CN104570382B - 使用积分移位光学的图像超分辨率的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为使用积分移位光学的图像超分辨率的设备和方法。本发明的图像捕获装置包括一种电光器件布置，其中具有偏振器、偏振敏感光学元件和偏振调制元件的布置。提供第一和第二偏振敏感光学元件，具有相对于与电光器件布置的光轴垂直的平面而位移的边缘。耦合到电光器件布置的控制***控制电压对偏振调制元件的施加，以控制输入到偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，使得改变偏振敏感光学元件的光程长度，以提供在不同焦平面的每个的对象图像的捕获。第一和第二偏振敏感光学元件响应对其输入的光的偏振旋转而生成在不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位。

Description

使用积分移位光学的图像超分辨率的设备和方法
政府许可权利
本发明在合同号W911NF-11-C-0256下以美国政府支持进行。美国政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
一般来说，本发明的实施例涉及用于捕获能够在超分辨率图像处理中使用的图像的***和方法，以及更具体来说，涉及用于提供子像素图像移位以用于捕获高分辨率图像供超分辨率图像处理的***和方法。它结合快速电光元件来旋转经过一个或多个倾斜双折射光学元件的光的输入偏振轴，以便提供多个图像移位位置。多个图像移位位置提供超分辨图像和一系列聚焦图像供3D重构。
背景技术
超分辨率是增强成像***的分辨率的一类技术。在一些超分辨率技术——称作光学超分辨率——中，超越***的衍射极限，而在其它技术——几何超分辨率——中，增强数字成像传感器的分辨率。超分辨率技术的使用在许多应用中会是合乎需要的，包括例如为了生物测量识别的目的、例如在获取指纹和/或掌纹的非接触式图像的***中，因为认识到在所获取图像中要求图像分辨率的阈值级别以提供第IV级生物测定数据性能级别——例如每英寸1000个像素(PPI)或以上。
为了实现这种高图像分辨率级别，数字光学成像***必须具有高透镜分辨率和高像素分辨率。像素分辨率因成本和速度限制而常常是限制因素。在一些情况下，高像素分辨率传感器是可用的，但是在速度方面受到限制，并且会是成本相当高的。在其它情况下，充分像素分辨率使用当前数字图像传感器是不可能的。
一种常用超分辨率技术是由Kim等人(S. P. Kim、N. K. Bose、和H. M.Valenzuela，“Recursive reconstruction of high resolution image from noisyunder sampled multiframes”(IEEE Transactions Acoustics, Speech, and SignalProcessing，20(6):1013-1027，1990年6月))所述的空间频域方法，其中经过采用子像素图像移位的若干图像的空间频率分析，能够生成具有比单独图像要高的分辨率的改进图像。用来提供增加分辨率的子像素图像移位通过对象或图像传感器的移位来实现。
但是，人们认识到，某些限制是用于实现子像素图像移位的现有方法、例如Kim等人所述的方法固有的。例如，对于通过移位对象来实现子像素图像移位，我们认识到，在许多情况下，被成像对象不能移动或者是静止的。另外，对于通过移位图像传感器、例如通过提供透镜的小偏心或者通过使用小光楔来实现子像素图像移位，认识到利用图像传感器移位的拍摄装置因移位传感器中涉及的机械运动而在速度上受到限制。
因此，期望设计获取对象图像的***和方法，其解决数字图像传感器的不充分像素分辨率的问题。还期望这种***和方法为图像移位(即，子像素图像移位)提供比当前可用于捕获图像供超分辨率图像处理更快、更可重复并且更健壮的硬件，而无需对象或传感器的运动。
发明内容
本发明的实施例针对用于提供子像素图像移位以用于捕获高分辨率图像供超分辨率图像处理的***和方法。快速电光元件用来旋转经过一个或多个倾斜双折射光学元件的光的输入偏振轴，以便提供多个图像移位位置。多个图像移位位置提供超分辨图像和一系列聚焦图像供3D重构。
按照本发明的一个方面，配置成捕获对象的图像的图像捕获装置包括成像拍摄装置透镜***以及定位在对象与成像拍摄装置之间的电光器件布置，其中电光器件布置还包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获；以及多个偏振调制元件，配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，其中多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件具有相对于与电光器件布置的光轴垂直的平面而位移的边缘。图像捕获装置还包括控制***，其耦合到电光器件布置，并且配置成控制向多个偏振调制元件的每个施加电压，以控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，使得改变多个偏振敏感光学元件的光程长度以提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获。第一和第二偏振敏感光学元件响应对其输入的光的偏振旋转而生成在多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位。
