用于场景成像的系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于场景成像/使场景成像的系统，其中，该系统具有：拍摄单元，其设计为用于，获取所述场景的二维的或/和三维的信息，其中，该信息具有来自场景的光波；第一衍射光学元件，其设计为用于，接收来自拍摄单元的光波；光学波导管，其设计为用于，传输由第一衍射光学元件接收的光波，其中，第一衍射光学元件还设计为用于，使光波射入到光学波导管中；和第二衍射光学元件，其设计为用于，使由光学波导管传输的光波从光学波导管中射出。


背景技术：

2.由文献us 9 753 141 b1已知一种基于传感器的、具有在传感器拍摄之间最小的延迟时间的图像生成系统。
3.由文献wo 94/24527已知一种具有多个全息光学透射光栅的摄谱仪，其使得入射光如此绕射，即，不同的光谱分量击中光电探测器的空间分离的区域。
4.由文献us 10 116 915 b2已知一种用于利用彼此不同的数据获取装置产生人造的或扩展的现实的系统，该数据获取装置分别具有多个传感器。该数据获取装置、例如全息相机从其相应的视场角(fov)收集场景信息。
5.在全息相机或缩写“holocam”中，光通过光学元件射入到光导体中，并借助内部全反射传输至另一个进行射出的光学元件。在进行射出的光学元件之后提供了适合的图像传感器。
6.所谓的传感器噪声在此对可实现的图像质量产生较大影响。传感器噪声表示影响像素值、例如从图像到图像的时间过程的不同干扰。这种所谓的时间噪声在此包括光子噪声、暗电流、读出和定量噪声、局部噪声、“偏置噪声”和“增益噪声”。当今的趋势是，传感器越来越小，同时分辨率也越来越高，导致像素越来越小且因此灵敏度越来越低，因此对噪声的敏感性也越来越大。然而，所拍摄的图像的噪声行为并不是仅取决于各个像素的大小和感光度。
7.动态范围也是重要的拍摄标准。其在图像传感器中明显小于例如在人眼中。这种效应从照相术中已知：如果从窗户看，眼睛能够看到较暗的内部空间以及较亮的外界。相反，具有明显较小的动态范围的相机通常只能以正确曝光的方式拍摄场景：较暗的内部空间，其中，窗口过度曝光，或外界过度曝光，其中，内部空间曝光明显不足。虽然曝光不足的区域随后可以在一定程度上又被照亮，但来自过度曝光的区域的信息不能再被恢复。
8.具有扩展的动态范围的拍摄迄今原则上可以通过以下两种方式进行。一方面，可以对拍摄进行数字再处理。通常，亮区域被正确曝光，暗区域随后被照亮。从而在图像中产生更好的照明的印象。另一方面，可以连续拍摄具有不同设定、例如不同曝光时间的多个单独拍摄。从而形成多个单独拍摄，这些单独拍摄在理想情况下可以覆盖最暗的到最亮的图像区域的适当设定。在这种情况下，这些单独拍摄可以被组合，其中，由每次拍摄使用正确曝光的图像部分。例如，在短曝光时间内正确拍摄并采用亮区域。然而，随着曝光时间的延
长，暗图像区域被更好地曝光和采用。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于，提供一种改进的用于场景成像的系统，其一方面能以扩展的动态范围实现场景的成像并且另一方面降低了传感器噪声的干扰。
10.所述目的通过具有权利要求1的特征的用于场景成像的系统和具有权利要求13的特征的全息相机来实现。具有适宜的改进方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
