專利名稱：光學成象系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及光學成像系統(tǒng)，特別是涉及采用平面光學元件陣列來存儲、處理和再現(xiàn)物體圖象的方法和裝置。
傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)由依次對入射光信號工作的各元件組成，由于每一元件處理完整的圖象，這些元件必須精心設計和制造以補償象差和畸變，而這些象差和畸變是在當單一的元件必須單獨處理全部圖象的情況下必然會出現(xiàn)的。這一情況與二十世紀五十年代電子學的情況類似。當時，通過導線把各個盒子中為每一用途特制的元件連接起來以構成系統(tǒng)，這種方法對設計復雜的電路有一定的限制。這樣，6管晶體管收音機、5燈電子管收音機和20燈電視機大概是用這種方法進行大規(guī)模生產(chǎn)所能達到的最復雜的產(chǎn)品了，袖珍式計算器、數(shù)字式手表和便攜式計算機是這種技術所無法想象的、從分立的電子元件到集成電路的飛躍來源于使元件微型化的能力和按功能塊連接并大量制造它們的能力。
傳統(tǒng)的光學成像系統(tǒng)一般由一系列單獨的元件或透鏡組成，其中每一個處理整個圖象，這種方法導致設計上的折衷方案，因為每一元件同時處理整個一幅圖象，這種方法還導致使用限制系統(tǒng)復雜性的大體積的元件，由于元件尺寸大，根據(jù)折射來設計和制造光學元件要比根據(jù)衍射簡單得多，以前也曾有過用小透鏡如復眼透鏡的平面陣列產(chǎn)生圖象的嘗試，該技術實現(xiàn)時的局限性使其用途限制在各種較為粗略的三維顯示上，例如立體全景圖片和立體照相，以及眾所周知的可隨著觀察角度的改變在兩幅或幾幅圖象中變化的新穎玩意。例如，立體照相采用小透鏡陣列來產(chǎn)生和存儲圖象，用于立體照相的小透鏡的特點在于它是折射曲面，這種折射曲面限制了微型化的程度，對實用來說是過于粗糙了，這一技術在制造上也是困難的。
自法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳于1815年發(fā)明波帶片以來，出現(xiàn)了工作于光波的衍射和干涉現(xiàn)象的光學元件，波帶片是截斷光信號某些特定相位成分以類似于透鏡的方式產(chǎn)生圖象的平面圖象，但完全根據(jù)衍射效應工作，由波帶片制成的元件隨著尺寸的減小而變得更為簡單和更加有效，直至其成分小于所涉及的光線的波長，另外，波帶片的焦距長度隨其尺寸大小的減小而變得非常短，使串行元件之間的距離可非常短。相對于曲面來說，平面圖象采用目前可以使用的印刷和模壓工藝，可制造出密度達每單位英寸幾百個元件的實用元件。
波帶片的使用在現(xiàn)有技術中是熟知的，例如，奧森(Olsson)的美國專利3，545，854涉及了一種對一個物體產(chǎn)生多個同樣的圖象的光學系統(tǒng)，例如，用于制造半導體掩模的光學系統(tǒng)。其中，物體的圖象通過多個相同的波帶片聚焦在一個成像平面上，每一波帶片包括交替的不透明和透明的同心區(qū)域，每一波帶片把半導體圖形的圖象會聚在一個成像板上。
史查爾(Schier)的美國專利3，547，546涉及一種用于制造半導體掩模的成像裝置，該裝置包括一個具有多個基本上并排設置的波帶片的波帶片矩陣，每一波帶片是一個光學衍射成像裝置，類似于菲涅耳波帶片。
史徹龍(Strehlow)的美國專利3，993，401、李(Lee)等人的美國專利4，036，552和4，095，875都揭示了由菲涅耳波帶片形成的多個衍射元件構成的后向反射材料，李(Lee)等人的專利4，036，552揭示了通過把多個菲涅耳波帶片圖案記錄在某種光敏介質(zhì)上并用該介質(zhì)作為模子在一塊板上模壓衍射元件來制造波帶片矩陣的方法。
諾斯(Nose)的美國專利4，593，482涉及一種閱讀裝置，它把原始圖象分為多個“微圖象”，并利用一個光學傳感器通過包括菲涅耳波帶片的多個成像裝置(器件)閱讀圖象信息。
雖然現(xiàn)有技術揭示了利用菲涅耳波帶片的光學成像系統(tǒng)，仍然需要有具備高亮度和高度分辨率以及更寬范圍的圖象處理能力的系統(tǒng)。
由此，本發(fā)明的一個目的是提供一種光學成像系統(tǒng)，使圖象的整體質(zhì)量得到提高;
本發(fā)明的進一步目的是提供一種光學成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可由較便宜的材料制成，這種材料是抗壓力和抗振動的，并且不受電磁干擾的影響;
本發(fā)明的再一個目的是提出一種光學成像系統(tǒng)，適用于多種目視圖象領域，例如，象放大、三維(3-D)照相、信息存儲、三維X射線攝影和動畫片;
本發(fā)明的又一個目的是提供一種可用于普通的環(huán)境光線條件下的光學成像系統(tǒng);
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學成像系統(tǒng)，它不需要使用激光器或專門的光學再現(xiàn)(放象)系統(tǒng)。
本發(fā)明實現(xiàn)這些和其它目的，在本發(fā)明中，有用于處理圖象的圖象產(chǎn)生和處理方法及裝置，該系統(tǒng)由并列的微型光學衍射元件平行矩陣組成的板或屏幕組成，這些元件最好是菲涅耳波帶片的形式，其中每一元件被優(yōu)化并僅產(chǎn)生所成圖象的一小部分，所成的圖象是一幅通常由幾十萬個點形成的合成或組合圖象，每一個點由一個單獨的光學處理流獨立產(chǎn)生。
