专利名称：光学成象系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光学成像系统，特别是涉及采用平面光学元件阵列来存储、处理和再现物体图象的方法和装置。
传统的光学系统由依次对入射光信号工作的各元件组成，由于每一元件处理完整的图象，这些元件必须精心设计和制造以补偿象差和畸变，而这些象差和畸变是在当单一的元件必须单独处理全部图象的情况下必然会出现的。这一情况与二十世纪五十年代电子学的情况类似。当时，通过导线把各个盒子中为每一用途特制的元件连接起来以构成系统，这种方法对设计复杂的电路有一定的限制。这样，6管晶体管收音机、5灯电子管收音机和20灯电视机大概是用这种方法进行大规模生产所能达到的最复杂的产品了，袖珍式计算器、数字式手表和便携式计算机是这种技术所无法想象的、从分立的电子元件到集成电路的飞跃来源于使元件微型化的能力和按功能块连接并大量制造它们的能力。
传统的光学成像系统一般由一系列单独的元件或透镜组成，其中每一个处理整个图象，这种方法导致设计上的折衷方案，因为每一元件同时处理整个一幅图象，这种方法还导致使用限制系统复杂性的大体积的元件，由于元件尺寸大，根据折射来设计和制造光学元件要比根据衍射简单得多，以前也曾有过用小透镜如复眼透镜的平面阵列产生图象的尝试，该技术实现时的局限性使其用途限制在各种较为粗略的三维显示上，例如立体全景图片和立体照相，以及众所周知的可随着观察角度的改变在两幅或几幅图象中变化的新颖玩意。例如，立体照相采用小透镜阵列来产生和存储图象，用于立体照相的小透镜的特点在于它是折射曲面，这种折射曲面限制了微型化的程度，对实用来说是过于粗糙了，这一技术在制造上也是困难的。
自法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳于1815年发明波带片以来，出现了工作于光波的衍射和干涉现象的光学元件，波带片是截断光信号某些特定相位成分以类似于透镜的方式产生图象的平面图象，但完全根据衍射效应工作，由波带片制成的元件随着尺寸的减小而变得更为简单和更加有效，直至其成分小于所涉及的光线的波长，另外，波带片的焦距长度随其尺寸大小的减小而变得非常短，使串行元件之间的距离可非常短。相对于曲面来说，平面图象采用目前可以使用的印刷和模压工艺，可制造出密度达每单位英寸几百个元件的实用元件。
波带片的使用在现有技术中是熟知的，例如，奥森(Olsson)的美国专利3，545，854涉及了一种对一个物体产生多个同样的图象的光学系统，例如，用于制造半导体掩模的光学系统。其中，物体的图象通过多个相同的波带片聚焦在一个成像平面上，每一波带片包括交替的不透明和透明的同心区域，每一波带片把半导体图形的图象会聚在一个成像板上。
史查尔(Schier)的美国专利3，547，546涉及一种用于制造半导体掩模的成像装置，该装置包括一个具有多个基本上并排设置的波带片的波带片矩阵，每一波带片是一个光学衍射成像装置，类似于菲涅耳波带片。
史彻龙(Strehlow)的美国专利3，993，401、李(Lee)等人的美国专利4，036，552和4，095，875都揭示了由菲涅耳波带片形成的多个衍射元件构成的后向反射材料，李(Lee)等人的专利4，036，552揭示了通过把多个菲涅耳波带片图案记录在某种光敏介质上并用该介质作为模子在一块板上模压衍射元件来制造波带片矩阵的方法。
诺斯(Nose)的美国专利4，593，482涉及一种阅读装置，它把原始图象分为多个“微图象”，并利用一个光学传感器通过包括菲涅耳波带片的多个成像装置(器件)阅读图象信息。
虽然现有技术揭示了利用菲涅耳波带片的光学成像系统，仍然需要有具备高亮度和高度分辨率以及更宽范围的图象处理能力的系统。
由此，本发明的一个目的是提供一种光学成像系统，使图象的整体质量得到提高;
本发明的进一步目的是提供一种光学成像系统，该系统可由较便宜的材料制成，这种材料是抗压力和抗振动的，并且不受电磁干扰的影响;
本发明的再一个目的是提出一种光学成像系统，适用于多种目视图象领域，例如，象放大、三维(3-D)照相、信息存储、三维X射线摄影和动画片;
本发明的又一个目的是提供一种可用于普通的环境光线条件下的光学成像系统;
本发明的另一个目的是提供一种光学成像系统，它不需要使用激光器或专门的光学再现(放象)系统。
本发明实现这些和其它目的，在本发明中，有用于处理图象的图象产生和处理方法及装置，该系统由并列的微型光学衍射元件平行矩阵组成的板或屏幕组成，这些元件最好是菲涅耳波带片的形式，其中每一元件被优化并仅产生所成图象的一小部分，所成的图象是一幅通常由几十万个点形成的合成或组合图象，每一个点由一个单独的光学处理流独立产生。
本发明进一步涉及用于产生物体图象的光学成像系统，该系统包括至少一个(图象)生成平面和一个二维图象平面。两者由基本上透明的介质隔开。二维生成平面包括多个第一衍射元件，每一衍射元件代表一个单独的光学系统，衍射元件可以是菲涅耳波带片或任何其它现有技术中衍射光栅系统的平面阵列。基本透明的介质的厚度至少为二维生成面上衍射系统的焦距。二维图象平面包括多个构成菲涅耳波带片平面阵列的第二衍射元件，二维生成平面上菲涅耳波带片的中心与二维图象平面上波带片的中心对准，这里，“对准”一词表示光学系统中相对的波带片之间有一预定的角度关系。