按照本发明的另一方面，一种用于经由图像捕获装置来捕获对象的图像的方法包括提供一种具有图像形成光学透镜和电光透镜段的图像捕获装置，其中电光透镜段还包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；双折射窗，根据穿过其的光的输入偏振而呈现不同的折射率，其中双折射窗的至少一个具有相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而位移的边缘；以及液晶偏振旋转器，配置成有选择地旋转提供给双折射窗的光的输入偏振的轴。该方法还包括通过图像捕获装置在多个固定焦点位置的每个来捕获对象的至少一部分的图像，其中在多个固定焦点位置来捕获对象图像包括有选择地将电压施加到电光透镜段中的液晶偏振旋转器以旋转提供给双折射窗的光的输入偏振的轴，并且响应施加到液晶偏振旋转器的电压而在多个固定焦点位置的每个来捕获对象的至少一部分的图像，其中图像基于双折射窗的不同折射率而在多个固定焦点位置的每个来捕获。响应提供给至少一个双折射窗口的光的输入极化偏振的轴旋转，在相应固定焦点位置所获取的各对象图像与在相邻固定焦点位置所获取的对象图像相比具有子像素横向图像移位，其中双折射窗具有相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而位移的边缘。
按照本发明的又一方面，提供一种供配置成在多个不同焦平面来捕获图像的对象的图像捕获装置中使用的电光透镜段。电光透镜段包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；以及多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获，其中多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而倾斜，并且在平面中倾斜成相对于彼此围绕光轴旋转90度。电光透镜段还包括多个偏振调制元件，其配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，以便实现在多个不同焦平面的对象图像的捕获。倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件响应产生于施加到多个偏振调制元件的电压、输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转的变化而生成在多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位，使得在生成横向图像移位中不需要电光透镜段的机械运动。
按照本公开的第一方面，提供一种图像捕获装置，配置成捕获对象的图像，所述图像捕获装置包括：
成像拍摄装置透镜***；
电光器件布置，定位在所述对象与所述成像拍摄装置之间，所述电光器件布置包括：
一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；
多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的所述对象的捕获；以及
多个偏振调制元件，配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转；
其中所述多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件具有相对于与所述电光器件布置的光轴垂直的平面而位移的边缘；以及
控制***，耦合到所述电光器件布置，并且配置成控制电压向所述多个偏振调制元件的每个的所述施加，以控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的所述光的所述偏振旋转，使得改变所述多个偏振敏感光学元件的所述光程长度以提供在所述多个不同焦平面的每个的所述对象图像的捕获；
其中所述第一和第二偏振敏感光学元件响应对其输入的所述光的所述偏振旋转而生成在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件的每个从与所述光轴垂直的所述平面机械地倾斜，使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面位移。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件的每个包括构造成使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移的楔元件。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面位移，使得所述第一偏振敏感光学元件的所述边缘和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘在平面中定向成相对于彼此围绕所述光轴旋转90度。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面位移，使得所述第一偏振敏感光学元件的所述边缘和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘在平面中相对于彼此成90度之外的角度，以便响应对其输入的所述光的所述偏振旋转而赋予在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的非正交横向图像移位。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述横向图像移位包括在多个不同焦距所捕获的相应对象图像之间的子像素移位。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件在包括4个子像素图像移位位置的多个不同焦距来提供正方形移位图案。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，各对象图像具有与相邻焦平面处的对象图像的焦深重叠的焦深，使得捕获冗余深度数据。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述控制***配置成：