本發(fā)明進一步涉及用于產(chǎn)生物體圖象的光學成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(圖象)生成平面和一個二維圖象平面。兩者由基本上透明的介質(zhì)隔開。二維生成平面包括多個第一衍射元件，每一衍射元件代表一個單獨的光學系統(tǒng)，衍射元件可以是菲涅耳波帶片或任何其它現(xiàn)有技術中衍射光柵系統(tǒng)的平面陣列?；就该鞯慕橘|(zhì)的厚度至少為二維生成面上衍射系統(tǒng)的焦距。二維圖象平面包括多個構成菲涅耳波帶片平面陣列的第二衍射元件，二維生成平面上菲涅耳波帶片的中心與二維圖象平面上波帶片的中心對準，這里，“對準”一詞表示光學系統(tǒng)中相對的波帶片之間有一預定的角度關系。
本發(fā)明進一步涉及一種觀察物體圖象的方法。該方法包括提供一種如上描述的光學成像系統(tǒng)，將從光源發(fā)射的光照射在物體上，從該物體上反射的光線通過生成平面的多個衍射元件，多個第一衍射元件中的每一個在源平面上形成該物體的一幅虛象，圖象平面的每一波帶片代表從該虛象中選出的部分的一點，這里，“點”是虛象中最小可分辨區(qū)域，所選擇的點群隨后合成可為觀察者看到的合成圖象。
本發(fā)明還涉及一種用于放大物體圖象的放大器，它包括一個用于把物體的多個象編碼入該系統(tǒng)的生成平面，生成平面包括并排的多個第一波帶片的二維陣列，每一第一波帶片表現(xiàn)為一個單獨的光學元件。該放大器進一步包括基本上與生成平面平行對準的圖象平面，圖象平面對該物體的多個圖象解碼，并使這些圖象合成為觀察者可見的放大了的合成圖象，圖象平面包括由多個第二波帶片并列而成的一平面陣列，每一第二波帶片為表現(xiàn)為一個單獨的光學元件。放大器進一步包括一個基本上透明的介質(zhì)，它把生成平面和圖象平面隔開，該介質(zhì)包括一個基本上與生成平面和圖象平面平行對準的源平面，從生成平面至源平面的距離與生成平面的焦距相同，從圖象平面至源平面的距離與圖象平面的焦距相同，但是，圖象平面的焦距小于生成平面的焦距，所以形成該物體的放大圖象。
本技術的優(yōu)點是顯著的。首先，本技術的產(chǎn)品可用較廉價的材料制造，生產(chǎn)上也不要求大量的新設備或顯著不同的制造技術基礎，因些，目前已經(jīng)用于圖象系統(tǒng)領域的系統(tǒng)可以容易地用于本發(fā)明。
因為本發(fā)明的系統(tǒng)是由光波起作用，而不是由電起作用，裝置的元件能經(jīng)受壓力和震動，并且不受電磁干擾的影響，而且，這一光學成象系統(tǒng)具有這樣的特點，即個別元件的故障并不顯著地降低觀察者所見的圖象的整體質(zhì)量。一個平面上損壞幾個元件，即幾個波帶片，在最終或合成圖象上會損失幾個象素，但觀察者并不會覺察到這一損失。該產(chǎn)品顯象也很清晰，適用于所有的光學顯象領域。
本發(fā)明的光成象系統(tǒng)具有多種用途，例如，該系統(tǒng)可被用來產(chǎn)生超薄放大板，特別是用于牙科和醫(yī)療的，而且，該系統(tǒng)還可用于三維黑白和彩色攝影，三維X射線成象、信息存儲和檢索系統(tǒng)、活動標幟板和廣告、以及形成360°三維圖象。
本發(fā)明進一步的目的、特點和優(yōu)點將由于下面結合附圖給出的詳細描述而變得更為明顯，其中

圖1是本發(fā)明光學成象系統(tǒng)的一個實施例的分解透視圖，圖2是本發(fā)明生成平面的一個實施例的正面圖;
圖3是圖2實施例沿線條Ⅲ-Ⅲ的側面圖;
圖4是生成平面和圖象平面的另一個實施例的正面圖;
圖5是圖4實施例的正面局部放大的圖;
圖6是本發(fā)明的側面示意圖;
圖7是本發(fā)明用來說明放大器原理的側面示意圖;
圖8是本發(fā)明用于信息存儲和檢索系統(tǒng)的側面示意圖;
圖9是本發(fā)明用于三維攝影時的側面示意圖。
按照本發(fā)明，揭示了一種用于形成物體圖象的光學成象系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少兩個衍射元件的平面陣列，第一個衍射元件平面陣列，即生成平面，把信息編碼入光學系統(tǒng)，該信息是可見信息，它是通過類似于把物體圖象編碼到照相感光紙的光波技術，對這些信息進行編碼的，該信息是在衍射元件系統(tǒng)中可以使用的方法進行編碼的。
衍射元件的第二平面陣列，即圖象平面，對由生成平面編碼的信息進行解碼并形成可由用戶觀察到的可見圖象。
一種基本上透明的介質(zhì)置于生成和圖象平面之間，它包括大致上平行地對準于生成平面和圖象平面的源平面，源平面為系統(tǒng)存儲編碼信息供系統(tǒng)使用，源平面可以是動態(tài)的或靜態(tài)的。在動態(tài)系統(tǒng)中，源平面可以是假想的或沿著構成生成平面的衍射元件的焦距的半透明的板。源平面是物體編碼圖象所在之處，這些圖隨后由圖象平面處理成選擇的合成圖象，由用戶進行觀察。在靜態(tài)系統(tǒng)中，源平面含有預先記錄的信息，該信息可以是經(jīng)照相記錄的，或是計算機產(chǎn)生的信息的預先記錄，或是利用現(xiàn)有技術中其它已知的方式所產(chǎn)生的信息。預先記錄的信息可以是彩色或空間濾波器的形式，或印制板、網(wǎng)格、或照片。
衍射元件最好由基本上并排設置的波帶片構成，對于本發(fā)明的目的來說，波帶片或菲涅耳片是同義詞，波帶片是截斷信號中某些特定相位成份以類似于透鏡的方式產(chǎn)生圖象的平面圖象，但完全按衍射效應工作。盡管具有同樣特性的波帶片是較佳的，但具有不同特性的波帶片也可以使用。這樣，對某一幅射波長最佳的波帶片可用在整個矩陣上，或者也可以雜之以對另一種波長優(yōu)化的波帶片。對波帶片的一般敘述和制造方法可參見奧森(Olsson)的美國專利3，545，854和史查爾(Schier)的美國專利3，547，546。
