波前传感器及其使用方法与流程
本发明涉及提供指示输入场性质的数据的成像系统和方法。该技术特别适用于能够重建输入场的互相干性函数的成像。
背景技术：
光学成像在各种测量、检查和成像系统中起着重要作用。目前可用的光学测量和成像技术可以提供关于输入光学场的强度的高分辨率数据。然而，在仅测量场的强度的典型常规成像技术中，由光学场承载的大部分信息丢失。
已知各种技术，使得能够提取由光学场承载的至少一些附加信息。参考光束或自干涉的使用可以实现光的特定水平的相位或相干性测量，但是可能对环境退相干性效应敏感。附加技术旨在提供关于具有特定空间分辨率的光学场的数据，诸如光学场和全光成像技术，但是通常限于子衍射受限。
已知提供相位信息的某些空间分辨率的其他技术，例如：
us5,606,417描述了一种用于分析光束波面的装置，该装置具有输入透镜，该输入透镜限定参考平面，该参考平面与分析光束波面的平面光学共轭。二维网格晶格垂直于光束放置在该参考平面中。由于不同的衍射级，不同的子光束由第一透镜共同聚焦在中间焦平面中，在该中间焦平面附近，掩模从子光束中选择与至少三个不同的衍射级相关的子光束。第二透镜将选定子光束带到与晶格的平面共轭的零灵敏度平面。在工作平面中观察到干涉图像，该工作平面位于距零灵敏度平面的选定距离处。该装置可以表征为三边移位型的改进的消色差光学干涉仪。
us6,577,403描述了一种分析光束的波前的技术。在该过程中，具有矩形网格的衍射光栅放置在垂直于待分析的光束并与分析平面光学共轭的平面中。来自光栅的不同出射光束干涉以形成图像，该图像的变形与所分析的波前的斜率有关。光栅将由二维强度光栅实现的强度函数与由二维相位光栅实现的相位函数相乘，该二维强度光栅限定子光瞳的矩形网格，该子光瞳将光从待分析光束传输成根据矩形网格设置的多个出射光束，该二位相位光栅在两个相邻的出射光束之间引入相移，使得两个出射光束相位相反。
us7,826,066描述了一种用于分析光束的波前的方法和系统，其中衍射光栅布置在垂直于待分析的光束并与分析平面光学共轭的平面中。光栅的不同出射光束干涉以产生具有链接到与待分析的波前的梯度的变形的图像。该方法的特征在于，光栅执行强度函数和相位函数的相乘，该强度函数由具有表面s的六边形网格的二维光栅实现，该表面s将待分析的光束的光传输成以六边形网格布置的多个出射光束，该相位函数由具有表面3s的六边形网格的二维光栅实现，该表面3s在两个相邻的次级光束之间引入接近2π/3(以2π为模)的相移。
us2016/109700描述了一种自适应光学系统，包括：空间光调制器，被配置为在空间上调制入射在调制表面上的光学图像的相位；以及波前传感器，包括具有多个二维布置的透镜的光学透镜阵列和用于检测光强度分布(包括由透镜阵列形成的会聚光斑)的光学检测元件，并且该波前传感器被配置为在从空间光调制器调制之后接收光学图像，并且通过基于从光强度分布获得的光学图像的波前形状控制空间光调制器中显示的相位图案来补偿波前分布，其中计算调制表面和波前传感器之间的角位移量。
技术实现要素：
本领域需要一种用于检测输入光学场的传感器系统和对应的技术，从而通常除了强度分布之外，还实现关于光学场的相位和相干性分布中的至少一个的高水平信息。
通常，如上所述，光学传感器技术可以提供关于输入光学场的强度分布的高精度和高分辨率数据。然而，在检测过程中通常丢失可能隐藏在光学场的相位分布中的附加数据。
由收集的光学场承载的附加相位和/或相干性信息的检测可以用于补偿收集系统的影响，诸如由透镜引入的各种像差。相位和/或相干性信息还可以用于补偿光学系统的焦深，并且能够组合数据片(图像)从而形成大合成孔径。另外，关于收集的光学场的相位和/或相干性的数据可以用于无透镜成像技术，例如，使用非光学电磁辐射。此外，相位和相干性数据可以用于执行定量光学相位断层摄影、光学轮廓测定、三维深度检测和测量、以及光学衍射断层摄影，以恢复与被成像物体相关联的三维折射率分布。应当注意，收集的电磁辐射的相位和/或相干性映射的检测还可以包括检测收集的辐射的强度信息。
在这方面，应当注意，如下文所述，本技术涉及用于确定关于一个或多个预定波长范围的收集的电磁辐射的相位和相干性分布的数据的检测器系统和对应的方法。通常，诸如电磁(例如光学)场的相位、相干性和强度分布的场信息是光学互相干性函数(通常称为互相干性)的一部分。本发明的技术通常适用于检测互相干性的至少近似，根据检测和重建的选定分辨率提供一定水平的相位和/或相干性数据。术语光学场在本文中用于简化，并且应当广泛地理解为与可以在或可以不在常规光学波长光谱内的电磁辐射有关。更具体地，虽然常规光谱通常与可见光有关，具有近红外和一定范围的紫外波长，但是本发明的技术也可以用于检测与附加波长范围(包括但不限于长波红外、红外辐射、可见光、紫外辐射以及x射线和伽马辐射以及通常任何频率范围的电磁辐射)相关联的相位和相干性数据。因此，术语光学场、光学辐射、光以及电磁辐射或电磁场在本文中可以互换使用，并且通常与电磁场有关。
本发明提供一种光学检测系统，该光学检测系统被配置用于检测输入光学场以提供关于输入场的互相干性的数据，该数据可以包括关于输入场的相位和/或相干性分布的数据，并且还可以用于提供输入场的强度数据。光学检测系统包括：光学编码器单位或编码器，其具有限定多个单位单元的周期图案；以及传感器单元阵列，其相对于收集的输入光的总体传播方向位于编码器下游的预定距离处。编码器被配置为将预定调制引入收集的光并将如此调制的光导向传感器阵列。通常，编码器和传感器阵列在它们之间对准，使得对于编码器的每个单位单元，存在包括一个或多个传感器单元的相关联的传感器单元子阵列。然而，编码器的传感器子阵列和单位单元的这种对应关系通常不紧密。更具体地，编码器被配置为将通过其中的光分量引导到一个或多个衍射级(本文也称为子通道)，从而引入传感器子阵列和编码器的单位单元之间的串扰。因此，通过编码器的单位单元的一些光分量被引导到与相邻的、下一相邻的或进一步相邻的其他单位单元相关联的传感器单元。这在与编码器的不同单位单元相关联的光分量之间提供了一定水平的干扰，从而提供了关于输入的收集光的相干性和相位关系的空间数据，如将在下面进一步详细描述的。
应当注意，编码器可以由提供多层或级联结构编码器的一个或多个层形成，每个层被配置用于将一个或多个选定图案化应用于通过其中的光。此外，不同的层可以应用各种类型的图案，从而有效地调制/操纵传播通过其中的光。如下面进一步详细描述的，可以使用一个或多个衍射元件、针孔、相变掩模、振幅变化掩模、折射结构(例如小透镜、微棱镜)和/或这种调制元件的组合来应用这种图案化/调制/操纵。
通常，编码器限定光学检测系统的检测平面、以及检测的几何分辨率。更具体地，编码器的每个单位单元涉及由检测器系统产生的图像数据的数据点(数据元素或像素)。根据本发明，与这种像素相关联的数据可以至少包括到达对应的单位单元的光分量的强度和(通常是相对的)相位。因此，编码器的单位单元的大小可以优选地根据检测的期望几何分辨率来确定。优选地，编码器的单位单元被配置为使得能够实现收集的输入光学场的足够采样率(至少奈奎斯特(nyquist))，使得像素大小对应于沿其每个轴入射在编码器输入平面上的收集的光的衍射极限光斑，即，λ/(4na)。
光学检测系统通常还可以包括控制单位，或者可连接到控制单位。控制单位被配置用于接收关于来自传感器单元阵列的收集的光的数据，并且用于根据关于编码器的有效响应的预先存储的数据处理接收的数据，以确定关于强度和相位分布的数据以及关于收集的光的互相干性分布的数据。