本发明进一步涉及一种观察物体图象的方法。该方法包括提供一种如上描述的光学成像系统，将从光源发射的光照射在物体上，从该物体上反射的光线通过生成平面的多个衍射元件，多个第一衍射元件中的每一个在源平面上形成该物体的一幅虚象，图象平面的每一波带片代表从该虚象中选出的部分的一点，这里，“点”是虚象中最小可分辨区域，所选择的点群随后合成可为观察者看到的合成图象。
本发明还涉及一种用于放大物体图象的放大器，它包括一个用于把物体的多个象编码入该系统的生成平面，生成平面包括并排的多个第一波带片的二维阵列，每一第一波带片表现为一个单独的光学元件。该放大器进一步包括基本上与生成平面平行对准的图象平面，图象平面对该物体的多个图象解码，并使这些图象合成为观察者可见的放大了的合成图象，图象平面包括由多个第二波带片并列而成的一平面阵列，每一第二波带片为表现为一个单独的光学元件。放大器进一步包括一个基本上透明的介质，它把生成平面和图象平面隔开，该介质包括一个基本上与生成平面和图象平面平行对准的源平面，从生成平面至源平面的距离与生成平面的焦距相同，从图象平面至源平面的距离与图象平面的焦距相同，但是，图象平面的焦距小于生成平面的焦距，所以形成该物体的放大图象。
本技术的优点是显著的。首先，本技术的产品可用较廉价的材料制造，生产上也不要求大量的新设备或显著不同的制造技术基础，因些，目前已经用于图象系统领域的系统可以容易地用于本发明。
因为本发明的系统是由光波起作用，而不是由电起作用，装置的元件能经受压力和震动，并且不受电磁干扰的影响，而且，这一光学成象系统具有这样的特点，即个别元件的故障并不显著地降低观察者所见的图象的整体质量。一个平面上损坏几个元件，即几个波带片，在最终或合成图象上会损失几个象素，但观察者并不会觉察到这一损失。该产品显象也很清晰，适用于所有的光学显象领域。
本发明的光成象系统具有多种用途，例如，该系统可被用来产生超薄放大板，特别是用于牙科和医疗的，而且，该系统还可用于三维黑白和彩色摄影，三维X射线成象、信息存储和检索系统、活动标帜板和广告、以及形成360°三维图象。
本发明进一步的目的、特点和优点将由于下面结合附图给出的详细描述而变得更为明显，其中
图1是本发明光学成象系统的一个实施例的分解透视图，图2是本发明生成平面的一个实施例的正面图;
图3是图2实施例沿线条Ⅲ-Ⅲ的侧面图;
图4是生成平面和图象平面的另一个实施例的正面图;
图5是图4实施例的正面局部放大的图;
图6是本发明的侧面示意图;
图7是本发明用来说明放大器原理的侧面示意图;
图8是本发明用于信息存储和检索系统的侧面示意图;
图9是本发明用于三维摄影时的侧面示意图。
按照本发明，揭示了一种用于形成物体图象的光学成象系统。该系统包括至少两个衍射元件的平面阵列，第一个衍射元件平面阵列，即生成平面，把信息编码入光学系统，该信息是可见信息，它是通过类似于把物体图象编码到照相感光纸的光波技术，对这些信息进行编码的，该信息是在衍射元件系统中可以使用的方法进行编码的。
衍射元件的第二平面阵列，即图象平面，对由生成平面编码的信息进行解码并形成可由用户观察到的可见图象。
一种基本上透明的介质置于生成和图象平面之间，它包括大致上平行地对准于生成平面和图象平面的源平面，源平面为系统存储编码信息供系统使用，源平面可以是动态的或静态的。在动态系统中，源平面可以是假想的或沿着构成生成平面的衍射元件的焦距的半透明的板。源平面是物体编码图象所在之处，这些图随后由图象平面处理成选择的合成图象，由用户进行观察。在静态系统中，源平面含有预先记录的信息，该信息可以是经照相记录的，或是计算机产生的信息的预先记录，或是利用现有技术中其它已知的方式所产生的信息。预先记录的信息可以是彩色或空间滤波器的形式，或印制板、网格、或照片。
衍射元件最好由基本上并排设置的波带片构成，对于本发明的目的来说，波带片或菲涅耳片是同义词，波带片是截断信号中某些特定相位成份以类似于透镜的方式产生图象的平面图象，但完全按衍射效应工作。尽管具有同样特性的波带片是较佳的，但具有不同特性的波带片也可以使用。这样，对某一幅射波长最佳的波带片可用在整个矩阵上，或者也可以杂之以对另一种波长优化的波带片。对波带片的一般叙述和制造方法可参见奥森(Olsson)的美国专利3，545，854和史查尔(Schier)的美国专利3，547，546。
波带片是一种衍射光学成象器件，类似于针孔，但比其优越，针孔成象是一种初级的成象方法，仅给出最粗略的分辨率，相反，菲涅耳型的波带片是一个由同心的、交替的亮的和暗的圆环制成的平面牛眼图象，可获得高分辨率和高亮度。事实上，针孔仅是这些波带片的中央部分，波带片截断光信号中的特定相位成份，以类似于透镜的方式形成图象，但完全根据波衍射光学原理工作。《无线电电子学》第58～61页中斯威特尼·戴维·简(Sweetnan，DavidJ.)(1985)的“一种层迭式卫星电视天线”一文中提供了波带片和它如何工作的描述。