波帶片是一種衍射光學成象器件，類似于針孔，但比其優(yōu)越，針孔成象是一種初級的成象方法，僅給出最粗略的分辨率，相反，菲涅耳型的波帶片是一個由同心的、交替的亮的和暗的圓環(huán)制成的平面牛眼圖象，可獲得高分辨率和高亮度。事實上，針孔僅是這些波帶片的中央部分，波帶片截斷光信號中的特定相位成份，以類似于透鏡的方式形成圖象，但完全根據(jù)波衍射光學原理工作。《無線電電子學》第58～61頁中斯威特尼·戴維·簡(Sweetnan，DavidJ.)(1985)的“一種層迭式衛(wèi)星電視天線”一文中提供了波帶片和它如何工作的描述。
歷史上形成透鏡陣列的嘗試在于使用曲面折射材料，如玻璃或透明的塑料，這樣，不適于微型化，因為其尺寸受衍射的限制以及昂貴的制造和對準費用，而波帶片和其它利用衍射的元件并不受到這些限制。
由波帶片制成的元件隨著其尺寸的減小而變得更簡單和更有效，直至其部件變得小于所涉及的光線的波長為止，此外，波帶片的焦距當尺寸減小時變得非常短，因此相鄰部件之間的距離較短。
與曲面的透鏡表面相反，采用現(xiàn)有的印制和模壓技術可制造元件密度為每英寸幾百個元件的波帶片，用這種方法可形成具有大量波帶片(每一個具有大量波帶)的矩陣或平面陣列，波帶片的直徑和波帶的數(shù)量由幾個因素控制，例如，最小波帶寬度受到波帶片制造中所用儀器可分辨的最小線寬的限制，而波帶片的直徑是所要覆蓋的最大圖象面積和形成圖象的輻射波長的函數(shù)，波帶片直徑和最小波帶寬度的確定決定了波帶的數(shù)量。因此，可根據(jù)所要使用的波長、圖象面積、焦距長度和圖象細節(jié)的寬度來優(yōu)選波帶長片，所以根據(jù)用途的不同，每英寸波帶片的數(shù)量可以在一至三百或更多之間，在這一尺度上，衍射元件的焦距在100和1000微米之間。
壓制波帶片時，如果延遲某些特定相位成分而不是截斷它，則可顯著增強圖象的亮度。通過模壓波帶片，介質(zhì)的厚度可以改變，但光線仍然被允許通過。通過較厚介質(zhì)的波長縮短較長的時間，所以，在光線平常地被截斷的點上，相位被推遲，但允許光線穿過。
通過略微重疊(交疊)鄰近波帶片的外圍波帶可以進一步改進亮度和分辨率，這樣，某些外圍環(huán)共享屏幕上的同一區(qū)域。必須指出頻帶是波的干涉圖形，重疊(交疊)區(qū)域由所記錄的波的干涉圖兇槌，后者具有正的或負的成分，不一定要重疊的一組環(huán)。
現(xiàn)在參見附圖。附圖中，同一特征由同一參考數(shù)字標出。圖1是本發(fā)明最簡單形式的光學成象系統(tǒng)。本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)包括至少兩個衍射元件的平面陣列或屏幕，由基本上透明的介質(zhì)隔開。第一平面陣列，即生成平面12，是對信息編碼和供該系統(tǒng)使用的平面屏幕，第二平面陣列，即圖象平面14，也是平面屏幕，它重現(xiàn)由生成平面12編碼的圖象，第三個假想的平面，即源平面16，是生成平面12和圖象平面14的焦平面。
在該系統(tǒng)中，生成平面12接收由物體18產(chǎn)生的信息，在源平面16上形成物體18的多個圖象，源平面16上形成的眾多圖象隨后以增強的形式再現(xiàn)在圖象平面14上。圖象平面14產(chǎn)生由觀察者20所觀察的合成圖象。
生成平面12由多個如波帶片30所示的光學元件構成，這些元件通過衍射效應把物體18眾多微小但完整的圖象編碼在源平面16上，生成平面12可以是衍射光柵線條、波帶片、或兩者的組合，唯一的要求是生成平面12為圖象平面16形成樣品組。
如圖2和圖3所示，生成平面12也可以是衍射光柵系統(tǒng)的形式，衍射光柵由光柵空間42同等間距的狹縫40組成。這種形式的系統(tǒng)主要用于分離彩色光譜，這是本領域人員所熟知的?，F(xiàn)參見圖3。虛線44表示光射線的通道，光射線通過狹縫40，它使光線以某一角度衍射。
雖然衍射光柵是屬于本發(fā)明范圍以內(nèi)的，但生成平面12最好由平面陣列中的多個波帶片30構成，如圖1，4和5所示，每個波帶片30由一系列交替亮和暗的區(qū)域即同心環(huán)形波帶50和52組成。波帶50和52的寬度通常是由中心向外漸漸減小以提供最好的圖象分辨率。此外，波帶片30的外部區(qū)域可以重迭，這樣增加在生成平面12上的波帶片的大小和密度并減小波帶片間的空間距離54。生成平面12上的每個波帶片30在源平面16上焦點處產(chǎn)生物體18的象。這樣，生成平面12在聚焦平面16上產(chǎn)生多個基本相同，很小，但精確的物體的虛象。
生成平面12可以是幾種衍射型元件的一種，但是圖象平面14必須是如圖4和圖5所示的波帶片陣列。圖象平面14以等于源平面16的取樣頻率從源平面16上的多個重復圖象中選擇取樣，但在離開中心時，頻率稍微增加。如果生成平面12由波帶片組成，波帶片32的中心與生成平面12波帶片30的中心對齊。
申請人并不愿把本發(fā)明僅僅局限在一個實施例的范圍以內(nèi)，下面結合附圖6對本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)10的基本工作過程作一簡單說明。請參見附圖6。圖中示出了一個光學成象系統(tǒng)10的示意圖，光源60照在物體18上以產(chǎn)生光線，圖中光線總體上用64表示，從物體18反射出來的光線通過生成平面12的衍射孔66。生成平面12可以是如圖2和2所示的衍射光柵，此時，衍射孔66可以是衍射狹縫40?；蛘?，生成平面12包括如圖4和5所示的波帶片30。
如果生成平面包括波帶片，光線64在焦點處產(chǎn)生物體18的虛象68，這也是生成平面12的源平面16。源平面16是一想象出的平面，它位于生成平面12和圖象平面14間的基本透明的介質(zhì)上，該介質(zhì)必須是基本透明的以允許適當?shù)墓饩€通過。從以后的說明中可以看出，源平面16可以包括一照相乳膠板以把生成平面編碼的信息記錄到源平面上。