控制单位可以包括处理实用程序(例如，一个或多个处理器)和存储实用程序，并且被配置用于从检测器阵列接收指示收集的强度映射图的输入数据，并且用于处理所输入数据以提供关于收集的光的相位和相干性中的至少一个的数据。通常，存储实用程序可以预先加载关于通过编码器的光分量的响应的数据，例如，一个或多个编码器单位单元的响应函数。处理实用程序可以利用该预加载数据来处理关于强度映射图的输入数据并确定关于收集的光的互相干性矩阵的数据。
因此，处理可以利用根据关于编码器对一个或多个预定输入光学场函数的调制的数据，通过处理与由传感器单元阵列提供的强度映射图相关联的输入数据来确定输入光学场的互相干性矩阵。利用由编码器进行的调制的适当选定表示和/或适当选定输入光场函数在强度映射图数据和任何给定输入光场的互相干性之间提供基本上线性的变换。这种线性变换可以由本文所述的一组基矢量/函数提供，该组组基矢量/函数利用基于强度和相干性的函数，该函数可以被确定和/或预先提供并存储在可访问的存储实用程序中。通常，预先存储的数据可以包括关于通过编码器的单位单元的光的基本响应函数的数据。基本响应函数包括关于从编码器向检测器阵列传播的光的振幅和相位分布的数据。可以预处理关于基本响应函数的数据，以确定关于一组“相干性基函数”的数据，所述“相干性基函数”用作跨越待由检测系统收集的可能的互相干性矩阵的空间的一组基矢量。相干性基函数由一组“强度基函数”补充，该组“强度基函数”是一组预定强度图案，其中每个这样的强度图案由每个对应的相干性基函数的光学场在其传播通过光学编码器并撞击在检测器阵列上时的强度给出。在一些实施方式中，可以预先计算或预先测量相干性基函数和对应的强度基函数并将其存储在存储实用程序中，同时不需要关于基本响应函数的附加数据。
通常，处理实用程序被配置并且可操作用于确定与强度基函数的加权线性和相关联的一组系数，从而得到收集的强度映射图。如此确定的一组系数根据选定的一组相干性基函数来限定收集的光的估计的互相干性矩阵。
因此，根据一个广泛的方面，本发明提供了一种光学检测系统，包括具有多个相似单位单元的编码器、以及相对于输入光通过系统的总体传播方向位于所述单位单元下游一距离处的传感器单元阵列，其中：
所述传感器单元阵列限定多个子阵列单位单元，每个子阵列对应于编码器的所述多个单位单元中的单位单元，并且每个子阵列包括预定数量m个传感器元件；
所述编码器被配置为将预定调制应用于由光学检测系统收集的输入光，使得所述编码器的每个单位单元将入射在该单位单元上的收集的输入光的一部分引导到与该单位单元对应的子阵列单位单元和预定邻近区域内的一个或多个相邻子阵列单位单元上；并且
根据预定邻近区域内的子阵列单位单元的预定数量确定所述预定数量m。
根据一些实施例，可以选择子阵列单位单元的传感器元件的预定数量m以满足(m≥2nr+1)的条件，其中nr是预定邻近区域内的相邻子阵列单位单元的所述预定数量。附加地或替代地，根据选择用于重建收集的输入场的互相干性信息的相干性矩阵基函数的预定数量来选择子阵列单位单元的传感器元件的预定数量m。
附加地或替代地，根据一些实施例，编码器的所述单位单元的布置可以限定收集的光的离散化单位量度，编码器的所述单位单元的物理尺寸由关于由检测系统收集的光的衍射极限光斑的预定要求来限定。单位单元的物理尺寸可以小于衍射极限光斑的要求。在一些实施例中，单位单元的物理尺寸可以是衍射极限光斑的约0.1-0.25。通常应该注意，可以根据收集的辐射的波长以及诸如可以与检测系统一起使用的光学布置的数值孔径的参数来确定衍射极限光斑大小。
根据一些实施例，编码器可以被配置用于收集和编码一个或多个选定波长范围的光。编码器可以被配置为将预定调制应用于预定波长范围内的输入光，使得该编码器的调制函数对于选定波长范围基本相似。可替代地或附接地，编码器可以被配置为将一个或多个预定调制应用于一组一个或多个波长范围内的输入光，所述编码器为所述组内的每个波长范围限定调制函数。
传感器单元阵列可以包括传感器单元，该传感器单元被配置用于分开检测两个或更多个波长范围的光强度。例如，传感器单元阵列可以包括专用于特定波长的传感器元件，例如，使用波长选择滤波器和/或被配置为提供高光谱辐射检测的传感器元件。
检测系统还可以包括控制单位，控制单位通常可以被配置并且可操作用于接收由传感器单元阵列收集的输入数据，并且根据关于所述编码器的调制函数的数据处理所述输入数据，以确定指示由编码器收集的输入光的互相干性的数据。
控制单位可以被配置并且可操作用于根据关于所述编码器的调制函数的预先提供的数据，确定提供与由传感器单元阵列收集的数据相关联的强度图案的一组系数，并且用于利用所述一组系数以确定由编码器收集的输入光的互相干性，该互相干性是具有所述一组系数的预定相干性基函数的代数和。
控制单位可以包括处理实用程序、存储实用程序和输入端口，以用于从传感器单元阵列接收关于收集的强度映射图的数据；所述存储实用程序预加载有指示通过编码器的一个或多个单位单元的光分量的调制函数的数据；所述处理实用程序被配置并且可操作用于接收关于收集的强度映射图的所述数据并且用于根据关于通过编码器的一个或多个单位单元的光分量的调制函数的所述数据处理所述数据，以确定关于收集的光的相干性矩阵的数据。
根据一些实施例，关于所述编码器的调制函数的存储的数据可以包括与由所述编码器不同地调制的对应的一组选定波长范围相关联的一组波长调制函数。
通常，编码器可以包括具有相位或振幅周期图案中的至少一个的掩模单位。编码器还可以承载相位和振幅图案。
根据一些实施例，编码器可以包括微透镜阵列、微棱镜阵列光栅或相位掩模中的至少一个；具有所述选定周期。
编码器可以包括两个或更多个层，或者由两个或更多个层形成，每个层包括周期图案，该周期图案被配置用于影响通过该每个层的光分量。两个或更多个层可以在它们之间沿着输入光通过系统的总体传播方向分开预定距离。
在一些实施例中，编码器可以包括光引导元件的级联布置。
在一些实施例中，编码器还可以包括光学中继单位，该光学中继单位被配置用于使得能够在所述编码器之间朝向所述传感器单元阵列传播光。这种光学中继单位可以被配置为将预定放大率应用于收集的光分量。
根据一些实施例，检测器系统可以包括多个预定数量的编码器，该编码器在它们之间具有选定图案，并且其中所述传感器单元阵列被配置用于分开收集传输通过所述多个编码器的光学辐射；其中所述多个编码器被布置用于收集输入光学场的多次复制。附加地或替代地，编码器之间的差异可以与光朝向对应的传感器单元阵列的传播距离相关联。所述多个编码器的间距周期可以被选择为限定多个单位单元的布置的预定周期的整数倍，所述多个编码器被配置为使得不同编码器的图案相对于收集的光学场以所述预定周期的分数(fraction)在该不同编码之间移位，使得所述多个编码器的累积图案与限定单位单元的布置的所述预定周期匹配。
根据一些实施例，编码器可以被配置用于暂时改变图案和/或到其传感器阵列的传播距离。因此，编码器可以承载周期图案，该周期图案的间距周期是限定多个单位单元的布置的预定间距周期的整数倍，所述编码器被配置用于通过以所述间距周期的分数使该编码器的图案移位来暂时改变该编码器的图案，其中所述分数与单位单元的所述预定间距周期匹配。
