CN101460879A - 光波前构造 - Google Patents

Abstract

一种用于产生三维图像的方法，包括：提供被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光的相对相位在预选孔径上的逐像素映射。该方法包括响应于用相干光束照射可重构镜片阵列而定位该阵列的微镜，以产生其波前在预选孔径上具有该逐像素映射的反射光。该方法包括用相干光束照射可重构镜片阵列以使得能够产生所期望场景的三维图像。

Description

光波前构造

技术领域

本发明涉及用于构造三维图像的设备和方法。

背景技术

本节介绍可能有助于促进更好地理解本发明的方面。因此，要从这个角度来阅读本节的陈述。本节的陈述不应被理解为对哪些是现有技术中或哪些不是现有技术的承认。

形成三维(3D)图像的一种方法包括使用全息图。在一种形式中，全息图是永久性光记录介质，其局部透射率记录来自被成像的三维场景散射的相干光束波前的相对振幅和相位信息。通过对曾经被曝光于光干涉图样的摄影介质进行显影，可产生永久性光记录介质。例如，通过对被三维场景散射的相干光束与相干参考光束进行干涉来制造光干涉图样。

为了产生三维图像，用适当的相干光束对全息图进行再照射。被再照射的全息图产生第一出射光束，其产生用于制作全息图的场景的三维图像。第一出射光束具有这样的波前，其上的相对相位和相对振幅与在产生全息图的制作过程中由场景初始地散射的光束的波前上的相对相位和相对振幅基本相同。被照射的全息图还产生第二出射光束，其产生用于制作全息图的场景的虚三维图像。

发明内容

虽然全息图可产生三维图像，依靠永久性光记录介质来制造三维图像是不方便的。在这里，不同的实施例通过用可重构阵列调制相干光束来产生三维图像，可产生明显不同的三维图像的序列。

第一方面的特征是一种用于产生三维图像的方法。该方法包括提供被所期望场景散射或透射通过所期望场景的相干光的相对相位在预选孔径上的逐像素映射。该方法包括响应于可重构镜片阵列被相干光束照射而定位该阵列的微镜，以产生波前在预选孔径上具有该逐像素映射的反射光。该方法还包括用相干光束照射可重构镜片阵列以使得能够产生所期望场景的三维图像。

第二方面的特征是一种设备。该设备包括具有选定波长的相干光的光源，以及布置为被该光源照射的可重构镜片阵列。该阵列包括多个可移动的微镜。每个微镜的最大有效横向线性尺寸比波长的十倍小。

附图说明

图1示意性地示出重建三维(3D)图像的方法；

图2A是，例如，根据图1的方法调制相干光束以产生三维图像的设备的框图；

图2B是，例如，根据图1的方法调制相干光束以产生三维图像的另一设备的框图；

图3是用于图2A和2B的设备的示例性可重构镜片阵列的示意顶视图；

图4是，例如，可在图2A和2B的设备中使用的示例性微机电系统(MEMS)致动微镜的斜视图；

图5是示出用于，例如，根据图1的方法和/或使用图2A和2B的设备来产生三维图像的方法的流程图；以及

图6是图2A、2B和3的可重构镜片阵列的一部分的示意侧视图，该视图示出其中的局部操作单元。

功能。

在附图中，一些特征的相对尺寸可被扩大以更清楚地示出一个或多个其中的结构。

在这里，通过附图和示例性实施例的详细说明更全面地说明不同的实施例。然而，本发明可体现为不同的形式，并且不限于附图和示例性实施例中说明的实施例。

具体实施方式

A)重建三维图像

图1示意性地示出了重建所期望场景的三维(3D)图像的方法。

为了形成实三维图像，相干光源可用相干光照射所期望场景，使得所期望场景散射或透射部分照射光，从而产生出射相干光束。出射光束的一部分经过，例如，如由孔径光阑定义的初始孔径，并在位于孔径另一侧的观看者眼中形成所期望场景的图像。在初始孔径上，出射相干光束的相对相位和强度的图样确定将被观看者看到的光束的形式。

在孔径上，有可能以逐像素的方式映射出射相干光束的电或磁场的相对强度和/或相位。相对相位在这种孔径上的逐像素映射的可行性，或相对振幅和相对相位两者在这种孔径上的逐像素映射的可行性，是重建三维图像的方法的基础。