将所述对象图像输入超分辨率算法中，使得将所述对象图像的所述冗余深度数据和横向图像移位提供给所述超分辨率算法；以及
从所述超分辨率算法来生成合成图像，使得所述合成图像的空间分辨率从获取所述对象图像的第一图像分辨率级别增加到第二更高图像分辨率级别。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，各对象图像在焦距上与其它对象图像分隔设置焦点步长，并且各对象图像的所述焦深近似等于所述焦点步长的大小。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述控制***配置成将去卷积应用于所述所获取对象图像，以校正离焦光。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述偏振调制元件包括法拉第旋转器、光电晶体、波板和液晶面板(LCP)中的至少一个，并且所述偏振敏感光学元件包括双折射窗和双折射透镜中的至少一个。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述图像捕获装置配置成在包括4个不同焦平面、8个不同焦平面或者16个不同焦平面的1至32个不同焦平面来捕获对象图像。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述图像捕获装置还包括由所述控制***所控制的电压源，以将电压施加到所述多个偏振调制元件，以改变其取向状态，以便控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的所述偏振旋转以改变其光程长度。
按照本公开的第二方面，提供一种用于经由图像捕获装置来获取对象的图像的方法，所述方法包括：
提供包括图像形成光学透镜和电光透镜段的图像捕获装置，所述电光透镜段还包括：
一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；
双折射窗，根据穿过其的光的所述输入偏振而呈现不同的折射率，其中所述双折射窗的至少一个相对于与所述电光透镜段的光轴垂直的平面而位移的边缘；以及
液晶偏振旋转器，配置成有选择地旋转提供给所述双折射窗的光的所述输入偏振的轴；以及
通过所述图像捕获装置在多个固定焦点位置的每个来捕获所述对象的至少一部分的图像，其中在所述多个固定焦点位置来捕获所述对象图像包括：
有选择地将电压施加到所述电光透镜段中的所述液晶偏振旋转器，以旋转提供给所述双折射窗的光的所述输入偏振的所述轴；以及
响应施加到所述液晶偏振旋转器的所述电压而在所述多个固定焦点位置的每个来捕获所述对象的至少一部分的图像，其中图像基于所述双折射窗的不同折射率在所述多个固定焦点位置的每个来捕获；
其中响应提供给所述至少一个双折射窗的光的所述输入偏振的所述轴旋转，在相应固定焦点位置所获取的各对象图像与在相邻固定焦点位置所获取的对象图像相比具有子像素横向图像移位，其中所述双折射窗具有相对于与所述电光透镜段的所述光轴垂直的所述平面而位移的所述边缘。
按照第二方面的方法，其中，所述至少一个双折射窗包括第一双折射窗和第二双折射窗，其中所述第一和第二倾斜双折射窗在包括4个子像素图像移位位置的所述固定焦点位置来提供子像素横向图像移位的正方形移位图案。
按照第二方面的方法，还包括：
配齐在所述多个固定焦点位置所捕获的所述图像，以创建所述图像之间的像素对应性；
使用来自焦点的深度和来自散焦算法的深度其中之一来确定手的至少一部分的3D形状；
将所述配齐图像和所述3D形状输入超分辨率算法中；以及
从所述超分辨率算法来生成所述合成图像，其中所述合成图像具有从捕获所述对象图像的第一图像分辨率级别增加的第二空间分辨率级别。
按照第二方面的方法，其中，在所述多个固定焦点位置来捕获对象图像包括在1与32个之间的不同固定焦点位置来捕获对象图像。
按照第二方面的方法，其中，所述至少一个双折射窗从与所述光轴垂直的所述平面机械地倾斜，使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面位移。
按照第一方面的图像捕获装置，其中，所述至少一个双折射窗包括构造成使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面位移的楔元件。
按照本公开的第三方面，提供一种电光透镜段，供配置成在多个不同焦平面来捕获图像的对象的图像捕获装置中使用，所述电光透镜段包括：
一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；
多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的所述对象图像的捕获，所述多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件相对于与所述电光透镜段的光轴垂直的平面而倾斜，并且在平面中倾斜成相对于彼此围绕所述光轴旋转90度；以及