包括波帶片32的平面陣列的圖象平面14是用來將虛象68解碼并把眾多的虛象68轉變成復合圖象70，由觀察者20加以觀察。根據(jù)觀察者20觀察位置的不同，每個波帶片32從源平面16的虛象68中選擇指定的點或象素。例如，在圖6中，觀察者20的眼睛從虛象68的上部選擇一個點72。該點72通過上部波帶片32作為復合圖象70的上部第三部分的一個點記錄下來，如圖中74所示。同樣地，觀察者20從虛象68的中部選擇一點76，通過中部波帶片32作為復合圖象70的中部第三部分78的一個點記錄下來。為了完成整個過程，觀察者從虛象68的下部選擇一個點80;通過低部波帶片32作為一個復合圖象70的低部第三部82的一個點被記錄下來。
圖象平面14把從源平面16上的每一個圖象選擇的若干組的點收集起來，集中成復合圖象，由觀察者20加以觀察。通過這種方法，整個視場都被精確地按位置覆蓋。這樣，觀察者所觀察到的是由源平面16上圖象陣列選擇的點集中起來所構成的復合圖象。
由于圖象平面14上的每個波帶片32組成一個獨立的微型光學系統(tǒng)，它從源平面16上選擇圖象上的指定點，所以理想的圖象平面每一英寸中將具有盡可能多的波帶片以提高圖象質(zhì)量。每一英寸中波帶片的數(shù)量可以從幾個到300個，視對系統(tǒng)的要求而定。
可以理解，圖6中所示的實施例只是為了說明的目的而介紹的簡化的光學成象系統(tǒng)，實際上，生成平面和圖象平面中的開孔的數(shù)目是以千計的。
上述的陣列可以通過光照相和光刻技術來實現(xiàn)，例如可用步進重復工藝或其它手段加以實現(xiàn)，這樣，一個母波帶片的眾多的縮小的圖象可以形成在金屬涂層載盤上的光致抗蝕劑層上，然后通過蝕刻，剝除，或模板技術等等實現(xiàn)。波帶片陣列同樣也可用計算機技術來實現(xiàn)。
本發(fā)明的下面的敘述只不過是為了說明的目的，它并不能覆蓋本發(fā)明的全部可能用途和情況。
放大鏡通過仔細設計生成和圖象屏幕的幾何光學關系，在屏幕一側所觀察的物體可以通過圖象屏按下述方式取樣，即能夠從另一側看到放大的圖象，現(xiàn)參見附圖7。該圖說明了本技術的簡化的例子。圖7揭示的放大器90和由生成平面92和圖象平面94構成。在此簡化的形式中，生成平面92和圖象平面94中各由三個元件即波帶片構成，它們分別由96，98，100，102，104和106表示。事實上，生成平面和圖象平面包括多個波帶片，其數(shù)目可以以千計。元件96，98和100每個在源平面110處分別產(chǎn)生物體108的虛的倒象97，99和101，源平面110是每個元件96的焦點。為了說明的目的，物體108用三個部分112，114和116來表示。圖象平面的元件102，104和106與元件96，98和100一樣具有對準的中心，但各元件102，104和106的焦距較短，并且從虛象97，99和101到圖象平面94的距離作相應設定，通過參照圖6所作的對過程的說明，觀察者118掃描圖象平面94，觀察所有的波帶片。每個波帶片編碼一個點，如120，122和124所示，它代表虛象97，99和101的一個部分。在圖7所示的示意圖中，觀察者只能看到各點的不同影子或強度，因為只有三個波帶片，隨著生成平面92和圖象平面94上的波帶片的數(shù)目的增加，觀察者，對圖象平面進行掃描時，通過圖象平面94上的每個波帶片可以看到從每個虛象上所選擇的一組點或象素所組成的物體的復合圖象109。盡管所導致的取樣點間的角度關系對應于物體108的同樣的點，但由于屏幕92，94之間的焦距不同，復合圖象是由每個虛象的一個小的區(qū)域選擇的點所構成的。通過仔細選擇平面92，94的幾何位置，由觀察者118所看到的復合圖象是由一組經(jīng)角度選擇的點所組成，它只能覆蓋被觀察物體的一個很小的區(qū)域，一系列點的復合精確地覆蓋了圖象平面94的整個視場，以產(chǎn)生物體108的放大圖象109，這樣，該系統(tǒng)不但起了放大器的作用，而且能在該系統(tǒng)設計的整個視場中保持全部視差的特點。將幾何位置反過來將導致廣角取景。
用這種方法的實際的裝置至少需要每英寸100個或更多的即2-3百或更多的元件來產(chǎn)生高質(zhì)量圖象。在這樣的密度下，衍射元件的焦距是100到1，000微米范圍。如果生成平面和圖象平面印在一透明材料制成的柔軟片的兩面的話，圖象可以在材料中產(chǎn)生，且圖象放大器可以在連續(xù)的片上制成，就象做鋁箔一樣。
這樣，通過系統(tǒng)的適當構成，可以形成一種薄的透明放大介質(zhì)。該放大可以通過很短的焦距來實現(xiàn)，厚度不到1/4英寸的介質(zhì)可以至少放大20倍。這種發(fā)明對于需要重量輕，便宜并且放大倍數(shù)高的場合是很有用的。本發(fā)明的應用的各種例子包括牙科和醫(yī)用的一次性放大飛濺障板以及電視屏幕放大器等。信息存貯/顯示系統(tǒng)本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)同樣可直接用于信息存貯和檢索系統(tǒng)。參見附圖8。圖中示出了一種信息存貯系統(tǒng)138。為了解釋的方便，示出了三頁信息A、B、C、A、B、C頁可以是寫有信息的紙或有信息的透明片。如圖所示，每頁A、B和C包括三組信息Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。光學成象系統(tǒng)138包括產(chǎn)生生成平面140和源平面142。源平面142是靜源平面，能夠把編碼信息記錄其上。所以，源平面142上有照相乳膠版或其它裝置以記錄信息。生成平面140上則具有波帶片，盡管實際中有幾百甚至幾千個波帶片，但為了說明簡單起見，在圖8中只示出了三個波帶片144，146和148。
