专利名称：生成三维图像信息的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及生成三维图像信息，并更特别地涉及使用单成像路径生成三维图像息。
背景技术：
在传统的二维(2D)成像中，表征三维(3D)场景中物体的光线被捕捉并映射至2D图像平面，因而深度信息未被记录。立体光学系统能够通过从不同的视角视点生成独立的图像而生成表征深度信息的图像。例如该深度信息可被用于产生场景中点与点之间的3D尺寸。可选的是，该独立的图像可被分别独立地呈现给用户的左眼和右眼，以模仿人眼在观察真实场景时的行为，并允许用户在当前的观察中感知到深度。独立或立体的图像一般由具有一对空间上分离的成像路径的光学系统或由使用单成像路径的不同部分生成，从而产生具有不同视角视点的图像。随后可使用眼镜来呈现所述图像，该眼镜能够选择性地允许独立的图像分别到达用户的左眼和右眼。可选的是，可配置特殊的显示器以将空间上分离的图像分别投影至用户的左眼和右眼。立体成像的使用还可应用在外科手术中，其中，3D内窥镜可被用于为外科医生提供3D视觉。立体成像对于远程操作例如海底勘探同样也是具有使用价值的，其中，通过为远离机器致动器的操作员提供3D图像信息，使得机器致动器的控制更加便利。立体成像的其他应用可在物理测量系统和娱乐工业中所使用的3D电影制作设备中被发现。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供了一种使用具有单成像路径和相关视场的透镜生成三维图像信息的方法。该方法包括将在透镜的视场内捕捉到的光引导至该透镜的孔径平面，在位于该孔径平面附近的空间鉴别器(spatial discriminator)处接收捕捉到的光,该鉴别器包括被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光的第一部分，以及被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光的第二部分。所述单成像路径的第一部分和第二部分分别提透镜的视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在设置于透镜的图像平面处的图像传感器处形成第一图像和第二图像。第一图像从第一视角视点表征视场内的物体，而第二图像从第二视角视点表征该物体，第一图像和第二图像一起可操作地用于表征物体的三维空间属性。所述方法还包括在图像传感器上的第一组传感器元件处接收第一图像，该第一组传感器元件响应于具有第一光学状态的光，以及在图像传感器上的第二组传感器元件处接收第二图像，该第二组传感器元件响应于具有第二光学状态的光。接收第一图像和第二图像可包括分别在第一组传感器元件和第二组传感器元件处接收第一图像和第二图像，第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组包括可操作地用于传输具有相应光学状态的光并阻挡具有不同于相应光学状态的光的传输的选择元件，以及位于该选择元件之下的相应的传感器元件。
每个相应的传感器元件可包括多个传感器元件。接收第一图像和第二图像可包括分别在第一组传感器元件和第二组传感器元件处接收第一图像和第二图像，第一组传感器元件和第二组传感器元件以重复镶嵌模式排列，该重复镶嵌模式可操作地用于减小由图像传感器的传感器元件的重复频率导致的空间干涉。鉴别器的第一部分可包括第一偏振器部分，第一偏振器部分被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一偏振状态的光，该鉴别器的第二部分可包括第二偏振器部分，第二偏振器部分被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二偏振状态的光。接收第一图像可包括在第一组偏振器元件处接收第一图像，该第一组偏振器元件被设置为将具有第一偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有第二偏振状态的光的传输；并且接收第二图像可包括在第二组偏振器元件处接收该第二图像，该第二组偏振器元件被设置为将具有第二偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有第一偏振状态的光的传输。接收捕捉到的光可包括通过偏振器的第一部分接收具有左旋椭圆偏振状态的光，以及通过偏振器的第二部分接收具有右旋椭圆偏振状态的光；并且接收第一图像可包括在第一组偏振器元件处接收第一图像，该第一组偏振器元件可操作地用于传输具有左旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光；并且接收第二图像可包括在第二组偏振器元件处接收该第二图像，该第二组偏振器元件可操作地用于传输具有右旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光。在第一组偏振器元件处接收第一图像可包括在多个四分之一波片处接收第一图像，所述多个四分之一波片可操作地用于将右旋椭圆偏振状态变为第一线偏振状态，并可进一步包括在相应的可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收第一图像；并且在第二组偏振器元件处接收第二图像可包括在多个四分之一波片处接收该第二图像，所述多个四分之一波片可操作地用于将左旋椭圆偏振状态变为第二线偏振状态，并可进一步包括在相应的可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收该第二图像。左旋椭圆偏振状态可包括左旋圆偏振状态，右旋椭圆偏振状态可包括右旋圆偏振状态。接收该捕捉到的光可包括通过该偏振器的第一部分接收具有第一线偏振方向的光，以及通过该偏振器的第二部分接收具有第二线偏振方向的光，该第一线偏振方向垂直于该第二线偏振方向而定向；并且在第一组偏振器元件处接收第一图像可包括在可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光的多个偏振器元件处接收该第一图像；并且在第二组偏振器元件处接收第二图像可包括在可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光的多个偏振器元件处接收该第二图像。
该第一线偏振方向可被定向为45度。在第一组偏振器元件处接收第一图像可包括在可操作地用于传输具有第一偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收第一图像；并且在第二组偏振器元件处接收第二图像可包括在可操作地用于传输具有第二偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收该第二图像。
该方法可包括选择性地将该鉴别器旋转大约90度以在横向和纵向的其中之一生成图像。该鉴别器的第一部分可包括第一滤光器部分，该第一滤光器部分被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光谱属性的光；并且该鉴别器的第二部分可包括第二滤光器部分，该第二滤光器部分被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光谱属性的光，并且接收该第一图像可包括在第一组传感器元件处接收该第一图像，该第一组传感器元件可操作地用于传输具有第一光谱属性的光并阻挡具有第二光谱属性的光的传输；并且接收第二图像可包括在第二组传感器元件处接收该第二图像，该第二组传感器元件可操作地用于传输具有第二光谱属性的光并阻挡具有第一光谱属性的光的传输。该第一光谱属性可包括第一组波长，该第二光谱属性可包括第二组波长，该第一组波长和第二组波长通过波长的差异而在波长上分开。每个传感器元件可包括多个滤光元件，每个滤光元件可操作地用于传输在所述组的波长范围内的波长范围的光。该多个滤光元件可被设置为，使得通过传感器元件的光在到达位于下方的滤色器阵列之前，接连地通过每个滤光元件。多个滤光元件可互相邻近设置并覆盖相应的传感器元件，并且该滤光元件被配置为在将光引导至位于下方的相应的传感器元件以生成颜色信息时同时生成第一图像和第