为了重建三维图像，光源用相干光照射可重构镜片阵列。基于逐像素映射的形式，对可重构镜片阵列的镜片进行定位，以产生的出射相干光具有预选孔径上大致相同映射的方式，反射来自相干光源的入射照射光。就是说，出射相干光具有相对相位的或两者的相同逐像素映射。孔径是，例如，初始孔径或初始孔径的一部分。由于这种重建光束具有和所期望场景实际散射或透射的相干光束大致相同的映射，重建光束将在位于预选孔径右方的观看者眼中产生大致相同的三维图像。

由于上述方法使用可重构镜片阵列以构造形成最终三维图像的光束，该方法适用于不同三维图像的时间序列的构造。这与使用永久性全息图以形成三维图像的方法形成对比。在这种全息图中，对永久性光记录介质的依赖限制了产生不同三维图像的时间序列的能力。

在这里，图像的时间序列将被称为视频。设备和方法的一些实施例能够产生不同三维图像的时间序列。事实上，一些这种实施例能够以足够高的频率，例如，以高于约20帧每秒的频率产生视频图像，以给人三维视频的感觉。

B)用于图像构造的设备

图2A和2B示出用于根据图1示出的方法重建三维图像的示例性设备10、10’。设备10、10’包括：相干光源12、可重构镜片阵列16、数字数据处理器18、数字数据存储装置20，并且可选地包括光束转向器14和/或透镜系统15。

相干光源12包括，例如，光源22和光束扩展光学装置24。光源22输出时间上相干的光束26。示例性光源22包括，例如，产生红外或可见波长的激光的激光器。光束扩展光学装置24从光源22输出的光束26中产生空间和时间相干的宽光束28，例如，准直光束。示例性光束扩展光学装置24包括折射透镜或透镜系统，以及折射光学系统。光束扩展光学装置24或者将宽光束28斜向地引向可重构镜片阵列16，例如，如图2A所示，或者将宽光束28引向，宽光束28的部分或全部照射可重构镜片阵列16的整个前表面。

光束转向器14将宽光束28的部分引向可重构镜片阵列16，例如，使得宽光束28的上述部分在可重构镜片阵列16上垂直入射。光束转向器14还透射可重构镜片阵列16所反射的一部分或全部光，从而形成传播到一视角范围中的观看光束30。示例性光束转向器14包括部分镀银镜片、旋光器和偏振分束器。

可重构镜片阵列16包括MEMS致动微镜32的二维(2D)阵列。微镜32可为圆形、矩形、三角形、方形，或者甚至可具有不对称的形状。微镜32可被布置在规则矩形网格的顶点，例如，如图3所示，可被布置在另一规则二维网格的顶点，或者甚至可在平面区域上随机分布。每个微镜32可垂直于参考平面36独立地平移，该参考平面36自身与可重构镜片阵列16的平均表面近似平行。

图4示出MEMS致动微镜32’的一实施例。微镜32’包括控制电容器CC、复位弹簧RS和平顶镜面MS，例如，硅或金属平面。控制电容器CC包括可移动导电板MCP和固定导电板FCP，即，固定到平面基板PS上的平板。复位弹簧RS通过支柱P刚性固定到可移动导电板MCP上，并在控制电容器CC放电时提供使镜面MS返回到其初始位置的复位力。可移动导电板MCP响应跨互相面对的导电板MCP、FCP施加的控制电压，垂直于平面基板PS的表面对镜面MS进行平移。

在Vladimir A.Aksyuk等人于2004年12月10日提交的美国专利申请第11/009,447号，Vladimir A.Aksyuk等人于2004年3月31日提交的美国专利申请第10/813,951号，以及美国专利中的一个或多个中可能说明了其它示例性MEMS致动微镜和/或其二维阵列。通过引用将这些专利申请的完整内容结合在本文中。如在上文中结合的专利申请中的一个或多个所述，可重构镜片阵列16可包括微镜和/或其二维阵列。

数字数据处理器18产生操作MEMS致动微镜32的控制信号组。MEMS致动器以响应控制信号组的形式的方式重新调整从参考平面36到单个微镜32的距离。数字数据处理器18为每个接收的预选孔径上的光束的场的值的逐像素映射产生适当的控制信号组。