信息存貯系統(tǒng)138的目的是記錄不同位的信息，例如在源平面上的A、B、C三頁。舉例來說，具有信息Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的離散位的頁A的圖象經(jīng)光線150，152和154通過波帶片144，146和148被投射，光線是由光源(圖中未示)產(chǎn)生到頁A的左面的。波帶片144，146和148將頁A的圖象聚焦在源平面142的離散位置上，如AⅠ，AⅡ和AⅢ所示。頁A被記錄在源平面142上以后，頁B被以同樣的方式記錄，但頁B的接近角與頁A的不同，這樣記錄的離散點BⅠ，BⅡ，BⅢ的位置不影響AⅠ，AⅡ，AⅢ的位置，頁C和以后的各頁以同樣方式記錄，除了在源平面142上進行光照相記錄信息外，用其它方法記錄信息例如計算記錄步驟和數(shù)字化源平面的方法也是屬于本發(fā)明的范圍以內(nèi)的。
把編在源平面上的信息檢索出來基本上是把圖8所示的步驟倒過來。如果用照相乳膠板來把信息記錄在源平面142上，則乳膠板當然要根據(jù)本領域人熟知的步驟來顯影。生成平面140將變成圖象平面以使觀察者觀察到記錄在源平面142上的圖象。波帶片144，146和148把記錄在源平面142上的信息進行解碼以變成觀察者能夠理解的圖象。參見附圖8，觀察者位于頁A處以看到離散點AⅠ，AⅡ，AⅢ，這些點由圖象生成平面140復合而成復合頁A，為了能看到頁B，觀察者處于如圖8所示頁B的位置上，如此等等。
因此，從每一個角度觀察到的圖象代表數(shù)據(jù)的不同集合或不同的屏幕，不同圖象或信息的頁可以根據(jù)圖象屏幕的不同觀察角度進行觀察。各個觀察角實際上選擇了構成圖象的獨立的一系列點，而與其它觀察角無關，這樣，文字印刷或圖形的許多頁可以置于一頁或一個源平面上。
這些裝置可以做成顯示圖象本身或者通過透明材料片把一圖象迭放在通過它所看的東西上面。這些裝置的用途包括信息檢索系統(tǒng)，可以是直接的或者投影縮微膠片做成適合于計算機數(shù)據(jù)存貯的格式大小，可以計算出，在源平面上的存貯容量能夠達到至少500頁信息，而縮微膠片只能存貯270頁。在源平面上存貯的信息可以通過照相乳膠片，計算機產(chǎn)生頁或其組合或兩者的照相復制品存貯。
三維攝影利用本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)進行三維攝影，基本上是前面描述的信息存貯和檢索系統(tǒng)的擴展。在本實施例中，感光乳膠設在源平面處，該圖象接著被記錄并通過圖象平面作為重新構成的物體的三維圖象由觀察者加以觀察，并且當觀察角改變時具有全視差。三維照相和信息存貯及檢索系統(tǒng)間的差別是，在三維照相中，從物體反射的光線反映了物體細節(jié)各點圖象在物體和生成平面上的各波帶片間的光強度。因此，對于物體上的每個點，存在著對于生成平面上的每一波帶片，記錄在源平面上的獨立的光強度。
參見附圖9，它示出了三維物體162進行三維照相記錄的光學成象系統(tǒng)160的示意圖。該系統(tǒng)160包括一生成平面164和源平面166。在該簡化的例子中，生成平面164包括三個波帶片168，170和172。光源(圖中未畫出)的光線由物體162的各點并在物體的細節(jié)和生成平面164的波帶片間的各角間反射。圖中光線用編號174表示。為了簡單起見，用物體162的A，B，C，D來作說明。這樣，在該例子中，所示的三條光線是由物體162的各個點A-D所反射出的并分別通過三個波帶片168，170和172，波帶片把各點A-D的圖象聚焦到所示的源平面上的離散位置。各點用上述信息存貯和檢索系統(tǒng)相同的方法記錄在源平面166上。對三維攝影概念來說，重要的是記錄在源平面166上的各點反映了通過波帶片的那點的載有圖象的光線的強度。
物體的圖象可以用與上述信息存貯和檢索系統(tǒng)相同的方式的三維形式看到，由于記錄在源平面上的各點的強度不同，通過圖象平面觀察照片的觀察者看到的是物體的復合三維圖象。
該實施例同樣也可以用與照相(網(wǎng)目)銅版相對比的方法來解釋，通過照相(網(wǎng)目)銅板可以使照片印在報紙上，如果在極化照片上放一個放大器，人們可以看到它是由許多小點組成的，人們的視覺器官把這些點看成是圖片。本發(fā)明的系統(tǒng)是根據(jù)點構成圖象的概念而來的，但每個點是由光學系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖象，即由各個波帶片或衍射系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖象。為了實際地生產(chǎn)如此大量的精確的光學元件并使它們配合工作，衍射元件必須設計成置于平行或連續(xù)平面或片狀材料上。由于是平面圖象，基于衍射的光學元件便于小型化并便于印在薄片中。這樣一道工序可以產(chǎn)生以百萬計的元件。結果是，大量平行的微型光學元件層，當觀察時能產(chǎn)生由點構成的動態(tài)圖象。
適用于本發(fā)明的屏幕的例子如下所述5平方英寸具有1.48的折射率的透明薄膜片，其上一面有屏幕，另一方面是照相乳膠。需要記錄26.3度視場以在最小1.5英寸處看到立體圖象。如果該片厚度是6mils，(152微米)，可以算出，圖象中心的間距是71微米，對于0.55微米波長的光，它將導致358點/英寸的密度，每個元件的中心區(qū)域具有15微米的直徑。
