[发明专利]用于深度采集和三维成像的光场成像装置和方法

说明书

提供了一种光场成像装置和方法。该装置可包括衍射光栅组件，其接收来自场景的波前并包括一个或多个衍射光栅，每个衍射光栅具有沿光栅轴线的光栅周期并对波前进行衍射以生成衍射波前。该装置还可以包括布置在衍射光栅组件下方并在近场衍射区域中检测衍射波前的像素阵列，以提供关于场景的光场图像数据。像素阵列沿光栅轴线具有小于光栅周期的像素间距。该装置还可包括布置在像素阵列上方的滤色器阵列，以在由像素阵列检测到之前对衍射波前进行空间色度采样。该装置和方法可以在后侧照明式传感器架构中实施。还公开了用于该装置和方法的衍射光栅组件。

技术领域

大体技术领域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。

背景技术

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(plenoptic camera)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，V_x，V_y，V_z，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(V_x，V_y，V_z)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，但是目前的全光相机可以至少仅依赖于传感器阵列的任何给定像素检测到的光强度。更实际地，诸如立体视觉或微透镜之类的现有解决方案通过采用多个传感器或传感器分段来牺牲整体图像质量和传感器占用空间(footprint)以适应识别深度所需的各种视场。

随机二进制遮挡掩模和编码孔径是提供了对封装或整体占用空间的影响最小的单传感器解决方案的其他现有方法。然而，尽管压缩传感和非线性重建技术取得了进步，但这些解决方案仍然受到大量图像字典和计算费用的阻碍。

基于飞行时间(time-of-flight)和结构光的技术利用脉冲的、图案的或调制的连续波红外光主动照射场景，并经由完整的返程行程时间或照射光图案的细微变化来确定深度。虽然这些技术不会受到图像分割的影响，但它们通常需要额外的有源红外发射器和检测器，这些都会增加功耗以及整个装置占用空间。类似地，这些技术往往对干扰信号、镜面反射和环境红外光敏感，因此限制了它们在户外的可行性。

因此，挑战仍然存在于光场成像领域。

发明内容

本说明书总体涉及用于深度映射和其他3D成像应用的光场成像技术。

根据一个方面，提供了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。