專利名稱：具全幅對(duì)焦的3d影像擷取裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
美國(guó)專利第5，748，371號(hào)(1998年5月5日發(fā)證，名稱為"全幅對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)(Extended Depth of field Optical systems)"，于此并入作參考。美國(guó)專利第6，069，738號(hào)(2000年5月30日發(fā)證，名稱為"延伸影像投射系統(tǒng)的景深的裝置及方法(Apparatusand Methods for Extending Depth of field in Image Projection Systems)"),于此并入作參考。美國(guó)專利第6，525，302號(hào)(2003年2月25日發(fā)證，名稱為"波前編碼相位對(duì)比取像系統(tǒng)(Wavefront Coding Phase Contrast Imaging Systems)")于此并入作參考。國(guó)際專利申請(qǐng)案PCT/US2006/036556(申請(qǐng)日為2006年9月19日，名稱為"任務(wù)式取像系 統(tǒng)(Task-based Imaging Systems)"，于此并入作參考。本發(fā)明是有關(guān)于一種具全幅對(duì)焦的3D影像擷取裝置及方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)式照明(SI)或圖案化照明將狹小光帶投射至3D場(chǎng)景上，用以產(chǎn)生多條出現(xiàn)扭曲的照明線。扭曲可被取像并用以通過(guò)扭曲線的位置的三角測(cè)量來(lái)將一個(gè)或多個(gè)物體的表面形狀重建在場(chǎng)景內(nèi)。平行條紋的圖案已經(jīng)廣泛被使用在結(jié)構(gòu)式照明中。兩種關(guān)于條紋圖案產(chǎn)生的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激光束以產(chǎn)生有規(guī)則的線圖案。不同的圖案尺寸可通過(guò)改變這些光束的角度而獲得。這方法產(chǎn)生具有未受限的景深的細(xì)微圖案。然而，雷射干涉技術(shù)具有一些缺點(diǎn)，包括與實(shí)施相關(guān)的高成本，無(wú)法調(diào)變個(gè)別條紋，以及與從物體反射的光束的可能干擾。另一方面，投射方法使用一種具有非相干(incoherent)光源的投影機(jī),用以產(chǎn)生圖案化的光(例如視頻投影機(jī))。圖案可能通過(guò)在投影機(jī)內(nèi)的顯示器(例如液晶顯示器(LCD))而產(chǎn)生。仍然維持有一種對(duì)于發(fā)展以高分辨率且低成本擷取3D影像的系統(tǒng)與方法的需求。再者，存在有一種對(duì)于透過(guò)寬廣景深(DOF)偵測(cè)投射線的強(qiáng)健方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本揭露內(nèi)容通過(guò)提供一種具全幅對(duì)焦的3D影像擷取系統(tǒng)而推進(jìn)此技藝。3D影像擷取系統(tǒng)合并波前編碼(WFC)組件以延伸景深。在實(shí)施例中，提供一種用以擷取3D物體的3D影像的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括投影機(jī)以供物體的結(jié)構(gòu)式照明用。投影機(jī)包括光源；網(wǎng)格屏蔽，安置在光源與供物體的結(jié)構(gòu)式照明用的物體之間；以及第一波前編碼(WFC)組件，具有安置在網(wǎng)格屏蔽與物體之間的相位調(diào)變屏蔽，用以通過(guò)網(wǎng)格屏蔽接收來(lái)自光源的圖案化的光。第一 WFC組件被建構(gòu)并配置成能使投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有第一 WFC組件的投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)遍及更寬的網(wǎng)格屏蔽的景深的范圍實(shí)質(zhì)上維持不變。在另實(shí)施例中，提供一種用以擷取3D物體的影像的折迭式光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括投影機(jī)以供物體的結(jié)構(gòu)式照明用。投影機(jī)包括光源；網(wǎng)格屏蔽，安置在光源與供物體的結(jié)構(gòu)式照明用的物體之間；第一波前編碼(WFC)組件，具有安置在網(wǎng)格屏蔽與物體之間的相位調(diào)變屏蔽，以及分光器，在第一 WFC組件與物體之間，用以改變來(lái)自光源的光方向。第一 WFC組件被建構(gòu)并配置成能使投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有第一 WFC組件的投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于網(wǎng)格屏蔽的景深較不敏感。在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供一種用以擷取3D物體的影像的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括投影機(jī)以供物體的結(jié)構(gòu)式照明用。