用于对标准图像和全光图像的同时捕捉的设备和过程制造技术

描述了一种用于对摄影图像或电影图像进行全光捕捉的过程和设备，两者都基于相关性度量或“相关性全光成像”(CPI)，包括以下步骤：将来自至少一个光源的主光束(6)分成至少两个相异光束(7，8)，将所述相异光束引导朝向用于捕捉图像的两个图像捕捉传感器，以使得第一光束被引导朝向用于捕捉场景的空间度量的至少一个第一捕捉传感器，并且第二光束被引导朝向用于捕捉所述场景的角度度量的第二捕捉传感器，所述角度度量适于提供来自场景的光束的传播方向，所述空间度量适于提供场景的图像的常规二维捕捉。该设备进一步包括沿第一光束的光路布置的主聚焦透镜(Lb)，所述主聚焦透镜(Lb)和第二传感器(14)被布置成使得光源(4)与第二传感器(14)之间的光的光路长度基本上等于光源(4)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光的光路长度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对标准图像和全光图像的同时捕捉的设备和过程专利
本专利技术的目的是在摄影、电影、显微镜和立体视学领域中用于捕捉图像的全光图像捕捉技术。具体而言，根据本专利技术的全光拍摄过程被称为“相关性全光成像”(CPI)，即，它指代基于由被布置成捕捉图像的空间和角度度量的传感器所记录的光强度的时空相关性对图像的全光捕捉。现有技术“图像的全光捕捉”意指允许在给定场景中捕捉光的位置和传播方向两者的特定光学过程。以此方式，可以获得空间度量和角度度量，它们一起允许被捕捉图像的三维重建。实际上，在处理被捕捉图像的步骤中，例如可以改变图像的焦平面的位置或扩展图像的景深。当前已知的用于捕捉图像的常规技术允许借助于位于图像捕捉传感器上游的合适透镜来选择放大率、焦平面的位置和景深。然而，用于捕捉图像的常规技术具有提供原始三维场景的二维表示的限制。图像的三维表示在各种技术应用(诸如与虚拟仿真环境中要使用的组件的建模有关的那些技术应用，或与旨在进行原型设计、设计、生产、销售、检查和维护的对象的表示有关的那些技术应用，或一般与三维场景的对象的改善表示有关的那些技术应用)中是有用的，以确保改善的用户体验和更真实的结果。此外，利用用于捕捉图像的常规技术，在捕捉图像之后的稍后时间，焦平面的位置和景深都不能改变。在摄影领域中，非常频繁地需要在捕捉之后的稍后时间聚焦特定平面或选择图像场景的景深。因此，全光图像捕捉技术的目的是要解决用于捕捉图像的常规技术的许多缺点。当前已知的全光图像捕捉技术允许获得在场景图像的三维空间的不同位置具有不同焦平面的图像。得益于捕捉图像的空间和角度度量两者而使该特性是可能的。“空间度量”意指场景图像的常规二维捕捉，而“角度度量”意指为了确定来自待捕捉场景的光束的(角度)传播方向所需的信息的捕捉。在捕捉图像之后的处理步骤中，空间度量和角度度量可以被组合以重建三维图像。当前已知的全光图像捕捉技术基于插入微透镜阵列，该微透镜阵列被布置在适于将图像聚焦在微透镜阵列上的主透镜与适于捕捉给定场景的图像的传感器之间。微透镜阵列具有双重功能。一方面，它用作适于捕捉场景的空间度量的点阵列，另一方面，它在传感器上重现主透镜的一系列图像(每个微透镜一幅图像)，从而提供场景的角度度量。不同于用于捕捉图像的常规技术，用于对图像进行全光捕捉的设备(全光成像设备)捕捉光束而不是信息的点或“像素”。这意味着在处理图像时，可以获得场景的不同视角或视图，从而允许用户在捕捉图像之后选择场景的聚焦平面和景深，以获得场景的三维重建，或在捕捉单幅图像之后产生相同场景的一个或多个视图。然而，当前已知的全光图像捕捉技术的缺点是产生低分辨率图像。实际上，不同于用于捕捉图像的常规设备，当前已知的全光图像捕捉技术提供了使用单个传感器来同期捕捉场景的空间和角度度量。该特性限制了被捕捉图像的空间分辨率，因为牺牲了传感器的一部分分辨率能力以用于角度度量。此外，在当前已知的全光图像捕捉技术中，反比例将最大空间和角度分辨率进行关联，该反比例归因于使用单个传感器来获得空间和角度度量两者。因此，低分辨率是由用于对图像进行全光捕捉的已知设备产生的图像的缺点，即，它们表征为图像的分辨率远低于由衍射极限给出的分辨率。文献US7620309描述了一种用于对图像进行全光捕捉的设备(全光成像设备)，其包括常规的主透镜和用于以数字方式捕捉图像的数字图像捕捉传感器CCD(电荷耦合设备)。所描述的设备还包括被布置在待捕捉场景与设备的主透镜之间的微透镜阵列。因此，不同于其他当前已知的用于对图像进行全光捕捉的设备(在这些其他当前已知的设备中，从外部场景开始，光线首先传播通过主透镜，随后通过微透镜阵列，最后被CCD传感器捕捉)，文献US7620309描述了一种主透镜的位置与微透镜阵列的位置互换的设备。此外，通过减少微透镜的数目，可以捕捉减少数目的高分辨率图像，而不是像其他现有技术的全光设备那样捕捉大量低分辨率图像。在检测到图像之后，可以使用被设计成从减少数目的高分辨率被捕捉图像中获取大量高分辨率图像的图像处理设备，如上所述。然而，US7620309中所描述的捕捉设备不能够同时增加被捕捉图像的分辨率和待捕捉场景的原始视图的数目。实际上，仅在捕捉场景图像之后借助于内插过程才可以获得大量视图。