用于可見和近可見光的大孔徑波前的高效記錄的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于可見和近可見光的大孔徑波前的高效記錄的系統(tǒng)和方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明/相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求于2011年12月29日提交的、標(biāo)題為“System and Method for theEfficient Recording of Large Aperture Wave Fronts of Visible and Near VisibleLight”、序列號(hào)為61/581，389的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的利益和在35 USC 119(e)和120下的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開一般地涉及一種成像系統(tǒng)和方法，并且具體地講，涉及一種用于使用全息術(shù)和全景成像(integral imaging)記錄光的波前的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]存在許多用于記錄光的波前的方案。這些方案能夠被任意分為三類記錄:
1.將真實(shí)圖像的振幅記錄在記錄介質(zhì)上的方案，真實(shí)圖像由光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生。通常，這些過程被稱為攝影術(shù)。
2.通過把由信號(hào)波前和參考波前產(chǎn)生的干涉圖案的振幅記錄在記錄介質(zhì)上來記錄光的波前的相位的方案。通常，這些過程被稱為全息術(shù)。
3.通過同時(shí)把大量視點(diǎn)的光振幅記錄在記錄介質(zhì)上來記錄光的波前的相位的方案。這些過程經(jīng)常被稱為全景成像。
[0004]以上方案中的每一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)和限制。
[0005]例如，攝影術(shù)產(chǎn)生容易處理和理解的圖像，但局限于單個(gè)視點(diǎn)和單個(gè)焦平面。用于記錄照片的技術(shù)很好理解，被廣泛地使用，并且它的記錄和計(jì)算部件受益于大規(guī)模生產(chǎn)的成本效率。不幸的是，攝影術(shù)在光的輸入波前的能量的使用方面具有不良的效率。這是由于以下事實(shí)所導(dǎo)致:攝影術(shù)過程必須為了最佳景深而使用小孔徑在空間上對(duì)光進(jìn)行濾波，并且按照頻率對(duì)光進(jìn)行濾波，以記錄顏色。由于使用小孔徑的光學(xué)系統(tǒng)的衍射限制，小孔徑的使用也限制了照片可捕捉的信息的量。
[0006]全息術(shù)在記錄介質(zhì)的孔徑上產(chǎn)生成為光的波前的完全再創(chuàng)造的圖像，沒有關(guān)于視點(diǎn)或焦平面的限制。全息術(shù)在其對(duì)光的輸入波前的能量的使用方面是非常高效的。來自兩個(gè)波前的全部入射光被記錄。使用與記錄的波前的衍射限制匹配的干涉記錄全息圖。由于記錄孔徑是整個(gè)記錄區(qū)域，所以全息圖接近記錄視覺信息的理論上的信息和分辨率限制。不幸的是，存在如下嚴(yán)重的約束，該約束限制可記錄全息圖的時(shí)間，這使得它們無法實(shí)際用作記錄廣泛各種圖像的一般方案。例如，僅可使用具有空間和頻率相干性的光記錄全息圖。
[0007]全景成像能夠記錄多個(gè)視點(diǎn)，并且通過使用附加的計(jì)算而不受焦平面約束。在全景成像中使用經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)帶來與攝影術(shù)相同的效率和信息限制，具有經(jīng)常在單個(gè)記錄裝置或表面上對(duì)許多視點(diǎn)成像的附加資源負(fù)擔(dān)。
[0008]因此，希望提供一種克服已知方案的以上限制的成像系統(tǒng)和方法，并且，本公開所涉及的是達(dá)到這個(gè)目的。
【附圖說明】
[0009]圖1和2分別是混合全景成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式的例子；
圖3A-3D圖示混合全景成像系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)；
圖4A-4B圖示用于混合全景成像的方法；
圖5圖示用于紅色/綠色/藍(lán)色映射的全息復(fù)用器元件的實(shí)施例；
圖6圖示用于三維映射的全息復(fù)用器元件的實(shí)施例；和圖7A、7B、8A和8B圖示用于調(diào)整系統(tǒng)的景深或視場(chǎng)的用戶界面的例子。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本公開特別適用于以下描述的高效地記錄可見和近可見光的大孔徑波前的混合全景成像系統(tǒng)和方法，并且將在這種背景下描述本公開。然而，將會(huì)理解，該系統(tǒng)和方法具有更大的效用。例如，以下描述的實(shí)施例可被用于可見光，但混合全景成像系統(tǒng)和方法也可被與非可見光一起使用。更一般地講，混合全景成像系統(tǒng)和方法可被與各種類型的電磁輻射一起使用。
[0011]在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，該系統(tǒng)和方法可被與具有落在電磁波譜的可見區(qū)域和近紅外(IR)區(qū)域內(nèi)的線光譜的電磁輻射一起使用。例如，線光譜(具有一定范圍的波長)可包括下面各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):在380 - 450 nm的紫色、在450 - 495 nm的藍(lán)色、在495 - 570 nm的綠色、在570 - 590 nm的黃色、在590 - 620 nm的橙色、在620 - 750 nm的紅色和在2，500至750 nm的近ir。
