用于有透镜和无透镜的光学感测的系统和方法技术方案

具有奇对称光栅的感测器件将近场空间调制投影到紧密间隔像素阵列。由于光栅的物理特性，空间调制聚焦于波长和间距的范围。空间调制由阵列采集，并且照片和其他图像信息可以从结果数据提取。响应于红外光的像素可以被用于制造热成像设备和其他类型的热传感器。一些传感器非常适于跟踪眼睛运动和用于对条形码和类似二进制图像成像的其他。在后者情况中，期望图像的已知二进制特性可以被用于简化提取图像数据的过程。

Systems and methods for optical sensing with and without lenses

Sensors with odd symmetric gratings project near-field spatial modulation onto closely spaced pixel arrays. Because of the physical characteristics of gratings, spatial modulation focuses on the range of wavelength and spacing. Spatial modulation is captured by an array, and photographs and other image information can be extracted from the result data. Pixels responsive to infrared light can be used to manufacture thermal imaging devices and other types of thermal sensors. Some sensors are well suited for tracking eye movements and other applications for imaging barcodes and similar binary images. In the latter case, the known binary characteristics of the desired image can be used to simplify the process of extracting image data.

【技术实现步骤摘要】
用于有透镜和无透镜的光学感测的系统和方法
技术介绍
传统照相机使用(一个或多个)透镜将场景中的每个点成像到传感器上的单个点上。在数字照相机中，传感器是图像元素或“像素”的二维阵列，其将成像场景编码为数字图像数据以用于存储、处理和再现。数字成像已经使能新成像架构。Cathey和Dowski采取远离通过利用数字处理的传统模型的早期和概念上重要的步骤。他们设计立方相光学板，其当被插入传统照相机的光学路径中时导致其(显著的)模糊独立于物体深度的图像：传感器平面上的图像不像其将在传统照相机中那样“看起来好的”。然而，后续的图像处理使整个模糊图像锐利，因此这导致增强的景深。从那以后计算成像场已经探索成像架构，在该成像架构中原始信号并非表面上类似传统图像；相反，根据这样的信号计算最终图像。总成像“负担”中的越来也多由计算负担，从而扩大可用的光学部件的种类。这样，可以计算地而不是光学地校正许多光学像差。该成像范式已经导致光学和图像处理的联合设计的新概念基础，以及各种各样的非标准成像架构诸如全光编码孔径和多孔径系统，每个与信号处理的方法相关联。对于包括出现在移动计算市场中的照相机的电子设备的微型化的经济压力已经导致较小的成像器形状因子。最近地，新微型成像架构已经被探索，这是一个基于具有光探测器阵列的集成衍射光学元件。该架构摒弃透镜并且相反依赖于可以使用与被用于创建底层传感器的那些过程类似的过程创建的衍射光栅。对于给定图像分辨率而言，这样的衍射元件使能比使用传统照相机的光学路径可能的小得多的成像设备并且以低得多的成本的构建。附图说明详细描述以示例的方式而非以限制的方式图示在附图的图形中，并且其中相同附图标记指代相同元件，并且其中：图1A是具有叠加光探测器阵列110的奇对称光栅105的感测器件100(诸如CCD(电荷耦合器件))或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器的剖视图。图1B描绘了模拟图示遮蔽140和焦点145对入射角的敏感性的锐角160处的入射光平面120的图1A的传感器100。图2描绘了根据一个实施例的二元奇对称光栅200。图3描绘了根据其中二元奇对称光栅310由两个不同的折射率的材料之间的接口形成的实施例的感测器件300。图4A是根据另一实施例的传感器400的平面图。图4B是图4A的传感器400的三维视角并且示出光420如何从与光栅表面垂直的方向投影底层的光电二极管阵列430上的干涉图案425。图5A、图5B、图5C和图5D各自描绘了二维光电二极管阵列505上的奇对称500的三个界限。图6描绘了各自具有不同的相对宽度的特征段的三个奇对称光栅600、620和630。图7A是根据使用超过两层产生奇对称的实施例的相位光栅700的剖视图。图7B是与图7A的相位光栅700光学类似但是使用较少层的相位光栅710的剖视图。图8是图示奇对称可以如何扩展为曲线函数的相位光栅800的剖视图。图9是根据其中奇对称905的边界从光栅的中心径向延伸并且其中特征段的宽度远离中心逐渐地加宽的特征段的宽度的实施例的光栅900的平面图。图10是根据奇对称1005的同心界限的实施例的光栅1000的平面图并且包括沿着线A-A的剖视图。图11是根据与图9的光栅900类似的实施例的光栅1100的平面图。图12是根据另一实施例的光栅1200的平面图。图13描绘了根据另一实施例的光栅1300。图14描绘了光栅1400和相关联的光电二极管阵列1405。图15描绘了光栅1500和相关联的光电二极管阵列1505。图16是根据具有奇对称1605的五角形界限的实施例的光栅1600的平面图。图17A是根据另一实施例的光栅1700的平面图。图17B描绘了图17A的界限1705的形状。图18描绘了被布置在光电二极管阵列(未示出)上的光栅1805的二维阵列1800。图19是详述根据图17的光栅1700如何采集和解析图像1905的流程图1900。图20描绘了根据一个实施例的用于形成图像传感器2000的光刻过程。图21A描绘了根据包括透镜2105的实施例的照相机2100。图21B是具有聚焦在阵列2115上成像的点源2125的照相机2100的示例。图21C是具有未聚焦在阵列2115上成像的点源2140的照相机2100的示例。图21D是具有比图21C的示例中的点源2140更未聚焦成像的点源2155的照相机2100的示例。图22是利用三个PSF2205、2210和2215照射的像素2200阵列的一部分的平面图。图23描绘了图示根据一些实施例的照相机可以如何补偿包括球面像差、彗形像差和Petzval场曲率的透镜像差的三个螺旋2300、2305和2310。图24描绘了图示根据一些实施例的相位光栅的各方面的棋盘格光学元件2400。图25描绘了由图24的光栅2400产生的定向啁啾内的空间调制的丰富图案如何促进离焦PSF的经改进的分辨率。图26A和图26B描绘了根据一些实施例的棋盘格光栅2600和2605。图27A和图27B描绘了根据一些实施例的棋盘格光栅2700和2705。图28描绘了根据一个实施例的棋盘格光栅2800。图29描绘了根据另一实施例的棋盘格光栅2900。图30描绘了根据一些实施例可以被用于使用图21A-图21D中详述的类型的照相机产生颜色图像的滤波器阵列3000。图31描绘了颜色通道3100(结合图30引入的实施例的四个颜色通道之一)。图32描绘了支持低功率模式的图像改变的探测器3200。图33将图32的阵列3205描绘为像素300的阵列。图34描绘了具有重叠或悬浮在光电传感器3415(例如，光电二极管)的一维阵列3410上的光栅3405的图像传感器3400。图35是可以被用于IR照相机的服务中的图像34的阵列3400的1D阵列3505-热辐射测定器的两个像素3500的剖视图。图36图示了被布置在相对于场景的不同的定向处的多个1D传感器可以如何被用于定位稀少的移动的热物体。图37描绘了包括结合图34和图35上文详述的类型的八个1D传感器3400以及提供成像场景的独立测量结果的22.5度的角间距的照相机3700。图38A和38B是详述如何使用图17的光栅1700采集和解析QR代码3805的流程图3800和假定二进制图像的反演算法的实施例。图39描绘了采用无透镜IR传感器3905监测眼睛3910的运动的眼球追踪系统3900。图40描绘了Purkinje图像P1-P4的模拟星座。图41表示通过包括结合图17A和图17B详述的类型的螺旋光栅的IR传感器3905的实施例的原始光电检测器信号采集的图40的相同星座，但是针对其奇对称的线的间距被优化用于LED3915的IR带宽。图42描绘了与支持操作性位置中的传感器3905和LED3915的帧4200相反的图39的眼睛3920。图43描绘了具有两侧中的每一个的传感器4305和光源4310的阵列的眼镜框4300。图44描绘了根据包括例如桥中的前面照相机4405的实施例的一副智能眼镜4400。具体实施方式图1A是具有叠加光探测器阵列110的奇对称光栅105的感测器件100(诸如CCD(电荷耦合器件))或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器的剖视图。光栅105的特征提供对感兴趣的波长带中的入射光的波长以及光栅105与光电检测器阵列1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提取二进制场景的图像的方法，所述方法包括：将光从所述场景向光敏像素引导；调制所述光以引起照射图案的近场空间调制；利用所述光敏像素采集所述图案；以及找到产生与所采集的所述图案类似的数据的二进制图案。