二图像。该方法可包括生成表征第一图像和第二图像的图像信号，并可进一步包括处理图像信号以生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号；并且该处理可包括处理第一图像信号和第二图像信号，以使得该第一图像和第二图像具有相同的颜色外观。第一组波长和第二组波长中的每组均可包括红色、绿色和蓝色的波长，并且该波长差异可在大约Inm到大约IOOnm之间。接收该第一图像可包括在第一组传感器元件处接收该第一图像，该第一组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有第一光谱属性的光的滤光元件；以及在第二组传感器元件处接收该第二图像，该第二组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有第二光谱属性的光的滤光元件。每个滤光元件均可包括窄带光学带通滤波器，该窄带光学带通滤波器具有分别与第一光谱属性和第二光谱属性相对应的光谱响应。该鉴别器的第一部分可包括可操作地用于传输光的第一组波长的滤光元件，该鉴别器的第二部分可包括可操作地用于传输光的第二组波长的滤光元件。该方法可包括生成表征第一图像和第二图像的图像信号。生成该图像信号可包括使得图像传感器生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及使得该图像传感器生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号。生成该图像信号可包括使得图像传感器生成表征在第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组处接收到的光的图像信号，并且可进一步包括处理该图像信号以生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号。
将光引导至透镜的孔径平面可包括将在透镜的视场内捕捉到的光引导至以下其中之一的透镜的孔径平面该透镜的物理孔径的位置；或物理孔径的共轭面的位置。在鉴别器处接收该捕捉到的光可包括在鉴别器处接收该捕捉到的光，该鉴别器距离该孔径平面足够小的位移定位，使得由鉴别器的第一部分和第二部分的渐晕而引起的第一图像和第二图像中的强度变化低于人眼所能感知的阈值。该位移可足够小，以使得与第一图像和第二图像相关的图像平面处的强度变化降低至30%以下。在该鉴别器处接收捕捉到的光可包括在鉴别器涂层处接收捕捉到的光，该鉴别器涂层被涂覆到设置在所述孔径平面附近的透镜元件的表面上。该透镜可包括多个大致圆形的透镜元件，该透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且接收该捕捉到的光可包括通过该鉴别器的左半部分传输具有该第一光学状态的光，以及通过该鉴别器的右半部分传输具有该第二光学状态的光，该鉴别器的左半部分和右半部分分别限定该单成像路径的左半圆部分和右半圆部分。该透镜可包括多个大致圆形的透镜元件，该透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且接收该捕捉到的光可包括通过鉴别器的左扇形部分传输具有第一光学状态的光，以及通过鉴别器的右扇形部分传输具有第二光学状态的光，该左扇形部分和右扇形部分围绕透镜的垂直中心线设置。该方法可包括改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围，以在形成该第一图像和第二图像时使得第一视角视点和第二视角视点的位置变化，这种视角视点的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该透镜可包括第一孔径，其被设置为阻挡入射到该鉴别器的第一部分上的光或者阻挡通过该鉴别器的第一部分传输的光；以及第二孔径，其被设置为阻挡入射到该鉴别器的第二部分上的光或者阻挡通过该鉴别器的第二部分传输的光。该方法可包括组合来自第一图像和第二图像的图像信息，以生成相应的视角视点位置之间间距减小的第三图像和第四图像。该组合可包括按比例调节第一图像和第二图像的强度。根据本发明的另一方案，提供了一种使用具有单成像路径和相关视场的透镜生成三维图像信息的装置。该装置包括具有单成像路径的透镜，该单成像路径可操作地用于将在该透镜的视场内捕捉到的光引导至该透镜的孔径平面。该装置还包括位于所述孔径平面附近的空间鉴别器，该鉴别器包括被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光的第一部分，以及被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光的第二部分。该单成像路径的第一部分和第二部分分别提供该透镜的视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在该透镜的图像平面处形成第一图像和第二图像，该第一图像从第一视角视点表征视场内的物体，而该第二图像从第二视角视点表征该物体。该第一图像和第二图像一起可操作地用于表征所述物体的三维空间属性。该装置进一步包括设置在该透镜的图像平面处的图像传感器，该图像传感器包括响应于具有所述第一光学状态的光的第一组传感器元件，以及响应于具有所述第二光学状态的光的第二组传感器元件。
该图像传感器可包括第一组传感器元件和第二组传感器元件，第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组包括可操作地用于传输具有相应光学状态的光并阻挡具有不同于该相应光学状态的光的选择元件，以及位于该选择元件之下的相应的传感器元件。每个相应的传感器元件可包括多个传感器元件。该第一组传感器元件和第二组传感器元件可分别以重复镶嵌模式排列，该重复镶嵌模式可操作地用于减小由图像传感器的传感器元件的重复频率导致的空间干涉。该鉴别器的第一部分可包括第一偏振器部分，第一偏振器部分被设置为通过该单成像路径的第一部分传输具有第一偏振状态的光，并且该鉴别器的第二部分可包括第二偏振器部分，第二偏振器部分被设置为通过该单成像路径的第二部分传输具有第二偏振状态的光。该图像传感器可包括第一组传感器元件，其被设置为将具有第一偏振状态的光传输到相应的多个传感器兀件，并阻挡具有第二偏振状态的光的传输；以及第二组传感器元件，其被配置为将具有第二偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有第一偏振状态的光的传输。偏振器的第一部分被可操作地配置为通过该偏振器的第一部分传输具有左旋椭圆偏振状态的光，以及通过该偏振器的第二部分传输具有右旋椭圆偏振状态的光，并且该第一组图像传感器元件可包括第一组偏振器元件，第一组偏振器元件可操作地用于传输具有左旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光；并且该第二组图像传感器元件可包括第二组偏振器元件，第二组偏振器元件可操作地用于传输具有右旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光。该第一组偏振器元件中的每一个均可包括可操作地将右旋椭圆偏振状态变为第一线偏振状态的四分之一波片，和可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光的线偏振器元件；并且该第二组偏振器元件中的每一个均可包括可操作地将左旋椭圆偏振状态变为第二线偏振状态的四分之一波片，和可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光的线偏振器元件。该左旋椭圆偏振状态可包括左旋圆偏振状态，并且该右旋椭圆偏振状态可包括右旋圆偏振状态。该偏振器的第一部分可具有第一线偏振方向，并且该偏振器的第二部分可具有第二线偏振方向，该第一线偏振方向垂直于该第二线偏振方向而定向，该第一组偏振器兀件中的每一个均可包括可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光的偏振器元件，并且该第二组偏振器元件中的每一个均可包括可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光的偏振器元件。该第一线偏振方向可被定向为45度。该第一组偏振器元件可包括可操作地用于传输具有第一偏振状态的光的多个线偏振器元件，并且该第二组偏振器元件可包括可操作地用于传输具有第二偏振状态的光的多个线偏振器元件。 该鉴别器被可操作地配置为选择性地旋转大约90度以在横向和纵向的其中之一生成图像。该鉴别器的第一部分可包括第一滤光器部分，第一滤光器部分被设置为通过单成像路径的第一部分传 输具有第一光谱属性的光，该鉴别器的第二部分可包括第二滤光器部分，第二滤光器部分被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光谱属性的光，并且该第一组传感器元件被可操作地配置为，传输具有第一光谱属性的光并阻挡具有第二光谱属性的光的传输；并且该第二组传感器元件被可操作地配置为，传输具有第二光谱属性的光并阻挡具有第一光谱属性的光的传输。该第一光谱属性可包括第一组波长，该第二光谱属性可包括第二组波长，该第一组波长和第二组波长通过波长的差异而在波长上分开。每个传感器元件可包括多个滤光元件，每个滤光元件可操作地用于传输在该组的波长范围内的波长范围的光。该多个滤光元件可被设置为，使得通过该传感器元件的光在到达位于下方的滤色器阵列之前，接连地通过每个滤光元件。该多个滤光元件可互相邻近设置并覆盖相应的传感器元件，并且该滤光元件被配置在将光引导至位于下方的相应的传感器元件以生成颜色信息时同时生成该第一图像和
