用于可见和近可见光的大孔径波前的高效记录的系统和方法
【专利说明】用于可见和近可见光的大孔径波前的高效记录的系统和方法
[0001]优先权声明/相关申请
本申请要求于2011年12月29日提交的、标题为“System and Method for theEfficient Recording of Large Aperture Wave Fronts of Visible and Near VisibleLight”、序列号为61/581，389的美国临时专利申请的利益和在35 USC 119(e)和120下的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0002]本公开一般地涉及一种成像系统和方法，并且具体地讲，涉及一种用于使用全息术和全景成像(integral imaging)记录光的波前的系统和方法。
【背景技术】
[0003]存在许多用于记录光的波前的方案。这些方案能够被任意分为三类记录:
1.将真实图像的振幅记录在记录介质上的方案，真实图像由光学系统产生。通常，这些过程被称为摄影术。
2.通过把由信号波前和参考波前产生的干涉图案的振幅记录在记录介质上来记录光的波前的相位的方案。通常，这些过程被称为全息术。
3.通过同时把大量视点的光振幅记录在记录介质上来记录光的波前的相位的方案。这些过程经常被称为全景成像。
[0004]以上方案中的每一个具有优点和限制。
[0005]例如，摄影术产生容易处理和理解的图像，但局限于单个视点和单个焦平面。用于记录照片的技术很好理解，被广泛地使用，并且它的记录和计算部件受益于大规模生产的成本效率。不幸的是，摄影术在光的输入波前的能量的使用方面具有不良的效率。这是由于以下事实所导致:摄影术过程必须为了最佳景深而使用小孔径在空间上对光进行滤波，并且按照频率对光进行滤波，以记录颜色。由于使用小孔径的光学系统的衍射限制，小孔径的使用也限制了照片可捕捉的信息的量。
[0006]全息术在记录介质的孔径上产生成为光的波前的完全再创造的图像，没有关于视点或焦平面的限制。全息术在其对光的输入波前的能量的使用方面是非常高效的。来自两个波前的全部入射光被记录。使用与记录的波前的衍射限制匹配的干涉记录全息图。由于记录孔径是整个记录区域，所以全息图接近记录视觉信息的理论上的信息和分辨率限制。不幸的是，存在如下严重的约束，该约束限制可记录全息图的时间，这使得它们无法实际用作记录广泛各种图像的一般方案。例如，仅可使用具有空间和频率相干性的光记录全息图。
[0007]全景成像能够记录多个视点，并且通过使用附加的计算而不受焦平面约束。在全景成像中使用经典光学系统带来与摄影术相同的效率和信息限制，具有经常在单个记录装置或表面上对许多视点成像的附加资源负担。
[0008]因此，希望提供一种克服已知方案的以上限制的成像系统和方法，并且，本公开所涉及的是达到这个目的。
【附图说明】
[0009]图1和2分别是混合全景成像系统的实现方式的例子；
图3A-3D图示混合全景成像系统的更多细节；
图4A-4B图示用于混合全景成像的方法；
图5图示用于红色/绿色/蓝色映射的全息复用器元件的实施例；
图6图示用于三维映射的全息复用器元件的实施例；和图7A、7B、8A和8B图示用于调整系统的景深或视场的用户界面的例子。
【具体实施方式】
[0010]本公开特别适用于以下描述的高效地记录可见和近可见光的大孔径波前的混合全景成像系统和方法，并且将在这种背景下描述本公开。然而，将会理解，该系统和方法具有更大的效用。例如，以下描述的实施例可被用于可见光，但混合全景成像系统和方法也可被与非可见光一起使用。更一般地讲，混合全景成像系统和方法可被与各种类型的电磁辐射一起使用。
[0011]在一个实现方式中，该系统和方法可被与具有落在电磁波谱的可见区域和近红外(IR)区域内的线光谱的电磁辐射一起使用。例如，线光谱(具有一定范围的波长)可包括下面各项中的一个或多个:在380 - 450 nm的紫色、在450 - 495 nm的蓝色、在495 - 570 nm的绿色、在570 - 590 nm的黄色、在590 - 620 nm的橙色、在620 - 750 nm的红色和在2，500至750 nm的近ir。