数字数据存储装置20存储数据处理器18用于确定控制信号组的数据组。数据组可包括，例如，预选孔径上的相对相位的逐像素映射或预选孔径上的相对振幅和相对相位的逐像素映射。数据组还可包括用于定位微镜32的控制电压，以便于从照射光产生具有这种跨预选孔径的逐像素映射的光束。通过通信线路38将数据组传送至数字数据处理器18。

C)所构造三维图像的视场

在设备10、10’中，微镜32可具有一个或两个小横向线性尺寸，使得单个微镜32基本折射光源12输出的具有波长λ的光。一般地，单个微镜32的一个或两个有效横向线性尺寸比等于10λ、5λ、2λ或λ的预选长度更小。示例性横向线性尺寸包括微镜32的直径和边长。在这里，有效横向线性尺寸是实际横向线性尺寸乘以通过设备10、10’的输出光学装置观看，例如，通过图2A的透镜15观看时，可重构镜片阵列16的横向线性尺寸将具有的任何放大倍数。

由于各单个的微镜32的折射，可重构镜片阵列16将波长λ的入射相干光反射到观看方向的范围中。因此，观看光束30将光发送到范围中。可重构镜片阵列重建的图像。优选地，观看方向的范围覆盖至少10°的角度范围或者甚至覆盖30°的角度范围，或者更多。

D)用于显示三维图像的方法

图5示出用于显示场景的三维图像的方法40，例如，使用图2A和2B的设备10、10’。方法40包括近似重建将已经被场景散射或通过场景透射的相干光束的波前。在相干光束在到达观看者过程中将已经过的预选孔径上重建波前。预选孔径是有限的平面区域，在不同的实施例中其形式可不同。

方法40包括确定是否剩有所期望场景的三维图像要被显示(步骤42)。数字数据处理器18可执行这种确定步骤。如果没有剩有这种要显示的三维图像，方法40终止。

如果剩有三维图像，方法40包括提供能够在观看者眼中产生所期望场景的三维图像的相干光束的电或磁场的逐像素映射(步骤44)。相干光束可由被所期望场景散射或通过所期望场景透射的光形成。逐像素映射提供在一组覆盖预选孔径的像素上的相干光束的电或磁场的相对相位。逐像素映射还可选地提供在同一组像素上的波前的电或磁场的相对振幅。因此，逐像素映射是对能够在实际的观看者眼中产生所期望场景的三维图像的相干光束的波前的描述。

逐像素映射是其条目与覆盖预选孔径的像素组的各单个像素对应的列表。在该列表中，每个条目提供相干光束在相应像素上的电或磁场的平均相对相位，并选择性地提供相干光束在相应像素上的电或磁场的平均相对振幅。整个逐像素映射可被存储在数字数据存储装置中，例如，数字数据存储装置20中，或者可以，例如，由数字数据存储装置提取。

方法40包括定位可重构镜片阵列的微镜，例如，微镜32，以便于以调制光束来使其具有预选孔径上相同的逐像素映射的方式，反射适当的相干光束(步骤46)。适当的相干光束一般是既具有横向相干性又具有纵向相干性的平面波，例如光源12产生的光束。定位步骤44改变，例如，各单个微镜32离开参考平面36的各距离，使得入射的相干光束被调制成具有已提供的预选孔径上的逐像素映射的出射相干光束。在预选孔径的每个像素处，调制相干光束的电或磁场的相对相位的空间平均值将约等于由所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的电或磁场的相对相位的空间平均值。如果相对振幅也被重建，在每个像素处，调制相干光束的电或磁场的相对振幅的空间平均值也将等于由所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的电或磁场的相对振幅的空间平均值。可能存在多组微镜32的位置将在预选孔径上重建这种由所期望场景反射或通过所期望场景透射的相干光。

定位步骤46可在预选孔径上重建被所期望场景反射或通过所期望场景透射的相干光，其中预选孔径正好位于可重构镜片阵列16的前方。对于这种预选孔径，微镜32的一个局部操作单元(LOU)，例如，如图3所示，将入射的相干光反射到预选孔径的一个像素中。对于垂直入射的照射光束，该像素可以是预选孔径的正好位于相应的局部操作单元前方的部分。在上述实施例中，对于单个像素，逐像素映射的条目定义了相应的局部操作单元的微镜32离开参考平面36的距离。