第二图像。该图像传感器被可操作地配置为生成表征第一图像和第二图像的图像信号，并可进一步包括控制器，控制器被可操作地配置为处理该图像信号以生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号，并且该控制器被可操作地配置为对第一图像信号和第二图像信号进行图像处理，以使得第一图像和第二图像具有相同的颜色外观。第一组波长和第二组波长中的每组均可包括红色、绿色和蓝色的波长，并且该波长的差异在大约Inm到大约IOOnm之间。该图像传感器可包括第一组传感器元件和第二组传感器元件，该第一组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第一光谱属性的光的滤光元件，并且所述第二组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第二光谱属性的光的滤光元件。每个滤光元件可包括窄带光学带通滤波器，该窄带光学带通滤波器具有分别与第一谱属性和第二光谱属性相对应的光谱响应。该鉴别器的第一部分可包括可操作地用于传输光的该第一组波长的滤光元件，该鉴别器的第二部分可包括可操作地用于传输光的该第二组波长的滤光元件。该图像传感器被可操作地配置为生成表征第一图像和第二图像的图像信号。该图像传感器被可操作地配置为，生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号。该图像传感器被可操作地配置为，生成表征在第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组处接收到的光的图像信号；并处理该图像信号以生成表征由第一组传感器元件接收到的第一图像的第一图像信号，以及生成表征由第二组传感器元件接收到的第二图像的第二图像信号。该透镜的孔径平面可包括位于以下其中之一的透镜的孔径平面该透镜的物理孔径的位置，或者该物理孔径的共轭的位置。
该鉴别器可距离孔径平面足够小的位移定位，使得由该鉴别器的第一部分和第二部分的渐晕而引起的第一图像和第二图像中的强度变化低于人眼所能感知的阈值。该位移可足够小，以使得与第一图像和第二图像相关的图像平面处的强度变化降低至30%以下。该鉴 别器可包括涂覆到设置在该孔径平面附近的透镜元件的表面上的鉴别器涂层。该透镜可包括多个大致圆形的透镜元件，该透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且该鉴别器可包括可操作地用于传输具有第一光学状态的光的左半部分以及可操作地用于传输具有第二光学状态的光的右半部分，该鉴别器的左半部分和右半部分分别限定该单成像路径的左半圆部分和右半圆部分。该透镜可包括多个大致圆形的透镜元件，该透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且该鉴别器可包括可操作地用于传输具有第一光学状态的光的左扇形部分以及可操作地用于传输具有第二光学状态的光的右扇形部分，该左扇形部分和右扇形部分围绕透镜的垂直中心线设置。该鉴别器可为可操作地用于改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围，以在形成该第一图像和第二图像时使得该第一视角视点和第二视角视点的位置变化，这种视角视点的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该装置可包括第一孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的第一部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的第一部分传输的光；以及第二孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的第二部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的第二部分传输的光。该装置可包括控制器，该控制器被可操作地配置为组合来自第一图像和第二图像的图像信息，以生成相应的视角视点位置之间间距减小的第三图像和第四图像。该控制器被可操作地配置，以通过按比例调节该第一图像和第二图像的强度来组合该图像信息。通过下述结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其他方案和特征对本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
附示了本发明的实施例，在附图中，图I为根据本发明第一实施例的生成三维图像信息的装置的立体图；图2为图I所示的装置中使用的图像传感器的局部剖开立体图；图3为图2所示的图像传感器的一部分的分解图；图4为描述图I所示的装置的运行状态的俯视图；图5为表示图4所示的装置所生成的图像的示意图；图6为描述图I至图4中所示的装置的一个可选实施例中所使用的干涉滤光器的透射光谱图；图7为根据本发明的可选实施例中的图2所示的图像传感器的一部分的分解图；以及图8至图10为示出图I所示的装置中所使用的偏振器的可选实施例的系列图。
具体实施例方式参考图1，示出了根据本发明第一实施例的生成三维图像信息的装置100。该装置100包括透镜102，该透镜102具有一般沿着中心轴103定向的单成像路径。透镜102可操作地将该透镜视场内捕捉到的光引导至该透镜的孔径平面104装置100还包括空间鉴别器108，空间鉴别器108位于孔径平面104附近。孔径平面104可为透镜102的物理孔径平面或者可以是物理孔径平面的共轭面。鉴别器108包括第一部分110，其被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光，以及第二部分112，其被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光。单成像路径的第一部分110和第二部分112分别提供该透镜102视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在该透镜的图像平面114上形成第一图像和第二图像。该第一图像从第一视角视点表征该视场内的物体(例如物体116)，该第二图像从第二视角视点表征该物体。该第一图像和第二图像一起可操作来表征物体116的三维空间属性。装置100还包括图像传感器106，其设置在透镜102的图像平面114处。图像传感器106包括第一组传感器元件138，其响应于具有第一光学状态的光，以及第二组传感器元件139，其响应于具有第二光学状态的光。图像传感器106可实施为电荷耦合器件(CCD)传感器或者主动像素传感器(比如CMOS主动像素传感器)。图像传感器106包括输出端128，用于生成图像信号。装置100还包括控制器130，该控制器130具有输入端132，以从图像传感器的输出端128接收图像信号。在一个实施例中，输出端128可包括多个平行的信号线以能够从图像传感器106并行读出图像信号。该控制器可包括处理器电路，其被可操作地配置用于执行图像信号的处理。在图I所示的实施例中，透镜102包括多个透镜元件118、120和122，其组成变焦透镜组124并限定孔径平面104的位置。变焦透镜组124的焦距可通过移动透镜元件118和120来改变。透镜102还包括聚焦透镜126以将图像聚焦到图像平面114。在其他实施例中，透镜102可由更多或更少数量的透镜元件组成，并且所述透镜元件可为成像中所使用的定焦、长焦或其他类型的透镜。参考图2，示出了根据本发明第一实施例的图像传感器200。该图像传感器200包括光敏层202，光敏层202包括多个传感器元件204，传感器元件204可操作地用于生成表征在一段时间内入射到传感器元件上的光子通量的电荷或电压。图像传感器200进一步包括滤色器阵列206，其覆盖光敏层202并具有多个滤色元件208。每个滤色元件208覆盖一个传感器元件204，以提供滤色元件和传感器元件之间的一一对应。与通常的图像传感器类似，层202和206 —起可包括CXD图像传感器或CMOS主动像素传感器。图像传感器200还包括选择层210和212。在一个实施例中，层210和212包括选择元件214，选择元件214可操作地用于选择性地传输具有第一光学状态和第二光学状态中的其中一种光学状态的光，并阻挡具有另一种光学状态的光的传输。图3示出了根据本发明一个实施例的图像传感器200的一部分216的分解图。参考图3，在该实施例中每个选择元件214包括在层212上的四分之一波片元件218以及在层210上的线偏振器元件220。在图3中，层212上的一部分四分之一波片218标记为“R”，表明该波片被定向以将右旋圆偏振光变为具有第一偏振方向(如-45° )的线偏振光。层212上的其他四分之一波片218标记为“L”，表明该波片被定向以将左旋圆偏振光变为线偏振光(如+45° )。类似地,层210上的一部分线偏振器220标记为表明该偏振器被定向以传输具有第一偏振方向(如_45° )的线偏振光,层210上的其他线偏振器标记为“ + ”，表明该线偏振器被定向以传输具有第二偏振方向(如+45° )的线偏振光。