多个偏振调制元件，其配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，以便实现在多个不同焦平面的对象图像的捕获；
其中所述倾斜第一和第二偏振敏感光学元件响应产生于施加到所述多个偏振调制元件的所述电压、输入到所述多个偏振敏感光学元件的所述光的所述偏振旋转的变化而生成在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位，使得在生成所述横向图像移位中不需要所述电光透镜段的机械运动。
按照第三方面的电光透镜段，其中，所述倾斜第一和第二偏振敏感光学元件在包括4个子像素图像移位位置的所述多个不同焦距来提供正方形移位图案。
通过以下详细描述和附图，使各种其它特征和优点将会显而易见。
附图说明
附图示出当前考虑用于执行本发明的优选实施例。
附图包括：
图1是按照本发明的一实施例的图像捕获装置的示意框图。
图2是按照本发明的一实施例、与图1的图像捕获装置配合使用的多级电光器件布置。
图3A是按照本发明的一实施例、图2的多级电光器件布置的一部分的视图，示出其中的元件的倾斜取向。
图3B是按照本发明的一实施例、图2的多级电光器件布置的一部分的视图，示出其中的元件的光楔构造。
图4是示出使用图2的电光器件布置所实现的一对依次获取焦平面上的单独横向图像位置的简图。
图5是按照本发明的一实施例、结合图1的图像捕获装置的非接触式手印捕获装置的透视图。
具体实施方式
本发明的实施例针对用于提供子像素图像移位以用于捕获超分辨率图像的图像的***和方法。用于捕获这类图像的图像捕获装置包括电光透镜段，其配置成提供图像移位。基于电光器件的控制，能够执行图像移位，以便形成在不同位置——这取决于光的偏振——的图像。
参照图1，示出图像捕获装置10的示意框图，其能够结合本发明的实施例。图像捕获装置10包括光源12、成像拍摄装置图像形成光学透镜***14以及电光器件布置或透镜段16，其共同起作用以收集或捕获预期对象的多个图像——例如在离手的不同有效焦距所拍摄的感兴趣的人的多个手印图像，如以下针对本发明的一示范实施例详细描述。对于光源12，要知道，光源是无需包含在图像捕获装置10中的可选组件；但是，光源12有益地增强图像捕获装置10还进行3D重构的能力。提供电压源18，其有选择地向电光器件16的单独组件提供电力，以及提供控制***或处理器20，以控制图像捕获装置10的控制操作。处理器20控制光源12、拍摄装置透镜***14、电光器件16和电压源18的操作以捕获多个图像，并且还执行所捕获图像的后续图像处理，以便提供例如高分辨率合成图像。
按照本发明的一实施例，光源12作为选通发光二极管(LED)光源来提供，其提供碻功率光束，并且能够快速并且动态地被控制以发射光的突发/脉冲。拍摄装置透镜***14采取现货供应拍摄装置的形式，例如能够提供例如手图像的每英寸600像素(PPI)图像分辨率的16兆像素拍摄装置。但是，设想具有比600 PPI更高或更低分辨率的拍摄装置也可用于图像捕获装置10中，其中基于实际考虑因素预期拍摄装置具有500 PPI或以上。拍摄装置透镜***14配置成获取具有需要浅景深(DOF)的高分辨率焦点的图像。电光器件16提供由拍摄装置透镜***14所获取的图像的每个之间的焦点移位，其中电光器件配置成提供具有焦距(范围)的移位的总共32个焦点移位，其提供冗余图像信息。电光器件16还提供图像之间的子像素横向图像移位，如下面将更详细说明。经由焦距的移位和横向图像移位所得到的冗余图像信息将使用超分辨率方法来处理，以提供具有与拍摄装置透镜***14的本机分辨率相比增加的分辨率的最终图像。按照一个实施例，最终图像分辨率高达拍摄装置透镜***14的本机分辨率的大约两倍，例如1000 PPI的最终图像分辨率。
仍然参照图1，图像捕获装置10还包括固定目标生成器22，其配置成生成被成像对象上的参考目标点。按照一个实施例，目标生成器22采取激光生成器形式，其配置成将激光束点或其它投影目标定向到对象24、例如受检者的手上，如图1所示。由于激光生成器22的方向和位置相对于拍摄装置透镜***14是固定的，所以由拍摄装置透镜***14所获取的图像能够校正在图像捕获期间可能发生的、对象24相对于拍摄装置透镜***14的任何移位。因此，固定目标生成器22与望远镜成像中使用的星形参考相似，因为生成器22将固定目标添加到所获取图像，以用作将连接受检者和拍摄装置的参考。因此，包含目标生成器22使图像捕获装置10对小运动是健壮的。按照一个实施例，图像捕获装置10还包括接近感测***26，其配置成感测对象24相对于图像捕获装置10的位置，以及按照一个实施例，当对象处于正确位置以允许图像捕获时，自动触发数据收集。
现在参照图2，示出按照本发明的一示范实施例的图像捕获装置10(图1)的电光器件16，其中电光器件16包括一个或多个偏振器28、多具偏振敏感光学元件30以及多个偏振调制元件32。偏振器28可包含在电光器件16中，以便定向来自偏振调制元件32和偏振敏感光学元件30的光的偏振。在某些实施例中，可应用偏振以测量镜面和扩散反射，具体来说，其中偏振光聚焦在蓝波长和红波长上。偏振调制元件32可采取例如法拉第旋转器、光电晶体、波板或液晶面板(LCP)的形式。偏振敏感光学元件30是其光程长度取决于光的偏振的取向的元件，例如双折射窗或者双折射透镜，以便实现在不同焦距的多个图像的捕获。偏振敏感光学元件30可包括诸如石英、铌酸锂、方解石、正钒酸钇或者另一种适当的类似材料之类的透明材料，并且采用与图像捕获装置10的光轴36垂直的快轴34来切割。当入射光沿快轴34来偏振时，光程等于no的L倍，而当入射光垂直于快轴34时，光程等于ne的L倍。术语“L”表示光学元件30的厚度，以及术语no和ne分别表示与各向异性的轴垂直(普通)和平行(特别)的偏振的折射率。在结晶石英的情况下，两个取向之间的指数移位大约为0.018 RIU(折射率单位)，使得一厘米厚的窗能够提供0.18毫米的路径长度的变化。方解石对于1厘米厚窗的1.6毫米的图像移位具有大约0.16 RIU的指数移位。相比之下，铌酸锂具有接近0.2 RIU的指数移位，从而与方解石的1.6毫米相比产生1.9毫米的潜在移位。
