【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于深度采集和三维成像的光场成像装置和方法
大体
涉及成像系统和方法，并且更具体地，涉及用于深度采集和三维(3D)成像的光场成像装置和方法。
技术介绍
传统的成像硬件涉及将复杂的三维(3D)场景投影到简化的二维(2D)平面上，从而放弃入射光中固有的维度。这种信息丢失是平方律检测器诸如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列的性质的直接结果，其只能直接测量入射光的时间平均强度I，而不是其相位φ，或波矢量k或角频率ω：I～<E(t)>；其中在此约束下，全光相机(plenopticcamera)被迫通过对多个同时采集的图像的比较分析、复杂的机器学习和/或重建技术、或使用有源照明器和传感器来恢复深度信息。全光相机通常通过“全光函数”来描述场景，该全光函数通过以下表达式对在观察者或点上冲击(impingent)的光场进行参数化：P＝P(x，y，λ，t，Vx，Vy，Vz，p)，(2)其中x和y坐标针对波长λ和偏振角p在时间t处限定某个图像平面，如位置(Vx，Vy，Vz)处的观察者所见。虽然它们可以是基于单传感器或多传感器的系统，但是...
【技术保护点】
1.一种用于捕获关于场景的光场图像数据的光场成像装置，所述光场成像装置包括：衍射光栅组件，其被配置为接收源自所述场景的光学波前，所述衍射光栅组件包括衍射光栅，所述衍射光栅具有光栅轴线和折射率调制图案，所述折射率调制图案具有沿所述光栅轴线的光栅周期，所述衍射光栅对所述光学波前进行衍射以生成衍射波前；以及像素阵列，其包括多个光敏像素，所述多个光敏像素被布置在所述衍射光栅组件下方并检测所述衍射波前作为所述光场图像数据，所述像素阵列具有沿所述光栅轴线的小于所述光栅周期的像素间距。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.07 US 62/346,8841.一种用于捕获关于场景的光场图像数据的光场成像装置，所述光场成像装置包括：衍射光栅组件，其被配置为接收源自所述场景的光学波前，所述衍射光栅组件包括衍射光栅，所述衍射光栅具有光栅轴线和折射率调制图案，所述折射率调制图案具有沿所述光栅轴线的光栅周期，所述衍射光栅对所述光学波前进行衍射以生成衍射波前；以及像素阵列，其包括多个光敏像素，所述多个光敏像素被布置在所述衍射光栅组件下方并检测所述衍射波前作为所述光场图像数据，所述像素阵列具有沿所述光栅轴线的小于所述光栅周期的像素间距。2.根据权利要求1所述的光场成像装置，还包括滤色器阵列，所述滤色器阵列布置在所述像素阵列上方并且包括以马赛克颜色图案布置的多个滤色器，在由所述多个光敏像素对所述衍射波前的检测之前，所述滤色器阵列根据所述马赛克颜色图案对所述衍射波前进行空间和光谱滤波。3.根据权利要求2所述的光场成像装置，其中每个滤色器光学耦合到所述多个光敏像素中的对应的一个光敏像素。4.根据权利要求2所述的光场成像装置，其中每个滤色器光学耦合到所述多个光敏像素中的至少两个对应的光敏像素。5.根据权利要求2至4中任一项所述的光场成像装置，其中每个滤色器是红通滤波器、绿通滤波器和蓝通滤波器中的一个。6.根据权利要求2至5中任一项所述的光场成像装置，其中，所述马赛克颜色图案是Bayer图案。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅被配置为对从400纳米至1550纳米范围内的波段中的光学波前进行衍射。8.根据权利要求1至7中任一项所述的光场成像装置，其中，所述光栅周期在从1微米至20微米的范围内。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅包括2到10个之间的重复的光栅周期。10.根据权利要求1至9中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅是相位光栅。11.根据权利要求10所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅是二元相位光栅，并且所述折射率调制图案包括在所述光栅周期处周期性间隔开的一系列脊，其与在所述光栅周期处周期性间隔开的一系列槽交错。12.根据权利要求11所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅具有约50％的占空比。13.根据权利要求12所述的光场成像装置，其中每个光敏像素定位于所述脊中的对应的一个脊或所述槽中的对应的一个槽下方并与其对准。14.根据权利要求12所述的光场成像装置，其中每个光敏像素定位于所述脊中的对应的一个脊与所述槽中的对应的相邻一个槽之间的过渡下方并与该过渡对准。15.根据权利要求11所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅具有不同于50％的占空比。16.根据权利要求11至15中任一项所述的光场成像装置，其中，所述一系列脊具有相对于所述一系列槽的阶跃高度，所述阶跃高度在从0.2微米至1微米的范围内。17.根据权利要求1至16中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅的折射率调制图案与所述像素阵列的光接收表面之间的分离距离处于从0.5微米至20微米的范围内。18.根据权利要求1至16中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅的折射率调制图案与所述像素阵列的光接收表面之间的分离距离小于所述光学波前的中心波长的约十倍。19.根据权利要求1至18中任一项所述的光场成像装置，其中，所述光栅周期与沿所述光栅轴线的像素间距的比率基本上等于2。20.根据权利要求1至19中任一项所述的光场成像装置，其中，所述多个光敏像素布置在由两个正交像素轴线限定的矩形像素网格中，并且其中，所述光栅轴线平行于所述两个正交像素轴线中的一个或者倾斜于所述两个正交像素轴线。21.根据权利要求1至20中任一项所述的光场成像装置，其中，所述像素间距在从1微米至10微米的范围内。22.根据权利要求1至21中任一项所述的光场成像装置，还包括色散光学器件，所述色散光学器件被布置在所述场景和所述衍射光栅组件之间的光学波前的光路中，所述色散光学器件被配置为接收所述光学波前并使其光谱色散。23.根据权利要求1至22中任一项所述的光场成像装置，还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列被布置在所述像素阵列上方并且包括多个微透镜，每个微透镜光学耦合到所述多个光敏像素中的对应的一个光敏像素。