投影機(jī)包括光源 ，以及依據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全像片(CGH)被浮雕以具有表面凸紋圖案的實(shí)體媒介。實(shí)體媒介被安置在光源與物體之間以供物體的結(jié)構(gòu)式照明用。CGH包括網(wǎng)格屏蔽的第一計(jì)算機(jī)表現(xiàn)與第一波前編碼(WFC)組件的第二計(jì)算機(jī)表現(xiàn)。光學(xué)系統(tǒng)亦包括在實(shí)體媒介與物體之間的分光器，用以改變來(lái)自光源的光方向。實(shí)體媒介被建構(gòu)并配置成能使投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有實(shí)體媒介的投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于實(shí)體媒介的景深較不敏感。在實(shí)施例中，提供一種用以擷取3D物體的影像的方法。此方法包括(1)從投影機(jī)投射光通過(guò)網(wǎng)格屏蔽與相位調(diào)變屏蔽以產(chǎn)生圖案化的光；(2)以圖案化的光照明3D物體；以及(3)以偵測(cè)器擷取由3D物體所反射的圖案化的光。在實(shí)施例中，提供一種用以擷取3D物體的影像的方法。此方法包括從投影機(jī)朝向3D物體投射圖案化的光，于此投影機(jī)包括光源與依據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全像片(CGH)被浮雕以具有表面凸紋圖案的實(shí)體媒介，實(shí)體媒介被安置在光源與供物體的結(jié)構(gòu)式照明用的物體之間。CGH包括網(wǎng)格屏蔽的第一計(jì)算機(jī)表現(xiàn)與第一波前編碼(WFC)組件的第二計(jì)算機(jī)表現(xiàn)。此方法亦包括將圖案化的光照明至3D物體上。此方法還包括以偵測(cè)器擷取3D物體的影像，其中實(shí)體媒介被建構(gòu)并配置成能使投影機(jī)的第一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有實(shí)體媒介的投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于實(shí)體媒介的景深較不敏感。額外實(shí)施例與特征是在下述說(shuō)明中被提出，且所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在說(shuō)明書的檢驗(yàn)時(shí)將更明白或可能通過(guò)本發(fā)明的實(shí)行而學(xué)到。本發(fā)明的本質(zhì)與優(yōu)點(diǎn)的更進(jìn)一步的理解可能參考說(shuō)明書的其余部分而被實(shí)現(xiàn)。


圖I為一種供物體的結(jié)構(gòu)式照明用的已知光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。圖2為在實(shí)施例中具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。圖3為在實(shí)施例中具全幅對(duì)焦的折迭式光學(xué)系統(tǒng)。圖4為于最佳聚焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖5為于五個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖6為于八個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖7為于最佳聚焦下由圖2或圖3的全幅對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖8為于五個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖9為于八個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的網(wǎng)格的灰階影像。圖10為于最佳聚焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖4的網(wǎng)格的等高線圖。
圖11為于五個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖5的網(wǎng)格的等高線圖。圖12為于八個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖6的網(wǎng)格的等高線圖。圖13為于最佳聚焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖7的網(wǎng)格的等聞線圖。圖14為于五個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖8的網(wǎng)格的等聞線圖。圖15為于八個(gè)波散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖9的網(wǎng)格的等聞線圖。圖16為于最佳聚焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的點(diǎn)(例如網(wǎng)格的交點(diǎn))的灰階影像。圖17為于五個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖16的點(diǎn)的灰階影像。圖18為于八個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖16的點(diǎn)的灰階影像。