专利名称：用于执行目标图像的差分测量的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于执行目标的目标图像的差分测量(difference measurement)的装置和方法，并且特别地涉及测量诸如可见光波的电磁波的差分强度。
背景技术：
常规数字照相机包括由多个传感器元件组成的传感器阵列，其中，每个传感器元件可以具有光电二极管。这些光电二极管包括有限的动态范围，其由于过度曝光而引起对于测量或检测目标图像的问题。大多数常规的基于硬件的小波变换使用数字电路来执行，其中，计算是基于由光电二极管产生的电子。然而，光电二极管的动态范围是有限的。当光电二极管到达其饱和电流时，没有附加的光子可以被变换成电子。这是在产生图像时引起过度曝光问题的原因。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于以高动态范围测量目标图像的装置和方法。由包括权利要求1的特征的装置来实现此目的。本发明提供一种用于目标的目标图像的差分测量的装置，所述装置包括
用于根据预定掩模图案来执行源自于所述目标的电磁波的相移的光学相移掩模单
元；
用于由所述光学相移掩模单元提供的相移电磁波的叠加的光学叠加单元；以及用于检测由所述光学叠加单元提供的叠加电磁波的强度的传感器阵列。根据本发明的装置提供具有非常高的动态范围的图像。本发明的核心思想是在光到达传感器阵列的光电二极管之前减去(subtract)光， 其中，通过添加相移电磁光波来执行光学相减。用根据本发明的装置，可以将光波彼此相减，并且然后由传感器阵列来执行叠加波的差分测量。这允许被测量图像的非常高的动态。在根据本发明的装置的实施例中，可以由液晶掩模单元来形成光学相移掩模单元。可以将此液晶掩模单元连接到控制单元，该控制单元通过根据掩模图案向所述液晶细胞(cell)施加电压来控制液晶掩模单元的液晶细胞。在可能的实施例中，液晶掩模单元的每个液晶细胞可在三个不同的细胞状态之间切换以掩蔽电磁波。这些细胞状态可以包括
其中各细胞不透明并阻挡电磁波的第一状态； 其中各细胞透明且不执行电磁波的相移的第二状态；和其中各细胞透明并执行电磁波的相对η相移的第三细胞状态。在根据本发明的装置的可能实施例中，从装置的图案存储器加载掩模图案。在根据本发明的装置的另一实施例中，经由接口从数据库加载掩模图案。
在根据本发明的装置的可能实施例中，所述光学叠加单元包括凸光学透镜。在根据本发明的装置的实施例中，所述传感器阵列包括多个传感器元件。每个传感器元件可以根据落在各传感器元件上的叠加电磁波的强度来生成电流。在根据本发明的装置的可能实施例中，所述传感器阵列包括与光学图像的NXN 图像尺寸相对应的NXN个传感器元件，其中，N = 2n且η是整数。在根据本发明的装置的可能实施例中，所述传感器阵列的传感器元件包括光电二极管。在根据本发明的装置的可能实施例中，液晶掩模单元包括(NXN) ΧΜ，Μ个液晶细胞以并行地向电磁波施加相应的掩模图案以便提供各目标图像的二进(dyadic)小波系数， 其中，M是图像副本的数量，其中，M = NXN或M = 31dN或M = 3或M = 6。在根据本发明的装置的另一实施例中，所述液晶掩模单元包括(NXN)个液晶细胞，以向电磁波顺序地施加数目为3个(a number of 3)的掩模图案或3X IdN个(NXN)掩模图案以便直接提供所述目标图像的二进小波系数。在根据本发明的装置的可能实施例中，所述装置还包括用于生成提供给所述LC 掩模单元的目标的多重图像的多重图像生成单元。