如图2所示，电光器件16配置为多级移位设备。按照图2的实施例，电光器件16包括多个偏振调制元件32(以下一般称作LCP旋转器)以及偏振敏感光学元件30(以下一般称作双折射元件)，其提供标识为38的总共32个焦平面，其中具有平面之间的冗余度，以便允许对象的大量图像被获取(即，过取样)，但是要知道，其它偏振调制元件32和偏振敏感光学元件30可用来代替LCP和双折射元件。在操作中，来自电压源18的所提供电子信号(即，电压)用来控制LCP旋转器32所引起的偏振旋转。一个或多个不同的电压施加到LCP旋转器32，以便引起其取向状态的变化(即，使偏振旋转发生变化)。随后，这使从对象所反射的光看到双折射元件30中的不同折射率路径(即，旋转光的线性偏振)，从而产生不同的光程长度。按照一个实施例，提供电子信号，使得每个LCP 32能够按照毫秒时标来切换光的偏振。当光的偏振旋转90度时，光看到双折射元件30中的不同折射率，双折射元件30然后将图像捕获装置10聚焦到不同的有效焦距/平面38(图1)。光程长度的任何变化引起拍摄装置透镜***14所获取的图像上的聚焦/散焦的变化，与对象24和拍摄装置透镜***14之间的距离的物理变化相似。
要知道，每个所添加LCP旋转器32和双折射元件30使能够由图像捕获装置10产生的固定焦点位置/平面38的数量加倍。因此，对于具有包括3个LCP旋转器32的电光器件16的图像捕获装置10，提供8个独立焦平面38，而对于具有包括4个LCP旋转器32的电光器件16的图像捕获装置10，提供16个独立焦平面38。使用焦平面38之间的2.5毫米的焦点步长40，8个图像提供20厘米范围体积，以及16个图像提供40毫米的范围(对于1.5英寸的捕获范围)。
电光器件16的各种配置可包含在图像捕获装置10中，但是，配置的每个包括LCP旋转器32、双折射光学元件30和偏振器28，其定位在拍摄装置透镜***14与对象24之间，以改变图像捕获装置10的光程长度。要知道，添加到电光器件16的LCP旋转器32、偏振器28和双折射元件30的各附加级降低从对象24所反射并且由拍摄装置透镜***14所接收的光的强度。也就是说，由于偏振器28的光吸收以及来自LCP旋转器28和双折射元件30的反射和散射损失，对LCP旋转器32、偏振器28和双折射元件30的每级存在大约30%的潜在光损失。但是，光损失通过较高功率光、例如设置在图像捕获装置10中的选通LED光源12(图1)来减轻。还要知道，图像捕获装置10可包括如上所述LCP旋转器32、偏振器28和双折射元件30之外的附加组件。例如，还设想诸如附加透镜、反射镜、滤光器、光圈、照明装置和电子组件之类的组件包含在图像捕获装置10中。
除了具有焦距(即，深度/范围)的移位的所捕获对象图像之外，与捕获的每个其它相邻对象图像相比，捕获的对象图像的每个还包括小的横向移位。能够故意使冗余对象图像数据具有由LCP旋转器32所引入的这些小的已知横向移位，使得生成各具有略微不同横向移位的一系列图像。大小比像素要小的小移位称作“子像素图像移位”，并且用来生成所捕获对象图像的超分辨率增强中使用所需的必要图像。按照本发明的实施例，通过相对于法线定向双折射光学元件30的一个或多个——即双折射光学元件30的边缘相对于/从与电光器件16/成像装置10的光轴36垂直的平面位移——来实现焦平面之间的子像素横向图像移位。双折射光学元件30的边缘的这种位移能够经由机械倾斜光学元件或者将光学元件构造为光楔来实现。在位移/倾斜双折射光学元件30的两个的一实施例中，两个元件理想地将在平面中位移/倾斜成相对于彼此围绕光轴36旋转90度(但是要知道，90度之外的角度能够起作用，只要那些角度不是接近或等于零)。图3A和图3B更清楚地示出各具有从与光轴36垂直的平面(示为44)位移某个小量(示为42)的边缘41的双折射光学元件30的一个或多个。按照本发明的实施例，双折射元件30的边缘41能够相对于法向面44位移1-10微米、10-50微米或50-100微米或者甚至高达1 mm位移，使得经过双折射元件30的光将根据光的偏振而在不同横向位置形成图像。在图3A所示的实施例中，双折射光学元件30是“标准”形状元件(即，具有90度角的矩形元件)，其相对于/从法线44机械地倾斜某个小量，以便提供其边缘41相对于法线44的位移。在图3B所示的实施例中，双折射光学元件30是楔元件，其构造成使得其边缘41相对于法线44位移，而不需要任何机械倾斜。楔元件具有一般平行四边形形状，其提供边缘41从法线44的位移。