圖19為于最佳聚焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的點(diǎn)(例如網(wǎng)格的交點(diǎn))的灰階影像。圖20為于五個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖19的點(diǎn)的灰階影像。圖21為于八個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖19的點(diǎn)的灰階影像。圖22為于最佳聚焦下圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)。圖23為于五個(gè)波的散焦下圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)的PSF。圖24為于八個(gè)波的散焦下圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)的PSF。圖25為于最佳聚焦下圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)的PSF。圖26為于五個(gè)波的散焦下圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)的PSF。圖27為于八個(gè)波的散焦下圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)的PSF。圖28為于最佳聚焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖16的點(diǎn)的等高線圖。圖29為于五個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖17的點(diǎn)的等高線圖。圖30為于八個(gè)波的散焦下由圖I的已知光學(xué)系統(tǒng)看到的圖18的點(diǎn)的等高線圖。
圖31為于最佳聚焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖19的點(diǎn)的等聞線圖。圖32為于五個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖20的點(diǎn)的等聞線圖。圖33為于八個(gè)波的散焦下由圖2或圖3的具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)看到的圖21的點(diǎn)的等聞線圖。圖34為在替代實(shí)施例中具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。
具體實(shí)施例方式本揭露內(nèi)容可能參考下述與圖式相關(guān)聯(lián)被考慮的詳細(xì)說(shuō)明而得以理解。吾人可注意到，為了說(shuō)明清楚的目的，附圖中的某些組件并未按比例繪制。為清楚起見，可能省略出現(xiàn)多次項(xiàng)的參考數(shù)字。在可能的情況下，遍及圖式與下述說(shuō)明系使用相同的參考數(shù)字以表示相同的或類似的部分。結(jié)構(gòu)式照明可通過(guò)網(wǎng)格投射圖案化的光至物體上，用以通過(guò)測(cè)量網(wǎng)格的表面失真來(lái)擷取物體的表面斜率。這個(gè)結(jié)構(gòu)式照明技術(shù)需要投射并偵測(cè)網(wǎng)格的細(xì)微線遍及SI系統(tǒng)的擷取量。因此,一種已知的SI系統(tǒng)的擷取量(capture volume)受限于系統(tǒng)的景深，以使難以正確投射及/或偵測(cè)網(wǎng)網(wǎng)格線與它們的交叉點(diǎn)遍及大的擷取量。波前編碼("WFC")為一種用以延伸光學(xué)系統(tǒng)的景深及用以校正光學(xué)像差的方法。舉例而言，WFC利用特別設(shè)計(jì)的相位屏蔽以產(chǎn)生具有全幅對(duì)焦或聚焦("EdoF"或"ED0F")的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)("PSF")描述取像系統(tǒng)對(duì)于點(diǎn)源或點(diǎn)物體的反應(yīng)。舉例而言，WFC可能使用一種使影像均勻模糊不清的立方體的相位屏蔽。數(shù)字影像處理器接著可移除模糊(例如，當(dāng)期望可視影像時(shí))。然而，可能犧牲動(dòng)態(tài)范圍以延 伸景深。亦即，取像系統(tǒng)的調(diào)變轉(zhuǎn)換函數(shù)(其可被看作是對(duì)比的測(cè)定)在如偵測(cè)到的影像數(shù)據(jù)中的某個(gè)空間頻率中可能是低的。調(diào)變轉(zhuǎn)換函數(shù)可利用影像處理而被增加，但放大低對(duì)比信號(hào)一般亦放大于相同空間頻率下的噪聲。本揭露書提供整合取像系統(tǒng)與WFC以延伸景深，用以低成本地?cái)X取3D影像的系統(tǒng)與方法。更明確而言，這些系統(tǒng)使用第一 WFC組件以遍及全幅對(duì)焦投射結(jié)構(gòu)式照明的網(wǎng)格，并使用可選擇的第二 WFC組件以遍及全幅對(duì)焦偵測(cè)結(jié)構(gòu)式照明的網(wǎng)格。WFC組件亦可減少關(guān)于色彩編碼的結(jié)構(gòu)式照明的色像差。圖I為一種供物體的結(jié)構(gòu)式照明用的已知光學(xué)系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化圖。已知的光學(xué)系統(tǒng)100可包括投影機(jī)102及用以觀看物體106的偵測(cè)器104 (例如照相機(jī))。