在一些实施例中，编码器的单位单元可以布置在多个相似的簇中，每个簇包括与以下中的至少一个相关联且对应的单元：波长选择性滤波的变化、偏振取向的变化、编码器调制和编码器取向的变化。
根据另一个广泛的方面，本发明提供了一种用于光学检测的方法，该方法包括：
在收集平面处收集通过编码器的输入光学辐射并且向收集的输入光学辐射应用由多个相似的单位单元构成的周期调制，每个单位单元具有预定调制函数，该预定调制函数将撞击在单位单元上的光学辐射的至少一部分扩展到下游预定邻近区域；
在距所述收集平面选定距离处提供传感器单元阵列，所述传感器单元阵列配置有单元几何形状和布置，以提供多个子阵列单位单元，每个子阵列单位单元包括预定数量m个传感器单元并且对应于编码器的单位单元，同时被配置用于收集与根据所述预定邻近区域确定的所述预定数量的相邻单位单元中的一个或多个相关联的光分量，并且响应于收集的光学辐射产生与所述传感器单元阵列的输出相关联的强度映射图；
根据关于所述预定调制函数的数据处理所述强度映射图，以确定收集光的互相干性函数。
根据一些实施例，上述处理可以包括：获得指示一组强度基函数的形式的所述调制函数的预先存储的数据，该组强度基函数与对应的一组相干性基函数相关联；确定一组系数，该组系数将所述一组强度基函数的加权和与所述强度映射图连接；以及根据所述一组系数和所述一组相干性基函数确定所述互相干性矩阵。
附图说明
为了更好地理解本文公开的主题并举例说明如何在实践中实施，现在将参考附图仅通过非限制性示例描述实施例，其中：
图1示出根据本发明的一些实施例的利用检测系统的成像配置；
图2a和图2b举例说明根据本发明的技术的编码单位单元的基本响应函数；
图3示出根据本发明的一些实施例的确定输入光学场的互相干性的过程。
图4示出根据本发明的一些实施例的用于确定输入光学场的互相干性的数据处理技术；
图5举例说明互相干性矩阵；
图6示出根据本发明的一些实施例的适用于处理输入光学场的一组相干性基矢量；
图7示出根据本发明的一些实施例的适用于处理输入光学场的另一组相干性基矢量；
图8a至图8c举例说明根据本发明的一些实施例的用于对输入场进行光学编码和处理的单个配置的元件(图8a)、并行多配置的元件(图8b)和顺序多配置的元件(图8c)；
图9以框图的方式示出根据本发明的一些实施例的适用于处理强度映射图的控制系统；
图10a和图10b示出使用提供一个相邻单位单元收集方案的光栅的编码；
图11a和图11b示出使用提供两个相邻单位单元收集方案的光栅的编码；
图12a至图12c示出使用提供nr个相邻单位单元收集方案的一般光栅的编码；
图13a至图13c示出相位和/或振幅变化编码；
图14a和图14b分别示出灰度级振幅和相位编码；
图15a至图15d示出微棱镜编码配置；
图16a和图16b分别示出使用凸透镜和凹透镜的小透镜编码配置；
图17示出包括两层或更多层小透镜编码配置的编码器；
图18示出对二维光收集的简单扩展；
图19a和图19b示出二维的不同单位单元编码；
图20示出级联型编码器；
图21示出配置用于宽带光学辐射的编码器；
图22a至图22d示出根据本发明的一些实施例的具有移位编码的编码器配置；并且
图23a至图23d举例说明根据本发明的一些实施例的能够实现多色、多单位单元取向和/或偏振敏感相干性相机的单元成簇。
具体实施方式
如上所述，本发明提供了一种能够以期望空间分辨率提供指示光场性质的数据的系统和技术。参考图1，其示意性地示出被配置为用于检测光场相位、相干性和强度数据的光学检测系统的系统100。光学检测系统100包括编码器120和检测器阵列140，该检测器阵列140相对于总体辐射传播方向位于编码器120下游的预定距离l处。应当注意，在本发明的一些实施例中，编码器120可以是与检测器阵列140分开的单位，而在其他实施例中，编码器120可以与检测器阵列140单片集成，甚至用于制造传感器阵列的工艺堆叠的一部分，例如使用金属化工艺步骤和/或在通常用于改善传感器阵列中的像素填充因子的制造微透镜阵列中使用的步骤类似的工艺步骤。
更具体地，图1示出使用成像透镜布置110将物体obj成像到检测系统100上，使得图像img形成在由系统100的编码器120限定的成像平面上。应当注意，检测器系统100还可以被配置为独立检测系统，该独立检测系统被配置为在不与成像透镜布置相关联的情况下使用，并且因此可以用于无透镜成像而无需使用任何成像透镜布置110。然而，成像透镜布置110可以与检测系统100相关联，意思是检测系统的几何分辨率优选地与成像透镜布置110的光学分辨率匹配，也与本领域已知的衍射极限光斑大小相关。
另外，检测系统100可以插入光学系统中的各个点处，不一定是物体的图像平面，例如，可以插入共轭平面处以获得“白川德(bertand)”光瞳图像，该光瞳图像包括关于可以提供电磁场的相位和/或相干性的映射的互相干性的数据，并且还可以包括关于场的强度映射的数据。应该注意，这种中间平面成像可以用在任何选定的平面(即图像平面)、傅里叶平面或任何其他中间平面处。检测系统100还可以用于确定包括相位和/或相干性分布的互相干性数据，并且通常还确定光束的强度数据，例如激光束质量监测、光学部件的像差的测量、湍流光学介质中的像差的测量(有或没有“导星”)。在这样的应用中，由检测系统100聚集的收集的互相干性数据(包括关于相位和/或相干性以及可能还有强度的数据)可以进一步用于使用自适应光学器件和/或数字图像处理来执行光束校正以最小化像差和/或湍流的影响。
通常，检测系统100还可以包括控制系统500，或者可与控制系统500连接，控制系统500被配置用于接收与由检测器阵列140检测到的辐射相关联的输入数据，并且用于根据关于编码器的光学编码(图案化、光调制)的数据处理接收的输入数据，以确定关于输入互相干性的数据，该数据包括由检测系统100收集的辐射的相位和/或相干性分布以及可能的强度。关于由检测系统100收集的输入辐射的这种数据可以用于分析利用收集的光学场的相位和/或相干性数据成像的物体obj。由本发明的检测器系统100确定的数据可以用于收集的光学场的重建，并且可以例如用于各种应用，包括但不限于以下中的一个或多个：光学轮廓测定、三维深度感测、检测和测量；定量相位成像和断层扫描；用于物体的三维映射及其折射率的光学衍射断层摄影；像差校正，例如成像透镜布置110的限制(当使用时)，与通过混浊介质(生物组织、大气湍流等)成像相关联的像差；用以增加成像系统的空间分辨率的孔径合成；无透镜成像；到不同成像平面的数字重新聚焦。
应当注意，本发明的技术及其检测器系统100通常在用于成像目的的照明特性方面不受限制。更具体地，本文描述的检测器系统100使得能够检测互相干性数据，包括关于收集的输入光学场的相位和/或相干性以及可能还有强度的数据，其中提供光学场的照明源可以是相干性的、不相干性的或部分相干性的，或与环境光或由任何选定源(例如结构照明)形成的光相关联。通常，本技术可以进一步用于确定与由非线性光学效应(例如，荧光、多光子过程等)形成的输入光学场相关联的相位/相干性以及可能还有强度数据。
如上所述，编码器120的输入平面限定用作检测系统100的检测平面的主平面。此外，编码器120包括周期图案，该周期图案被配置为将预定调制应用到通过其中的光并且将如此调制的光导向传感器单元阵列140。通常，编码器120及其周期图案配置有沿其两个主轴以某个选定周期布置的多个单位单元。更具体地，周期图案可以由具有至少两个基矢量h1和h2的单位单元限定，基矢量h1和h2可以是垂直的(是hx和hy矢量)以限定矩形或正方形单位单元，或者在它们之间具有某一角度以限定另一晶格周期。为简单起见，下面描述矩形晶格结构(即使用hx和hy基矢量)。然而，应该理解，本发明的技术可以使用任何其他晶格结构来实现，如下面进一步详细描述的。