历史上形成透镜阵列的尝试在于使用曲面折射材料，如玻璃或透明的塑料，这样，不适于微型化，因为其尺寸受衍射的限制以及昂贵的制造和对准费用，而波带片和其它利用衍射的元件并不受到这些限制。
由波带片制成的元件随着其尺寸的减小而变得更简单和更有效，直至其部件变得小于所涉及的光线的波长为止，此外，波带片的焦距当尺寸减小时变得非常短，因此相邻部件之间的距离较短。
与曲面的透镜表面相反，采用现有的印制和模压技术可制造元件密度为每英寸几百个元件的波带片，用这种方法可形成具有大量波带片(每一个具有大量波带)的矩阵或平面阵列，波带片的直径和波带的数量由几个因素控制，例如，最小波带宽度受到波带片制造中所用仪器可分辨的最小线宽的限制，而波带片的直径是所要覆盖的最大图象面积和形成图象的辐射波长的函数，波带片直径和最小波带宽度的确定决定了波带的数量。因此，可根据所要使用的波长、图象面积、焦距长度和图象细节的宽度来优选波带长片，所以根据用途的不同，每英寸波带片的数量可以在一至三百或更多之间，在这一尺度上，衍射元件的焦距在100和1000微米之间。
压制波带片时，如果延迟某些特定相位成分而不是截断它，则可显著增强图象的亮度。通过模压波带片，介质的厚度可以改变，但光线仍然被允许通过。通过较厚介质的波长缩短较长的时间，所以，在光线平常地被截断的点上，相位被推迟，但允许光线穿过。
通过略微重叠(交叠)邻近波带片的外围波带可以进一步改进亮度和分辨率，这样，某些外围环共享屏幕上的同一区域。必须指出频带是波的干涉图形，重叠(交叠)区域由所记录的波的干涉图凶槌，后者具有正的或负的成分，不一定要重叠的一组环。
现在参见附图。附图中，同一特征由同一参考数字标出。图1是本发明最简单形式的光学成象系统。本发明的光学成象系统包括至少两个衍射元件的平面阵列或屏幕，由基本上透明的介质隔开。第一平面阵列，即生成平面12，是对信息编码和供该系统使用的平面屏幕，第二平面阵列，即图象平面14，也是平面屏幕，它重现由生成平面12编码的图象，第三个假想的平面，即源平面16，是生成平面12和图象平面14的焦平面。
在该系统中，生成平面12接收由物体18产生的信息，在源平面16上形成物体18的多个图象，源平面16上形成的众多图象随后以增强的形式再现在图象平面14上。图象平面14产生由观察者20所观察的合成图象。
生成平面12由多个如波带片30所示的光学元件构成，这些元件通过衍射效应把物体18众多微小但完整的图象编码在源平面16上，生成平面12可以是衍射光栅线条、波带片、或两者的组合，唯一的要求是生成平面12为图象平面16形成样品组。
如图2和图3所示，生成平面12也可以是衍射光栅系统的形式，衍射光栅由光栅空间42同等间距的狭缝40组成。这种形式的系统主要用于分离彩色光谱，这是本领域人员所熟知的。现参见图3。虚线44表示光射线的通道，光射线通过狭缝40，它使光线以某一角度衍射。
虽然衍射光栅是属于本发明范围以内的，但生成平面12最好由平面阵列中的多个波带片30构成，如图1，4和5所示，每个波带片30由一系列交替亮和暗的区域即同心环形波带50和52组成。波带50和52的宽度通常是由中心向外渐渐减小以提供最好的图象分辨率。此外，波带片30的外部区域可以重迭，这样增加在生成平面12上的波带片的大小和密度并减小波带片间的空间距离54。生成平面12上的每个波带片30在源平面16上焦点处产生物体18的象。这样，生成平面12在聚焦平面16上产生多个基本相同，很小，但精确的物体的虚象。
生成平面12可以是几种衍射型元件的一种，但是图象平面14必须是如图4和图5所示的波带片阵列。图象平面14以等于源平面16的取样频率从源平面16上的多个重复图象中选择取样，但在离开中心时，频率稍微增加。如果生成平面12由波带片组成，波带片32的中心与生成平面12波带片30的中心对齐。
申请人并不愿把本发明仅仅局限在一个实施例的范围以内，下面结合附图6对本发明的光学成象系统10的基本工作过程作一简单说明。请参见附图6。图中示出了一个光学成象系统10的示意图，光源60照在物体18上以产生光线，图中光线总体上用64表示，从物体18反射出来的光线通过生成平面12的衍射孔66。生成平面12可以是如图2和2所示的衍射光栅，此时，衍射孔66可以是衍射狭缝40。或者，生成平面12包括如图4和5所示的波带片30。
如果生成平面包括波带片，光线64在焦点处产生物体18的虚象68，这也是生成平面12的源平面16。源平面16是一想象出的平面，它位于生成平面12和图象平面14间的基本透明的介质上，该介质必须是基本透明的以允许适当的光线通过。从以后的说明中可以看出，源平面16可以包括一照相乳胶板以把生成平面编码的信息记录到源平面上。
包括波带片32的平面阵列的图象平面14是用来将虚象68解码并把众多的虚象68转变成复合图象70，由观察者20加以观察。根据观察者20观察位置的不同，每个波带片32从源平面16的虚象68中选择指定的点或象素。例如，在图6中，观察者20的眼睛从虚象68的上部选择一个点72。该点72通过上部波带片32作为复合图象70的上部第三部分的一个点记录下来，如图中74所示。同样地，观察者20从虚象68的中部选择一点76，通过中部波带片32作为复合图象70的中部第三部分78的一个点记录下来。为了完成整个过程，观察者从虚象68的下部选择一个点80;通过低部波带片32作为一个复合图象70的低部第三部82的一个点被记录下来。