投影機(jī)102包括用以朝向物體106放射光的光源。偵測(cè)器104接收來(lái)自物體106的散射或繞射光。圖2為一種具全幅對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)200的簡(jiǎn)化圖。系統(tǒng)200包括投射臂220與偵測(cè)臂230，投射臂220具有投影機(jī)202，投影機(jī)202具有第一 WFC組件208，而偵測(cè)臂230具有偵測(cè)器204 (例如照相機(jī))，偵測(cè)器204具有可選擇的第二 WFC組件214。來(lái)自投影機(jī)202的光通過(guò)第一 WFC組件208并碰到物體206。從物體206朝向偵測(cè)器204的光散射或繞射通過(guò)第二 WFC組件214。投影機(jī)202可包括網(wǎng)格屏蔽210以供結(jié)構(gòu)式照明用。第一 WFC組件208提供網(wǎng)格210相位調(diào)變，以使網(wǎng)格210于最佳聚焦下，在系統(tǒng)200中比在已知系統(tǒng)100中似乎較不銳利。然而，將第一 WFC組件208并入系統(tǒng)200允許投影機(jī)202的網(wǎng)格210被偵測(cè)遍及景深的較寬范圍，以使網(wǎng)格210的矩心可能透過(guò)景深的較寬范圍而正確被決定。雖然系統(tǒng)200具有全幅對(duì)焦，但因?yàn)椴⑷氲谝?WFC組件208的結(jié)果，于最佳聚焦下可能減少系統(tǒng)200中的信號(hào)噪聲比(SNR)?？蛇x擇的第二 WFC組件214被并入系統(tǒng)200中以供補(bǔ)償因第一 WFC組件208而產(chǎn)生的橫向位移。然而，第二 WFC組件214可能使影像模糊不清。第二 WFC組件214可能是可移動(dòng)或可移除的，且只有在需要用以對(duì)橫向位移加以補(bǔ)償時(shí)被使用。以下更進(jìn)一步討論第一與第二 WFC組件。系統(tǒng)200的一項(xiàng)限制為物體206不應(yīng)但可能阻礙來(lái)自投影機(jī)202的照明。在系統(tǒng)200中，投影機(jī)202與偵測(cè)器204并未對(duì)準(zhǔn)。投影機(jī)與偵測(cè)器較佳是可對(duì)準(zhǔn)，以使來(lái)自投影機(jī)的光碰到物體，且光朝與如可由系統(tǒng)偵測(cè)到的光的輸入方向相同的方向返回散射朝向偵測(cè)器。對(duì)準(zhǔn)的投影機(jī)與偵測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)為被投射光學(xué)所照明的所有表面對(duì)接收光學(xué)是"可見的"，而反之亦然。某些物體可能在其它物體后方，但將照明對(duì)接收光學(xué)是"可見的"至少所有物體。為這種具有與偵測(cè)器對(duì)準(zhǔn)的投影機(jī)的系統(tǒng)提供例子。圖3為一種具全幅對(duì)焦的折迭式光學(xué)系統(tǒng)300。折迭式光學(xué)系統(tǒng)300包括以虛線為界限的照明臂或投射臂320以及偵測(cè)臂330。投射臂320可包括光源302、網(wǎng)格屏蔽304、準(zhǔn)直透鏡306A、第一 WFC組件308、透鏡306B、雙用途折迭分光器310，以及雙用透鏡(dual-purpose lens) 312。偵測(cè)臂330包括透鏡312、分光器310、可選擇的第二 WFC組件314、透鏡322，以及偵測(cè)器316。分光器310與透鏡312被使用于投射臂320及偵測(cè)器臂330兩者以提供雙用途。在投射臂320中，來(lái)自光源302的光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡306A而被凝聚，其可能位于距離光源302大概一個(gè)焦距。準(zhǔn)直透鏡306A提供網(wǎng)格屏蔽304均勻的照明。透鏡306B可能被置于距離網(wǎng)格屏蔽304大概一個(gè)焦距，并以傅立葉 方式變換網(wǎng)格屏蔽304的影像。傅立葉平面為在垂直于光學(xué)軸線的空間中的平面，于此影像通過(guò)透鏡而被進(jìn)行傅立葉變換。對(duì)于在透鏡前的一個(gè)焦距的影像而言，其傅立葉變換是在透鏡后的一個(gè)焦距被發(fā)現(xiàn)。第一 WFC組件308安置在透鏡306B與分光器310之間且靠近投射臂320的傅立葉平面320A，以使網(wǎng)格屏蔽304維持良好聚焦遍且比沒有使用第一 WFC組件308的更長(zhǎng)的距離。傅立葉平面320A大概距離透鏡312 —個(gè)焦距以及距離透鏡306B —個(gè)焦距。透鏡312為雙用透鏡，其運(yùn)作為供投射臂320用的投射鏡頭以及供偵測(cè)臂330用的傅里葉變換鏡頭。投射臂320中的第一 WFC組件308于最佳聚焦下，使得網(wǎng)格屏蔽304比已知光學(xué)系統(tǒng)100的網(wǎng)格屏蔽似乎較不銳利。因此，于最佳聚焦下，系統(tǒng)300的信號(hào)噪聲比可能低于已知光學(xué)系統(tǒng)100的信號(hào)噪聲比。然而,系統(tǒng)300允許網(wǎng)格屏蔽304遍及全幅對(duì)焦而被偵測(cè)，以使網(wǎng)格屏蔽304的矩心可能遍及全幅對(duì)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(dāng)系統(tǒng)300的用戶不想要物體318(例如人類或動(dòng)物)察覺到影像擷取時(shí)，可能使用紅外光。