在通过相对于法线定向/倾斜双折射光学元件30的一个或多个来生成焦平面之间的子像素横向图像移位中，要知道，双折射元件30和LCP旋转器32的各组合提供两个图像位置。因此，如果提供在平面中倾斜成相对于第一倾斜双折射元件围绕光轴旋转90度的第二LCP旋转器32和双折射元件30，则能够取得4个图像移位位置。还可添加第二偏振器28，以解决(一个或多个)LCP旋转器32所提供的不完善旋转，其中附加偏振器28提供移位图像状态之间的较高区别。按照本发明的一实施例，图4中示出在不同焦平面/距离形成横向移位的正方形的4个角的示范移位模式(其包括四个子像素图像移位位置46、48、50、52)。图4中，4个单独横向图像位置46、48、50、52出现在一组4个依次获取的焦平面38上。当获取8或16个焦平面处的图像时，4个单独横向图像位置46、48、50、52在另一组4个依次获取焦平面38(即，多组4个焦平面)中重复进行。但是，要知道，能够获取1至32个不同焦平面的范围中的任何数量的焦平面。
在操作中，电光器件16能够通过激活LCP旋转器32在位置之间快速切换，以便实现在不同焦平面以及在不同横向位置的对象图像的快速获取。也就是说，(由电压源18)施加到LCP旋转器32的电压能够以高频率来切换/改变，以便实现在不同焦平面以及在不同横向位置的对象图像的快速获取。在一示范实施例中，施加到LCP旋转器32的电压能够以1至200Hz的频率来切换/改变。这种切换速度就生成子像素横向图像移位而论通常不是可实现的，因为这类横向移位通常经由对象或图像传感器的移位来实现——其均不能够以这类高速度来执行。也就是说，例如，使用图像传感器移位的拍摄装置因机械运动而在速度上受到限制。相反，电光透镜16在无需对象或传感器的运动的情况下实现子像素横向图像移位，因为(一个或多个)双折射元件30的倾斜响应施加到LCP旋转器32的切换/改变电压而生成这类横向移位。
对于对象图像中存在的冗余深度数据和横向图像移位(即，子像素移位)，这类数据能够输入超分辨率算法中、例如控制***/处理器20(图1)上存储的算法，以便生成具有原始获取对象图像的有效图像分辨率的大致两倍的合成图像。也就是说，通过将在不同焦距的多个对象图像——包括冗余深度数据和横向图像移位——输入超分辨率算法中，使得生成包括超分辨率细节的合成图像，由拍摄装置透镜***14(图1和图2)所捕获的对象图像的分辨率能够在合成对象图像中增加大致两倍。
按照一示范实施例，与图像捕获装置10中的拍摄装置透镜***14直接提供的分辨率相比，超分辨率处理算法的应用以及它对图像捕获装置10的电光器件16现成提供的过取样和冗余数据捕获的使用产生具有增加空间图像分辨率的合成图像。按照一个实施例，通过实现超分辨率处理算法所提供的图像分辨率能够高达拍摄装置透镜***14的本机分辨率的大致两倍。因此，例如，与图像捕获装置10中的拍摄装置14所提供的每英寸500-600像素(PPI)的较低本机空间图像分辨率相比，合成图像的图像分辨率可以是1000 PPI。
现在参照图5，按照本发明的一示范实施例，示出成像装置10(图1)和以上详细描述的伴随电光器件16布置(图2)到非接触式手印收集装置56中的实现。非接触式手印捕获装置56提供包括指纹和掌纹的翻转等效手印。在操作中，该装置快速捕获手的一系列/多个单次激发图像。这些图像的每个具有小景深，使得只有手的掌纹和指纹区域的一部分能够在任何单一图像中对焦。因此，在离手的不同且有区别的有效焦距(即，“深度”)(例如8或16深度)来拍摄手的图像，其中各焦距与先前/后续图像分隔某个小增量。手的多个图像经过处理来收集到一个最终合成图像中，其中处理***确定各图像的哪些区域是完全聚焦的，并且然后使用来自每个所收集图像的完全聚焦区域来组合图像，以制作最终合成图像。超分辨率处理用来产生具有比输入图像要高的分辨率的输出合成图像，其中超分辨率处理当手的区域在多个输入图像中完全聚焦时特别有效。手印的三维(3D)模型也被构成，并且用来将合成图像中存在的表面图案数据(指纹和/或掌纹)展开成从手所得到的平面图像的等效体，其中图像具有每英寸1000像素(PPI)或以上的超分辨率。
如图5所示，非接触式手印收集装置56包括外壳体58，其包含配置成按照非接触式方式从受检者获取手印图像的图像捕获装置56，如下面将更详细描述。非接触式手印收集装置56的壳体58包括其前面的成像窗/窗格60，其通过图像捕获装置56来提供手的成像。按照本发明的一实施例，手印收集装置56配置为便携装置，其可携带到各种环境并且在其中是可使用的。底座62包含在手印收集装置56上，其上安装壳体58和图像捕获装置56，其中底座62优选地配置为可调整和可折叠底座，其提供运输的简易性并且增加手印收集装置56的功能性。如图5所示，按照一个实施例，底座62能够采取加固三角架的形式，但是如在本发明的范围之内也可设想其它适当底座设计。便携电源64、例如电池也包含在手印收集装置56中，并且用来向图像捕获装置56以及手印收集装置56的其它电子器件供电，因而在没有接入电力网的环境中提供装置56的操作。
在装置56的操作中，受检者66将手24定位成接近成像窗60，以允许图像捕获装置56在手就位时收集受检者的手的图像，使得多个指纹和掌纹(即，手印)按照非接触式方式来获取。要知道，为了使非接触式手印收集装置56从受检者66获取手印数据，受检者的手24必须接近成像窗60并且相对于图像捕获装置56来适当定位。也就是说，我们认识到，手24必须适当地定位成离图像捕获装置56某个预期/指定距离，以便适应在所指定焦距或焦深的手的焦点对准图像。
为了实现这个方面，在手印收集装置56上提供用户查看监测器68和接近感测***26(图1)。用户查看监测器68通过向受检者66提供反馈以适当定位并且将其手24定向成接近成像窗66，来用作定位协助装置，而接近感测***26感测受检者的手24相对于图像捕获装置56的位置，并且按照一个实施例，当手处于正确位置以允许图像捕获时自动地触发数据收集。按照本发明的一实施例，用户查看监测器26相对于指示预期手位置的标记来显示手，并且当受检者66的手24处于可接受位置供图像捕获装置56进行成像时，向他们提供视觉指示或通知。另外，按照一个实施例，接近感测***26还包括手跟踪装置或能力，其提供跟踪手相对于图像捕获装置56的位置，以便向受检者提供与手接近预期成像位置有关的反馈。