图象平面14把从源平面16上的每一个图象选择的若干组的点收集起来，集中成复合图象，由观察者20加以观察。通过这种方法，整个视场都被精确地按位置覆盖。这样，观察者所观察到的是由源平面16上图象阵列选择的点集中起来所构成的复合图象。
由于图象平面14上的每个波带片32组成一个独立的微型光学系统，它从源平面16上选择图象上的指定点，所以理想的图象平面每一英寸中将具有尽可能多的波带片以提高图象质量。每一英寸中波带片的数量可以从几个到300个，视对系统的要求而定。
可以理解，图6中所示的实施例只是为了说明的目的而介绍的简化的光学成象系统，实际上，生成平面和图象平面中的开孔的数目是以千计的。
上述的阵列可以通过光照相和光刻技术来实现，例如可用步进重复工艺或其它手段加以实现，这样，一个母波带片的众多的缩小的图象可以形成在金属涂层载盘上的光致抗蚀剂层上，然后通过蚀刻，剥除，或模板技术等等实现。波带片阵列同样也可用计算机技术来实现。
本发明的下面的叙述只不过是为了说明的目的，它并不能覆盖本发明的全部可能用途和情况。
放大镜通过仔细设计生成和图象屏幕的几何光学关系，在屏幕一侧所观察的物体可以通过图象屏按下述方式取样，即能够从另一侧看到放大的图象，现参见附图7。该图说明了本技术的简化的例子。图7揭示的放大器90和由生成平面92和图象平面94构成。在此简化的形式中，生成平面92和图象平面94中各由三个元件即波带片构成，它们分别由96，98，100，102，104和106表示。事实上，生成平面和图象平面包括多个波带片，其数目可以以千计。元件96，98和100每个在源平面110处分别产生物体108的虚的倒象97，99和101，源平面110是每个元件96的焦点。为了说明的目的，物体108用三个部分112，114和116来表示。图象平面的元件102，104和106与元件96，98和100一样具有对准的中心，但各元件102，104和106的焦距较短，并且从虚象97，99和101到图象平面94的距离作相应设定，通过参照图6所作的对过程的说明，观察者118扫描图象平面94，观察所有的波带片。每个波带片编码一个点，如120，122和124所示，它代表虚象97，99和101的一个部分。在图7所示的示意图中，观察者只能看到各点的不同影子或强度，因为只有三个波带片，随着生成平面92和图象平面94上的波带片的数目的增加，观察者，对图象平面进行扫描时，通过图象平面94上的每个波带片可以看到从每个虚象上所选择的一组点或象素所组成的物体的复合图象109。尽管所导致的取样点间的角度关系对应于物体108的同样的点，但由于屏幕92，94之间的焦距不同，复合图象是由每个虚象的一个小的区域选择的点所构成的。通过仔细选择平面92，94的几何位置，由观察者118所看到的复合图象是由一组经角度选择的点所组成，它只能覆盖被观察物体的一个很小的区域，一系列点的复合精确地覆盖了图象平面94的整个视场，以产生物体108的放大图象109，这样，该系统不但起了放大器的作用，而且能在该系统设计的整个视场中保持全部视差的特点。将几何位置反过来将导致广角取景。
用这种方法的实际的装置至少需要每英寸100个或更多的即2-3百或更多的元件来产生高质量图象。在这样的密度下，衍射元件的焦距是100到1，000微米范围。如果生成平面和图象平面印在一透明材料制成的柔软片的两面的话，图象可以在材料中产生，且图象放大器可以在连续的片上制成，就象做铝箔一样。
这样，通过系统的适当构成，可以形成一种薄的透明放大介质。该放大可以通过很短的焦距来实现，厚度不到1/4英寸的介质可以至少放大20倍。这种发明对于需要重量轻，便宜并且放大倍数高的场合是很有用的。本发明的应用的各种例子包括牙科和医用的一次性放大飞溅障板以及电视屏幕放大器等。信息存贮/显示系统本发明的光学成象系统同样可直接用于信息存贮和检索系统。参见附图8。图中示出了一种信息存贮系统138。为了解释的方便，示出了三页信息A、B、C、A、B、C页可以是写有信息的纸或有信息的透明片。如图所示，每页A、B和C包括三组信息Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。光学成象系统138包括产生生成平面140和源平面142。源平面142是静源平面，能够把编码信息记录其上。所以，源平面142上有照相乳胶版或其它装置以记录信息。生成平面140上则具有波带片，尽管实际中有几百甚至几千个波带片，但为了说明简单起见，在图8中只示出了三个波带片144，146和148。