在替代實(shí)施例中，網(wǎng)格屏蔽304、準(zhǔn)直透鏡306以及第一 WFC組件308的一個(gè)或多個(gè)可能結(jié)合或并入單一組件222 (以虛線為界限)中，借以減少系統(tǒng)300所需要的部件數(shù)量與對(duì)準(zhǔn)步驟，并潛在地降低制造成本及增加系統(tǒng)的質(zhì)量及性能。網(wǎng)格屏蔽304可能是可移動(dòng)或可移除的，以使投射臂320可能用來(lái)照明物體318，借以使系統(tǒng)300類似照相機(jī)地?cái)X取物體318的簡(jiǎn)單影像。分光器310允許系統(tǒng)300通過(guò)改變來(lái)自投影機(jī)臂320的光方向而被折迭，俾能使其共享?xiàng)l具有被偵測(cè)器316所接收的光的光路徑。分光器310將來(lái)自光源302的輸入光束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的表面334，其至少局部反射來(lái)自表面334的光束332以形成朝向物體318的光束332a。光束332a碰到物體318，返回散射并傳輸通過(guò)分光器310，且可能通過(guò)可選擇的第二 WFC組件314，并在偵測(cè)器316上形成照明物體318的影像。分光器310亦可能是可移動(dòng)或可移除的，用以在不需要來(lái)自投射臂320的照明時(shí)，允許系統(tǒng)300的低光或低照明操作。分光器310的反射表面334譬如可能是半鍍銀鏡。表面334可能由一種具有薄金屬涂層(例如鋁)或介電涂層的玻璃板所構(gòu)成。表面334的反射對(duì)傳輸比率可隨著材料與波長(zhǎng)改變。在偵測(cè)臂330中，透鏡322操作為目鏡透鏡，借以形成影像至偵測(cè)器316上。透鏡322被置于距離偵測(cè)器316大概一個(gè)焦距。分光器310將來(lái)自物體318的光傳輸至偵測(cè)器316。第二 WFC組件314可能可選擇地被包括在內(nèi)以提供讓物體318的取像用的全幅對(duì)焦，及/或以補(bǔ)償因第一 WFC組件308而產(chǎn)生的橫向位移。
在實(shí)施例中，第一 WFC組件208或308可包括高階可分離(HOS)組件與高階近乎可分離(HONS)組件或弱非可分離組件。HOS及/或HONS組件具有集中它們?cè)谒脚c垂直方向(大部分的網(wǎng)格影像沿著其所配向的方向)的調(diào)變的益處。然而，HOS及/或HONS組件亦可按照散焦產(chǎn)生點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)的橫向位移，其意味著于各種深度的3D物體318的點(diǎn)在偵測(cè)器臂330的影像平面中具有不同的橫向位移。第二 WFC組件314可能被置于靠近偵測(cè)臂330的傅立葉平面330A，以增加不僅物體318的擷取影像而且增加投射的網(wǎng)格屏蔽304的擷取影像的D0F。傅立葉平面330A距離透鏡322大概一個(gè)焦距且遠(yuǎn)離透鏡312大概一個(gè)焦距。第二 WFC組件314可能是與第一WFC組件208或308相同的型式，但被旋轉(zhuǎn)俾能補(bǔ)償或校正由第一 WFC組件308所導(dǎo)致的橫向位移，如現(xiàn)在要說(shuō)明的。假設(shè)分光器310被使用以將投射與偵測(cè)臂320與330兩者結(jié)合至一個(gè)系統(tǒng)300中，且分光器包括位于45度角的反射表面334，則在包括第一 WFC組件308的投射臂320的光軸線350與包括第二 WFC組件314的偵測(cè)臂330的光軸線360之間將有90度的旋轉(zhuǎn)。舉例而言，投射臂320的光軸線350實(shí)質(zhì)上垂直于偵測(cè)器臂330的光軸線360。依據(jù)圖3所示的坐標(biāo)系統(tǒng)370A，第一 WFC組件308可具有在x與y坐標(biāo)上的相位輪廓以及沿著z軸線方向的光軸線350。依據(jù)圖3所示的坐標(biāo)系統(tǒng)370B，第二 WFC組件314具有在X'及Y'坐標(biāo)上的相位輪廓以及沿著Z'軸線的光軸線360。如圖3所顯示，第二 WFC組件314的Y'軸線位在與第一 WFC組件308的Y軸線相同的方向。第二 WFC組件314的Z'軸線繞著第一 WFC組件308的Y軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，以使第二 WFC組件314的Z'軸線位在與第一 WFC組件308的X軸線相同的方向。第二WFC組件314的V軸線與第一 WFC組件308的z軸線正相反，以使因第一 WFC組件308而產(chǎn)生的橫向位移可能由第二 WFC組件314所補(bǔ)償。第一 WFC組件308具有兩個(gè)末端340A與340B,末端340A位于比末端340B更正的x坐標(biāo)。關(guān)于第二 WFC組件314相對(duì)于第一 WFC組件308的方向，吾人可以想象第二 WFC組件314可從第一 WFC組件308的末端340A，繞著第一 WFC組件308的Y軸線逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90度。在90度旋轉(zhuǎn)的后，第二 WFC組件314圍繞第二 WFC組件314的V軸線快速移動(dòng)180度。在旋轉(zhuǎn)的后，第二 WFC組件314的端355B位于比第二 WFC組件314的第二端355A更正的X'坐標(biāo)。第二 WFC組件的末端355A與355B分別對(duì)應(yīng)至末端340A與340B。這種方式的在網(wǎng)格屏蔽304與偵測(cè)器316之間的所有點(diǎn)通過(guò)第一與第二 WFC組件308與314而經(jīng)歷大概相同的相位調(diào)變量，從而按照散焦補(bǔ)償任何因第一 WFC組件308而產(chǎn)生的橫向位移。通過(guò)在第一 WFC組件208或308中使用一種三次或HOS函數(shù)，大部分的調(diào)變被集中在X與y方向，于此網(wǎng)網(wǎng)格線不失真，譬如60%、80%、90%或更高。換言之，第一 WFC組件208或308被設(shè)計(jì)成用以沿著網(wǎng)網(wǎng)格線(例如圖7-9的網(wǎng)網(wǎng)格線702、802與902)集中大部分的相位調(diào)變。在實(shí)施例中，第一與第二WFC組件可包括弱非可分離函數(shù)(weakly non-separablefunction)。第一 WFC組件的弱非可分離函數(shù)可能被表示成