此外，文献US7620309没有解决当前已知的用于对图像进行全光捕捉的设备的基本问题，即，由于使用单个传感器来获得空间和角度度量两者，因此最大空间和角度分辨率成反比。换言之，如果仍然使用用于捕捉场景的空间和角度度量的微透镜阵列，则经再现图像的空间和角度分辨率仍然被耦合。空间和角度分辨率的耦合导致产生许多低分辨率视图或极少数高分辨率视图，但是从不产生大量原始高分辨率视图。因此，显而易见，不利的是，不能使被捕捉图像的空间和角度度量的分辨率解耦，其中解耦将提供不仅具有大量视图而且具有高分辨率的图像。现有技术的全光捕捉设备的进一步问题是差的可达到景深。这种类型的问题和被捕捉图像的低角度分辨率紧密相关，这是因为角度分辨率与可以在单个全光图像中捕捉的聚焦视图的数目有关联，并且因此与图像的景深有关联。现有技术的全光图像捕捉技术的进一步问题是用于处理被捕捉图像的技术，根据该技术可以通过焦点重新缩放过程来调节焦平面在图像场景内的位置。然而，现有技术的焦点重新缩放过程受到低角度分辨率的限制，因为在焦点重新缩放过程期间可以使用的最大视图数目受到全光捕捉设备的角度分辨率的限制。以本申请人的名义在专利申请IT102016000027106和EP17160543.9中描述了现有技术的上述问题的解决方案。在这些文献中，描述了全光捕捉的过程和设备，两者都基于相关性度量或“相关性全光成像”(CPI)，其中来自至少一个光源的主光束被分成两个相异光束，这两个相异光束分别被引导朝向用于捕捉角度度量的第一捕捉传感器并被引导朝向用于捕捉空间度量的第二捕捉传感器。尽管通过该解决方案可以获得具有高的最大景深的高分辨率全光图像，但另一方面，该解决方案不允许在捕捉期间实时监视感兴趣的场景。该问题归因于以下事实：由于测量两个传感器之间的相关性(即，由于两个传感器的多次捕捉)，因此第一传感器捕捉光源的图像，而第二传感器捕捉场景的图像(二级或“重影”图像)。该方案的另一限制在于，感兴趣场景的图像分辨率由光源的数值孔径来定义，而光源的数值孔径可能难以控制和优化。专利技术目的本专利技术的目的是解决现有技术的上述问题，并提供用于基于相关性度量来对图像进行全光捕捉的过程(全光成像过程)，即，“相关性全光成像”(CPI)的过程，其提供被捕捉图像的高分辨率以及在捕捉期间对感兴趣场景的实时监视。换言之，本专利技术的目的是提供一种用于基于相关性度量来对图像进行全光捕捉的过程(全光成像过程)，该过程允许同时捕捉标准和全光图像两者，其直接分辨率是衍射极限所允许的最大分辨率。本专利技术的进一步目的是提供一种用于同时捕捉标准图像和全光图像的过程(全光捕捉过程)，该过程允许在不损害空间分辨率的情况下获取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对场景的摄影图像、电影图像、显微图像或立体图像进行全光捕捉的过程，包括以下步骤：/n借助于分离元件(11)将来自至少一个光源(4)的主光束(6)分成第一光束(7)和第二光束(8)；/n将所述第一光束(7)和所述第二光束(8)分别引导朝向用于捕捉所述场景的空间度量的第一传感器装置(13)和用于捕捉所述场景的角度度量的第二传感器装置(14)，所述第一光束(7)适于被所述场景反射或者透射通过所述场景，所述角度度量适于提供被所述场景反射或透射通过所述场景的所述第一光束(7)的传播方向，所述空间度量适于提供所述场景的图像，/n其特征在于，所述第一光束(7)穿过沿所述场景与所述第一传感器装置(13)之间的光的光路布置的主聚焦透镜(Lb)，其中所述主聚焦透镜(Lb)和所述第二传感器装置(14)被布置成使得所述至少一个光源(4)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路长度基本上等于所述至少一个光源(4)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光的光路长度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对场景的摄影图像、电影图像、显微图像或立体图像进行全光捕捉的过程，包括以下步骤：
借助于分离元件(11)将来自至少一个光源(4)的主光束(6)分成第一光束(7)和第二光束(8)；
将所述第一光束(7)和所述第二光束(8)分别引导朝向用于捕捉所述场景的空间度量的第一传感器装置(13)和用于捕捉所述场景的角度度量的第二传感器装置(14)，所述第一光束(7)适于被所述场景反射或者透射通过所述场景，所述角度度量适于提供被所述场景反射或透射通过所述场景的所述第一光束(7)的传播方向，所述空间度量适于提供所述场景的图像，
其特征在于，所述第一光束(7)穿过沿所述场景与所述第一传感器装置(13)之间的光的光路布置的主聚焦透镜(Lb)，其中所述主聚焦透镜(Lb)和所述第二传感器装置(14)被布置成使得所述至少一个光源(4)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路长度基本上等于所述至少一个光源(4)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光的光路长度。