在根据本发明的装置的可能实施例中，所述多重图像生成单元包括用于生成目标图像的预定数目的图像副本的光栅。图像副本的数目M可以是M = 3或M = 6或M = 31dN 或M = NXN，其中，N = 2η，η是整数。在根据本发明的装置的可能实施例中，包括用于生成所述目标图像的预定数目N 的图像副本的微透镜阵列。在根据本发明的装置的优选实施例中，所述电磁波是包括在可视频带中的频率的光波。在可能的实施例中，所述电磁波由诸如红外波的不可见电磁波形成。本发明还提供包括用于目标的目标图像的差分测量的装置的数字照相机，所述装置包括
(a)光学相移掩模单元，其用于根据预定掩模图案来执行源自于所述目标的电磁波的相移；
(b)光学叠加单元，其用于由所述光学相移掩模单元提供的相移电磁波的叠加；以及
(c)传感器阵列，其用于检测由所述光学叠加单元提供的叠加电磁波的强度。本发明还提供了一种包括权利要求15的特征的方法。本发明提供了一种用于执行目标的目标图像的差分测量的方法，包括步骤
(a)根据预定掩模图案来执行源自于目标的电磁波的相移；
(b)执行相移电磁波的光学叠加；以及
(c )检测叠加电磁波的强度以提供所述目标的目标图像。
下面参考附图来更详细地描述用于目标的目标图像的差分测量的装置和方法的可能实施例。图1示出用于举例说明根据本发明的用于执行目标图像的差分测量的方法的可能实施例的流程图2是用于举例说明根据本发明的作为用于执行目标图像的差分测量的方法的基础的测量原理的图3示出根据本发明的用于目标图像的差分测量的装置的可能实施例的方框图； 图4A、4B示出使用多重成像的用于目标图像的差分测量的装置的两个可能实施例的方框图5示出没有多重成像的用于目标图像的差分测量的装置的另一可能实施例的方框
图6示出根据实施例的用于目标图像的差分测量的装置和方法所采用的掩模布置和相应传感器阵列的示例；
图7A、7B示出根据另一实施例的用于目标图像的差分测量的装置和方法所采用的掩模布置和相应传感器阵列；
图8A、8B示出根据另一实施例的用于目标图像的差分测量的装置和方法所采用的掩模布置和相应传感器阵列；
图9示出用于举例说明本发明的可能实施例中所采用的可能传感器布置的图； 图10示出根据另一实施例的用于目标图像的差分测量的装置和方法所采用的掩模布置和相应传感器阵列。
具体实施例方式如从图1可以看到的，根据本发明的用于执行目标的目标图像的差分测量的方法基本上包括三个步骤Si、S2、S3。在第一步骤Sl中，执行根据预定掩模图案的源自于目标的电磁波的相移。该电磁波可以是光学可见波，即光波。在另一步骤S2中，执行相移电磁波的光学叠加。相移电磁波可以包括η、即180 度的相差，并且光学叠加导致从未相移的电磁波减去相移电磁波。因此，在η的相移的情况下，电磁波的叠加导致从其它光波中减去光波，即执行光学相减。因此，只有叠加电磁波、 即差分光被提供给随后的传感器阵列。在另一步骤S3中，检测叠加电磁波的强度以提供目标的目标图像。由包括每个具有例如光电二极管的多个传感器元件的传感器阵列来执行强度检测。这些传感器元件检测被减去的光波的强度。图2示出用于举例说明作为本发明的基础的测量原理的图。可以向光波应用不同的掩模图案。通过使用光学相移掩模单元，然后可以在传感器阵列内将所检测的强度组合 (assembled)以便提供例如能够进一步被处理单元处理的目标图像的二进小波系数。图3示出根据本发明的用于目标的目标图像的差分测量的装置1的可能实施例的方框图。装置1包括用于根据预定掩模图案来执行源自于目标的电磁波的相移的光学相移掩模单元2。