在三維攝影的情況下，從物體來的光線通過生成平面處理然后記錄在源平面的照相乳膠上，當膠片曝光時，每個光學元件通過平面上各點輸入方向來分開光線，并在膠卷上存貯各方向上的強度信息，當膠卷被處理(沖洗)，與圖象平面對齊，并進行觀察時，光學元件重現(xiàn)了各點的光的獨立的方向和強度，人的眼睛把所有各點集中起來而看到了原始的圖象，此復合圖象和報紙上由照相(網(wǎng)目)銅版所產(chǎn)生的復合圖片之間的差別在于，當觀察者移位時，由本發(fā)明的系統(tǒng)所產(chǎn)生的照片中，系統(tǒng)的動態(tài)特性會改變點的光強度，所提供的三維圖象不僅是立體的，而是隨觀察者的移動而改變的動態(tài)圖象。在這種方法中，當觀察圖象的角移動時，人們可以走過來走過去，繞著物體進行觀看，就象通過窗戶看外面的物體一樣。
把適當?shù)钠聊恢瞥烧障嗄z卷，可以制成高質(zhì)量的三維膠卷以用于全息攝影技術所不能辦到的場合，例如可用于X射線圖象，大型顯示，以及肖像等，由于一次只用一個，這樣就能兩個都用同一屏幕。但是，如果用不同焦距的屏幕來記錄和觀察，就會得到放大的或者廣角的圖象。
通過適當?shù)目蚣?，可以制成上面有圖象的窗戶。用同樣的方法，可以制成有如草地、水等重復圖案的地板磚，同樣，可以制成有天空和云彩的天花板，以增加房間的寬廣感，而這是其它建筑材料所不能辦到的。
這樣本發(fā)明的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生單色或彩色的種種三維圖象，而不用復雜的激光全息攝影術。
三維X射線圖象可以按在此所述的三維照相技術同樣方法來完成，只要考慮到光譜中這一部分波長特殊性和滲透性就可以。
動畫片本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)可用于動畫片的制作。動畫片可以按照上述信息存貯和檢索的方法加以制作。動畫片系列可以記錄在一張照相紙上，通過改變視角產(chǎn)生動作感覺，例如，可以看見移動的箭頭，表示了前面此路不通等等。應用還可以包括廣告顯示，標幟和活動的高速公路顯示。
測量裝置通過把有關圖象投影到先前已記錄過的源平面上，可以制成把信息重迭在有關圖象上或從它上面抽去信息以測量或進行形狀識別的系統(tǒng)，它可以用于距離，形狀和角度測量技術方面。
通過用該技術可以制成空間濾波器，將阻塞某一空間頻率分量的屏幕插入到源平面中，結果圖象就可以被改變，濾波屏幕包括重復整個表面的所需圖案，圖案與波帶片中心對準并置于源平面上，這種形式的復雜濾波器可以產(chǎn)生一系列產(chǎn)品，通過它們可以精確地進行形狀識別和形狀的增強。
三維360°圖像通過把該光學系統(tǒng)彎曲，本發(fā)明的光學成象系統(tǒng)可用于三維物體的存貯，例如，展覽館希望收藏雕塑、珠寶、硬幣和其它古玩，教育機構希望存貯例如生物、物理、建筑、地質(zhì)等學科方面物品。
可以理解的是，本發(fā)明不僅局限于這里所作的特殊的結構和設置。例如，放大器，觀察器，三維圖象和數(shù)據(jù)錄放系統(tǒng)，以及光處理裝置可以用所述的技術制造，并優(yōu)于其它方法，本技術有可能有許多其它變化，但它們都落在后面的權利要求的闡述的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種用于存儲、處理和重現(xiàn)物體的象的光學成象系統(tǒng)，包括a.一個將關于物體的信息編碼到系統(tǒng)里的圖象的生成平面，該(生成平面包括若干第一衍射元件，它們每一個代表一個分立的光學元件；以及b.一個將由生成平面編碼的信息解碼的圖象平面，它包括形成第一環(huán)形波帶片的平面陣列的若干第二衍射元件；其中生成平面和圖象平面被厚度至少為生成平面和圖象平面的焦距之和的基本上透明的介質(zhì)隔開，其中基本上透明的介質(zhì)在生成平面和圖象平面的焦距處含有一個源平面。
2.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一衍射元件包括一個衍射光柵。
3.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一衍射元件包括第二波帶片的平面陣列，陣列中彼此相鄰的第二波帶片是并列的，它使得生成平面內(nèi)的每一第一波帶片與圖象平面內(nèi)的第波帶片成一一對應關系。
4.按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二波帶片各具有中心，每一個第一波帶片的中心與一個第二波帶片的中心對齊。
5.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，源平面是動態(tài)的，該源平面是一個沿著第一衍射元件的焦距定位的虛平面。
6.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，源平面是靜態(tài)的，該源平面包含預先錄制的信息。
7.按照權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，預先錄下的信息是用照相的方法紀錄的。
8.按照權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，預先錄下的信息是由計算機產(chǎn)生的。
9.按照權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，預先錄下的信息取濾光片的形式。
10.按照權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，預先錄下的信息取照片的形式。
11.按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二波帶片陣列具有相同的光學特性。