2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，用于捕捉所述空间度量的所述第一传感器装置(13)捕捉所述场景的对象(5)的一级图像。


3.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，用于捕捉所述角度度量的所述第二传感器装置(14)捕捉所述主聚焦透镜(Lb)的二级图像。


4.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，进一步包括以下步骤：通过将均由所述第一和第二传感器装置(13，14)捕捉的所述空间度量和所述角度度量进行相关的过程来处理所述空间度量和所述角度度量以获得全光图像。


5.如权利要求4所述的过程，其特征在于，将所述空间度量和所述角度度量进行相关的所述过程包括：将所述第一传感器装置(13)的每个像素与所述第二传感器装置(14)的至少一个像素进行相关。


6.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述分离元件(11)是分束器。


7.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述第一传感器装置(13)和所述第二传感器装置(14)是用于捕捉图像的两个相异图像捕捉传感器。


8.如前述权利要求1至6中任一项所述的过程，其特征在于，所述第一传感器装置(13)和所述第二传感器装置(14)是用于捕捉图像的图像捕捉传感器的两个相异部分。


9.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述第二光束(8)借助于至少一个反射元件(12)被引导到所述第二传感器装置(14)上。


10.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述第一光束(7)借助于至少一个反射元件(12)被引导到所述第一传感器装置(13)上。