波片218和偏振器220具有基本相同的大小，并且每个标记为“R”的波片覆盖标记为的偏振器，而每个标记为“L”的波片覆盖标记为“ + ”的偏振器。波片218和偏振器220可通过例如，传统的平版沉积或光刻来制作。滤色器阵列层206包括多个滤色元件208，在该实施例中所述多个滤色元件208以拜尔(Bayer)滤镜模式排列，其具有两个绿色或亮度敏感元件G、一个红色色度敏感元件R 以及一个蓝色色度敏感元件B。G、R和B滤色元件208中的每一个为选择元件214 (由四分之一波片元件218和线偏振器元件220组成)的四分之一大小，因而由四个滤色元件(GRBG)组成的拜尔单元222具有与单个选择元件相同的大小，并位于相应的选择元件之下。最后，在光敏层202上的多个传感器元件204中的每一个都具有与覆盖其上的滤色元件208相一致的大小和排列。因而传感器元件204的光谱响应被覆盖其上的滤色元件208所调制，从而允许图像中的颜色信息根据图像信号而恢复。空间鉴别器—般来说，从透镜102的视场接收到的光将具有随机的线偏振。在一个实施例中，空间鉴别器108的第一部分110可以包括附有四分之一波片的线偏振器。该线偏振器可被定向，使得入射到该线偏振器上并具有第一偏振方向(如-45° )的线偏振光成分通过该线偏振器传输。该四分之一波片被定向，使得具有-45°偏振方向的光变为左旋圆偏振光。因而在该实施例中鉴别器的第一部分110传输左旋圆偏振光。类似地，空间鉴别器108的第二部分112也可包括线偏振器，该线偏振器被定向，使得入射到该线偏振器上并具有第二偏振方向(如+45° )的线偏振光成分通过该线偏振器传输。该四分之一波片被定向，使得具有+45°偏振方向的光变为右旋圆偏振光。因而在该实施例中鉴别器的第二部分112传输右旋圆偏振光。运行参考图4和图5对在图2和图3中所示的图像传感器200的运行作进一步的描述，图4和图5示出了装置100的俯视图。参考图4，自透镜102的视场内的第一点140散发出的光线142可以包括随机偏振光，透镜102捕捉该光并将其引导至孔径平面104，在孔径平面104处光线通过鉴别器108的第一部分110。通过鉴别器108的第一部分110传输的光线144具有左旋圆偏振，并被聚焦到图像平面114上的点146上。返回参考图3，入射到在层212上的标记为“L”的四分之一波片218上的具有左旋圆偏振的光线，其偏振状态从左旋圆偏振光变为+45°的线偏振光。标记为“ + ”的线偏振器元件220通过相应的滤色元件208和传感器元件204传输+45°的偏振光，以促进该第一图像的记录。入射到层212上的标记为“L”的四分之一波片218上的右旋圆偏振的光线，其偏振状态从右旋圆偏振光变为-45°的线偏振光，并被标记为“ + ”的线偏振器元件所阻挡。返回参考图4，透镜102捕捉视场内的第二点148所散发的光线150，并将其引导至孔径平面104，在孔径平面104处该光线通过鉴别器108的第二部分112。通过鉴别器108的第二部分112传输的光线152具有右旋圆偏振，并被聚焦到图像平面114上的点154上。返回参考图3，入射到层212上的标记为“R”的四分之一波片218上的具有右旋圆偏振的光线，其偏振状态从右旋圆偏振光变为-45°的线偏振光。标记为的线偏振器兀件220通过相应的滤色元件208和传感器元件204传输-45°的偏振光，以促进该第二图像的记录。入射到层212上的标记为“R”的四分之一波片218上的具有左旋圆偏振的光线，其偏振状态从右旋圆偏振光变为+45°的线偏振光，并被标记为的线偏振器元件所阻挡。有利的是，第一图像和第二图像在图像传感器元件204处可同时得到，并可通过读出在一时间段内积聚在图像传感器元件204上的信号值而分离。对于视频图像，所述时间段可根据期望的帧速率(例如，对于NTSC视频信号为30帧每秒)来设置。在一个实施例中，所有的传感器元件作为像素流在一单独的操作中从图像传感器200中被读出，控制器130(图I所示)根据图像传感器200的选择层210和212上的选择元件214的特定排列，将像素分为第一图像像素和第二图像像素。在其他实施例中，与第一图像相关的传感器元件可在第一时间段内被读出，而与第二图像相关的传感器元件可在第二时间段被读出。参考图5，其示出了图I所示的物体116的示例性的第一图像160和第二图像162。由于鉴别器108的第一部分110所限定的单成像路径的第一部分偏离中心轴103，所以第一图像160具有来自物体116 —侧的视角视点，并向左偏离图像中央164。第二图像162具有来自物体116的另一侧的视角视点，并向右偏离图像中央164。当第一图像160和第二图像162被选择性地分别引导至用户的左眼和右眼时，用户将能够以与观察实际物体116时辨识其3D信息的很大程度上相同的方式，辨别该图像中的3D信息。第一图像160和第二图像162可作为单独的视频域交替地在视频显示器上显示。各种类型的主动型或被动型眼镜可用于将这些被显示的第一图像160和第二图像162引导至用户的眼睛。被动型眼镜一般依赖于对该被显示的图像额外的波长或偏振处理，使得该眼镜中的被动滤光元件分离图像。主动型眼镜一般包括用于接收来自显示器的同步信号的接收装置，以交替地将第一图像160和第二图像162分别传输至左眼和右眼。可选的是，第一图像160和第二图像162可被处理，以匹配各自的图像中的可识别特征并确定该识别特征之间的侧向偏移。该被确定的侧向偏移与装置100的成像参数信息一起，可用于计算一个物体上的不同点之间的、或不同深度的物体之间的深度差异。有利的是，鉴别器108可为被动元件，例如被动偏振器元件，该被动元件允许使用相对薄的材料，例如吸收偏振薄膜或薄膜偏振器。这些材料允许鉴别器108即使是在透镜元件之间具有受限制间距的透镜102中，仍可置于十分接近孔径平面104之处或孔径平面104处。有利的是，使得在至少透镜102的孔径平面附近处发生选择性地传输/阻挡光以生成第一图像和第二图像，从而减少或消除由于选择性地通过单成像路径的第一部分和第二部分传输光而产生的图像渐晕。在某些实施例中，鉴别器108可位于透镜的光圈(未图示)附近，所述光圈限定系统孔径并控制由透镜102所捕捉到的光的量。可选的是，鉴别器108的第一部分110和第二部分112可作为涂层被直接涂覆到限定该透镜的孔径平面的透镜元件或位于该透镜的孔径平面附近的透镜元件上。为了使用特定的透镜获得期望的成像质量或性能，可使用光学灵敏分析来获得代表鉴别器108距离孔径平面104的最大位移的距离容限。这种分析可考虑到由鉴别器108的第一部分110和第二部分112所产生的渐晕而引起的第一图像和第二图像中的几何偏、移，并且所述距离容限将提供距离孔径平面的最大距离以满足用于可接受的3D成像质量的标准。成像质量受使鉴别器108远离孔径平面移动的影响的程度取决于组成透镜102的透镜元件的配置以及所期望的系统成像性能。在非常高性能的成像系统中，鉴别器108不得不位于非常接近于孔径平面104之处以使渐晕最小化，从而使得第一图像和第二图像在图像中具有基本均匀的图像强度。在低性能的成像系统中，可以允许在图像边缘处的相当程度的图像强度下降，因为人眼对于这种下降不是非常敏感。在不重要的成像应用中，可以接受在图像的外边缘处的30%至90%的图像下降，且可以通过计算机图像处理或其他光学处理来补偿所述下降。返回参考图3，在所示实施例中，以镶嵌模式重复“R”和“L”四分之一波片218。在所示实施例中，第一行具有重复模式“RLLRLLR”，第二行具有重复模式“LRRLRRL”。可使用各种重复镶嵌模式。这种重复镶嵌模式可操作地用于减少空间干涉影响，例如在使用规则的重复模式时可能出现的莫尔条纹。可选的是，在另一个实施例中，鉴别器108可被配置为线偏振器，其具有被配置为传输-45°偏振光的第一部分110和被配置为传输+45°偏振光的第二部分110。在该实 施例中，选择层212不是必须的，层210上的元件220将执行选择元件的功能。在这一实施例中，当装置100如图I所示定向时，其被配置为在通常称之为“横向”(也就是图像的最长尺寸水平定向)的方向生成图像。由此得到的第一图像和第二图像被分离为右图像和左图像，有利的是，使得该第一图像和第二图像与通常被用户水平方向分离的右眼和左眼所观察到的图像相对应。尽管如此，尤其在静止图像拍摄中，摄像机的用户通常在横向和纵向(也就是图像的最长尺寸垂直定向)捕捉图像。在装置100的一可选实施例中，该装置可被配置为允许以横向模式或纵向模式配置。特别地，鉴别器108可沿着箭头136所示的方向旋转大约90°，由此在图I所示的装置的方向中，该第一图像和第二图像为垂直分离的。在这种配置下，当装置100被定向为以纵向模式捕捉图像时，第一图像和第二图像将保持水平分离，由此提供具有各自的右视角视点和左视角视点的第一图像和第二图像。鉴别器108大约90°的旋转可由具有致动器的机械旋转器来执行，该致动器可由用户手动操作。可选的是，该机械旋转器可由电动机响应于用户纵向模式的选择或自动响应于由定位传感器所生成的定位信号来致动，定位传感器例如为加速计或重力传感器(未图示)。