信息存贮系统138的目的是记录不同位的信息，例如在源平面上的A、B、C三页。举例来说，具有信息Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的离散位的页A的图象经光线150，152和154通过波带片144，146和148被投射，光线是由光源(图中未示)产生到页A的左面的。波带片144，146和148将页A的图象聚焦在源平面142的离散位置上，如AⅠ，AⅡ和AⅢ所示。页A被记录在源平面142上以后，页B被以同样的方式记录，但页B的接近角与页A的不同，这样记录的离散点BⅠ，BⅡ，BⅢ的位置不影响AⅠ，AⅡ，AⅢ的位置，页C和以后的各页以同样方式记录，除了在源平面142上进行光照相记录信息外，用其它方法记录信息例如计算记录步骤和数字化源平面的方法也是属于本发明的范围以内的。
把编在源平面上的信息检索出来基本上是把图8所示的步骤倒过来。如果用照相乳胶板来把信息记录在源平面142上，则乳胶板当然要根据本领域人熟知的步骤来显影。生成平面140将变成图象平面以使观察者观察到记录在源平面142上的图象。波带片144，146和148把记录在源平面142上的信息进行解码以变成观察者能够理解的图象。参见附图8，观察者位于页A处以看到离散点AⅠ，AⅡ，AⅢ，这些点由图象生成平面140复合而成复合页A，为了能看到页B，观察者处于如图8所示页B的位置上，如此等等。
因此，从每一个角度观察到的图象代表数据的不同集合或不同的屏幕，不同图象或信息的页可以根据图象屏幕的不同观察角度进行观察。各个观察角实际上选择了构成图象的独立的一系列点，而与其它观察角无关，这样，文字印刷或图形的许多页可以置于一页或一个源平面上。
这些装置可以做成显示图象本身或者通过透明材料片把一图象迭放在通过它所看的东西上面。这些装置的用途包括信息检索系统，可以是直接的或者投影缩微胶片做成适合于计算机数据存贮的格式大小，可以计算出，在源平面上的存贮容量能够达到至少500页信息，而缩微胶片只能存贮270页。在源平面上存贮的信息可以通过照相乳胶片，计算机产生页或其组合或两者的照相复制品存贮。
三维摄影利用本发明的光学成象系统进行三维摄影，基本上是前面描述的信息存贮和检索系统的扩展。在本实施例中，感光乳胶设在源平面处，该图象接着被记录并通过图象平面作为重新构成的物体的三维图象由观察者加以观察，并且当观察角改变时具有全视差。三维照相和信息存贮及检索系统间的差别是，在三维照相中，从物体反射的光线反映了物体细节各点图象在物体和生成平面上的各波带片间的光强度。因此，对于物体上的每个点，存在着对于生成平面上的每一波带片，记录在源平面上的独立的光强度。
参见附图9，它示出了三维物体162进行三维照相记录的光学成象系统160的示意图。该系统160包括一生成平面164和源平面166。在该简化的例子中，生成平面164包括三个波带片168，170和172。光源(图中未画出)的光线由物体162的各点并在物体的细节和生成平面164的波带片间的各角间反射。图中光线用编号174表示。为了简单起见，用物体162的A，B，C，D来作说明。这样，在该例子中，所示的三条光线是由物体162的各个点A-D所反射出的并分别通过三个波带片168，170和172，波带片把各点A-D的图象聚焦到所示的源平面上的离散位置。各点用上述信息存贮和检索系统相同的方法记录在源平面166上。对三维摄影概念来说，重要的是记录在源平面166上的各点反映了通过波带片的那点的载有图象的光线的强度。
物体的图象可以用与上述信息存贮和检索系统相同的方式的三维形式看到，由于记录在源平面上的各点的强度不同，通过图象平面观察照片的观察者看到的是物体的复合三维图象。
该实施例同样也可以用与照相(网目)铜版相对比的方法来解释，通过照相(网目)铜板可以使照片印在报纸上，如果在极化照片上放一个放大器，人们可以看到它是由许多小点组成的，人们的视觉器官把这些点看成是图片。本发明的系统是根据点构成图象的概念而来的，但每个点是由光学系统所产生的图象，即由各个波带片或衍射系统所产生的图象。为了实际地生产如此大量的精确的光学元件并使它们配合工作，衍射元件必须设计成置于平行或连续平面或片状材料上。由于是平面图象，基于衍射的光学元件便于小型化并便于印在薄片中。这样一道工序可以产生以百万计的元件。结果是，大量平行的微型光学元件层，当观察时能产生由点构成的动态图象。
适用于本发明的屏幕的例子如下所述5平方英寸具有1.48的折射率的透明薄膜片，其上一面有屏幕，另一方面是照相乳胶。需要记录26.3度视场以在最小1.5英寸处看到立体图象。如果该片厚度是6mils，(152微米)，可以算出，图象中心的间距是71微米，对于0.55微米波长的光，它将导致358点/英寸的密度，每个元件的中心区域具有15微米的直径。
在三维摄影的情况下，从物体来的光线通过生成平面处理然后记录在源平面的照相乳胶上，当胶片曝光时，每个光学元件通过平面上各点输入方向来分开光线，并在胶卷上存贮各方向上的强度信息，当胶卷被处理(冲洗)，与图象平面对齐，并进行观察时，光学元件重现了各点的光的独立的方向和强度，人的眼睛把所有各点集中起来而看到了原始的图象，此复合图象和报纸上由照相(网目)铜版所产生的复合图片之间的差别在于，当观察者移位时，由本发明的系统所产生的照片中，系统的动态特性会改变点的光强度，所提供的三维图象不仅是立体的，而是随观察者的移动而改变的动态图象。在这种方法中，当观察图象的角移动时，人们可以走过来走过去，绕着物体进行观看，就象通过窗户看外面的物体一样。