编码器120的单位单元中的每一个被配置为将某个预定编码应用于通过其中的光学辐射。这种编码可以与振幅和/或相位调制以及光的折射和/或衍射相关联，这将在下面进一步举例说明。在一些实施例中，每个单位单元的编码可以与一个或多个孔径、相位调制、强度调制、一维或二维光栅相关联，并且在一些实施例中，与一个或多个微透镜阵列相关联。通常，本技术以与通过单个单位单元并向检测器阵列140传播的光学场的传播相关联的基本响应数据和/或对应的相干性和强度基函数的形式利用关于编码器120的单位单元中的每一个所承载的编码的数据。
为此，应当注意，可以根据单位单元的调制函数和/或考虑到编码器作为包括多个单位单元的周期图案来考虑通过编码器并由此调制的光。因此，使用由多个单位单元的周期图案导致的每个衍射级的相位和振幅来同样很好地描述由编码器执行的光学调制，如通过自身调制每个单位单元所描述的。通过编码器的光的调制的两种描述在本文中可互换使用，以简化理解。
另外，编码器图案的周期有效地限定通常与数字检测和收集的数据的表示相关联的输入光学场的检测的离散化。因此，周期图案的单位单元以与ccd阵列的检测器元件类似的方式限定检测的像素分量。为此，编码器120的单位单元的物理大小和数量限定检测的几何分辨率。优选地，每个单位单元的物理大小可以与例如由λ/(4na)沿一个轴限定的光收集的衍射极限光斑的大小相关联，其中λ是电磁(光学)辐射的波长，并且na是相关联的成像透镜布置110(当使用时)的数值孔径，如投影到检测系统100上。在连接时，应该注意，成像透镜布置可以是或可以不是根据本发明的检测系统100的固有部分。然而，检测系统100的优化设计可以优选地考虑可以与其相关联的光学成像布置的某些参数，以优化检测精度和分辨率。
在这方面，应该注意，编码器120上的多个单位单元和/或检测器阵列140的检测器元件可以布置成簇，以提供包括输入场的各种不同特性的检测。例如，簇可以被配置用于提供包括以下中的一个或多个的成像：多波长和/或偏振敏感的相位/相干性成像、以及在多个取向上测量互相干性函数的元素。通常，在单位单元内使用1d编码器通过使得能够减少用于每个单位单元的传感器单元的数量来简化系统的配置。因此，具有沿不同轴的1维编码器的单位单元的适当成簇可以使得能够利用简化的检测系统配置来检测相干性矩阵的各种取向分量。为此，单位单元可以布置成簇，每个簇包括与对应的波长和/或偏振滤波器相关联的单位单元。通常，单位单元簇被配置为与关于衍射极限光斑和/或奈奎斯特采样率的成像分辨率相关联。例如，单位单元簇可以以拜耳(bayer)过滤器的形式布置，例如，提供rgb波长编码，或单位单元簇可以在存在或不存在波长滤波器的情况下包括具有不同取向的偏振滤波器。可替代地或附加地，检测器阵列140的传感器单元可以布置成簇，例如，使用拜耳滤波器形成多色检测器阵列。单位单元和/或传感器单元的这种布置可以实现增加的动态范围和灵活性、以及允许附加功能，诸如多色或偏振敏感相位检测。通常，成簇单位单元阵列可以与根据本技术的三个rgb常规成像单元和相干性敏感单元相关联。在这样的配置中，相邻簇可以通过共享子通道耦合，使得能够检测相位和/或相干性信息。
检测器阵列140包括具有几何形状和布置的传感器单元阵列，该几何形状和布置提供多个传感器单元子阵列，每个子阵列与编码器120图案的对应的单位单元相关联。通常，传感器单元的每个子阵列包括预定数量m个传感器单元，每个传感器单元被配置用于检测撞击在其上的预定波长范围的电磁辐射(例如光)的强度测量。检测器阵列140被配置用于收集输入辐射并相应地产生对应的强度分布数据。如此产生的强度分布数据通常从检测器阵列传输到控制单位500，在控制单位500处可以对该强度分布数据进行处理以确定关于强度、相位和相干性图像分布的数据，这将在下面进一步详细描述。
如上所述，编码器120的图案被配置为将穿过其的光导向传感器单元阵列140。因此，通过对每个单位单元编码来提供的光学调制及其周期被配置为将在预定子通道内传输通过不同单位单元的光导向检测器阵列140。这些子通道可以与衍射级、导致光分量变宽、偏转或分离的折射效应、或其他类型的响应函数相关联，如下面进一步详细描述的。而且，编码器120图案的周期通常由于光干涉而导致子通道的一定离散化。这提供了通过编码器120的单位单元的光分量被引导到与对应的子阵列相关联的传感器单元上，而一些光分量被引导到与一定“预定邻近区域”内的一个或多个相邻单位单元的子阵列相关联的传感器单元，“预定邻近区域”限定围绕与特定单位单元相关联的选定子阵列的检测器阵列140的子阵列的半径。因此，传感器单元的每个子阵列被配置用于收集从编码器120到达的光，包括通过与子阵列对应的单位单元传播的光分量和通过编码器120的一个或多个相邻单位单元传播的一些光分量。通常，检测器阵列140位于距编码器预定距离l处，使得与通过编码器的光相关联的衍射级具有与传感器单元的子阵列的大小相关联的位移(沿着横向方向)，以简化收集强度分布的处理。通常，相对于塔尔博特(talbot)距离和编码器的所述周期图案的布置来选择预定距离。然而，应当注意，距离l通常根据光分量从编码器120传播到检测器阵列140所经历的光路来确定。通常，某些光学中继单位可以用于允许更长的传播、以及编码器120和检测器阵列140之间的光分量的放大。这种中继单位可以被配置为伸缩单位或任何其他中继光学布置。此外，对编码器120和检测器阵列140之间的距离l的变化的典型制造/组装容差是可接受的，然而，当确定如下面进一步描述的强度基函数的结构时，应优选使用实际距离l。
如上所述，编码器120及其周期图案被配置为将光引导到与由几何光学确定的衍射级或射线传播对应的一个或多个子通道中。更具体地，当通过编码器的单个单位单元时，光分量可以根据所使用的图案类型经历衍射和/或折射效应。此外，与通过单个单位单元的光分量相关联的衍射效应(其提供基本响应，如下面将参考图2a和图2b进一步描述的)通常干扰穿过相邻单位单元的光分量，导致稍微离散的子通道(也称为衍射级)。这种效应可能是由编码器的周期引起的，并且因此通常在编码器在单个单位单元(例如微透镜)上利用非衍射图案时提供。
在这方面，参考图2a和图2b，其示出输入光si，该输入光si传输通过编码器120的具有间距p的单个单位单元122并且朝向检测器阵列140传播距离l，从而形成可以被检测器阵列140检测(强度检测)到的基本响应函数fr。通常，图2a示出简化的一维图示，并且图2b示出更逼真的二维配置。就此而言，基本响应函数fr涉及在编码器下游传播并且由撞击在编码器120的单位单元上的脉冲光场(例如，以成像系统110的衍射极限光斑激发、或高斯、矩形或德尔塔(delta)函数等的形式)产生的光场的复杂数据(振幅和相位)。通常，光通过编码器120的与单个单位单元122相关联的区域，并且其基本响应可以用于处理由检测系统100收集的强度分布数据。如图所示，被引导在编码器的单个单位单元122上的输入光场si经历预定光调制并通过子通道130朝向检测器阵列140传播。通常，单个单位单元122提供的调制是连续的，从而提供基本上连续的基本响应函数fr。然而，为了完整性，示出标记五个子通道(d-2至d+2)的箭头。如上所述，这些子通道可以被视为通常由编码器120的周期导致的离散衍射级。如前所述，某个编码器单位单元122通过子通道130将光传输到预定邻近区域pr内的多个检测器子阵列。该关系等同于如下的双重陈述：与单个单位单元122相关联的单个子阵列142从相邻编码器单位单元接收通过适当子通道130撞击在单位单元122上的光的，该相邻编码器单位单元也被限定在类似的预定邻近区域中。