12.按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，在第一和第二衍射元件中每一英寸長度內(nèi)至少包括一個波帶片。
13.按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二衍射元件每一英寸長度內(nèi)至少包括一百個波帶片。
14.按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，相鄰的波帶片的外部波帶區(qū)域是交迭的。
15.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，生成平面包括若于光學元件，該光學元件衍射地編碼物體的許多縮小而完整的象于源平面。
16.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，圖象平面的第二衍射元件的焦距與生成平面的第一衍射元件的焦距相等。
17.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，圖象平面的第二衍射元件的焦距短于生成平面的第一衍射元件的焦距，從而形成物體的放大象。
18.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，基本上透明的介質(zhì)包括一個照相乳膠板，以記錄由生成平面編碼到系統(tǒng)里的信息。
19.一種用于存儲、處理和重現(xiàn)物體的象的光學成象系統(tǒng)，包括a.一個用于將關于物體的信息編碼到系統(tǒng)里的生成平面，該生成平面包括處于平面陣列中的若干第一波帶片;b.一個大致上與生成平面平行排列的圖象平面，該圖象平面解碼由生成平面編碼的信息，該圖象平面進一步包括處于一平面陣列中的若干第二波帶片;其中第一和第二波帶片各具有中心，并且每一個第一波帶片的中心與一個第二波帶片的中心對齊，使得在生成平面內(nèi)的第一波帶片與在圖象平面內(nèi)的第二波帶片一一對應;以及c.一種將生成平面和圖象平面隔開的基本上透明的介質(zhì)，其中基本上透明的介質(zhì)的厚度至少為生成平面和圖象平面的焦距之和，該基本上透明的介質(zhì)在生成平面和圖象平面的焦距處含有一個源平面。
20.按照權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，源平面是動態(tài)的，該源平面是一沿著第一衍射元件的焦距定位的虛平面。
21.按照權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，源平面是靜態(tài)的，該源平面包括預先錄制的信息。
22.按照權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，預先錄下的信息取照片的形式。
23.按照權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，第二波帶片的焦距基本上與第一波帶片的焦距相等。
24.按照權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，第二波帶片的焦距短于第一波帶片的焦距，結果形成的是物體的放大的象。
25.一種觀察物體所成的象的方法，包括a.提供一個光學成象系統(tǒng)，它包括1)一個用于將關于物體的信息編碼到系統(tǒng)里的生成平面;該生成平面具有一焦距，并且包含若干第一衍射元件，每一衍射元件代表一分立的光學元件;2)一個用于將由生成平面編碼的信息解碼的、與生成平面大致平行的圖象平面，該圖象平面具有一焦距，并且包含形成波帶片的平面陣列的若干第二衍射元件;以及3)一種隔開生成平面和圖象平面的、基本上透明的介質(zhì)，該基本上透明的介質(zhì)的厚度至少為生成平面和圖象平面的焦距之和，其中該基本上透明的介質(zhì)在生成平面和圖象平面的焦距處形成一個源平面。b.將來自光源的光線照射在物體上，光線由物體反射并通過生成平面的許多個第一衍射元件，第一衍射元件中的每一個在源平面上產(chǎn)生物體的一個虛象，圖象平面上每一個波帶片代表選自虛象的被選部分的一個點，以及c.將選擇的若干點群集合成一合成的象。
26.按照權利要求25所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包括一衍射光柵。
27.按照權利要求25所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包括第二波帶片的一個平面陣列，陣列中相鄰的各個第二波帶片是并列的。
28.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二波帶片各具有中心，每一個第一波帶片的中心與一個第二波帶片的中心對齊，使得在生成平面內(nèi)的第一波帶片與在圖象平面內(nèi)的第二波帶片一一對應。
29.按照權利要求25所述的方法，其特征在于，源平面是一個沿著第一衍射元件的焦距定位的虛平面。
30.按照權利要求25所述的方法，其特征在于，源平面是靜態(tài)的，該源平面包括預先錄制的信息。
31.按照權利要求30所述的方法，其特征在于，預先錄下的信息取照片的形式。
32.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二波帶片的平面陣列具有相同的光學特性。
33.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，第一和第二衍射元件每英寸長度內(nèi)至少包括一個波帶片。