在图3和图4所不的实施例中，第一偏振方向和第二偏振方向分别为相对于垂直方向呈-45°和+45° ,但在其他实施例中该偏振方向可以其他的方式定向(例如垂直和水平方向)。有利的是，将第一偏振方向和第二偏振方向定向为±45° ,可防止由于从透镜102的视场接收到的光被部分偏振而导致第一图像和第二图像之间出现差异，这种差异会发生在光从例如路面或水体的表面反射时。在另一实施例中，鉴别器108的第一部分110可以包括可操作用于传输具有左旋椭圆偏振状态的光的偏振器，鉴别器108的第二部分112可以包括可操作用于传输具有右旋椭圆偏振状态的光的偏振器。光谱鉴别器的实施例在其他实施例中，鉴别器108的第一部分110和第二部分112可由滤光器或影响光的另一性质或状态的光学元件来代替，以生成第一图像和第二图像。例如，鉴别器108的第一部分110可包括第一滤光器部分，第一滤光器部分被设置为用于通过单成像路径的第一部分传输具有第一光谱属性的光，鉴别器的第二部分可包括第二滤光器部分，第二滤光器部分被设置为用于通过单成像路径的第二部分传输具有第二光谱属性的光。在该实施例中，图像传感器200的第一组选择元件将被相应地配置，以通过传输具有第一光谱属性的光线阻挡具有第二光谱属性的光的传输来形成第一图像。类似地，图像传感器200的第二组选择元件被相应地配置，以通过传输具有第二光谱属性的光和阻挡具有第一光谱属性的光的传输来形成第二图像。参考图6，该部分110和112可被实施为干涉滤光器，该干涉滤光器传输特定窄波段波长，例如蓝光、绿光和红光。图6示出了这种干涉滤光器的传输光谱图700和702。鉴别器108的第一部分110可被配置为如700所示的传输第一组波长λΒ1、λει、λκ1，第二部分112可被配置为如702所示的透射第二组 波长λΒ2、AG2> λΚ2。参考图7，依据本实施例的图像传感器200的部分216可被配置，使得选择层212和210被选择层750代替。选择层750包括在图7中标记为λ :并响应于第一组波长的选择元件752。选择层750还包括标记为λ并响应第二组波长2的选择元件752。该选择元件可包括吸收滤光器、干涉滤光器或它们的组合，其中，该滤光器仅响应于波段非常窄的波长。在其他实施例中，滤光器可被制作成在传输波段的边缘提供明显的波长跃迁(transition)，由此在第一组波长和第二组波长中的每组中容纳三个以上的波长范围。当第二组波长702通过单成像路径被接收时，在部分112传输第二组波长的同时部分110阻挡这些波长，并在图像平面114处成像以形成第一图像。当第一组波长700通过单成像路径被接收时，在部分110传输第一组波长的同时部分112阻挡这些波长，并在图像平面114处成像以形成第二图像。选择元件752具有与鉴别器108的相应的第一部分和第二部分基本相同的光谱响应，因而选择层750将各个波长传输至位于下方的多个滤色元件208和多个传感器元件204，从而促进第一图像和第二图像的记录。然后可以处理第一图像和第二图像，以重构图像的颜色，由此人眼将感知到如在系统中不存在滤色器时所感知到的色域。这种处理通常与使用拜尔滤色器阵列的常规的摄像机所使用的颜色重构处理相类似。波长的差异可在大约Inm至IOOnm之间。这种图像处理可包括改变第一组波长和第二组波长中的特定波长的相对强度，由此用户将不会感知到两个图像之间的光谱差异，即使该图像具有略微偏移的光谱。在图7所示的实施例中，每个λ 1选择元件752包括可操作用于过滤图6中所示的波长范围700中的每一个波长范围的滤光器，每个λ 2选择元件752包括可操作用于过滤图6中所示的波长范围702中的每一个波长范围的滤光器。这些滤光器可包括三个单独的滤光器层，每层均被调整以过滤750和752所示的波长范围的其中一个。在另一个实施例中，可以省略滤色器阵列206，每个选择元件752可被配置用于执行滤色器阵列的功能。例如，每个λ 1选择元件752可包括四个邻近设置的滤光元件，例如，一个λ B1元件、一个λ E1元件以及两个λ G1元件(在拜尔型滤色器阵列的情况下)。类似地，每个λ 2选择元件752可包括四个邻近设置的滤光元件，例如，一个λΒ2元件、一个λκ元件以及两个Xe2元件。有利的是，该实施例可用于将颜色分离功能和图像分离功能合并在一个单独的适当配置的层中。可变立体视觉在图I和图3所示的实施例中，单成像路径为圆形形状，鉴别器108的第一部分110延伸以覆盖 该成像路径的第一半圆部分，而第二部分112延伸以覆盖该成像路径的第二半圆部分。在一个实施例中，第一部分110和第二部分112被配置为线偏振器(例如-45°和+45° )，每个部分可延伸以覆盖如图8、图9和图10所示的单成像路径的小于半圆区域的扇形部分。参考图8，可设置鉴别器108的尺寸，使得第一部分110和第二部分112向外延伸并超出成像路径406。单成像路径(虚线406所示)中被第一部分110所覆盖的区域的形心表示为550，而单成像路径中被第二部分112所覆盖的区域的形心表示为552。形心550和552可被视为限定通过透镜形成的第一图像和第二图像的各自的视角的中心，该透镜例如为图I所示的透镜102。两个形心550和552之间的距离D表征图像之间的立体间距，其约等于装置所生成的“3D数量”。参考图9，通过沿着箭头554的方向朝内移动鉴别器108的第一部分110，以及沿着箭头556的方向朝内移动第二部分112，在两个偏振器部分之间形成重叠区域558。通过该重叠区域558的光将通过鉴别器108具有-45°偏振方向的部分和具有+45°偏振方向的部分，因而无论该光的偏振方向如何其都将被阻挡。在该情况下，形心550和552均向外偏移，由此视场视点也向外偏移，提供了第一图像和第二图像之间更大的立体间距。参考图10，鉴别器108的第一部分110沿着箭头560的方向、以及第二部分112沿着箭头562的方向进一步朝内移动，使得两个偏振器部分之间的重叠区域564的范围增大。通过该重叠区域564的光将再次通过鉴别器108具有-45°和+45°偏振方向的部分而被阻挡。在该情况下，形心550和552再次向外偏移并进一步改变视角视点。在一个实施例中，鉴别器108的第一部分110和第二部分112的移动可由致动器(例如微型步进电动机)来执行，且形心之间的分离程度可被改变，同时形成第一图像和第二图像以提供不同的立体视觉，这些内容已在共有的、于2009年7月10日提交的、名称为“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING THREE DIMENSIONAL IMAGE INFORMATION USINGA SINGLE IMAGING PATH(使用单成像路径生成三维图像信息的方法和装置)”、申请号为PCT/CA2009/000957的PCT专利申请中被公开，并且该申请的全部内容被引用到本发明中作为参考。在另一实施例中，由鉴别器108的第一部分110和第二部分112分别形成的第一图像和第二图像，可用于通过组合该第一图像和第二图像以生成第三图像和第四图像。例如，利用如图8、图9或图10的任一个示出的所设置的鉴别器108的第一部分110和第二部分112，第一图像和第二图像的一部分可通过某种原则组合以生成第三图像。类似地，第一图像和第二图像的一部分可通过另一种原则组合以生成第四图像。在一个实施例中，组合的原则可为依照第一比例调节第一图像的强度，依照第二比例调节第二图像的强度，然后归一化并组合按比例调节后的图像以生成第三图像。类似地，第四图像可通过依照第二比例调节第一图像的强度，依照第一比例调节第二图像的强度，然后归一化并组合按比例调节后的图像而形成第四图像。由于包含一部分或者一定比例的第一图像和第二图像，第三图像和第四图像之间的立体间距被有效地减小。该处理可由控制器130 (图I所示)来执行，并可用于进一步减小图8至图10的任一个中提供的立体间距。这种变化可用于提供从微小或无立体间距(也就是实质上为2D)到用于3D图像生成的较大的立体间距之间的转变。在一可选实施例中，空间鉴别器108的第一部分110和第二部分112(图I所示)可分别包括覆盖各自部分的第一可调孔径和第二可调孔径(未示出)。该孔径有助于选择单成像路径的相应的第一部分和第二部分以形成第一图像和第二图像。有利的是，引入适当配置的孔径允许仅使用鉴别器108的第一部分110和第二部分112的一部分区域来形成第一图像和第二图像。例如，可预期的是，通过改变单成像路径的第一部分和第二部分各自的数值孔径条件来增大第一图像和第二图像中的焦深。这种数值孔径的改变可通过减小第一孔径和第二孔径的大小以阻挡成像路径的各个部分中的一部分来获得。在一个实施例中，该孔径可作为机械致动孔径，例如机械式光圈。在其他实施例中，该孔径可被实施为光电孔径，例如通过使用液晶材料。该电子孔径可被实施为鉴别器108的一部分。有利的是，在此公开的实施例使得使用单成像路径生成3D图像信息更加便利。此 夕卜，在图像传感器处发生第一图像和第二图像的分离，并且在图像传感器处同时得到第一图像和第二图像，由此使得以比那些依据时间分离图像的系统更快的帧速率来促进视频图像的捕捉。本发明的特定实施例已经被描述和阐明，所述实施例应被视为对本发明的示意性描述，而非对根据随附的权利要求书所解释的本发明的限制。
权利要求
