[发明专利]光场图像传感器、方法和应用

说明书

相关申请数据

本申请要求于2011年4月6日提交的美国临时专利申请第13/055,566号的优先权，并且与于2009年7月24日提交的申请PCT/US09/51660相关，并且，这些专利申请的主题作为整体通过引用方式并入本申请中。

技术领域

总的说来，本发明的实施例涉及光场传感及光场图像检测（light field image detection）领域。更具体地，本发明的实施例涉及无透镜、角度敏感像素（Angle Sensitive Pixel，ASP）传感器，以及具有增加的量子效率及像素密度的ASP装置，这种ASP装置可以测量光场的强度及入射角，从而提供该光场的图像。本发明的的实施例还包括但并不限于与这些传感器及装置的实施例相关的成像方法，以及这些传感器及装置的应用。

背景技术

传统成像中使用大规模光学传感器阵列，以在成像平面上产生光强度图。但是，该光强度图不能捕获通过该成像平面的光线的入射角、偏振角以及其他属性。这些参数的全面描述可以定义该成像平面处的光场，或者，光的“流”。

在19世纪中叶，迈克尔﹒法拉第（Michael Faraday）第一次提出了将光看做为一种场的概念。该概念通过三维空间内的“光场”理论得到扩展。在某个给定的点上，光场可以被定义为无数个向量的集合，这些向量表示从所有角度到达该指定点的光线。光场还可以由多个变量的“全光函数”正式地定义。该全光函数根据光强I将通过所有空间的光线参数化，而该光强取决于空间中的位置(x,y,z)，方向，波长(λ)，时间(t)以及偏振角度(p)。因此，可以对一视觉场景做全面的表达，并且包括了该场景的所有可能的视角。

要测量该全光函数，需要观察者能够知道在空间内每一个点、在所有时刻、每一个波长的每条光线的光强。可以明确的是，对任一实际场景，是不可能完美地确定全光函数的。但是，有一些总称为光场成像的技术被设计出来，其能够记录全光函数的一些方面，而是仅仅简单地记录在某个平面上的光线强度。一种已被报道的方法使用了针孔照相机阵列，每一个相机捕获在某一特定位置(x₀,y₀)处和与入射角度相关的光强。不同位置(x_i,y_i)的相机就可以捕获该全光函数的一个片段。也可以使用传统相机阵列，或者使用摄像头扫描或多个掩模。在小规模解决方案中可以使用微透镜来模拟相机阵列。但是，所有的这些方法都需要大量的并联或者可移动的光学组件来捕获光场有关的信息，这些信息要远不止于一简单的光场强度图。

记录有关于一个场景的光场的信息提供比传统照相或者电影方式更多更为全面的描述，这对于许多应用来说都是非常有帮助的。在给定已知源的情况下，光场允许预测一个表面上的照射图形，并且可以实现场景的三维重建（即“光场渲染（light-field rendering）”或“三维形状近似（three-dimensional shape approximation）”）。图1a和1b示出了如何通过光场的一些参数，例如入射角，在三维空间内对光源进行定位。捕捉光场也允许结合任意焦平面（arbitrary focal plane）和光圈来构建图像。在照相和光学显微镜应用中，这种能力也是非常有用的，可以用于捕获多个焦平面而无需移动光学元件。

在许多应用当中，需要获得微小样品的三维结构信息。使用商业化的、不带有额外硬件的半导体芯片直接捕获所需信息，会给许多仪器的尺寸及成本带来几何级数的降低。现有的固态图像传感器采用大型感光像素阵列捕捉入射光的光强图，但是却不能捕捉有关角度的信息。在典型的成像应用中，需要使用透镜，以确保所得到的光强图能代表所感兴趣的对象。如果没有镜头的话，人们只能仅仅依靠照射到图像传感器上的光线所包含的信息。如果某个样品被放在离图像传感器足够近的地方并被光照射，得到的光强图通常会包含一些模糊的二维空间信息，而完全不包括三维的信息。包含在光线入射角的信息会比较有价值，是因为它包含了更多可以恢复的空间信息。

到目前为止，宏观的角度检测器在未修改的集成电路技术中已经得到证实。芯片上也已验证了像素级的角度敏感结构，但是该结构需要在后期安装微透镜阵列，这会大大增加标准成像器的制造和使用成本。

另外一被报道的技术涉及绝缘体上硅（SOI）结构，该结构利用金属区域在一底层光电二极管上产生一阴影，该金属区域比光的波长大。据报道这种方式可以用来进行单个角度的测量，但不适合在成像器阵列上使用。