把适当的屏幕制成照相胶卷，可以制成高质量的三维胶卷以用于全息摄影技术所不能办到的场合，例如可用于X射线图象，大型显示，以及肖像等，由于一次只用一个，这样就能两个都用同一屏幕。但是，如果用不同焦距的屏幕来记录和观察，就会得到放大的或者广角的图象。
通过适当的框架，可以制成上面有图象的窗户。用同样的方法，可以制成有如草地、水等重复图案的地板砖，同样，可以制成有天空和云彩的天花板，以增加房间的宽广感，而这是其它建筑材料所不能办到的。
这样本发明的系统能够产生单色或彩色的种种三维图象，而不用复杂的激光全息摄影术。
三维X射线图象可以按在此所述的三维照相技术同样方法来完成，只要考虑到光谱中这一部分波长特殊性和渗透性就可以。
动画片本发明的光学成象系统可用于动画片的制作。动画片可以按照上述信息存贮和检索的方法加以制作。动画片系列可以记录在一张照相纸上，通过改变视角产生动作感觉，例如，可以看见移动的箭头，表示了前面此路不通等等。应用还可以包括广告显示，标帜和活动的高速公路显示。
测量装置通过把有关图象投影到先前已记录过的源平面上，可以制成把信息重迭在有关图象上或从它上面抽去信息以测量或进行形状识别的系统，它可以用于距离，形状和角度测量技术方面。
通过用该技术可以制成空间滤波器，将阻塞某一空间频率分量的屏幕插入到源平面中，结果图象就可以被改变，滤波屏幕包括重复整个表面的所需图案，图案与波带片中心对准并置于源平面上，这种形式的复杂滤波器可以产生一系列产品，通过它们可以精确地进行形状识别和形状的增强。
三维360°图像通过把该光学系统弯曲，本发明的光学成象系统可用于三维物体的存贮，例如，展览馆希望收藏雕塑、珠宝、硬币和其它古玩，教育机构希望存贮例如生物、物理、建筑、地质等学科方面物品。
可以理解的是，本发明不仅局限于这里所作的特殊的结构和设置。例如，放大器，观察器，三维图象和数据录放系统，以及光处理装置可以用所述的技术制造，并优于其它方法，本技术有可能有许多其它变化，但它们都落在后面的权利要求的阐述的范围之内。
权利要求
1.一种用于存储、处理和重现物体的象的光学成象系统，包括a.一个将关于物体的信息编码到系统里的图象的生成平面，该(生成平面包括若干第一衍射元件，它们每一个代表一个分立的光学元件；以及b.一个将由生成平面编码的信息解码的图象平面，它包括形成第一环形波带片的平面阵列的若干第二衍射元件；其中生成平面和图象平面被厚度至少为生成平面和图象平面的焦距之和的基本上透明的介质隔开，其中基本上透明的介质在生成平面和图象平面的焦距处含有一个源平面。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，第一衍射元件包括一个衍射光栅。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，第一衍射元件包括第二波带片的平面阵列，阵列中彼此相邻的第二波带片是并列的，它使得生成平面内的每一第一波带片与图象平面内的第波带片成一一对应关系。
4.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，第一和第二波带片各具有中心，每一个第一波带片的中心与一个第二波带片的中心对齐。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，源平面是动态的，该源平面是一个沿着第一衍射元件的焦距定位的虚平面。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，源平面是静态的，该源平面包含预先录制的信息。
7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，预先录下的信息是用照相的方法纪录的。
8.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，预先录下的信息是由计算机产生的。
9.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，预先录下的信息取滤光片的形式。
10.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，预先录下的信息取照片的形式。
11.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，第一和第二波带片阵列具有相同的光学特性。
12.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，在第一和第二衍射元件中每一英寸长度内至少包括一个波带片。
13.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，第一和第二衍射元件每一英寸长度内至少包括一百个波带片。