1.一种使用具有单成像路径和相关视场的透镜生成三维图像信息的方法，所述方法包括 将在透镜的视场内捕捉到的光引导至所述透镜的孔径平面； 在位于所述孔径平面附近的空间鉴别器处接收所述捕捉到的光，所述鉴别器包括被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光的第一部分，以及被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光的第二部分，所述单成像路径的所述第一部分和第二部分分别提供透镜的视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在设置于所述透镜的图像平面处的图像传感器处形成第一图像和第二图像，所述第一图像从所述第一视角视点表征视场内的物体，而所述第二图像从所述第二视角视点表征所述物体，所述第一图像和第二图像一起可操作地用于表征所述物体的三维空间属性； 在所述图像传感器上的第一组传感器元件处接收所述第一图像，所述第一组传感器元件响应于具有所述第一光学状态的光；以及 在所述图像传感器上的第二组传感器元件处接收所述第二图像，所述第二组传感器元件响应于具有第二光学状态的光。
2.根据权利要求I所述的方法，其中接收所述第一图像和第二图像包括分别在所述第一组传感器元件和第二组传感器元件处接收所述第一图像和第二图像，所述第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组包括 可操作地用于传输具有相应光学状态的光并阻挡具有不同于所述相应光学状态的光的传输的选择元件；以及 位于所述选择元件之下的相应的传感器元件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中每个相应的传感器元件包括多个传感器元件。
4.根据权利要求I所述的方法，其中接收所述第一图像和第二图像包括分别在第一组传感器元件和第二组传感器元件处接收所述第一图像和第二图像，所述第一组传感器元件和第二组传感器元件以重复镶嵌模式排列，所述重复镶嵌模式可操作地用于减小由所述图像传感器的所述传感器元件的重复频率导致的空间干涉。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述鉴别器的所述第一部分包括第一偏振器部分，第一偏振器部分被设置为通过所述单成像路径的第一部分传输具有第一偏振状态的光，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括第二偏振器部分，第二偏振器部分被设置为通过所述单成像路径的第二部分传输具有第二偏振状态的光。
6.根据权利要求5所述的方法，其中 接收所述第一图像包括在第一组偏振器元件处接收所述第一图像，所述第一组偏振器元件被设置为将具有所述第一偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有所述第二偏振状态的光的传输；并且 接收所述第二图像包括在第二组偏振器元件处接收所述第二图像，所述第二组偏振器元件被设置为将具有所述第二偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有所述第一偏振状态的光的传输。
7.根据权利要求6所述的方法，其中接收所述捕捉到的光包括通过所述偏振器的所述第一部分接收具有左旋椭圆偏振状态的光，以及通过所述偏振器的所述第二部分接收具有右旋椭圆偏振状态的光，并且其中接收所述第一图像包括在第一组偏振器元件处接收所述第一图像，所述第一组偏振器元件可操作地用于传输具有左旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光；并且 接收所述第二图像包括在第二组偏振器元件处接收所述第二图像，所述第二组偏振器元件可操作地用于传输具有右旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光。
8.根据权利要求7所述的方法，其中 在所述第一组偏振器元件处接收所述第一图像包括在多个四分之一波片处接收所述第一图像，所述多个四分之一波片可操作地用于将所述右旋椭圆偏振状态变为第一线偏振状态；并进一步包括在相应的可操作地用于传输具有所述第一线偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收所述第一图像；并且 在所述第二组偏振器元件处接收所述第二图像包括在多个四分之一波片处接收所述第二图像，所述多个四分之一波片可操作地用于将所述左旋椭圆偏振状态变为第二线偏振状态，并进一步包括在相应的可操作地用于传输具有所述第二线偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收所述第二图像。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述左旋椭圆偏振状态包括左旋圆偏振状态，并且其中所述右旋椭圆偏振状态包括右旋圆偏振状态。
10.根据权利要求6所述的方法，其中接收所述捕捉到的光包括通过所述偏振器的所述第一部分接收具有第一线偏振方向的光，以及通过所述偏振器的所述第二部分接收具有第二线偏振方向的光，所述第一线偏振方向垂直于所述第二线偏振方向而定向，并且其中 在所述第一组偏振器元件处接收所述第一图像包括在可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光的多个偏振器元件处接收所述第一图像；并且 在所述第二组偏振器元件处接收所述第二图像包括在可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光的多个偏振器元件处接收所述第二图像。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述第一线偏振方向被定向为45度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中 在所述第一组偏振器元件处接收所述第一图像包括在可操作地用于传输具有所述第一偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收所述第一图像；并且 在所述第二组偏振器元件处接收所述第二图像包括在可操作地用于传输具有所述第二偏振状态的光的多个线偏振器元件处接收所述第二图像。
13.根据权利要求5所述的方法，进一步包括选择性地将所述鉴别器旋转大约90度以在横向和纵向的其中之一生成图像。
14.根据权利要求I所述的方法，其中所述鉴别器的所述第一部分包括第一滤光器部分，第一滤光器部分被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光谱属性的光，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括第二滤光器部分，第二滤光器部分被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光谱属性的光，并且其中 接收所述第一图像包括在第一组传感器元件处接收所述第一图像，所述第一组传感器元件可操作地用于传输具有所述第一光谱属性的光并阻挡具有所述第二光谱属性的光的传输；并且 接收所述第二图像包括在第二组传感器元件处接收所述第二图像，所述第二组传感器元件可操作地用于传输具有所述第二光谱属性的光并阻挡具有所述第一光谱属性的光的传输。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一光谱属性包括第一组波长，并且其中所述第二光谱属性包括第二组波长，所述第一组波长和第二组波长通过波长的差异而在波长上分开。
16.根据权利要求15所述的方法，其中每个传感器元件包括多个滤光元件，每个滤光元件可操作地用于传输在所述组的波长范围内的波长范围的光。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个滤光元件被设置为，使得通过所述传感器元件的光在到达位于下方的滤色器阵列之前，接连地通过每个滤光元件。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个滤光元件互相邻近设置并覆盖相应的传感器元件，并且其中滤光元件被配置为在将光引导至位于下方的相应的传感器元件以生成颜色信息时同时生成第一图像和第二图像。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括 生成表征所述第一图像和第二图像的图像信号；以及 处理所述图像信号以生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号，并且其中所述处理包括处理所述第一图像信号和第二图像信号，以使得第一图像和第二图像具有相同的颜色外观。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一组波长和第二组波长中的每组均包括红色、绿色和蓝色的波长，并且其中所述波长的差异在大约Inm到大约IOOnm之间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中接收所述第一图像包括在第一组传感器元件处接收所述第一图像，所述第一组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第一光谱属性的光的滤光元件；以及在第二组传感器元件处接收所述第二图像，所述第二组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第二光谱属性的光的滤光元件。