替代地，定位步骤46可在预选孔径上重建被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束。一般将需要逐像素映射的多个条目来确定每个微镜32离开参考平面36的距离。

方法40包括此后用适当的相干光束照射可重构镜片阵列，以产生近似产生所期望场景的三维图像的调制光束(步骤48)。由于步骤46中微镜的定位，调制光束将在预选孔径的每个像素处具有被所期望场景反射或通过所期望场景透射的相干光束的平均相对相位。在对相对振幅也进行重建的实施例中，调制光束还将在预选孔径的每个像素处具有被所期望场景反射或通过所期望场景透射的相干光束的平均相对振幅。

可用可见或红外光重建三维图像。为了执行重建，相干光束应跨可重构镜片阵列的高度和宽度空间相干并且充分时间相干，以再现所期望场景的深度。

为了产生有效的视场，可重构镜片阵列，例如，阵列16，的微镜可具有相对于照射光波长不太大的有效横向线性尺寸。如上所述，上述微镜的最大横向线性尺寸、直径或边长可等于或小于预选长度，其中预选长度是上述照射光波长的10、5、2或1倍。

方法40包括循环(50)以重复步骤42、44、46和48，并且因此可重建所期望场景的三维图像的时间序列。在一些实施例中，循环可以至少二十个三维帧每秒的速率并且优选地以每秒三十个或更多三维帧的速率重建新的三维图像。因此，这种重建三维图像的帧速率可足够高，以产生人对真实三维视频的感知。

E)定位镜片阵列的微镜的示例性方法

如上所述，方法40可操作设备10，10’的可重构镜片阵列16以设定反射光在像素上的相对相位，或反射光在预选孔径上的相位。

例如，举例说明用于设定示例性的预选孔径上的这种相对相位/振幅的方法，所述示例性的预选孔径是正好位于可重构镜片阵列16前方的平面。

在只设定这种反射光的相对相位的实施例中，各单个微镜32独立地相对于参考平面36平移。对于示例性的预选孔径和垂直入射的照射光，每个微镜32离开参考平面36的距离设定位于微镜32前方的像素上的反射光的相对相位。就是说，上述距离确定从上述微镜32上反射的光所通过的光程长度，并且因此确定其在位于微镜32前方的对应的像素处的相对相位。

在既设定相对振幅又设定相对相位的实施例中，微镜32一般以作为局部操作单元(LOU)的组的形式一起操作。每个局部操作单元是一组相邻的微镜32，例如2、3、4或更多个微镜32。单个局部操作单元的各微镜32离开参考平面36的各距离确定反射到上述预选孔径的相应像素的光的平均相对振幅和平均相对相位。

图6示出每个分别有两个微镜，即，微镜32A’和32B’以及微镜32A”和32B”，的局部操作单元LOU’和LOU”的操作。对于相对振幅，从相同的局部操作单元LOU’、LOU”的第一微镜32A’、32A”上反射的光所通过的光程长度和第二微镜32B’、32B”上反射的光所通过的光程长度之间的差值确定反射到相应像素39’、39”上的光的平均相对振幅。N为整数的光程长度差Nλ给出相应像素39’、39”上的最大平均振幅，即，其中λ为光的波长。光程长度差(λ/2+Nλ)给出相应像素上的最小平均振幅。光程差(xλ+Nλ)，其中0<x<1/2，给出相应像素39’、39”上的平均相对振幅，插在之间。从局部操作单元LOU’的微镜32A’、32B’上反射的光所通过的平均光程长度和从局部操作单元LOU”的微镜32A”、32B”上反射的光所通过的平均光程长度之间基本确定反射到相应像素39’、39”上的光之间的相对相位差。因此，通过简单地平移作为组的各局部操作单元的微镜{32A’，32B’}、{32A”，32B”}，可调节局部操作单元LOU’、LOU”反射到相应像素39’、39”上的光的相对相位，即，以便于不改变在相应像素39’、39”处的上述反射光的平均相对振幅。这种组平移可再现反射到选择孔径的不同像素上的光之间的相对相位的任何分布。