如上所述，可以根据对编码器的图案化和将光分量从单位单元122传输到某个邻近区域pr内的子阵列142的子通道的数量来选择与编码器120的不同单位单元相关联的子阵列142或检测器阵列140中的传感器单元的数量m。另外，可以根据如下面进一步描述的选定基础重建来选择传感器单元的数量m，使得能够以减少数量的传感器单元有效地重建收集的光的相位或相干性映射。通常，基本响应函数fr在预定邻近区域pr之外下降到可忽略的值。例如，编码器的图案可以被配置为提供收集的光和与一个、两个或更多个相邻单位单元相关联的光分量的相互作用，例如，限定最近的相邻单位单元的相互作用，下一个最近的相邻单位单元等。此外，相邻单位单元的相互作用的水平对于检测器系统100的不同横轴(x和y)可以是不同的。通常，与每个单位单元122相关联的传感器单元的数量m被选择为不小于m≥2nr+1，其中nr是邻近区域pr中的相邻单位单元的总数，即相对于给定单位单元的所有相邻单位单元相互作用的数量，但每个相互作用仅计数一次。然而，如上所述并且在下面进一步详细描述，在一些配置中，可以根据用于重建收集的场的基函数的数量来减少传感器单元的数量m。例如，如果光学编码器被配置为在单位单元与其右边的最近相邻单位单元及其上方的最近相邻单位单元之间创建相互作用，则nr＝2。该特定单位单元也将在其左侧和下方与单位单元具有相互作用(interaction)。然而，这些相互作用被计为属于左侧和下方的相应相邻单位单元，以免对相互作用计数两次。在预定邻近区域可分离为沿x轴和y轴的相互作用的情况下，则
返回参照图1，检测系统100通常被配置为包括控制系统500或与控制系统500相关联，控制系统500被配置用于从检测器阵列140接收关于收集的辐射的强度分布的数据，并且用于根据关于编码器120的图案化和布置的数据处理接收的数据，以确定关于收集的光的强度、相位和相干性分布的数据。控制系统通常包括处理实用程序550和存储实用程序600、以及实现输入和输出通信的通信实用程序以及可能的用户界面，这些没有具体示出。
控制系统500可以与检测系统100集成在一起或与检测系统100分开。在一些实施例中，控制系统500可以远离检测系统100或者基于数据的远程或云处理。在这样的配置中，检测系统100可以包括通信模块，该通信模块被配置为将关于编码器120的图案的数据和由检测器阵列140收集的强度分布数据传输到控制系统500以进行处理。
参考图3，其举例说明根据本发明的用于检测相位和相干性数据的技术的流程图。如图所示，本技术包括将输入光学场或任何其他电磁辐射(诸如红外线、可见光、x射线辐射、伽马辐射等)传输通过编码器，该编码器将预定周期图案应用于收集的辐射3010，并且通过位于编码器3020下游的预定距离l处的检测器阵列收集图案化的光强度分布。为了处理收集的数据，该技术利用关于周期图案3030的至少一个单位单元的响应的数据。关于周期图案的单位单元的响应的这种数据可以基于模拟或计算的基本响应函数，该基本响应函数根据常规波传播理论和模拟来确定，并指示通过单个单位单元的光分量的振幅和相位分布、或一组“相干性基函数”、及其与强度映射图相关联的对应的“强度基函数”，如下面进一步详细描述的。通常，可以预先存储这样的响应数据(3030)以用于处理。替代地或附加地，响应于与相干性基函数对应的某些预定光输入分布(例如，如图7中所举例说明的)收集传输光可以用于确定一组强度基函数。该技术利用关于通过光学编码器的周期图案3030的光传输的响应的数据，以用于处理3040收集的数据以确定收集的光的相位和相干性数据。输出数据3050提供关于指示输入光学场的相干性矩阵的数据，包括与限定的邻近区域内的相邻单位单元相互作用相关联的非对角线元素。
由检测器阵列收集的强度分布数据的处理技术在图4中更详细地示出。如图所示，处理通常包括：接收关于由检测器阵列4010收集的强度分布的数据；提供关于光学编码器的周期图案/调制4020的基本响应函数的数据，；以及处理输入数据。关于周期图案的响应的数据可以包括关于单个单位单元的基本响应函数的数据。该处理可以包括预处理基本响应函数，以用于确定一组相干性基函数4030，该相干性基函数4030与相干性矩阵结构相关联并且提供跨越由如装置100所收集的输入光学场的一般互相干性矩阵的一组基矢量。这些相干性基函数与一组强度基函数相关联，其中每一个与传播通过编码器120并且撞击在检测器阵列140上的、通过每个所述相干性基函数创建的强度图案对应。在其他实施例中，可以预先计算和/或测量相干性基函数及其相关联的强度基函数，并且可以将它们的数据直接用作预先提供的数据来代替4020。相干性基函数在下面参考图6a-图6e和图7a-图7e进一步更详细描述，图6a-图6e和图7a-图7e举例说明互相干性矩阵的形式的相干性基函数的矩阵表示。
输入收集的强度分布数据4040的处理可以与以强度基函数的加权和的形式确定描述来自检测器阵列140的输入强度数据的一组系数相关联。因此，该组系数和相干性基函数用于产生4050与输入光学场的互相干性相关联的输出数据。
在这方面，光学场的互相干性ρ限定场的时间平均空间相关性，其为：
ρ(x，x′)＝<e(x)e*(x′)>(等式1)
其中x＝(x，y)是指场的横向空间坐标。通常，检测器阵列和数字化数据的使用需要互相干性的一定离散化，从而提供以下形式的互相干性矩阵：
ρij＝<e(xi)e*(xj)>(等式2)
其中e(xi)是指点
通常，控制系统500可以利用指示基本响应函数fr(包括复振幅和相位数据)的预先存储的数据，以用于分析由检测器阵列140收集的数据，从而确定输入光学场的互相干性矩阵。可替代地或附加地，如上所述，控制单元可以利用基本响应函数的预处理来确定与功能结构相关联的一组相干性基函数(图4中的4030)，该功能结构提供跨越一般输入光学场的相干性矩阵的基矢量。该组预定输入场表示图5的互相干性矩阵的基结构。因此，相干性基函数与强度基函数相关联，该强度基函数表示与对应于所述相干性基函数的通过编码器120的单个或一组预定单位单元的输入场相关联的检测器阵列140处的强度数据。这些输入场基函数中的每一个与表示检测器阵列140处的特定强度映射图的强度基函数一一对应。
图6和图7示出两组可能的相干性基函数，其适用于根据本技术处理一般收集的输入场。图6示出一组相干性基函数(向量)b0、b1-bk和bk+1-bk2，其中k＝nr，其是指每个矩阵行的单面非对角线元素的数量。图7示出一组替代相干性基函数b'0、b'1-b'k和b'k+1-b'2k，它们是相干性基函数的不同选择，同时通常提供类似的处理和结果。这些相干性基函数可以用于表示互相干性矩阵，该互相干性矩阵表示到装置100的输入光学场。
通常，由于编码器单位的周期，其单位单元和对应的相干性基函数及其相关联的强度基函数通常是平移不变的。因此，可以基于单个单位单元来选择一组相干性基函数