34.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，生成平面包括若干光學元件，該光學元件衍射地編碼物體的許多縮小而完整的象于生成平面的焦距處。
35.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，圖象平面的第二衍射元件的焦距與生成平面的第一衍射元件的焦距相等。
36.按照權利要求27所述的方法，其特征在于，圖象平面的第二衍射元件的焦距短于生成平面的第一衍射元件的焦距，結果形成的是物體的放大的象。
37.一個用于放大物體的象的象放大器，包括a.一個用于將物體的多個象編碼到系統(tǒng)里的生成平面，該生成平面包括許多個并列的第一波帶片，每一個第一波帶片代表一個分立的光學元件。b.一個與生成平面大致上平行排列的、用于解碼物體的多個象并把物體的多個象合成為一個放大的復合象的圖象平面，該圖象平面包括多個并列的第二波帶片的一個平面陣列，每一個第二波帶片代表一個分立的光學元件，其中生成平面中的第一波帶片與圖象平面中的第二波帶片一一對應;以及c.一種隔開生成平面和圖象平面的、基本上透明的介質(zhì)，該基本上透明的介質(zhì)包含大致上與生成平面和圖象平面平行排列的源平面;從生成平面到源平面的間距與生成平面的焦距相同，而從圖象平面到源平面的間距與圖象平面的焦距相同;以及圖象平面的焦距短于生成平面的焦距。
38.按照權利要求37所述的象放大器，其特征在于，第一和第二波帶片各具有中心，每一個第一波帶片的中心至少與一個第二波帶片的中心對齊。
39.按照權利要求37所述的象放大器，其特征在于，源平面還包括預先錄于其上的信息。
40.按照權利要求39所述的象放大器，其特征在于，預先錄下的信息是由照相方法記錄的。
41.按照權利要求37所述的象放大器，其特征在于，在生成平面和圖象平面內(nèi)每英寸長度中至少包括一個波帶片。
42.按照權利要求37所述的象放大器，其特征在于，在生成平面和圖象平面內(nèi)每英寸長度中至少包括一百個波帶片。
43.一種用于存儲和檢索離散的信息的方法，包括a.提供一個光學成象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括1)一個用于將信息編碼到系統(tǒng)里的生成平面，該生成平面包括多個第一衍射元件，它們中每一個代表一個分立的光學元件;2)一個用于將由生成平面編碼的信息解碼的圖象平面，該圖象平面包含形成波帶片的平面陣列的多個第二衍射元件;以及3)一個位于生成平面焦距處的源平面，其中該源平面包括記錄由生成平面編碼的信息的裝置;b.通過第一衍射元件在第一個角度聚焦第一信息源的象到源平面的離散位置上，由此每一個第一衍射元件從第一信息源分離出一點群，將每一不同的點群記錄在源平面的一離散的位置上;c.通過圖象平面檢索記錄在源平面上的信息，其中圖象平面的每一個波帶片選擇記錄在源平面上的一個不同的點群;以及d.當沿一個與第一個角度相同的角度觀察時，不同的點群集合成一個可以觀察到的復合象。
44.按照權利要求43所述的方法，其特征在于，生成平面是與圖象平面相同的。
45.按照權利要求43所述的方法，其特征在于，多個信息源被記錄在源平面上，信息源中的每一個以分開不同的角度聚焦到源平面的離散的位置上。
46.按照權利要求43所述的方法，其特征在于第一衍射元件包含第二波帶片的一個平面陣列，其中相鄰的各個第二波帶片是并列的。
47.按照權利要求46所述的方法，其特征在于，第一和第二波帶片各具有中心，每一個第一波帶片的中心與至少一個第二波帶片的中心對齊。
48.按照權利要求43所述的方法，其特征在于，記錄信息的裝置是一照相乳膠板。
49.一種用于得到三維照相的方法，包括a.提供一個光學成象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括1)一個用于將信息編碼到系統(tǒng)里的生成平面，該生成平面包含多個第一衍射元件，它們中每一個代表一個分立的光學元件;2)一個用于將由生成平面編碼的信息解碼的圖象平面，該圖象平面包含形成波帶片的平面陣列的第二衍射元件;以及3)一個位于生成平面的焦距處的源平面，其中源平面包含用于記錄由生成平面編碼的信息的裝置;b.通過第一衍射元件將包含多個細節(jié)點的三維物體的象聚焦到源平面上離散的位置上，由此每一細節(jié)點通過生成平面上的每一個第一衍射元件被投影，致使每一個細節(jié)點的象的光強度被記錄在源平面上離散的位置上;c)通過圖象平面觀察記錄在源平面上的細節(jié)點，其中圖象平面的第一個波帶片選擇一不同的細節(jié)點，根據(jù)觀察圖象平面的角度選擇不同的細節(jié)點;以及d.將不同的細節(jié)點合成為一個復合象，看到的這個象是物體的復合的三維圖象。
50.按照權利要求49所述的方法，其特征在于，第一衍射元件包含第二波帶片的平面陣列，其中相鄰的各個第二波帶片是并列的。
51.按照權利要求50所述的方法，其特征在于，第一和第二波帶片各具有中心，每一個第一波帶片的中心與至少一個第二波帶片的中心對齊。
52.按照權利要求49所述的方法，其特征在于，生成平面與圖象平面是相同的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個包括大量并列光學單元的平行平面的光學成象系統(tǒng)，其中每一個光學單元僅處理所述得到的圖象的一個小的組成部分。所得到的圖象一般是由幾十萬個組成點組成的合成的象，每一個組成點分別由一分立的串行光學處理流所產(chǎn)生。
文檔編號G02B27/44GK1036640SQ8910031
公開日1989年10月25日 申請日期1989年1月15日 優(yōu)先權日1988年1月15日
發(fā)明者伊瓦爾斯·J·維盧姆斯 申請人:洛津玻璃技術公司