在可能的实施例中，光学相移掩模单元2可以由连接到控制单元的液晶掩模单元形成，所述控制单元通过根据从存储器加载的掩模图案向LC细胞施加电压来控制液晶掩模单元2的液晶细胞。此掩模图案可以被存储在图案存储器中或经由接口从数据库加载。在可能的实施例中，LC细胞掩模单元2的每个LC细胞可响应于由控制单元提供的控制信号在不同的细胞状态之间切换以掩蔽落在LC掩模单元2上的电磁波。在可能的实施例中，如图6所示，LC掩模单元2的每个细胞可以具有三个不同的细胞状态。在第一细胞状态下，各细胞是不透明的并阻挡电磁波。在第二状态下，各细胞是透明的且不执行进入电磁波的相移。在第三细胞状态下，各细胞是透明的并执行进入电磁波的η相移。在其它实施例中，如图7Α、7Β、8Α、8Β所示，细胞仅包含两个不同的细胞状态，即只有第二和第三细胞状态而没有不透明的第一细胞状态。根据本发明的装置1还包括用于由光学相移掩模单元2提供的相移电磁波的叠加的光学叠加单元2。在可能的实施例中，此光学叠加单元3可以由诸如图4Α、4Β、5所示的透镜3的凸光学透镜形成。光学叠加单元3生成落在装置1的传感器阵列4上的差分光。传感器阵列4检测由光学叠加单元3提供的叠加电磁波的强度I。传感器阵列4包括多个传感器元件且每个传感器元件可以包括至少一个光电二极管。每个传感器元件根据落在各传感器元件上的叠加电磁波的强度生成电流。在如图7Β、8Β所示的可能实施例中，掩模阵列包括对应于光学图像的NXN图像尺寸的(NXN)个细胞，其中，N= 2"且η是整数。在如图6所示的一个实施例中，液晶掩模单元2包括(N2XN2)个细胞以向电磁波施加(N2XN2)掩模图案以便直接提供目标图像的二进小波系数。在如图7Β、8Β所示的实施例中，液晶掩模单元2包括(NXN)个LC细胞且LC掩模单元2被切换控制单元6切换以向电磁波顺序地施加数目为3Χ1ο&(Ν)个(a number of 3Χ1ο&(Ν))的(NXN)掩模图案(图7B)或3个(NXN)掩模图案(图8B)以便直接提供所述目标图像的二进小波系数。在如图4A、4B所示的根据本发明的装置1的其它实施例中，装置1包括生成目标的多重图像的多重图像生成单元，其中，此多重图像被提供给LC掩模单元2。在如图4A所示的可能实施例中，此多重图像生成单元可以包括用于生成各目标图像的预定数目M的图像副本的光栅4A。如在图4B的实施例中所示，多重图像生成单元还可以由微透镜阵列6形成。在可能的实施例中，例如由光栅4A生成的每个生成的图像副本被相应的液晶掩模单元2掩蔽，该液晶掩模单元2包括(NXN)个LC细胞以向所生成的图像副本的电磁波施加(NXN)掩模图案。在另一实施例中，由所述光栅4A提供的生成的图像副本被公共LC掩模单元掩蔽， 该公共LC掩模单元包括(N2XN2)个LC细胞以向所生成的图像副本的电磁波施加(N2XN2) 掩模图案。如图3所示的根据本发明的装置1可以被集成到数字照相机中。传感器阵列4 可以被连接到执行诸如压缩或噪声降低的图像处理的处理单元。如图3所示的装置1也可以在诸如X线断层摄影装置的其它设备中或诸如天气预报卫星的卫星内使用。所测量的电磁波的频率f可以改变。在可能的实施例中，电磁波是具有在可视频带中的频率的光波。电磁波的频率还可以在诸如红外光的其它频带中。光学相移掩模单元2执行用于准备由光学叠加单元3执行的光的相减的相移。可以参考以下等式来描述光相减的原理
权利要求
1.一种用于目标的目标图像的差分测量的装置，所述装置(1)包括(a)光学相移掩模单元(2)，其用于根据预定掩模图案来执行源自于所述目标的电磁波的相移；(b)光学叠加单元(3)，其用于由所述光学相移掩模单元提供的相移电磁波的叠加；以及(c)传感器阵列(4)，其用于检测由所述光学叠加单元提供的叠加电磁波的强度。