可替代地，图7中所示的一组相干性基函数可以与物理上可实现的输入场相关联，并且匹配强度基函数对应于可实现的强度测量为实值和正的。相干性基元素b'0、b'1-b'k和b'k+1-b'2k描述了各个单位单元处的相干性光学场，描述了通过选定单位单元和一个附加相邻单位单元的光学输入(到一定程度)，其中像素对之间具有0和π/2相位差的空间相关性。然而，应该注意，物理可实现性不是选择基的必要条件，并且唯一必要的条件是相干性基实际上跨越限定与预限定的邻近区域相关联的所有可能的互相干性矩阵的空间。唯一的要求是有足够的相干性基元素，其与实系数的线性叠加提供了相干性矩阵的完整描述，这至少取决于与光学编码器120施加在指定的邻近区域pr内的相邻单位单元之间的单面相互作用数量对应的下(上)对角线的规定数量nr。因此，相邻单位单元的相互作用的数量nr对应于相干性矩阵的“非对角线半径”。通常，其他相干性基选择是可能的，包括例如对应于具有不同程度和类型的像差的光学点扩散函数、各种多项式或基于傅里叶的分解等的相干性矩阵。相干性基集的选择可以与关于要分析的输入光场的数据、编码器的实际图案以及相关联的强度基函数的一定优化相关联。
图6和图7中所示的相干性基函数描述了跨越与预限定的邻近区域相关联的可能的相干性矩阵的矢量元素。通常，本技术利用关于与相干性基函数
强度映射图通常为输入光学场的任意相干性矩阵提供
因此，本发明的技术利用确定逆关系(逆矩阵)，使得能够对于给定测量的强度映射图in确定系数ak，并且因此将相干性矩阵的估计重建为
应当注意，为了一些应用的目的，可以仅使用相干性基函数的子集(如可能使用单个(非平凡的)基函数)来确定足够的相位信息以重建估计的相干性矩阵。然而，这可以通过减少与每个单位单元对应的传感器的数量来简化处理并实现一定水平的相位检测。
通常，使用相干性基的子集与对应数量的强度基函数相关联。由于强度基函数由强度分布区分并因此与对应数量的子像素m相关联(例如，用于映射强度函数并使其能够重建)。如果使用两个相干性基函数的子集，则在收集的光学场内仅需要识别两个强度基函数。因此，可以利用与每个单位单元相关联的减少数量的传感器单元来识别强度函数之间的差异。在该示例中，可以仅需要两个子像素(低于与完整基组的重建相关联的一般m＝2nr+1个传感器单元)。
应当注意，这样的子集可以是任何选定子集，并且可以包括或不包括纯强度相干性基函数b'0。更具体地，合适的子集可以优选地包括至少一个复相干性基函数，例如图7中的b'2k。在一些配置中，单个复基函数可以足以重建相位信息，同时能够利用与本文所述的单位单元相关联的有限数量的传感器单元进行检测。
使用相干性基函数的有限子集的相干性重建通常类似于使用相干性基函数的全集。这与到达相邻单位单元的传感器单元的每个单位单元的子通道相关联，并且使得能够在重建的相干性映射图/图像的像素之间进行串扰。
返回参照图4，与从检测器阵列140接收的测量的强度映射图in对应的输入数据4040的处理通常基于确定关于选定的一组强度基函数
因此，图8a至图8c以框图的方式示出本技术的一些概念。图8a示出如上所述的单编码技术，图8b示出并行编码技术，并且图8c示出暂时变化编码技术，所有这些技术都利用上述技术来确定输入收集的光场cf的强度、相位和相干性数据。通常，不同的技术可以例如利用分离元件不同的编码器由如图8a至图8c所示的对应的检测系统使用。
如图8a所示，收集的光学场cf传输通过编码器120，编码器120向光提供某个预定图案。如上所述，图案化基于多个单位单元，每个单位单元对通过其中的光应用预定基本响应函数。然后由检测器阵列140收集如此图案化的光，并且传输检测到的强度映射图以供控制系统500处理。该处理利用如上所述的一组强度基函数形式的数据来确定一组系数，使得强度基函数与如此确定的系数的加权和得到收集的强度映射图in。
图8b示出光学场检测系统的并行多配置技术。并行配置利用输入光学场cf的分离，这种分离可以由多个分束器bs1-bsn-1示例提供，并且在该示例中包括将第n个光分量引导到对应的编码器120n的折叠镜fm。输入场cf的不同副本(replicas)传输通过对应的多个编码器120a-120n，并进一步传输到对应的检测器阵列140a-140n。如此收集的关于多个强度映射图的数据片被传输到控制系统500，以用于处理和确定关于收集的光场cf的互相干性矩阵的数据。
利用图8b中举例说明的这种并行配置，不同的编码器120a-120n通常配置有不同的图案。更具体地，所有编码器120a-120n配置有与多个单位单元相关联的周期图案，每个单位单元在其上承载选定图案。然而，通常，可以使不同编码器的周期移位，使得周期是理论单位单元(其大小被确定为提供期望的几何横向分辨率)的整数倍，使得不同编码器120a-120n被移位整数个单位单元(其可以是编码器周期的分数)，如下面进一步在图22a-图22d中举例说明的。替代地或附加地，与每个单位单元相关联的图案可以是不同的，对应于不同的基本响应函数fr。替代地或附加地，每个这样的编码器的传播距离l可以是不同的，再次对应于不同的基本响应函数fr。
根据编码器120a-120n对待收集的光应用的不同图案化，控制单位可以利用关于如上所述的对应的基响应函数的预先存储的数据。由检测器阵列140a-140n检测的数字强度映射图被单独处理或关于与相关编码对应的基响应函数组合，以用于确定收集的光学场cf的估计的相干性矩阵。通常应该注意，该配置可以利用具有多个区域的单个检测器阵列，每个区域专用于收集传输通过编码器120a-120n中的一个的光分量，从而保持不同图案化的光分量的分开。
附加配置在图8c中示出并且基于顺序多配置架构。在这些实施例中，编码器120可以被配置为改变其图案，例如，通过机械地或电子地替换图案化的掩模，或者通过改变传播距离l，并且检测器阵列可操作用于收集提供与图案中的每个相关联的收集的强度映射图的数据片。对于编码器120的每个配置，由检测器阵列140记录数字强度图像。来自所有配置的图像数据片可以存储在缓冲器或存储实用程序450中，并且可以如上所述进行处理以确定相干性矩阵估计ρij。
在这方面，参考图9，其示意性地示出根据本发明的一些实施例配置使用的控制系统500。控制系统500通常可以是包括至少一个处理实用程序550、提供输入、输出和用户界面通信的通信模块520的计算机化系统，并且可以包括一个或多个存储实用程序600或与一个或多个存储实用程序600相关联。处理实用程序500可以利用本地处理器或者被配置为使用一个或多个远程处理器进行分布式处理，视情况而定。通常，处理实用程序包括一个或多个处理模块，该一个或多个处理模块可以是软件和/或硬件模块，以描述根据本技术的相关处理动作。
在一些实施例中，处理实用程序550可以包括基本响应功能模块552，基本响应功能模块552被配置用于接收关于编码器的图案的数据并且例如通过对通过编码器的单位单元的场传播的模拟来确定指示编码器的基本响应函数的数据。基函数设置模块554被配置用于利用关于基本响应函数的数据，该数据从存储实用程序接收作为预先存储的数据，或者从基本响应函数模块552接收，并且基函数设置模块554被配置用于确定一组至少2nr+1个相干性基函数和及其对应的强度基函数。应当注意，关于基本响应函数和/或一组相干性基函数及其对应的强度基函数的数据可以预先提供并预先存储在存储实用程序600中。