如图5进一步所示，操作员控制监测器70也包含在手印收集装置56上。操作员控制监测器70定位并且配置成向操作员提供发起手扫描过程并且查看来自这种扫描的所产生数据的能力。例如，操作员控制监测器70可在发起手扫描过程期间向操作员提供与受检者的手24相对于图像捕获装置56的定位有关的反馈，使得操作员可协助和指示受检者定位他们的手。在完成手扫描过程时，操作员控制监测器70还可向操作员提供关于所捕获手印的所产生数据和信息，其中包括例如手印是否与手印数据库中存储的任何手印匹配。
仍然参照图5，并且还回到图1和图2，下文详细描述手印捕获装置56的操作。在***操作中，受检者66如操作员所指导并且通过使用来自手印捕获装置56的简单反馈、例如通过用户查看监测器68，相对于图像捕获装置56按照特定取向来放置他们的手24。由于该***是体积捕获装置，所以不要求手相对于图像捕获装置56的准确定位，而是只需要接近成像窗60并且按照向图像捕获装置56展示手印的一般形状/姿势来放置手24。也就是说，手印捕获装置56以扩展的捕获深度来提供手的体积捕获，以便实现多种手形状和姿势的捕获。
在预期位置放置手24时，手印捕获装置56则使用图像捕获装置56以快速序列来捕获多个(例如8或16个)手印图像，其中手印图像通过控制图像捕获装置中的电光器件16的操作在不同焦距来捕获。也就是说，来自电压源18的所提供电子信号(即，电压)用来控制电光器件16中的偏振调制元件32所引起的偏振旋转，其中一个或多个不同电压施加到偏振调制元件32，以便使偏振旋转发生变化。这使光看到偏振敏感光学元件30中的不同折射率路径，从而产生不同的光程长度。光程长度的任何变化引起拍摄装置透镜***14所获取的图像上的聚焦/散焦的变化，与手24和拍摄装置透镜***14之间的距离的物理变化相似，并且提供在不同焦距或固定焦点位置38的多个手印图像、例如8或16个图像的捕获。
各手印图像与先前图像在范围或深度上分隔某个设置量、即焦点步长40(图1)，并且对与焦平面的分隔相当的景深最佳地聚焦。也就是说，所捕获的各手印图像的焦深近似等于各固定焦点位置或成像平面38之间的焦点步长40的大小。按照一个实施例，实现2.5毫米的焦点步长，使得8个图像提供20厘米范围体积，以及16个图像提供40毫米的范围(对于1.5英寸的捕获范围)。通过高达40毫米的显著增强捕获深度，单独捕获手的局部区域的能力变得不需要，因为手上的每一区域能够落入体积捕获范围之内，甚至允许手位置和形状的某种变化。通过所捕获的各手印图像的焦深近似等于各固定焦点位置38之间的焦点步长40的大小，在多个手印图像中捕获冗余深度/范围数据。这个冗余数据表示手上的每一区域能够落入某个图像的捕获范围之内，其中平面之间的冗余度也提供图像过取样。
在操作中，手印捕获装置56用来将在各不同焦距/固定焦点位置38所捕获的手印与位置数据配齐，以便创建手印图像之间的像素对应性，并且提供手的部分之间(即，手印与掌纹之间)的配齐，以便生成“配齐手印图像”。也就是说，要知道，图像捕获期间的手的任何移动可被理解为图像的移位，因此图像需要相对于手位置来稳定，使得能够按照可控方式来保持小图像移位。因此，各图像使用在各手印图像中是可识别的、投影到手上的固定参考目标点、例如固定目标生成器22所生成的激光束点来配齐位置。由于固定参考目标点的方向和位置相对于拍摄装置是固定的，所以能够对手相对于拍摄装置的移位来校正手印图像。然后能够按照可控方式，在传感器***中引入预期图像移位。这种图像稳定性和配齐主要考虑横向移位，但是可提供关于焦距变化的信息，以及如果投影简单十字，则甚至是手姿势。为了图像超分辨率目的，图像之间的配齐关系(横向子像素移位)、它们是来自光学***、拍摄装置运动还是对象运动需要为已知，但是不是被应用于单独图像以对齐图像。超分辨率算法需要知道配齐移位，但是不应用移位以校正或稳定单独图像。
除了在不同固定焦点位置的每个以不同焦距来捕获多个手印图像以及那些图像的每个与位置数据的配齐以提供“配齐手印图像”之外，手印捕获装置56还用来确定手的3D形状。也就是说，手的轮廓图或“深度图”使用聚焦深度(DFF)算法和散焦深度(DFD)算法其中之一来计算/生成。DFF分析/计算是一种图像分析方法，其组合在不同焦点距离所捕获的多个图像以便提供将各图像中的焦点对准位置与捕获特定图像的已知焦点距离相关的3D图。DFD分析/计算是一种图像分析方法，其组合在不同焦点距离所捕获的多个手印图像，以用于通过计算图像中的散焦模糊度来计算深度信息。也就是说，DFD分析/计算使用成像装置透镜的散焦量和固有脉冲响应函数(即，图像如何随那个透镜的焦点而变化)来提供范围信息。
理想地，要保持DFF/DFD中的质量，所覆盖的深度能够大于手的深度，这提供手的实际位置中的灵活性。也就是说，应当存在超过图像的预计全范围的两端(即，超出远和近范围点)所收集的图像加上中心附近的图像，来帮助去除范围数据中的任何模糊点。有益地，限制所使用图像的数量能够降低得到关于手的充分3D形状信息所需的处理；但是，要收集关于手的最高可能分辨率数据，期望收集经过受检者的深度的清晰图像的完全集合(各集合由相移图像所组成)。要从DFF/DFD得到良好3D数据，控制所使用图像的景深。要从图像的焦点质量取得深度信息，该***必须能够看到采取特征的对比度的降低的形式的焦点质量的变化。但是，对于最佳数据质量，应当明确解析感兴趣特征。在一些情况下，例如表面纹理等小特征或者例如投影图案等添加特征可用来得到3D信息，而感兴趣记录的特征可以是较大特征。