2.根据权利要求1的装置，其中，所述光学相移掩模单元(2)是被连接到控制单元的液晶(LC)掩模单元(2)，所述控制单元通过根据所述掩模图案向所述LC细胞施加电压来控制所述LC掩模单元的LC细胞。
3.根据权利要求2的装置，其中，所述LC掩模单元(2)的每个LC细胞可在三个细胞状态之间切换以掩蔽电磁波， 所述细胞状态包括-第一状态，其中，各细胞是不透明的并阻挡电磁波； -第二状态，其中，各细胞是透明的且不执行电磁波的相移；以及 -第三细胞状态，其中，各细胞是透明的并执行电磁波的η相移。
4.根据权利要求1-3的装置，其中，从所述装置(1)的图案存储器加载或经由接口从数据库加载所述掩模图案。
5.根据权利要求1-4的装置，其中，所述光学叠加单元(3)包括凸光学透镜。
6.根据权利要求1-5所述的装置，其中，所述传感器阵列(4)包括多个传感器元件，其中，每个传感器元件根据落在各传感器元件上的叠加电磁波的强度生成电流。
7.根据权利要求6的装置，其中，所述传感器阵列(4)包括对应于所述光学图像的NXN图像尺寸的NXN个传感器元件，其中，N = 2η，η是整数。
8.根据权利要求6、7的装置，其中，所述传感器阵列(4)的所述传感器元件包括光电二极管。
9.根据权利要求2-8的装置，其中，所述液晶(LC)掩模单元(2)包括(NXN) ·Μ个LC细胞以并行地向所述电磁波施加相应的掩模图案以提供所述目标图像的二进小波系数， 其中，Ν=2η，η是整数， 其中，M=NXN 或 M=3IdN 或 Μ=3 或 Μ=6, 其中，M是图像副本的数目。
10.根据权利要求2-8的装置，其中，所述液晶(LC)掩模单元(2)包括(NXN)个LC细胞以顺序地向所述电磁波施加数目为31dN个的(NXN)掩模图案或3个(NXN)掩模图案以便直接提供所述目标图像的二进小波系数，其中，N = 2η，η是整数。
11.根据权利要求1-8的装置，其中，所述装置(1)还包括用于生成提供给所述LC掩模单元(2)的所述目标的多重图像的多重图像生成单元(4 ;6)。
12.根据权利要求11的装置，其中，所述多重图像生成单元(4 ；6)包括用于生成所述目标图像的预定数目(M)的图像副本的光栅(4A)或微透镜阵列(6)。
13.根据权利要求1-12的装置，其中，所述电磁波是具有在可视频带中的频率的光波。
14.一种包括根据权利要求1-13的装置(1)的照相机。
15.一种用于执行目标的目标图像的差分测量的方法，包括步骤(a)根据预定掩模图案来执行(Sl)源自于目标的电磁波的相移；(b)执行(S2)相移电磁波的光学叠加；以及(c )检测(S3 )叠加电磁波的强度以提供所述目标的目标图像。
全文摘要
用于执行目标图像的差分测量的装置和方法。本发明涉及一种用于目标的目标图像的差分测量的装置和方法，所述装置(1)包括用于根据预定掩模图案来执行源自于所述目标的电磁波的相移的光学相移掩模单元(2)；用于由所述光学相移掩模单元提供的相移电磁波的叠加的光学叠加单元(3)；以及用于检测由所述光学叠加单元提供的叠加电磁波的强度的传感器阵列(4)。该装置可以用于在可见和不可见频率范围中使用的任何种类的数字照相机。
文档编号G01J1/42GK102192781SQ20111003403
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月5日
发明者A·吉尔格, U·韦弗, 周雅赟 申请人:西门子公司