權(quán)利要求
1.一種用以擷取3D物體的影像的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一種供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用的投影機(jī)，其特征在于，所述投影機(jī)包括 光源； 網(wǎng)格屏蔽，安置在所述光源與所述物體之間，以供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用；以及第一波前編碼(WFC)組件，具有安置在所述網(wǎng)格屏蔽與所述物體之間的相位調(diào)變屏蔽，用以通過(guò)所述網(wǎng)格屏蔽接收來(lái)自所述光源的圖案化的光，其中所述第一 WFC組件被建構(gòu)并配置成能使所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有所述第一WFC組件的所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)遍及所述網(wǎng)格屏蔽的景深的較寬的范圍實(shí)質(zhì)上維持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述景深為相對(duì)于所述光源的中心波長(zhǎng)的散焦的波的至少一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件被設(shè)計(jì)成用以沿著所述網(wǎng)格屏蔽的多條網(wǎng)網(wǎng)格線集中至少60%的相位調(diào)變。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括偵測(cè)器，用以利用來(lái)自所述投影機(jī)的結(jié)構(gòu)式照明偵測(cè)所述物體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于所述物體與所述偵測(cè)器之間的第二 WFC組件，以使在所述偵測(cè)器上的所述物體的第一影像與所述網(wǎng)格屏蔽的第二影像具有比不具有所述第二 WFC組件的影像更大的景深。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二WFC組件包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)對(duì)稱WFC組件被表示成P(P) =f(p)，其中p2 = x2+y2，P為所述偵測(cè)器的傅立葉平面的半徑，而f (P)為高階多項(xiàng)式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件與第二 WFC組件的每一個(gè)包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括弱非可分離函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，關(guān)于所述第一WFC組件的所述弱非N N可分離函數(shù)被表示為ΣΣ . ...關(guān)于所述第二 WFC組件的所述弱P(x,y) = ' j OliX1 + Pjyj +γχ1 yj, N N非可分離函數(shù)被表示為ΣΣ印為 ρ(χ’,υ’)= 1 j ο^-χ’)1 + β|(-Υ7+ γ(-χ’)丨(-y')j，正整數(shù)，其中r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Γ軸線位在Z軸線的相反方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括高階可分離函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，關(guān)于所述第一WFC組件的所述高階可分離函數(shù)被表示為
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括三次函數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，關(guān)于所述第一WFC組件的所述三次函數(shù)被表示為ax3+Py3，而關(guān)于所述第二 WFC組件的所述三次函數(shù)被表示為_(αΧ, 3+βΥ/ 3)，其中Γ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Γ軸線位在ζ軸線的相反方向。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二WFC組件被設(shè)計(jì)成是可移動(dòng)或可移除的。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)格屏蔽與所述第一WFC組件為單一組件的一部分，所述單一組件包括模壓塑料。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，來(lái)自所述光源的光包括可見光與紅外光的至少一個(gè)。