11.本发明提出了一种用于场景成像的系统，其中，所述系统包括：拍摄单元，其设计为用于，获取所述场景的二维的或/和三维的信息，其中，该信息具有来自场景的光波；第一衍射光学元件，其设计为用于，接收来自拍摄单元的光波；光学波导管，其设计为用于，传输由第一衍射光学元件接收的光波，其中，第一衍射光学元件还设计为用于，使光波射入到光学波导管中；和第二衍射光学元件，其设计为用于，使由光学波导管传输的光波从光学波导管中射出。在此规定，所述系统还包括：第一图像传感器和至少一个第二图像传感器，其设计为用于，获取射出的光波并且由此产生第一图像数据和第二图像数据，其中，第一图像传感器和第二图像传感器布置在配属于第二衍射光学元件的区域中。
12.替代进行获取的图像传感器，在此在进行射出的衍射光学元件的区域中提供至少两个图像传感器。因此，图像传感器可以从相同的视角、即从相同的位置拍摄场景。这又能实现，将通过两个传感器产生的图像数据彼此组合。由此可以创建场景的取平均的降噪图像。
13.配属于第二衍射光学元件的区域在此可以具有一平面，第二衍射光学元件使光波射出到所述平面中，其中，第一图像传感器和第二图像传感器布置在所述平面内。
14.在这方面，第二衍射光学元件的尺寸可以决定所述平面的尺寸、也就是说射出区域(也称为“眼动范围eyebox”)的尺寸。换言之，通过进行射出的第二衍射光学元件的尺寸可以如此确定在其中场景的光波被接收的平面的尺寸，使得两个图像传感器能布置在其中并且能拍摄相同的场景。还可以如此选择第二衍射元件的尺寸，使得其他图像传感器能集成在该平面内。
15.在一个实施方式中，第一衍射光学元件可以具有第一全息光学元件，第二衍射光学元件可以具有第二全息光学元件。使用比常规的光学元件更轻且更节省空间的全息光学元件能够实现进一步简化系统的光学布置并减轻重量。
16.第一全息光学元件和第二全息光学元件可以具有体积全息图，所述体积全息图根据光波的波长使所述光波射入到波导管中或从所述波导管中射出。体积全息图在此可以用作透射光栅以及反射光栅。因此可以实现全息元件在波导管中的不同布置。
17.在这方面，第二全息光学元件可以具有其他用于图像校正的光学功能，以便例如降低场景的成像的歪曲。
18.第一全息光学元件和第二全息光学元件可以具有光敏材料、优选光敏聚合物。同样可以是如二色性水胶、卤化银、折射的晶体等材料。
19.波导管可以具有棱镜。然而还可以实现具有带有光纤的波导管的布置。
20.第一图像传感器可以具有第一感光度或/和第一曝光时间，第二图像传感器可以具有与第一图像传感器不同的第二感光度或/和与第一图像传感器不同的第二曝光时间。
通过感光度不同的图像传感器结合变化的曝光时间，可以拍摄具有大亮度差的场景。第一图像传感器例如可以在没有曝光过度的情况下获取亮图像区域，而第二图像传感器可以在没有曝光不足的情况下获取暗图像区域。由此产生的图像数据可以被组合，这能使得场景以改进的动态范围成像。
21.第一图像传感器和第二图像传感器还可以将配属于光波的光子转换成电信号，以便由此产生第一图像数据和第二图像数据。
22.第一图像传感器和第二图像传感器可以具有cmos传感器或/和ccd传感器。
23.在此，所述系统还可以具有处理单元，该处理单元对由第一图像传感器和第二图像传感器产生的图像数据进行处理并且由此产生所述场景的成像。处理单元在此可以附加地进行校正。
24.上述目的通过具有前述的用于场景成像的系统的全息相机来实现。
附图说明
25.本发明的其他优点和细节由下面参照附图对实施方式的描述给出。图中示出：
26.图1示出用于场景成像的系统的一个实施方式的简化的且示意性的原理图；
27.图2示出系统的一个实施方式的简化的且示意性的原理图；
28.图3示出系统的一个实施方式的简化的且示意性的原理图；和
29.图4示出与系统的处理单元共同作用的图像传感器的一个实施方式的简化的且示意性的原理图。
具体实施方式