【技术特征摘要】
2014.06.20 US 62/015,3691.一种用于提取二进制场景的图像的方法，所述方法包括：将光从所述场景向光敏像素引导；调制所述光以引起照射图案的近场空间调制；利用所述光敏像素采集所述图案；以及找到产生与所采集的所述图案类似的数据的二进制图案。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：创建所采集的所述图案的灰度图像；以及在所述灰度图像中标识可能的明亮区域。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：从所述灰度图像形成快照图像，所述快照图像向所述可能的明亮区域施加已知的光值。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：由所述快照图像生成预测数据，以及计算所预测的所述数据和所采集的所述图案之间的差异。5.根据权利要求1所述的方法，其中找到所述图案包括：搜索产生与所采集的所述图案类似的图案。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述搜索图案包括执行模拟退火。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述搜索图案包括执行遗传算法。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述二进制场景包括已知属性，所述方法还包括基于所述已知属性而使所采集的所述图案正规化。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述二进制图案包括以下中的至少一项：条形码；以及QR码。10.一种包括非暂态计算机可读介质的装置，包括计算机指令，当所述计算机指令由一个或多个处理器执行时，使用以下方法提取二进制场景：将光从所述场景向光敏像素引导；调制所述光以引起照射图案的近场空间调制；利用所述光敏像素采集所述图案；以及找到产生与所采集的所述图案类...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·R·吉尔，D·G·斯托尔克，
申请(专利权)人：拉姆伯斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US