腦產生全像片包含一網格遮罩之一第一電腦表現與一第一波前編碼元件之一第二電腦表現；使該圖案化的光照明至該三維物體上；以及以一偵測器擷取該三維物體之複數個影像，其中該實體媒介被建構並配置成能使該投影機之一第一點擴散函數比不具有該實體媒介之該投影機之一點擴散函數對於該實體媒介之一景深較不敏感。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之方法，更包含置放一第二波前編碼元件在該三維物體與該偵測器之間，用以對因該第一波前編碼元件所產生之複數個橫向位移加以補償。
  45. 如申請專利範圍第44項所述之方法，其中該景深為散 焦之中心波長之至少一半。
  46. 如申請專利範圍第43項所述之方法，更包含放射來自該光源之至少局部地相干光。
  47. 如申請專利範圍第43項所述之方法，其中該實體媒介包含一透明塑膠。
  48. 如申請專利範圍第47項所述之方法，其中該塑膠包含聚甲基丙烯酸甲酯。
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