使用圆偏振光的成像方法及装置制造方法及图纸

一种三维成像系统包括至少一个光源、圆偏振分束器或椭圆偏振分束器、检测器装置和图像处理器。光源被配置为将第一圆偏振态或椭圆偏振态的光提供到要被成像的对象上。圆偏振分束器或椭圆偏振分束器被布置成在空间上将从对象反射的光分离成在第一偏振态中的第一反射部分和在第二偏振态中的第二反射部分。第一圆偏振态和第二圆偏振态或椭圆偏振态彼此正交。检测器装置检测光的至少第一反射部分，并且图像处理器被配置为从检测到的第一反射部分生成图像信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用圆偏振光的成像方法及装置相关申请的交叉引用本申请要求于2017年11月8日提交的美国临时申请序列号62/583,301的优先权，其内容通过引用合并于此。
技术介绍
该文献公开了一种使用圆偏振光测量三维(3D)图像的方法和装置。本专利技术在诸如遥感、监控、3D扫描/成像、工业检查、计量、医学成像、生物特征认证、目标跟踪、虚拟现实、增强现实和自动驾驶车辆的技术中有应用。偏振是光的特性，其中光线在不同方向上具有不同的振幅。我们的眼睛可以区分来自对象的颜色，但不能区分偏振的不同方向。摄影师经常在相机前面使用偏振器来减少眩光并提高对比度，但是现代数码相机是偏振盲的。常规的彩色相机使用诸如红色、绿色和蓝色滤色器(colorfilter)的小滤色器来测量不同像素处的颜色信息。为了对光的偏振态进行成像，偏振相机可以使用尺寸等于像素大小的小偏振器过滤器。偏振的一种类型是线性偏振。根据定义，线性偏振光具有在固定方向上振荡的电场。偏振的另一种类型是圆偏振。根据定义，光的圆偏振在垂直于传播方向的平面中具有电场，该电场具有恒定幅度和随时间旋转的方向。圆偏振的两种类型是右旋圆(RHC)偏振和左旋圆(LHC)偏振。圆偏振光在自然界中是罕见的。产生圆偏振光的机制包括全内反射、圆二色性和应力双折射。自然界中的经验观察表明，圆偏振光的数量通常很少并且几乎不存在。室外和室内环境中的大多数散射光是非偏振或线性偏振的。光的偏振态可以由斯托克斯(Stokes)矢量S描述，该斯托克斯矢量S由四个元素S0、S1、S2和S3组成。S0表示光场的强度；S1和S2分别表示对0°和45°线性偏振的亲和度(affinity)；以及S3表示右圆偏振和左圆偏振之间的差异。使用S可以计算出线性偏振角、偏振度(DOP)、线性偏振度(DOLP)和圆偏振度(DOCP)。DOCP＝S3/S0
技术实现思路
在一个方面，本文公开的主题涉及一种用于获得对象的三维图像的方法。根据该方法，第一圆偏振态或椭圆偏振态的光被引导到要被成像的对象上。从对象接收光的反射部分。光的反射部分在空间上被分离成在第一偏振态中的第一反射部分和在与第一圆偏振态或椭圆偏振态正交的第二偏振态中的第二反射部分。至少检测到光的第一反射部分。从检测到的第一反射部分生成图像信息。在另一方面中，本文公开的主题涉及三维成像系统。该系统包括至少一个光源、圆偏振分束器或椭圆偏振分束器、检测器装置和图像处理器。光源被配置为将第一圆形或椭圆偏振态的光提供到要被成像的对象上。圆偏振分束器或椭圆偏振分束器被布置成将从对象反射的光在空间上分离成在第一偏振态中的第一反射部分和在第二偏振态中的第二反射部分。第一圆偏振态和第二圆偏振态或椭圆偏振态彼此正交。检测器装置检测光的至少第一反射部分，并且图像处理器被配置成从检测到的第一反射部分生成图像信息。在又一方面中，本文公开的主题涉及一种圆分束器或椭圆分束器，其包括第一棱镜和第二棱镜以及半反射薄膜。第一棱镜包括输入面、输出面和斜面。第二棱镜包括输出面和斜面。第二棱镜的斜面耦合到第一棱镜的斜面。半反射薄膜设置在第一棱镜的斜面和第二棱镜的斜面之间。半反射薄膜被配置为以第一圆偏振态或椭圆偏振态反射光并且以第二圆偏振态或椭圆偏振态透射光。第一圆偏振态和第二圆偏振态或椭圆偏振态彼此正交。通过输入面在所选择的波段中接收并以非零入射角入射到输入面上的光被分裂成第一圆偏振态和第二圆偏振态或椭圆偏振态的两个光束。提供本
技术实现思路
以简化形式介绍下面在详细描述中进一步描述的概念的选择。本
技术实现思路
既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实施方式。附图说明图1示出了3D成像设备的一个示例的示意图。图2示出了3D成像设备的另一示例的示意图。图3示出了LIDAR系统的一个示例的示意图。图4示出了用于检测圆偏振光的成像系统的一个示例的示意图。图5示出了圆偏振敏感焦平面阵列的一个示例的平面图。图6示出了包括具有不同圆偏振态的两个主波长的光源的光谱。图7示出了圆偏振敏感焦平面阵列的另一示例的平面图。具体实施方式本文描述的系统和技术部分地基于在自然界中和在许多室内环境中DOCP和S3的值接近于零的观察。对于许多3D成像应用，感兴趣的对象由非偏振的有源光源照明。示例包括光检测和测距(LIDAR)、通过结构照明的成像和闪光摄影。这些测量技术中的关键问题之一是难以区分源自照明源(信号)的光和背景光(噪声)。准确的测量需要较高的信噪比(SNR)和背景光的良好分离。在图1中示出了3D相机100。该系统包括相机101、结构化照明器102和通过有线或无线连接连接至照明器和相机的计算机控制器103。结构光技术通常用于计算机视觉和光学计量。结构化光源通常包括投影仪。预先确定的一组图案105(诸如随机或伪随机编码(codifications)、二进制结构化编码或灰度n进制编码)被投影到对象104上，并且测量来自该对象的投影的反射和/或散射光。使用计算机来控制投影仪以根据时间来显示不同的图案，并且该图案与相机101同步。可以使用结构照明技术将接收到的数据转换为深度信息的图像处理技术的示例可以在F.Berryman等的“ATheoreticalComparisonofThreeFringeAnalysisMethodsforDeterminingtheThree-DimensionalShapeofanObjectinthePresenceofNoise(在噪声存在的情况下确定对象的三维形状的三种条纹分析方法的理论比较)”激光工程39(2003)35-50中找到。在图2中示出了另一个3D相机200。该系统包括激光源201、反射镜扫描器(mirrorscanner)202和相机204。反射镜扫描通过一定范围的方向207。光图案205被投影到对象203上。由相机204测量反射光206。图3示出了扫描LIDAR。LIDAR300包括源301、成像光学器件302、反射光学器件303和相机304。系统安装在可以沿方向306旋转的旋转外壳305上。对象由光307照明。由LIDAR300收集反射并向后散射的光308。本文公开的主题利用生成圆偏振光的匹配源和检测圆偏振光的匹配检测器装置。通过使用圆偏振光，预计SNR在反射光、DOCP和S3的测量中高，因为大部分噪声将是非偏振或线性偏振的，并且因此不会被检测到。在一种实施方式中，可以将激光用作源。对于许多激光器，输出光是单色的并且是线性偏振的。可以通过穿过四分之一波长延迟器将线性偏振光转换为圆偏振光。当然，也可以使用单色和多色的替代光源。在一些实施例中，光源可以包括以预先确定的图案投影圆偏振光的结构化照明器。可以使用图4所示的说明性成像系统400测量圆偏振信号。来自被成像的对象的入射信号407穿过可选的滤色器40本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种获取对象的三维图像的方法，包括：/n将第一圆偏振态或椭圆偏振态的光引导到要被成像的对象上；/n接收来自所述对象的所述光的反射部分；/n在空间上将所述光的所述反射部分分离成在所述第一偏振态中的第一反射部分和在与所述第一圆偏振态或椭圆偏振态正交的第二偏振态中的第二反射部分；/n检测所述光的至少所述第一反射部分；以及/n根据所述检测到的第一反射部分来生成图像信息。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171108 US 62/583,3011.一种获取对象的三维图像的方法，包括：
将第一圆偏振态或椭圆偏振态的光引导到要被成像的对象上；
接收来自所述对象的所述光的反射部分；
在空间上将所述光的所述反射部分分离成在所述第一偏振态中的第一反射部分和在与所述第一圆偏振态或椭圆偏振态正交的第二偏振态中的第二反射部分；
检测所述光的至少所述第一反射部分；以及
根据所述检测到的第一反射部分来生成图像信息。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述光的至少所述第一反射部分包括检测所述光的第一反射部分和第二反射部分，并且生成图像信息包括从检测到的所述光的第一反射部分和第二反射部分生成图像信息。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，在空间上分离所述光的所述反射部分包括：使用圆偏振分束器或椭圆偏振分束器在空间上分离所述光的所述反射部分。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，引导所述第一圆偏振态或椭圆偏振态的所述光包括：使用一个或多个光学元件从单个源生成所述光并且操纵所述光使得所述光处于所述第一圆偏振态或椭圆偏振态。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或多个光学元件包括光学延迟器。