[0012]圖1和2分別是混合全景成像系統(tǒng)100的實(shí)現(xiàn)方式的例子。在圖1中，該系統(tǒng)可包括耦合到混合全景成像單元104的處理模塊102。處理模塊102可以是能夠處理由以下更詳細(xì)描述的混合全景成像單元104產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的任何典型的微處理器、微控制器、狀態(tài)機(jī)等。在一些實(shí)施例中，處理模塊102和混合全景成像單元104兩者可都被容納在單個(gè)外殼中。在圖1中的例子中，處理模塊102可包括存儲(chǔ)裝置，該存儲(chǔ)裝置允許存儲(chǔ)和處理來自混合全景成像單元104的數(shù)據(jù)。在圖2中，處理模塊102可以是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)106或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的部分。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器計(jì)算機(jī)，云計(jì)算資源、膝上型計(jì)算機(jī)、智能電話裝置等。在圖2中的例子中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是桌上型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該桌上型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可具有顯示器106a、機(jī)箱106b (可容納處理單元102和存儲(chǔ)器或永久存儲(chǔ)單元106c)以及允許用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交互的一個(gè)或多個(gè)輸入/輸出裝置，諸如，鍵盤106d和鼠標(biāo)106e。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可具有允許處理單元102以無線方式或以有線方式與遠(yuǎn)程裝置通信的接口和電路106f。如圖2中所示，混合全景成像單元104可被耦合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
[0013]除了圖1-2中示出的處理模塊102的實(shí)現(xiàn)方式之外，處理模塊還可包含一組個(gè)體微處理器元件，其中每個(gè)微處理器元件被映射到圖像記錄元件的一區(qū)域作為輸入。每個(gè)微處理器元件還可被以如下方式映射到表示處理的圖像的部分的存儲(chǔ)器的許多部分作為輸出:該方式允許并行計(jì)算到所請(qǐng)求的視野的一部分中的復(fù)用輸入。替代地，處理模塊102可包含一組個(gè)體微處理器元件，每個(gè)微處理器元件被映射到圖像記錄元件或關(guān)聯(lián)的處理器的幾個(gè)區(qū)域作為輸入并且以如下方式被映射到所請(qǐng)求的視野的單個(gè)部分作為輸出:該方式允許并行計(jì)算到所請(qǐng)求的視野的部分中的復(fù)用輸入。以下提供處理單元102和混合全景成像單元104的細(xì)節(jié)。
[0014]圖3A和3B圖示混合全景成像單元104的更多細(xì)節(jié)。如圖3A中所示，混合全景成像單元104可包括外殼104A，外殼104A容納圖3B中示出的單元上的其它部件?；旌先俺上窬哂袛z影術(shù)和全景成像的成本優(yōu)勢(shì)，并且通過利用圖3B中示出并且在以下更詳細(xì)地描述的全息復(fù)用元件200替換攝影術(shù)或全景光場(chǎng)成像的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)來移除它們的許多約束。
[0015]全息復(fù)用元件200向個(gè)體記錄裝置提供輸入光波前中的信息的高效復(fù)用。更具體地講，全息復(fù)用元件200可高效地將波前復(fù)用到用于顏色、視點(diǎn)和深度的分立通道中。
[0016]混合全景成像單元104可由五個(gè)部件構(gòu)成，包括圖3中示出的全息復(fù)用元件200、一個(gè)或多個(gè)圖像記錄元件202、支撐部件204、一個(gè)或多個(gè)光路206?；旌先俺上駟卧?04還可包括圖1-2中示出的處理模塊102、用戶界面模塊(諸如，圖2中的顯示器106a)和處理模塊的其它部分以及圖3A中示出的外殼104A。
[0017]全息復(fù)用元件200
全息復(fù)用元件200可以是記錄在李普曼-布喇格(Lipmann-Bragg)體系中的體積反射全息圖。這種類型的全息圖包含在1/2波長層切通記錄介質(zhì)的體積的記錄的干涉條紋。這個(gè)幾何形狀反射特定波長的光并且對(duì)特定波長的光進(jìn)行濾波?？色@得在重構(gòu)方面非常高效的記錄材料，因此可在這個(gè)全息圖中記錄高效地反射和聚焦窄波長的光的許多虛擬離軸凹形拋物線形(或球體)聚焦子元件(諸如，反射鏡)。每個(gè)虛擬反射鏡子元件可被設(shè)計(jì)為把來自特定視點(diǎn)、具有特定虛擬孔徑和特定景深的、特定頻帶的圖像聚焦到個(gè)體記錄元件。子元件還可被映射到圖像記錄元件的各部分。替代地，每個(gè)聚焦子元件可與圖像記錄元件配對(duì)。
[0018]在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，全息復(fù)用元件200可被實(shí)現(xiàn)為一組分立體積反射全息圖元件。每個(gè)全息元件可在李普曼/布喇格域中通過使用相長干涉的顏色光譜對(duì)光的傳入波前進(jìn)行濾波。每個(gè)全息元件可通過在菲涅耳域中使用相長干涉重構(gòu)光的傳入波前的部分的真實(shí)圖像來基于視點(diǎn)和/或深度進(jìn)行濾波。
[0019]為了制造全息復(fù)用元件200，每個(gè)分立體積全息圖可被使用自動(dòng)化過程順序地寫到全息記錄基底(諸如，例如光學(xué)玻璃上的重鉻酸鹽明膠)，而非使用作為物體波和參考波的相干光的特定光譜描述將每個(gè)分立全息元件的孔徑映射到傳入波前中的輸入點(diǎn)和圖像記