24.根据权利要求1至23中任一项所述的光场成像装置，还包括像素阵列电路，所述像素阵列电路以后侧照明配置被布置在所述像素阵列下方，或以前侧照明配置被布置在所述衍射光栅组件与所述像素阵列之间。25.根据权利要求1至24中任一项所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅是所述衍射光栅组件的多个衍射光栅中的一个，所述多个衍射光栅以设置在所述像素阵列上方的二维光栅阵列布置。26.根据权利要求25所述的光场成像装置，其中，所述多个衍射光栅包括衍射光栅的多个集合，所述多个集合中的不同集合的衍射光栅的光栅轴线具有不同的取向。27.根据权利要求26所述的光场成像装置，其中，所述衍射光栅的多个集合包括衍射光栅的第一集合和衍射光栅的第二集合，所述第一集合中的衍射光栅的光栅轴线基本上垂直于所述第二集合中的衍射光栅的光栅轴线延伸。28.根据权利要求24至27中任一项所述的光场成像装置，其中每个衍射光栅包括光栅基板，所述光栅基板包括在其上形成有所述折射率调制图案的顶表面，所述光栅基板包括光谱滤波器材料或区域，其被配置为在由所述多个光敏像素对所述衍射波前的检测之前对所述衍射波前进行光谱滤波，所述多个衍射光栅因此形成了滤色器阵列。29.根据权利要求28所述的光场成像装置，其中每个衍射光栅的光栅基板充当红通滤波器、绿通滤波器和蓝通滤波器中的一个。30.根据权利要求28或29所述的光场成像装置，其中，所述滤色器阵列以Bayer图案布置。31.一种用于捕获关于场景的光场图像数据的后侧照明式光场成像装置，所述后侧照明式光场成像装置包括：基板，其具有前表面和后表面；衍射光栅组件，其布置在所述基板的后表面上方并且被配置为接收源自所述场景的光学波前，所述衍射光栅组件包括衍射光栅，所述衍射光栅具有光栅轴线和折射率调制图案，所述折射率调制图案具有沿所述光栅轴线的光栅周期，所述衍射光栅对所述光学波前进行衍射以生成衍射波前；像素阵列，其形成在所述基板中并包括多个光敏像素，所述多个光敏像素被配置为通过所述后表面接收所述衍射波前并且检测所述衍射波前作为所述光场图像数据，所述像素阵列具有沿所述光栅轴线的小于所述光栅周期的像素间距；以及像素阵列电路，其布置在所述前表面下方并耦合到所述像素阵列。32.根据权利要求31所述的后侧照明式光场成像装置，还包括被布置在所述后表面上方的滤色器阵列并且包括以马赛克颜色图案布置的多个滤色器，在由所述多个光敏像素对所述衍射波前的检测之前，所述滤色器阵列根据所述马赛克颜色图案对所述衍射波前进行空间和光谱滤波。33.根据权利要求32所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述马赛克颜色图案是Bayer图案。34.根据权利要求31至33中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅是二元相位光栅，并且所述折射率调制图案包括在所述光栅周期处周期性间隔开的一系列脊，其与在所述光栅周期处周期性间隔开的一系列槽交错。35.根据权利要求34所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅具有约50％的占空比，并且每个光敏像素定位于所述脊中的对应的一个脊或所述槽中的对应的一个槽下方并与其对准。36.根据权利要求34所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅具有约50％的占空比，并且每个光敏像素定位于所述脊中的对应的一个脊与所述槽中的对应的相邻一个槽之间的过渡下方并与该过渡对准。37.根据权利要求31至36中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅的折射率调制图案与所述像素阵列的光接收表面之间的分离距离在从0.5微米至5微米的范围内。38.根据权利要求31至37中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述光栅周期与沿所述光栅轴线的像素间距的比率基本上等于2。39.根据权利要求31至38中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述多个光敏像素被布置在由两个正交像素轴线限定的矩形像素网格中，并且其中，所述光栅轴线平行于所述两个正交像素轴线中的一个，或者倾斜于所述两个正交像素轴线。40.根据权利要求31至39中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述像素间距位于从1微米至5微米的范围内。41.根据权利要求31至40中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，还包括色散光学器件，所述色散光学器件被布置在所述场景和所述衍射光栅组件之间的所述光学波前的光路中，所述色散光学器件被配置为接收所述光学波前并使其光谱色散。42.根据权利要求31至41中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列布置在所述像素阵列上方并且包括多个微透镜，每个微透镜光学耦合到所述多个光敏像素中的对应的一个光敏像素。43.根据权利要求31至42中任一项所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅是所述衍射光栅组件的多个衍射光栅中的一个，所述多个衍射光栅以设置在所述像素阵列上方的二维光栅阵列布置。44.根据权利要求43所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述多个衍射光栅包括衍射光栅的多个集合，所述多个集合中的不同集合的衍射光栅的光栅轴线具有不同的取向。45.根据权利要求44所述的后侧照明式光场成像装置，其中，所述衍射光栅的多个集合包括衍射光栅的第一集合和衍射光栅的第二集合，所述第一集合中的衍射光栅的光栅轴线基本上垂直于所述第二集合中的衍射光栅的光栅轴线延伸。46.根据权利要求31所述的后侧照明式光场成像装置，还包括：滤色器阵列，其布置在所述后表面上方并包括多个滤色器，每个滤色器光学耦合到所述多个光敏像素中的对应的一个光敏像素，在由所述多...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·伊库拉·萨里，赵志镐，
申请(专利权)人：艾瑞三D有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA
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