18.一種用以擷取3D物體的影像的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一種供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用的投影機(jī)，其特征在于，所述投影機(jī)包括 光源； 網(wǎng)格屏蔽，安置在所述光源與所述物體之間，以供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用， 第一波前編碼(WFC)組件，具有安置在所述網(wǎng)格屏蔽與所述物體之間的相位調(diào)變屏蔽；以及 分光器，在所述第一 WFC組件與所述物體之間，用以改變來(lái)自所述光源的光方向，其中所述第一WFC組件被建構(gòu)并配置成能使所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有所述第一WFC組件的所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于所述網(wǎng)格屏蔽的景深較不敏感。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述景深為相對(duì)于所述光源的中心波長(zhǎng)的散焦的波的至少一半。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件被設(shè)計(jì)成用以沿著多條網(wǎng)網(wǎng)格線集中至少60%的相位調(diào)變。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括用以偵測(cè)所述物體的偵測(cè)部分，其中所述偵測(cè)部分包括偵測(cè)器，其中所述分光器安置在所述偵測(cè)器與所述物體之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述偵測(cè)部分包括安置在所述分光器與所述偵測(cè)器之間的第二 WFC組件，以使在所述偵測(cè)器上的所述物體的第一影像與所述網(wǎng)格屏蔽的第二影像具有比不具有所述第二 WFC組件的影像更大的景深。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二WFC組件包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件與所述第二 WFC組件的每一個(gè)包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括弱非可分離函數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括高階可分離函數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括三次函數(shù)。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，來(lái)自所述光源的光包括可見光與紅外光的至少一個(gè)。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的折迭式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光器被設(shè)計(jì)成是可移動(dòng)或可移除的。
30.一種用以擷取3D物體的影像的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一種供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用的投影機(jī)，其特征在于，所述投影機(jī)包括 光源； 實(shí)體媒介，依據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全像片(CGH)被浮雕以具有表面凸紋圖案，所述實(shí)體媒介安置在所述光源與所述物體之間以供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用，其中所述CGH包括網(wǎng)格屏蔽的第一計(jì)算機(jī)表現(xiàn)與第一波前編碼(WFC)組件的第二計(jì)算機(jī)表現(xiàn)；以及 分光器，在所述實(shí)體媒介與所述物體之間，用以改變來(lái)自所述光源的光方向，其中所述實(shí)體媒介被建構(gòu)并配置成能使所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有所述實(shí)體媒介的所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于所述實(shí)體媒介的景深較不敏感。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述景深為相對(duì)于所述光源的中心波長(zhǎng)的散焦的波的至少一半。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括雷射二極管與發(fā)光二極管的至少一個(gè)，其中來(lái)自所述光源的光至少局部相干。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)體媒介包括透明塑料。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述塑料包括聚(甲基丙烯酸甲酯)。