6.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第一圆偏振态和所述第二圆偏振态或椭圆偏振态中的所述光位于共同的波长处。


7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一圆偏振态和所述第二圆偏振态或椭圆偏振态的所述光位于不同的波长处。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光是投影预先确定的图案的结构光。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像信息包括在所述第一圆偏振态和所述第二圆偏振态或椭圆偏振态之间的差异。


10.一种三维成像系统，包括：
至少一个光源，所述至少一个光源被配置为将在第一圆偏振态或椭圆偏振态中的光提供到要被成像的对象上；
圆偏振分束器或椭圆偏振分束器，所述圆偏振分束器或椭圆偏振分束器被布置为在空间上将从对象反射的所述光分离成在第一偏振态中的第一反射部分和在第二偏振态中的第二反射部分，所述第一圆偏振态和所述第二圆偏振态或椭圆偏振态彼此正交；
检测器装置，所述检测器装置用于检测所述光的至少所述第一反射部分；以及
图像处理器，所述图像处理器被配置为根据所述检测到的第一反射部分来生成图像信息。


11.根据权利要求10所述的成像系统，其中，所述检测器装置被配置为检测所述光的第一反射部分和第二反射部分，并且所述图像处理器被配置为从检测到的所述光的第一反射部分和第二反射部分生成图像信息。


12.根据权利要求10所述的成像系统，其中，所述圆偏振分束器或椭圆偏振分束器包括半反射薄膜，所述半反射薄膜反射在所述第一圆偏振态或椭圆偏振态中的光并且透射在所述第二圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯坦利·K·H·保，
申请(专利权)人：亚利桑那大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US