通常，为了处理收集的输入场的强度映射图，处理实用程序550包括系数确定模块556和相干性矩阵模块558。系数确定模块556被配置并且可操作用于接收由检测器阵列(图1中的140)检测到的一个或多个强度映射图以及关于从存储实用程序600(或基函数设置模块554)接收的一组强度基函数的数据，并且用于处理强度映射图和一组强度基函数集以确定一组系数，使得强度基函数的加权线性和能够导致强度映射图，这取决于被限定为可接受的某个预定误差裕度。相干性矩阵模块558被配置用于从基函数设置模块554或存储实用程序600接收所确定的一组系数和对应的一组相干性基函数，并确定收集的输入光学场的所得估计相干性矩阵ρ。如此确定的相干性矩阵通常可以作为输出传输给操作员或者用于进一步处理和/或可以存储以用于附加处理。
在以下附图中描述了根据本发明的检测器系统100的各种配置。为简单起见，这些配置在一维中举例说明，并且对于逼真的二维情况的概括通常是直截了当的。
图10a和图10b示出光栅型编码器120，其配置用于将光引导到检测器阵列140，其中包括用于检测器元件的每个子阵列的一个相邻单位单元。图10a示出单边非对称光栅设计，并且图10b示出对称光栅设计。编码器120和检测器阵列140之间的距离l根据塔尔博特距离zt＝2p2/λ来选择，其与周期编码器的间距p和被收集的光学场的典型波长λ有关。在该示例中，距离l与半塔尔博特(talbot)距离有关，在图10a的示例中提供
附加的光栅类型配置在图11a和图11b中举例说明。在这些示例中，光栅被设计成将光引导到零级和第二级(图11a中)和-1、0和+1衍射级(图11b)。因此，适当选择单位单元的间距和编码器120与检测器阵列140之间的距离提供了包括与检测器阵列140的每个子阵列相关联的两个相邻单位单元的光学场收集。类似于图10a和图10b，图11a示出单边非对称光栅配置，并且图11b示出对称配置。在这些配置中，相邻单位单元的数量是二，并且因此检测器阵列140的每个子阵列中的检测器元件的数量更多，并且如附图中所举例说明的，在这些示例中m＝6，并且可以更多。而且，距离l更大，以允许衍射级适合检测器阵列的对应的子阵列。
在图12a至图12c中示出具有将光引导到每个子阵列的nr个相邻单位单元或者每个子阵列从nr个相邻单位单元接收光的一般配置。图12a示出单侧配置，图12b示出对称配置，并且图12c示出非对称或准对称配置(通常适用于奇数值的nr)。在这些配置中，编码器的光栅图案被配置为利用选定布置(单边、对称或准对称)将光导向除了零级之外的nr个衍射级。如上所述，检测器阵列优选地配置有每单位单元子阵列至少m＝2(nr+1)个检测器元件。应当注意，可以使用另外的配置，因为本发明的技术通常不限于与检测器阵列的每个子阵列相关联的编码器的相邻单位单元的数量或布置。
此外，本发明的技术可以与各种图案化类型一起使用，图13a至图13c举例说明利用由多个孔经(图13a)、二元相位图案(图13b)和相位和振幅掩模/图案(图13c)形成的图案的本发明的检测器系统的配置。通常，由于编码器相对于其单位单元是周期的，因此可以将其视为衍射光栅，并且如上所述关于设计和标准分析衍射级。替代地，可以使用已知的光传播模型来确定由单个单位单元生成并传播距离l的光学场，并且因此提供关于单位单元的基本响应函数的数据。通常，结果可以类似于由以适当间隔采样的单位单元远场的值给出的光栅的衍射级振幅。
最简单类型的掩模是孔径掩模，如图13a所示。在该示例中，孔经的直径为
图13b中示出简单的二元相位掩模。在该示例中，掩模段之间的相对相位是π，得到相对于相邻单位单元的数量具有相对大的角扩展(对应于更高的频率)的基本响应函数。因此，相对于将光引导到检测器阵列140的每个子阵列的相邻单位单元的数量，这种二元相位图案配置优选地需要更高的采样率。在该示例中，3个相邻单位单元的参与可以使用m＝12适当地采样。此外，距离l通常可以相对短，并且可以选择为
在图13c中示出振幅和相位掩模的组合。如果图13c被优化以将大部分输入能量均等地衍射到第一级-1、0，+1中的示例，为了实现这一点，掩模配置有周期p的覆盖56％的掩膜的透明部分，其余部分具有π相移和衰减器，该衰减器经调谐以将光学场减少到原来的1/3(即仅传输入射能量通量的1/9)。利用传播距离
在图14a和图14b中分别举例说明灰度级振幅和相位掩模。通常，根据编码器120的振幅和/或相位变化函数确定基本响应函数f(x)。例如，具有
另外，可以使用具有
也可以使用振幅和相位图案化的组合。例如，使用与二元π相位掩模组合的振幅变化，可以实现具有
另外的示例性配置包括二元相位-掩膜，例如达曼(dammann)型光栅，其中选择0和π相移区域之间的界面点以获得期望的衍射图案。图案配置可以通过数值优化或使用商业可获得的掩模来确定。替代地或附加地，图案可以配置为全息光栅。
参考图15a至图15d，其示出编码器的微棱镜类型图案。这些图案设计利用选择的周期微棱镜阵列来获得期望的基本响应函数。通常，这种微棱镜可以与振幅衰减元件组合。图15a示出沿一个轴具有nr＝1的基础微棱镜设计；图15b示出沿一个轴具有nr＝1的对称设计；图15c示出沿一个轴具有nr＝3的基础微棱镜设计；图15d示出一般的对称设计。通常，应该注意，微棱镜可以具有相同的长度/尺寸，或者具有不同的长度，并且也可以在微棱镜的顶部上使用相位和/或振幅图案化。
如上所述，编码器还可以包括小透镜阵列或微透镜阵列，这在图16a和图16b中举例说明，图16a和图16b分别示出使用凸透镜和凹透镜阵列的图案。通常，小透镜优选地被配置为每个占据一个单位单元，并且以f(或-f)的一般焦距举例说明。对于一般的非对角线半径nr(其中邻近区域对应于相同数量的参与的相邻单位单元)，扩展比可以选择为大约1：(nr+1)，使得能够使用具有跨度为p(nr+1)的检测器平面邻近区域。焦距f以选择为传播长度
通常，根据透镜的焦点，允许光在到达检测器像素之前传播另一距离
通常，本技术可以利用多层编码器配置。如上所述。这样的多层配置可以基于编码器120的两个或更多个不同图案。替代地或附加地，编码器可以包括两个或更多个层，该两个或更多个层在它们之间沿着收集的光的总体传播方向分开。一种这样的多层配置示例在图17中举例说明，图17示出包括第一编码器层120a、第二编码器层120b和检测器阵列140的检测系统。在该示例中，编码器的层被配置为小透镜阵列层并且被布置成使得第二层120b的小透镜将第一层120a的小透镜的焦点成像在检测器阵列上。在该配置中，通常通过选择小透镜的焦距和数值孔径来确定将光分量引导到检测器元件的子阵列上的相邻单位单元的数量。更具体地，层120a的小透镜的数值孔径越大，将光引导到相同的检测器元件的子阵列的相邻单位单元的数量越大。另外，多层配置可以利用与小透镜阵列组合的基于孔径的层，或其他这样的多层组合
如上所述，为简单起见，上述示例以一维示出。图18示出通过将两个图案以它们之间的角度对准来使用两个一维图案来提供二维编码器。替代地，图19a和图19b分别举例说明使用矩形和六边形周期图案的一些单位单元设计。
通常，这些附图中的单位单元设计a-c与嵌入正方形/六边形网格中的圆形小透镜相关联，小透镜被描绘为描述其地形轮廓的同心圆。在设计a中，小透镜周围的死区被掩模，设计b使该空间敞开，并且在设计c中，小透镜被延伸以填充整个单位单元。所有这些小透镜设计都可以扩展到具有圆对称性的其他元件，例如，全息透镜、菲涅耳透镜、非球面元件等