14.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，相邻的波带片的外部波带区域是交迭的。
15.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，生成平面包括若于光学元件，该光学元件衍射地编码物体的许多缩小而完整的象于源平面。
16.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，图象平面的第二衍射元件的焦距与生成平面的第一衍射元件的焦距相等。
17.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，图象平面的第二衍射元件的焦距短于生成平面的第一衍射元件的焦距，从而形成物体的放大象。
18.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，基本上透明的介质包括一个照相乳胶板，以记录由生成平面编码到系统里的信息。
19.一种用于存储、处理和重现物体的象的光学成象系统，包括a.一个用于将关于物体的信息编码到系统里的生成平面，该生成平面包括处于平面阵列中的若干第一波带片;b.一个大致上与生成平面平行排列的图象平面，该图象平面解码由生成平面编码的信息，该图象平面进一步包括处于一平面阵列中的若干第二波带片;其中第一和第二波带片各具有中心，并且每一个第一波带片的中心与一个第二波带片的中心对齐，使得在生成平面内的第一波带片与在图象平面内的第二波带片一一对应;以及c.一种将生成平面和图象平面隔开的基本上透明的介质，其中基本上透明的介质的厚度至少为生成平面和图象平面的焦距之和，该基本上透明的介质在生成平面和图象平面的焦距处含有一个源平面。
20.按照权利要求19所述的系统，其特征在于，源平面是动态的，该源平面是一沿着第一衍射元件的焦距定位的虚平面。
21.按照权利要求19所述的系统，其特征在于，源平面是静态的，该源平面包括预先录制的信息。
22.按照权利要求21所述的系统，其特征在于，预先录下的信息取照片的形式。
23.按照权利要求19所述的系统，其特征在于，第二波带片的焦距基本上与第一波带片的焦距相等。
24.按照权利要求19所述的系统，其特征在于，第二波带片的焦距短于第一波带片的焦距，结果形成的是物体的放大的象。
25.一种观察物体所成的象的方法，包括a.提供一个光学成象系统，它包括1)一个用于将关于物体的信息编码到系统里的生成平面;该生成平面具有一焦距，并且包含若干第一衍射元件，每一衍射元件代表一分立的光学元件;2)一个用于将由生成平面编码的信息解码的、与生成平面大致平行的图象平面，该图象平面具有一焦距，并且包含形成波带片的平面阵列的若干第二衍射元件;以及3)一种隔开生成平面和图象平面的、基本上透明的介质，该基本上透明的介质的厚度至少为生成平面和图象平面的焦距之和，其中该基本上透明的介质在生成平面和图象平面的焦距处形成一个源平面。b.将来自光源的光线照射在物体上，光线由物体反射并通过生成平面的许多个第一衍射元件，第一衍射元件中的每一个在源平面上产生物体的一个虚象，图象平面上每一个波带片代表选自虚象的被选部分的一个点，以及c.将选择的若干点群集合成一合成的象。
26.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包括一衍射光栅。
27.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包括第二波带片的一个平面阵列，阵列中相邻的各个第二波带片是并列的。
28.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二波带片各具有中心，每一个第一波带片的中心与一个第二波带片的中心对齐，使得在生成平面内的第一波带片与在图象平面内的第二波带片一一对应。
29.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，源平面是一个沿着第一衍射元件的焦距定位的虚平面。
30.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，源平面是静态的，该源平面包括预先录制的信息。
31.按照权利要求30所述的方法，其特征在于，预先录下的信息取照片的形式。
32.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二波带片的平面阵列具有相同的光学特性。
33.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二衍射元件每英寸长度内至少包括一个波带片。
34.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，生成平面包括若干光学元件，该光学元件衍射地编码物体的许多缩小而完整的象于生成平面的焦距处。