30.在图1至图3中示出用于场景s成像的系统10，20，30的不同的实施方式的简化的且示意性的原理图。该场景s可以是系统10，20，30的周围环境。系统10，20，30具有拍摄单元12，22，32、第一衍射光学元件14，24，34和第二衍射光学元件14，24，34、波导管16，26，36以及第一图像传感器18，28，38和至少一个第二图像传感器18，28，38。
31.拍摄单元12，22，32获取场景s的二维或/和三维信息，其中，该信息包括场景s的光波lw。如在图1至图3中示出，拍摄单元12，22，32可以设计为具有透镜的物镜，该物镜将光波lw成像到第一衍射光学元件14，24，34上。然而这并不是限制性的。拍摄单元12，22，32同样可以通过其他光学元件，例如镜子、遮光板等构成。
32.第一衍射光学元件14，24，34接收来自拍摄单元12，22，32的光波lw并使光波射入到波导管16，26，36中。波导管16，26，36将由第一衍射光学元件14，24，34接收的光波lw通过全反射传输至第二衍射光学元件14，24，34。在这种情况下，第二衍射光学元件14，24，34使通过光学波导管16，26，36传输的光波lw从光学波导管16，26，36中射出。这通过相应的箭头在图1至图3中示出。
33.在此能实现第一和第二衍射光学元件14，24，34在系统10，20，30中的不同布置。衍射光学元件14，12，24例如可以布置在波导管16，36内，这在图1和图3中示出。然而衍射光学元件还可以布置在外部，这在图2中示出。根据系统10，20，30的要求，在此可以实现任意的布置。
34.然后，射出的光波lw由第一图像传感器18，28，38和至少一个第二图像传感器18，
28，38获取并且由此产生第一图像数据bd和第二图像数据bd。这随后参考图5进行详细描述。第一图像传感器18，28，38和至少一个第二图像传感器18，28，38在此布置在配属于第二衍射光学元件14，24，34的区域eb中，该区域简化地通过虚线边界在图1至图3中示出。
35.在区域eb中的布置能够实现图像传感器18，28，38从相同的视角获取场景s的光波lw。因此，所产生的图像数据可以彼此组合或取平均，以便获得场景as的降噪图像。
36.在一个实施方式中，配属于第二衍射光学元件14，24，34的区域eb可以具有一平面，第二衍射光学元件14，24，34使光波lw射出到该平面中，其中，第一图像传感器18，28，38和至少一个第二图像传感器18，28，38布置在该平面内。
37.在此，第二衍射光学元件14，24，34的尺寸决定该平面的尺寸、也就是说射出区域、也称为“眼动范围eyebox”的尺寸。通过适当的选择第二衍射光学元件14，24，34的尺寸，可以如此确定该平面的尺寸，使得其他图像传感器18，38，38可以布置在该平面内，这例如在图3中示出的实施方式中示出。在图3中如此选择第二衍射元件34的尺寸，使得总共四个图像传感器可以布置在该平面中。然而这不是限制性的。可以实现用于第二衍射光学元件14，24，34的不同的尺寸并且因此实现任意数量的图像传感器18，28，38。通过由其他图像传感器产生的图像数据bd的组合，可以进一步改进场景as的所产生的成像的图像质量。
38.第一衍射光学元件14，24，34可以具有第一全息光学元件，第二衍射光学元件14，24，34可以具有第二全息光学元件。全息光学元件在此具有绕射光栅，其通过全息法制造。该绕射光栅例如被写入或记录在体积全息图中。