[0012]图1和2分别是混合全景成像系统100的实现方式的例子。在图1中，该系统可包括耦合到混合全景成像单元104的处理模块102。处理模块102可以是能够处理由以下更详细描述的混合全景成像单元104产生的数据的任何典型的微处理器、微控制器、状态机等。在一些实施例中，处理模块102和混合全景成像单元104两者可都被容纳在单个外壳中。在图1中的例子中，处理模块102可包括存储装置，该存储装置允许存储和处理来自混合全景成像单元104的数据。在图2中，处理模块102可以是计算机系统106或计算机系统的部分。计算机系统可以是个人计算机、服务器计算机，云计算资源、膝上型计算机、智能电话装置等。在图2中的例子中，计算机系统是桌上型计算机系统，该桌上型计算机系统可具有显示器106a、机箱106b (可容纳处理单元102和存储器或永久存储单元106c)以及允许用户与计算机系统交互的一个或多个输入/输出装置，诸如，键盘106d和鼠标106e。计算机系统还可具有允许处理单元102以无线方式或以有线方式与远程装置通信的接口和电路106f。如图2中所示，混合全景成像单元104可被耦合到计算机系统。
[0013]除了图1-2中示出的处理模块102的实现方式之外，处理模块还可包含一组个体微处理器元件，其中每个微处理器元件被映射到图像记录元件的一区域作为输入。每个微处理器元件还可被以如下方式映射到表示处理的图像的部分的存储器的许多部分作为输出:该方式允许并行计算到所请求的视野的一部分中的复用输入。替代地，处理模块102可包含一组个体微处理器元件，每个微处理器元件被映射到图像记录元件或关联的处理器的几个区域作为输入并且以如下方式被映射到所请求的视野的单个部分作为输出:该方式允许并行计算到所请求的视野的部分中的复用输入。以下提供处理单元102和混合全景成像单元104的细节。
[0014]图3A和3B图示混合全景成像单元104的更多细节。如图3A中所示，混合全景成像单元104可包括外壳104A，外壳104A容纳图3B中示出的单元上的其它部件。混合全景成像具有摄影术和全景成像的成本优势，并且通过利用图3B中示出并且在以下更详细地描述的全息复用元件200替换摄影术或全景光场成像的标准光学系统来移除它们的许多约束。
[0015]全息复用元件200向个体记录装置提供输入光波前中的信息的高效复用。更具体地讲，全息复用元件200可高效地将波前复用到用于颜色、视点和深度的分立通道中。
[0016]混合全景成像单元104可由五个部件构成，包括图3中示出的全息复用元件200、一个或多个图像记录元件202、支撑部件204、一个或多个光路206。混合全景成像单元104还可包括图1-2中示出的处理模块102、用户界面模块(诸如，图2中的显示器106a)和处理模块的其它部分以及图3A中示出的外壳104A。
[0017]全息复用元件200
全息复用元件200可以是记录在李普曼-布喇格(Lipmann-Bragg)体系中的体积反射全息图。这种类型的全息图包含在1/2波长层切通记录介质的体积的记录的干涉条纹。这个几何形状反射特定波长的光并且对特定波长的光进行滤波。可获得在重构方面非常高效的记录材料，因此可在这个全息图中记录高效地反射和聚焦窄波长的光的许多虚拟离轴凹形抛物线形(或球体)聚焦子元件(诸如，反射镜)。每个虚拟反射镜子元件可被设计为把来自特定视点、具有特定虚拟孔径和特定景深的、特定频带的图像聚焦到个体记录元件。子元件还可被映射到图像记录元件的各部分。替代地，每个聚焦子元件可与图像记录元件配对。
[0018]在一个实现方式中，全息复用元件200可被实现为一组分立体积反射全息图元件。每个全息元件可在李普曼/布喇格域中通过使用相长干涉的颜色光谱对光的传入波前进行滤波。每个全息元件可通过在菲涅耳域中使用相长干涉重构光的传入波前的部分的真实图像来基于视点和/或深度进行滤波。
[0019]为了制造全息复用元件200，每个分立体积全息图可被使用自动化过程顺序地写到全息记录基底(诸如，例如光学玻璃上的重铬酸盐明胶)，而非使用作为物体波和参考波的相干光的特定光谱描述将每个分立全息元件的孔径映射到传入波前中的输入点和图像记