设计d和e示出嵌入在单位单元中的微棱镜配置。在设计d中，微棱镜以加号(+)配置布置，而在设计e中，它们以交叉(x)配置布置。在六边形周期图案中，微棱镜相对于单位单元的侧面和角度以类似的图案变化。
最后，设计f-k示出二元掩模。设计f和i利用正负版本的具有圆形对称性的掩模。设计g、h、j和k是保持正方形对称或六边形对称的正负版本。在设计g和j中，掩模平行于单位单元定向，而在h和k中，掩模旋转45度(或对于六边形配置旋转30度)。
返回参考图17中所示的多层配置，一些附加编码器配置可以使用级联型编码器，该级联型编码器包括多个光引导元件、分离元件、翻转元件和其他光引导元件。这种级联型配置在图20中举例说明，图20示出级联型编码器，该级联型编码器包括第一分离层120a、翻转层120b、第二分离层120c和混合层120d，所有这些都引导收集的光/辐射以由检测器阵列140收集和检测。
如本文举例说明的级联型编码器基于级联的光学层，这些光学层被配置用于在包括选定的分离级别的路径中引导收集的光分量，从而形成用于撞击在每个单位单元上的光分量的树状传播路径。相邻单位单元的树优选地被配置为使得级联树的输出平面包含撞击在单位单元上的光分量的多个样本或多次复制(replication)。可以布置该复制，使得对于非对角线半径nr内的任何一对单位单元(相邻单位单元)，存在作为最近的相邻单位单元的至少两个样本。
通常，级联树光学元件可以基于几何光学，并且特别是基于小透镜阵列。通常，分离器层120a和120c包括光学元件，该光学元件被配置用于分离撞击在分离器元件的输入上的光分量并将它们引导到沿着相邻分离元件的路径。当分离元件配置有规则周期120a时，这对应于将光从一个单位单元引导到相邻的单位单元。其他层120c可以配置有双周期(或更多)，并且因此，分离元件相应地引导光分量。翻转层120b被配置为将光分量引导到单个相邻区域(根据层120b的间距)，并且混合层120d有效地中继光分量。
如上所述，级联编码器的不同层可以由小透镜阵列构成，其中每个层可以是单个小透镜层或两个或更多个小透镜层。通常，每个级联层被配置为将光学场从其输入平面(顶部)中继到其输出平面(底部)，使得在每个中继单位内，光学场的横向取向被翻转。此外，应当注意，对于足够的采样率，传感器单元的数量可以通过级联配置中的层的间距大小与将光分量引导到检测器阵列140的相同子阵列的相邻单位单元的数量组合来确定。
参考图21，其示出用于与多色/宽带照明一起使用的编码器配置。这种多色检测可以用于以下应用，其中需要共同基本响应和/或一组强度基函数对于覆盖宽范围的波长相似。该配置基于编码器120，该编码器120包括：初始光栅元件g1，该初始光栅元件g1被配置用于将光分离成若干衍射级，包括色度变化(例如-1、0和+1级)；双透镜4f中继布置，其包括透镜l1和l2；以及棱镜单位p1和p2，其位于孔径平面处，并且被配置为改变不同波长的光路，以将选定波长范围内的所有波长的光分量引导到检测器阵列上，同时为每个衍射级引入不同的横向移位δx。设计这些横向移位使得每个衍射级(子通道)相对于编码器的单位单元的期望大小适当地位移，从而根据上述设计原理提供期望的邻近区域和基本响应。因此，波长λ1和λ2的光分量被示出为在检测器平面处再次合并。
通常，在这种配置中，检测器阵列140放置在中继布置的后焦平面上，并且通过棱镜单位p1和p2在系统的光瞳平面附近获得期望的横向移位δx。该配置提供，属于输入场的某个衍射级(子通道)的不同波长在同一点相遇，每个衍射级(子通道)具有指定的横向移位。应注意，零级衍射不具有任何色散，并且因此不需要校正。在一些配置中，补偿器c1可以提供在零衍射级(子通道)的光学路径中，以调整光学路径长度以与在该示例中由它们相应的棱镜p1和p2调制的其他衍射级的光学路径长度匹配。还应注意，假设透镜l1和l2实际上没有色散，并且如果不是，则可以通过选择棱镜p1和p2(以及可能的补偿器c1)的材料和设计来补偿任何这样的效果。
另外，该配置还可以利用傅立叶调制器(未具体示出)，其位于孔径平面附近并且被配置为提供对不同波长和/或衍射级(子通道)的光分量的相对相位和/或振幅的附加控制。傅立叶调制器还可以用于阻挡来自光栅元件的不期望的衍射级。
此外，检测器阵列可以配置为光谱敏感检测器，例如，rgb拜耳检测器阵列，或其他(超)光谱敏感像素布置。光谱敏感检测器的使用与宽带设计有关，因此，它允许每个波长范围具有对应的基本响应和/或强度基函数，从而可能扩展设备可接受的总允许波长范围。另外，光谱敏感检测器还可以适用于利用如上所述的编码器配置来扩展检测器系统配置的光谱范围。
另外参考图22a至图22d，其示出利用具有大于期望的单位单元(与几何分辨率相关联)的间距大小的小透镜阵列的编码器配置。该配置通常可以根据图8c中举例说明的利用暂时变化编码技术的检测器系统配置来使用。如图所示，小透镜阵列120包括具有大于期望的单位单元的周期的小透镜。因此，图案在捕获实例之间移动期望单位单元的间距大小。如图所示，在图22a中，阵列在(0,0)处对齐，在第一次捕获之后，阵列120移动到图22b中的对齐(0,1)，该阵列进一步移动到图22c中的对齐(1,0)和图22d中的对齐(1,1)。应当注意，可以使用额外的移位，利用小透镜阵列的9个移位副本或更多来提供3×3配置。在这四个实例之后收集的总强度映射图用于根据上述技术进行处理。还应注意，实例的顺序可以任意确定，并且不对根据本技术的处理起作用。在另一个实施例中，这种多配置(类似于图22a至图22d中所示的配置)可以用于如图8b举例说明的并行架构。
参考图23a至图23d，其举例说明关于具有不同调制和/或取向的波长、偏振滤波和/或单位单元的单位单元成簇(后者与具有1d编码器图案化的单位单元和具有减少数量的传感器单元的对应的1d邻近区域相关)。图23a举例说明包括两个绿色传输单元、红色传输单元和蓝色传输单元的拜耳型簇；图23b举例说明如本文所述的三个rgb常规强度检测单元和cc相位和/或相干性检测单元的布置；图23c举例说明具有不同取向的偏振滤波器和/或1d取向编码器单元的单元；图23d举例说明波长和偏振单元和/或1d取向编码器单元的组合布置。
通常，如上所述，成簇单元可以用于提供具有增加信息范围的成像，例如，多色成像。每个簇通常被视为单位单元。然而，簇的每个单元本身是单位单元，并且与相邻簇的对应的单元共享子通道。此外，簇的单元可以在它们之间在光谱范围、偏振取向上变化，与不同的基集、大小、编码器类型、编码器取向等相关联。单元成簇的选择可以用于增强收集的数据的深度或层，从而增加相位/相干性成像的动态范围和/或提供额外的成像层。例如，编码器类型的变化和/或基集的选择使得能够基于若干参数重建相位和/或相干性数据，以优化检测的精度和灵敏度。
因此，本技术提供了一种用于确定指示收集的光的强度、相位和相干性的数据的检测器系统和对应的方法。本发明的技术适用于检测从给定位置到达的光的相位和相干性，同时不需要控制来自其他方向的样本的照明或检查。本领域技术人员将容易理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以对如上所述的本发明的实施例应用各种修改和变化。
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