22.根据权利要求21所述的方法，其中每个所述滤光元件均包括窄带光学带通滤波器，所述窄带光学带通滤波器具有分别与所述第一光谱属性和第二光谱属性相对应的光谱响应。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述鉴别器的所述第一部分包括可操作地用于传输光的所述第一组波长的滤光元件，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括可操作地用于传输光的所述第二组波长的滤光元件。
24.根据权利要求I所述的方法，进一步包括生成表征所述第一图像和第二图像的图像信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中生成所述图像信号包括使得图像传感器生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及使得图像传感器生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号。
26.根据权利要求24所述的方法，其中生成所述图像信号包括使得图像传感器生成表征在所述第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组处接收到的光的图像信号，并且进一步包括处理所述图像信号以生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号。
27.根据权利要求I所述的方法，其中将光引导至透镜的孔径平面包括将透镜的视场内捕捉到的光引导至位于以下其中之一的透镜的孔径平面 透镜的物理孔径的位置；或者 物理孔径的共轭的位置。
28.根据权利要求I所述的方法，其中在所述鉴别器处接收所述捕捉到的光包括在鉴别器处接收所述捕捉到的光，所述鉴别器距离所述孔径平面足够小的位移定位，使得由鉴别器的第一部分和第二部分的渐晕而引起的第一图像和第二图像中的强度变化低于人眼所能感知的阈值。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述位移足够小，以使得与第一图像和第二图像相关的图像平面处的所述强度变化降低至90%以下。
30.根据权利要求I所述的方法，其中在所述鉴别器处接收所述捕捉到的光包括在鉴别器涂层处接收捕捉到的光，所述鉴别器涂层被涂覆到设置在所述孔径平面附近的透镜元件的表面上。
31.根据权利要求I所述的方法，其中所述透镜包括多个大致圆形的透镜元件，所述透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且其中接收所述捕捉到的光包括通过所述鉴别器的左半部分传输具有所述第一光学状态的光，以及通过所述鉴别器的右半部分传输具有所述第二光学状态的所述光，所述鉴别器的所述左半部分和右半部分分别限定所述单成像路径的左半圆部分和右半圆部分。
32.根据权利要求I所述的方法，其中所述透镜包括多个大致圆形的透镜元件，所述透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且其中接收所述捕捉到的光包括通过所述鉴别器的左扇形部分传输具有所述第一光学状态的光，以及通过所述鉴别器的右扇形部分传输具有所述第二光学状态的所述光，所述左扇形部分和右扇形部分围绕透镜的垂直中心线设置。
33.根据权利要求I所述的方法，进一步包括改变所述成像路径的所述第一部分和第二部分的范围，以在形成所述第一图像和第二图像时使得所述第一视角视点和第二视角视点的位置变化，所述视角视点位置的变化导致所述三维空间属性的所述表征的相应变化。
34.根据权利要求I所述的方法，进一步包括第一孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的所述第一部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的所述第一部分传输的光；以及第二孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的所述第二部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的所述第二部分传输的光。
35.根据权利要求I所述的方法，进一步包括组合来自第一图像和第二图像的图像信息，以生成相应的视角视点位置之间间距减小的第三图像和第四图像。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述组合包括按比例调节所述第一图像和第二图像的强度。
37.一种使用具有单成像路径和相关视场的透镜生成三维图像信息的装置，所述装置包括具有单成像路径的透镜，所述单成像路径可操作地用于将在透镜的视场内捕捉到的光引导至透镜的孔径平面； 位于所述孔径平面附近的空间鉴别器，所述鉴别器包括被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光的第一部分，以及被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光的第二部分，所述单成像路径的所述第一部分和第二部分分别提供透镜的视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在透镜的图像平面处形成第一图像和第二图像，所述第一图像从所述第一视角视点表征视场内的物体，而所述第二图像从所述第二视角视点表征所述物体，所述第一图像和第二图像一起可操作地用于表征所述物体的三维空间属性；以及 设置在所述透镜的所述图像平面处的图像传感器，所述图像传感器包括响应于具有所述第一光学状态的光的第一组传感器元件，以及所述图像传感器上响应于具有所述第二光学状态的光的第二组传感器元件。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述图像传感器包括第一组传感器元件和第二组传感器元件，所述第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组包括 可操作地用于传输具有相应光学状态的光并阻挡具有不同于所述相应光学状态的光的选择元件；以及 位于所述选择元件之下的相应的传感器元件。
39.根据权利要求38所述的装置，其中每个相应的传感器元件包括多个传感器元件。
40.根据权利要求37所述的装置，其中所述第一组传感器元件和第二组传感器元件分别以重复镶嵌模式排列，所述重复镶嵌模式可操作地用于减小由所述图像传感器的所述传感器元件的重复频率导致的空间干涉。
41.根据权利要求37所述的装置，其中所述鉴别器的所述第一部分包括第一偏振器部分，第一偏振器部分被设置为通过所述单成像路径的第一部分传输具有第一偏振状态的光，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括第二偏振器部分，第二偏振器部分被设置为通过所述单成像路径的第二部分传输具有第二偏振状态的光。
42.根据权利要求41所述的装置，其中 所述第一组传感器元件被设置为将具有所述第一偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有所述第二偏振状态的光的传输；并且 所述第二组传感器元件被设置为将具有所述第二偏振状态的光传输到相应的多个传感器元件，并阻挡具有所述第一偏振状态的光的传输。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述偏振器的所述第一部分被可操作地配置为通过所述偏振器的所述第一部分传输具有左旋椭圆偏振状态的光，以及通过所述偏振器的所述第二部分传输具有右旋椭圆偏振状态的光，并且其中 所述第一组图像传感器元件包括第一组偏振器元件，第一组偏振器元件可操作地用于传输具有左旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光；并且 所述第二组图像传感器元件包括第二组偏振器元件，第二组偏振器元件可操作地用于传输具有右旋椭圆偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光。