39.第一全息光学元件和第二全息光学元件可以具有体积全息图，其根据光波的波长使光波lw射入到波导管16，26，36中或从所述波导管中射出。更确切地说，光波lw根据bragg条件(相位匹配条件)被射入或射出，也就是说光波lw必须具有正确的波长(颜色)和正确的形状(辐射方向，波前轮廓)。在此，在具有反射光栅的体积全息图与具有透射光栅的体积全息图之间进行区分。对于透射光栅来说，入射的光波lw的一部分被反射，并且一部分被吸收。对于反射光栅来说，光波lw针对确定的角度和波长如此绕射，使得形成结构干涉。在图1中示出具有反射光栅的实施方式。在此，来自场景s的光波lw在射入第一全息光学元件时被反射并且通过全反射传输至第二全息光学元件，然后该第二全息光学元件使光波lw射出。在图1中是单色的(单种颜色的)结构，其中，仅具有确定的波长的光波lw被反射。多色的(多种颜色的)结构同样能实现，这在图2中示出。
40.在图2中，具有不同的波长的光波lw被射入或射出。这可以通过使用多个全息光学元件(未示出)来实现。还可以使用具有体积全息图的全息光学元件，多个绕射光栅被写入其中。
41.在图3中示出一个实施方式，其说明了在使用透射光栅的情况下的单色的结构。在该实施方式中，全息光学元件居中地布置在波导管36中。在此，入射的光波lw的一部分被吸收，且一部分被反射。
42.如上所述，在图1至图3中示出的实例未受限制。其他布置和组合是可能的。
43.第二全息光学元件还可以具有其他用于图像校正的光学功能。其例如可以被写入体积全息图中并且可以减少在光波lw射出时附加的干扰、如失真。
44.第一全息光学元件和第二全息光学元件可以具有光敏材料、优选光敏聚合物。光敏聚合物具有良好的绕射效率并且其优点是，其不必被附加地化学处理。同样可以是如二
色性水胶，卤化银等材料。
45.波导管16，26，36可以具有棱镜。同样可以是光纤。
46.第一图像传感器18，28，38可以具有第一感光度或/和第一曝光时间，第二图像传感器18，28，38可以具有与第一图像传感器18，28，38不同的第二感光度或/和与第一图像传感器不同的第二曝光时间。通过不同的感光度或/和曝光时间，可以以变化的精度获取和组合场景s的不同的分区。因此，场景s可以以所有的亮度差成像。例如，感光度或/和曝光时间可以如此设定，使得第一图像传感器18，28，38在没有曝光过度的情况下获取场景s的亮分区，而第二图像传感器18，28，38在没有曝光不足的情况下获取场景s的暗分区。通过组合所产生的图像数据bd，例如叠加具有不同的曝光时间的图像数据，可以产生场景s的高对比图像。例如利用在图2中示出的多色布置还可以产生具有扩展的动态范围的彩色图像。
47.第一图像传感器18，28，38和第二图像传感器18，28，38可以将配属于光波lw的光子转换成电信号，以便由此产生第一图像数据bd和第二图像数据bd。这通过光电效应实现，其中，简化地示出，光子由图像传感器吸收，并且电子或电荷被触发。
48.在此，第一图像传感器18，28，38和第二图像传感器18，28，38可以具有cmos传感器或/和ccd传感器。在cmos传感器(“互补性氧化金属半导体”)中将像素中的电荷转换成电压。其被放大、量子化并且作为数字值被输出。ccd(“电荷耦合器件”)传感器由多个平面布置的感光半导体元件组成。每个半导体元件是将入射的光子转换成电子的光探测器。
49.系统10，20，30还可以具有处理单元vb，该处理单元对由第一图像传感器18，28，38和第二图像传感器18，28，38产生的图像数据bd进行处理并且由此产生场景as的成像。在这方面，图5示出与系统10，20，30的处理单元vb共同作用的图像传感器18，28，38的一个实施方式的简化的且示意性的原理图。通过第一和第二图像传感器18，28，38接收的光波lw如上所述被转换成图像数据bd并且被提供给处理单元bv。处理单元对图像数据bd进行处理，其中，可以执行附加的图像校正。由被处理的图像数据bd通过适合的组合产生场景as的成像。
50.此外，全息相机可以配备有上述的用于场景s成像的系统10，20，30。