35.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，图象平面的第二衍射元件的焦距与生成平面的第一衍射元件的焦距相等。
36.按照权利要求27所述的方法，其特征在于，图象平面的第二衍射元件的焦距短于生成平面的第一衍射元件的焦距，结果形成的是物体的放大的象。
37.一个用于放大物体的象的象放大器，包括a.一个用于将物体的多个象编码到系统里的生成平面，该生成平面包括许多个并列的第一波带片，每一个第一波带片代表一个分立的光学元件。b.一个与生成平面大致上平行排列的、用于解码物体的多个象并把物体的多个象合成为一个放大的复合象的图象平面，该图象平面包括多个并列的第二波带片的一个平面阵列，每一个第二波带片代表一个分立的光学元件，其中生成平面中的第一波带片与图象平面中的第二波带片一一对应;以及c.一种隔开生成平面和图象平面的、基本上透明的介质，该基本上透明的介质包含大致上与生成平面和图象平面平行排列的源平面;从生成平面到源平面的间距与生成平面的焦距相同，而从图象平面到源平面的间距与图象平面的焦距相同;以及图象平面的焦距短于生成平面的焦距。
38.按照权利要求37所述的象放大器，其特征在于，第一和第二波带片各具有中心，每一个第一波带片的中心至少与一个第二波带片的中心对齐。
39.按照权利要求37所述的象放大器，其特征在于，源平面还包括预先录于其上的信息。
40.按照权利要求39所述的象放大器，其特征在于，预先录下的信息是由照相方法记录的。
41.按照权利要求37所述的象放大器，其特征在于，在生成平面和图象平面内每英寸长度中至少包括一个波带片。
42.按照权利要求37所述的象放大器，其特征在于，在生成平面和图象平面内每英寸长度中至少包括一百个波带片。
43.一种用于存储和检索离散的信息的方法，包括a.提供一个光学成象系统，该系统包括1)一个用于将信息编码到系统里的生成平面，该生成平面包括多个第一衍射元件，它们中每一个代表一个分立的光学元件;2)一个用于将由生成平面编码的信息解码的图象平面，该图象平面包含形成波带片的平面阵列的多个第二衍射元件;以及3)一个位于生成平面焦距处的源平面，其中该源平面包括记录由生成平面编码的信息的装置;b.通过第一衍射元件在第一个角度聚焦第一信息源的象到源平面的离散位置上，由此每一个第一衍射元件从第一信息源分离出一点群，将每一不同的点群记录在源平面的一离散的位置上;c.通过图象平面检索记录在源平面上的信息，其中图象平面的每一个波带片选择记录在源平面上的一个不同的点群;以及d.当沿一个与第一个角度相同的角度观察时，不同的点群集合成一个可以观察到的复合象。
44.按照权利要求43所述的方法，其特征在于，生成平面是与图象平面相同的。
45.按照权利要求43所述的方法，其特征在于，多个信息源被记录在源平面上，信息源中的每一个以分开不同的角度聚焦到源平面的离散的位置上。
46.按照权利要求43所述的方法，其特征在于第一衍射元件包含第二波带片的一个平面阵列，其中相邻的各个第二波带片是并列的。
47.按照权利要求46所述的方法，其特征在于，第一和第二波带片各具有中心，每一个第一波带片的中心与至少一个第二波带片的中心对齐。
48.按照权利要求43所述的方法，其特征在于，记录信息的装置是一照相乳胶板。
49.一种用于得到三维照相的方法，包括a.提供一个光学成象系统，该系统包括1)一个用于将信息编码到系统里的生成平面，该生成平面包含多个第一衍射元件，它们中每一个代表一个分立的光学元件;2)一个用于将由生成平面编码的信息解码的图象平面，该图象平面包含形成波带片的平面阵列的第二衍射元件;以及3)一个位于生成平面的焦距处的源平面，其中源平面包含用于记录由生成平面编码的信息的装置;b.通过第一衍射元件将包含多个细节点的三维物体的象聚焦到源平面上离散的位置上，由此每一细节点通过生成平面上的每一个第一衍射元件被投影，致使每一个细节点的象的光强度被记录在源平面上离散的位置上;c)通过图象平面观察记录在源平面上的细节点，其中图象平面的第一个波带片选择一不同的细节点，根据观察图象平面的角度选择不同的细节点;以及d.将不同的细节点合成为一个复合象，看到的这个象是物体的复合的三维图象。
50.按照权利要求49所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包含第二波带片的平面阵列，其中相邻的各个第二波带片是并列的。
51.按照权利要求50所述的方法，其特征在于，第一和第二波带片各具有中心，每一个第一波带片的中心与至少一个第二波带片的中心对齐。
52.按照权利要求49所述的方法，其特征在于，生成平面与图象平面是相同的。
全文摘要
本发明提供了一个包括大量并列光学单元的平行平面的光学成象系统，其中每一个光学单元仅处理所述得到的图象的一个小的组成部分。所得到的图象一般是由几十万个组成点组成的合成的象，每一个组成点分别由一分立的串行光学处理流所产生。
文档编号G02B27/44GK1036640SQ8910031
公开日1989年10月25日 申请日期1989年1月15日 优先权日1988年1月15日
发明者伊瓦尔斯·J·维卢姆斯 申请人:洛津玻璃技术公司