F)计算孔径上波前的逐像素映射

有几种技术可用于构造被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束在预选孔径上的逐像素映射。

一种用于构造上述逐像素映射的技术包括：首先用一组彼此相干的点光源模拟所期望场景，然后计算每个点光源的电或磁场在预选孔径上的逐像素映射。该技术通过以逐像素方式对各单个点光源的电或磁场求和，来得到被所期望场景散射或通过所期望场景透射的光束的最终的逐像素映射。根据这些和，可找到期望的相干光束在预选孔径的每个像素处的相对振幅和相对相位的近似值。通过使用在其中有利地结合了对称性的所期望场景的变换，例如用于周期性所期望场景的傅立叶变换和用于柱对称的所期望场景的贝塞尔变换，可进一步改进该技术。

用于构造逐像素映射的另一技术包括对实际被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束执行测量，以得到其在预选孔径上的逐像素映射。该技术包括测量上述相干光束的强度。例如，利用电荷耦合探测器(CCD)，可获得强度的逐像素映射。一般地，直接测量相干光束在预选孔径上的相位的逐像素映射是不可行的。因此，该技术包括执行实际被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光和具有已知特性的彼此相干的参考光束之间的干涉图样的强度的CCD测量。该技术包括使用对于被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的强度和对于干涉图样测量的逐像素映射，以及参考光束的已知形式，以求出实际被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的相对相位的逐像素映射。如果在预选孔径上参考相干光束比实际被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光强很多，认为上述两光束之间的干涉图样将具有在点“x”处的近似形式的强度分布IP(x)：

在这里，A_I(x)和

是被所期望场景散射或通过所期望场景透射的干涉光束的相应的相对振幅和相位，A_R和

是参考干涉光束的相应的振幅，即假定的常数，和相位，并且α是CCD的效率。基于A_I(x)和IP(x)的测量值以及

的已知值，可数值地求解上述IP(x)的方程，以从中求出被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的相对相位(x)在预选孔径上的逐像素映射。

最后，可在下列文献的一个或多个中说明了用于构造被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光束的相对相位和相对振幅在预选孔径上的逐像素映射的其它技术和其它算法：“Diifraction-SpecificFringe Computation for Electro-Holography”，Mark Lucente博士论文，电子工程与计算机科学系，麻省理工学院，1994年9月；4,986,619；以及美国专利5,172,251。通过引用将上列论文和美国专利的完整内容结合在本文中。

根据公开、附图和权利要求，本发明的其它实施例对于本领域的技术熟练人员将是明显的。

Claims (10)

1.一种用于产生三维图像的方法，包括：

提供被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光的相对相位在预选孔径上的逐像素映射；

响应于用相干光束照射可重构镜片阵列而定位该阵列的微镜，以产生其波前在预选孔径上具有该逐像素映射的反射光；以及

用相干光束照射可重构镜片阵列以使得能够产生所期望场景的三维图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中微镜的有效横向线性尺寸比光束的波长的约十倍小。

3.如权利要求1所述的方法，其中微镜的有效横向线性尺寸比光束的波长的约五倍小。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述定位包括垂直于阵列的平均表面平移微镜。

5.如权利要求1所述的方法，其中逐像素映射提供被所期望场景散射或通过所期望场景透射的相干光的相对强度；并且

其中该方法包括重复所述提供和定位，和照射步骤，以使得能够用相同的阵列产生不同的三维图像。

6.一种设备，包括：

具有选定波长的相干光光源；

布置为被光源照射的可重构镜片阵列，该阵列包括多个可移动微镜；并且

其中每个微镜的最大有效横向线性尺寸小于波长的十倍。

7.如权利要求6所述的设备，其中每个微镜的最大有效横向线性尺寸小于波长的五倍。

8.如权利要求6所述的设备，其中每个微镜的最大有效横向线性尺寸小于波长的两倍。

9.如权利要求6所述的设备，进一步包括：

多个MEMS致动器，每个MEMS致动器被配置为基本垂直于阵列表面平移相应的一个微镜。

10.如权利要求9所述的设备，进一步包括处理器，其被配置为响应于接收相干光束的强度和相位在孔径上的逐像素映射而使得MEMS致动器重新定位微镜。

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