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件被設(shè)計(jì)成用以沿著多條網(wǎng)網(wǎng)格線集中至少60%的相位調(diào)變。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括用以偵測(cè)所述物體的偵測(cè)部分，其中所述偵測(cè)部分包括偵測(cè)器，其中所述分光器安置在所述偵測(cè)器與所述物體之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述偵測(cè)部分包括安置在所述分光器與所述偵測(cè)器之間的第二 WFC組件，以使在所述偵測(cè)器上的所述物體的第一影像與所述實(shí)體媒介的第二影像具有比不具有所述第二 WFC組件的影像更大的景深。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二WFC組件包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一WFC組件與所述第二 WFC組件的每一個(gè)包括循環(huán)對(duì)稱WFC組件。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括弱非可分離函數(shù)。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括高階可分離函數(shù)。
42.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二WFC組件的每一個(gè)包括三次函數(shù)。
43.一種用以擷取3D物體的影像的方法，其特征在于，包括 從投影機(jī)投射光通過(guò)網(wǎng)格屏蔽與相位調(diào)變屏蔽以產(chǎn)生圖案化的光； 以所述圖案化的光照明所述3D物體；以及 以偵測(cè)器擷取由所述3D物體所反射的圖案化的光。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，還包括在擷取的步驟的前，通過(guò)第二相位調(diào)變屏蔽投射由所述3D物體所反射的所述圖案化的光。
45.一種用以擷取3D物體的影像的方法，其特征在于，包括 從投影機(jī)投射圖案化的光朝向所述3D物體，其中所述投影機(jī)包括光源與依據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全像片(CGH)被浮雕以具有表面凸紋圖案的實(shí)體媒介，所述實(shí)體媒介安置在所述光源與所述物體之間以供所述物體的結(jié)構(gòu)式照明用，其中所述CGH包括網(wǎng)格屏蔽的第一計(jì)算機(jī)表現(xiàn)與第一波前編碼(WFC)組件的第二計(jì)算機(jī)表現(xiàn)； 使所述圖案化的光照明至所述3D物體上；以及 以偵測(cè)器擷取所述3D物體的多個(gè)影像，其中所述實(shí)體媒介被建構(gòu)并配置成能使所述投影機(jī)的第一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有所述實(shí)體媒介的所述投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對(duì)于所述實(shí)體媒介的景深較不敏感。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，還包括置放第二WFC組件在所述3D物體與所述偵測(cè)器之間，用以對(duì)因所述第一 WFC組件所產(chǎn)生的多個(gè)橫向位移加以補(bǔ)償。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，所述景深為散焦的中心波長(zhǎng)的至少一半。
48.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，還包括放射來(lái)自所述光源的至少局部地相干光。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述實(shí)體媒介包括透明塑料。
50.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述塑料包括聚(甲基丙烯酸甲酯)。
全文摘要
一種具全幅對(duì)焦的3D影像擷取裝置及方法。本發(fā)明提供一種用以擷取3D物體的3D影像的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括投影機(jī)以供物體的結(jié)構(gòu)式照明。投影機(jī)包括光源；網(wǎng)格屏蔽，安置在光源與物體之間，以供物體的結(jié)構(gòu)式照明用；以及第一波前編碼(WFC)組件，具有安置在網(wǎng)格屏蔽與物體之間的相位調(diào)變屏蔽，用以通過(guò)網(wǎng)格屏蔽接收來(lái)自光源的圖案化的光。第一WFC組件被建構(gòu)并配置成能使投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)比不具有第一WFC組件的投影機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)遍及更寬的網(wǎng)格屏蔽的景深的范圍實(shí)質(zhì)上維持不變。
文檔編號(hào)G02B27/46GK102636874SQ20121002967
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月9日
發(fā)明者丹尼斯·J·加拉格爾, 保羅·E·X·希爾維拉, 高路 申請(qǐng)人:全視技術(shù)有限公司