11.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述第二光束(8)穿过沿所述分离元件(11)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路布置的第二聚焦透镜(La)。


12.如权利要求11所述的过程，其特征在于，所述第二聚焦透镜(La)被布置成满足下式：
1/za+1/zb＝1/F
其中za是所述第二聚焦透镜(La)与所述主聚焦透镜(Lb)的二级图像的平面之间的光的光路长度，其中所述主聚焦透镜(Lb)的所述二级图像的所述平面与所述光源(4)之间的光的光路长度基本上等于所述光源(4)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光的光路长度，zb是所述第二聚焦透镜(La)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路长度，并且F是所述第二聚焦透镜(La)的焦距。


13.如权利要求12所述的过程，其特征在于，所述第二聚焦透镜(La)被设计成在所述第二传感器装置(14)上再现所述主聚焦透镜(Lb)的所述二级图像。


14.如权利要求11所述的过程，其特征在于，所述第二聚焦透镜(La)被布置成满足下式：
1/za+1/zb＝1/F
其中za是所述第二聚焦透镜(La)与所述光源(4)之间的光的光路长度，zb是所述第二聚焦透镜(La)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路长度，并且F是所述第二聚焦透镜(La)的焦距。


15.如权利要求14所述的过程，其特征在于，所述第二聚焦透镜(La)被设计成在所述第二传感器装置(14)上再现所述光源(4)的所述一级图像。


16.如前述权利要求中任一项所述的过程，其特征在于，所述至少一个光源(4)包括混沌光源。


17.如前述权利要求1至15中任一项所述的过程，其特征在于，所述至少一个光源(4)包括纠缠光子源。


18.如权利要求17所述的过程，其特征在于，所述第二光束(8)穿过附加聚焦透镜(L)，所述附加聚焦透镜(L)沿所述分离元件(11)与所述第二传感器装置(14)之间的光的光路布置以满足下式：
1/S+1/S’＝1/F
其中S基本上等于所述至少一个光源(4)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光路长度加上所述至少一个光源(4)与所述附加聚焦透镜(L)之间的光路长度，
S'基本上是所述附加聚焦透镜(L)与所述第二传感器装置(14)之间的光路长度，并且F是所述附加聚焦透镜(L)的焦距。


19.如权利要求17所述的过程，其特征在于，所述第一光束(7)穿过附加聚焦透镜(L)，所述附加聚焦透镜(L)沿所述分离元件(11)与所述主聚焦透镜(Lb)之间的光的光路布置以满足下式：
1/S+1/S’＝1/F
其中S基本上等于所述主聚焦透镜(Lb)与所述附加聚焦透镜(L)之间的光路长度，S'基本上等于所述至少一个光源(4)与所述附加聚焦透镜(L)之间的光路长度加上所述至少一个光源(4)与所述第二传感器装置(14)之间的光路长度，
并且F是所述附加聚焦透镜(L)的焦距。


20.一种用于对场景的摄影图像、电影图像、显微图像或立体图像进行全光捕捉的设备，包括：
用于捕捉图像的第一传感器装置(13)和第二传感器装置(14)，
至少一个分离元件(11)，其适于将来自至少一个光源(4)的主光束(6)分成被引导朝向所述第一传感器装置(3)的第一光束(7)以及被引导朝向所述第二传感器装置(14)的第二光束(8)，所述第一光束(7)适于被所述场景反射或透射通过所述场景，
被设计成捕捉空间度量的所述第一传感器装置(13)适于提供所述场景的图像，被设计成捕捉角度度量的所述第二传感器装置(14)适于提供被所述场景反射或透射通过所述场景的所述第一光束(7)的传播方向，
其特征在于，包括沿所述场景与所述第一传感器装置(13)之间的所述第一光束(7)的光路布置的主聚焦透镜(Lb)，所述主聚焦透镜(Lb)和所述第二传...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·丹格洛，A·加鲁乔，F·V·佩佩，O·瓦卡雷利，
申请(专利权)人：巴里大学，
类型：发明
国别省市：意大利;IT