44.根据权利要求43所述的装置，其中 所述第一组偏振器元件中的每一个均包括可操作地用于将所述右旋椭圆偏振状态变为第一线偏振状态的四分之一波片，以及可操作地用于传输具有所述第一线偏振状态的光的线偏振器元件；并且 所述第二组偏振器元件中的每一个均包括可操作地用于将所述左旋椭圆偏振状态变为第二线偏振状态的四分之一波片，以及可操作地用于传输具有所述第二线偏振状态的光的线偏振器元件。
45.根据权利要求43所述的装置，其中所述左旋椭圆偏振状态包括左旋圆偏振状态，并且其中所述右旋椭圆偏振状态包括右旋圆偏振状态。
46.根据权利要求42所述的装置，其中所述偏振器的所述第一部分具有第一线偏振方向，并且所述偏振器的所述第二部分具有第二线偏振方向，所述第一线偏振方向垂直于所述第二线偏振方向而定向，并且其中 所述第一组偏振器元件中的每一个均包括可操作地用于传输具有第一线偏振状态的光并阻挡具有右旋椭圆偏振状态的光的偏振器元件；并且 所述第二组偏振器元件中的每一个均包括可操作地用于传输具有第二线偏振状态的光并阻挡具有左旋椭圆偏振状态的光的偏振器元件。
47.根据权利要求46所述的装置，其中所述第一线偏振方向被定向为45度。
48.根据权利要求46所述的装置，其中 所述第一组偏振器元件包括可操作地用于传输具有所述第一偏振状态的光的多个线偏振器元件；并且 所述第二组偏振器元件包括可操作地用于传输具有所述第二偏振状态的光的多个线偏振器元件。
49.根据权利要求41所述的装置，其中所述鉴别器被可操作地配置为选择性地旋转大约90度以在横向和纵向的其中之一生成图像。
50.根据权利要求37所述的装置，其中所述鉴别器的所述第一部分包括第一滤光器部分，第一滤光器部分被设置为过单成像路径的第一部分传输具有第一光谱属性的光，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括第二滤光器部分，第二滤光器部分被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光谱属性的光，并且其中 所述第一组传感器元件被可操作地配置为，传输具有所述第一光谱属性的光并阻挡具有所述第二光谱属性的光的传输；并且 所述第二组传感器元件被可操作地配置为，传输具有所述第二光谱属性的光并阻挡具有所述第一光谱属性的光的传输。
51.根据权利要求50所述的装置，其中所述第一光谱属性包括第一组波长，并且其中所述第二光谱属性包括第二组波长，所述第一组波长和第二组波长通过波长的差异而在波长上分开。
52.根据权利要求51所述的装置，其中每个传感器元件包括多个滤光元件，每个滤光元件可操作地用于传输在所述组的波长范围内的波长范围的光。
53.根据权利要求52所述的装置，其中所述多个滤光元件被设置为，使得通过所述传感器元件的光在到达位于下方的滤色器阵列之前，接连地通过每个滤光元件。
54.根据权利要求52所述的装置，其中所述多个滤光元件互相邻近设置并覆盖相应的传感器元件，并且其中滤光元件被配置为在将光引导至位于下方的相应的传感器元件以生成颜色信息时同时生成第一图像和第二图像。
55.根据权利要求45所述的装置，其中所述图像传感器被可操作地配置为生成表征所述第一图像和第二图像的图像信号，并进一步包括控制器，控制器被可操作地配置为处理所述图像信号以生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号，并且其中所述控制器被可操作地配置为对第一图像信号和第二图像信号进行图像处理，以使得第一图像和第二图像具有相同的颜色外观。
56.根据权利要求51所述的装置，其中所述第一组波长和第二组波长中的每组均包括红色、绿色和蓝色的波长，并且其中所述波长的 差异在大约Inm到大约IOOnm之间。
57.根据权利要求56所述的装置，其中所述图像传感器包括第一组传感器元件和第二组传感器元件，所述第一组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第一光谱属性的光的滤光元件，并且所述第二组传感器元件具有覆盖其上的可操作地用于传输具有所述第二光谱属性的光的滤光元件。
58.根据权利要求57所述的装置，其中每个所述滤光元件均包括窄带光学带通滤波器，所述窄带光学带通滤波器具有分别与所述第一光谱属性和第二光谱属性相对应的光谱响应。
59.根据权利要求51所述的装置，其中所述鉴别器的所述第一部分包括可操作地用于传输光的所述第一组波长的滤光元件，并且其中所述鉴别器的所述第二部分包括可操作地用于传输光的所述第二组波长的滤光元件。
60.根据权利要求37所述的装置，其中所述图像传感器被可操作地配置为生成表征所述第一图像和第二图像的图像信号。
61.根据权利要求60所述的装置，其中所述图像传感器被可操作地配置为，生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号。
62.根据权利要求60所述的装置，其中所述图像传感器被可操作地配置为，生成表征在所述第一组传感器元件和第二组传感器元件中的每组处接收到的光的图像信号，并处理所述图像信号以生成表征由所述第一组传感器元件接收到的所述第一图像的第一图像信号，以及生成表征由所述第二组传感器元件接收到的所述第二图像的第二图像信号。
63.根据权利要求37所述的装置，其中所述透镜的孔径平面包括位于以下其中之一的透镜的孔径平面 透镜的物理孔径的位置；或者 物理孔径的共轭的位置。
64.根据权利要求37所述的装置，其中所述鉴别器距离所述孔径平面足够小的位移定位，使得由鉴别器的第一部分和第二部分的渐晕而引起的第一图像和第二图像中的强度变化低于人眼所能感知的阈值。
65.根据权利要求64所述的装置，其中所述位移足够小，以使得与所述第一图像和第二二图像相关的图像平面处的所述强度变化降低至90%以下。
66.根据权利要求37所述的装置，其中所述鉴别器包括涂覆到设置在所述孔径平面附近的透镜元件的表面上的鉴别器涂层。
67.根据权利要求37所述的装置，其中所述透镜包括多个大致圆形的透镜元件，所述透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且其中所述鉴别器包括可操作地用于传输具有所述第一光学状态的光的左半部分，以及可操作地用于传输具有所述第二光学状态的光的右半部分，所述鉴别器的左半部分和右半部分分别限定所述单成像路径的左半圆部分和右半圆部分。
68.根据权利要求37所述的装置，其中所述透镜包括多个大致圆形的透镜元件，所述透镜元件限定了大致圆形横截面的单成像路径，并且其中所述鉴别器包括可操作地用于传输具有所述第一光学状态的光的左扇形部分以及可操作地用于传输具有所述第二光学状态的光的右扇形部分，所述左扇形部分和右扇形部分围绕透镜的垂直中心线设置。
69.根据权利要求37所述的装置，其中所述鉴别器可操作地用于改变所述成像路径的第一部分和第二部分的范围，以在形成所述第一图像和第二图像时使得所述第一视角视点和第二视角视点的位置变化，所述视角视点的变化导致所述三维空间属性的所述表征的相应变化。
70.根据权利要求69所述的装置，进一步包括第一孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的所述第一部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的所述第一部分传输的光；以及第二孔径，其被设置为阻挡入射到所述鉴别器的所述第二部分上的光或者阻挡通过所述鉴别器的所述第二部分传输的光。
71.根据权利要求37所述的装置，进一步包括控制器，其被可操作地配置为组合来自第一图像和第二图像的图像信息，以生成相应的视角视点位置之间间距减小的第三图像和第四图像。
72.根据权利要求71所述的装置，其中所述控制器被可操作地配置，以通过按比例调节所述第一图像和第二图像的强度来组合所述图像信息。
全文摘要
公开了一种生成三维图像信息的方法和装置。所述方法包括将透镜的视场内捕捉到的光引导至透镜的孔径平面，在位于孔径平面附近的空间鉴别器处接收捕捉到的光，鉴别器包括被设置为通过单成像路径的第一部分传输具有第一光学状态的光的第一部分，以及被设置为通过单成像路径的第二部分传输具有第二光学状态的光的第二部分。单成像路径的第一部分和第二部分分别提供透镜的视场内的第一视角视点和第二视角视点，以分别在设置于透镜的图像平面处的图像传感器处形成第一图像和第二图像。第一图像从第一视角视点表征视场内的物体，第二图像从第二视角视点表征该物体，第一图像和第二图像一起可操作地用于表征物体的三维空间属性。所述方法还包括在图像传感器上的第一组传感器元件处接收第一图像，第一组传感器元件响应于具有第一光学状态的光，以及在图像传感器上的第二组传感器元件处接收第二图像，第二组传感器元件响应于具有第二光学状态的光。
文档编号H04N13/02GK102640036SQ201080040644
公开日2012年8月15日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年7月10日
发明者伊奇罗·欣科达, 托马斯·N·米切尔 申请人:Isee3D有限公司