在不同焦距并且在移位横向位置的多个手印图像、配齐信息和3D形状信息(即，范围)由成像装置56中的控制***/处理器20(图2)来组合，以创建最佳合成图像，其中数据输入控制***/处理器20上存储的超分辨率算法中，以便生成合成图像。手印图像中存在的冗余深度数据和横向图像移位(即，子像素移位)准许合成手印图像的有效图像分辨率的大致加倍或者“超分辨率”。也就是说，通过将在不同焦距的多个手印图像、配齐信息和3D形状信息输入超分辨率算法中，使得生成包括超分辨率细节的合成图像，由拍摄装置透镜***14(图2和图3)所捕获的手印图像56的分辨率能够在合成手印图像中增加大致两倍。
在另一个超分辨率过程中，能够首先生成一系列中间超分辨图像，各具有不同的目标焦距。这些中间图像的每个将具有高分辨率，但是仍然将具有小景深。也就是说，手印将仅对于目标焦距附近的手的部分是焦点对准的。用于该系列的目标焦距可对应于成像***56的本机焦距或者跨越被成像体积的焦距的其它某个系列。中间超分辨图像的这个系列能够组合为单个最终超分辨图像，其中图像的所有部分均是焦点对准的，并且具有高分辨率。
要生成具有目标焦距的单个中间超分辨图像，首先选择或确定图像的目标焦距。具有最接近目标焦距的实际焦距的大约4个图像各对于目标焦距在某种程度上焦点对准，将称作“贡献图像”，并且将用来生成这个目标焦距的中间超分辨图像。对于在目标焦距的对象，贡献手印图像的每个的点扩展函数(PSF)或模糊内核从光学设计已知，并且子像素配齐移位为已知。4个贡献图像、对应PSF和移位是常规频域超分辨率过程所需输入的完整集合。该过程将输出目标焦距的中间超分辨图像。
要从在目标焦距的中间超分辨图像系列来生成最终超分辨图像，能够使用按照如下方式来合并中间图像的过程：使得最终图像的各区域由最为焦点对准的中间图像或者多个图像来组成。这例如在现成软件、例如图像扩展景深插件中进行，其利用复合基于小波的方法或者基于模型的方法。
按照一示范实施例，与图像捕获装置56中的拍摄装置14所提供的每英寸500-600像素(PPI)的较低本机空间图像分辨率相比，超分辨率处理算法的应用以及它对***现成提供的过取样和冗余数据捕获的使用产生具有1000 PPI的空间图像分辨率的合成图像。生成1000 PPI的全手合成手印图像，其中具有高达50毫米(2英寸)工作距离。通过2.5毫米步长，手印图像集合将包含至少4个图像，其中任何特定特征能够预计以1000 PPI有效分辨率来成像。因此，超分辨率过程能够产生具有1000 PPI有效取样分辨率的图像。合成手印图像的1000 PPI分辨率对于第III级性能级别的生物测定识别是充分的，因而提供手印和掌纹细节详情(500 PPI的最小要求，第II级性能级别)和排汗孔详情(1000 PPI的最小要求，第III级性能级别)的图像捕获.
手印收集装置中的图像捕获装置110——以及例如图2和图3所示、具有倾斜双折射元件30的电光器件布置16——的结合实现手的非接触式图像的快速捕获，其中单独图像预计具有少于1/30秒的曝光时间，8-16个图像的总捕获时间花费不到1秒。在不同焦平面并且在不是横向位置的手印图像的快速获取经由以高频率切换(由电压源18)施加到LCP旋转器32的电压来实现，其中子像素横向图像移位通过倾斜双折射元件30并且响应施加到LCP旋转器32的切换/改变电压而实现。
因此，按照本发明的一个实施例，配置成捕获对象的图像的图像捕获装置包括成像拍摄装置透镜***以及定位在对象与成像拍摄装置之间的电光器件布置，其中电光器件布置还包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获；以及多个偏振调制元件，配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，其中多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件具有相对于与电光器件布置的光轴垂直的平面而位移的边缘。图像捕获装置还包括控制***，其耦合到电光器件布置，并且配置成控制向多个偏振调制元件的每个施加电压，以控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，使得改变多个偏振敏感光学元件的光程长度以提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获。第一和第二偏振敏感光学元件响应对其输入的光的偏振旋转而生成在多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位。
按照本发明的另一个实施例，一种用于经由图像捕获装置来捕获对象的图像的方法包括提供一种具有图像形成光学透镜和电光透镜段的图像捕获装置，其中电光透镜段还包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；双折射窗，根据穿过其的光的输入偏振而呈现不同的折射率，其中双折射窗的至少一个具有相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而位移的边缘；以及液晶偏振旋转器，配置成有选择地旋转提供给双折射窗的光的输入偏振的轴。该方法还包括通过图像捕获装置在多个固定焦点位置的每个来捕获对象的至少一部分的图像，其中在多个固定焦点位置来捕获对象图像包括有选择地将电压施加到电光透镜段中的液晶偏振旋转器以旋转提供给双折射窗的光的输入偏振的轴，并且响应施加到液晶偏振旋转器的电压而在多个固定焦点位置的每个来捕获对象的至少一部分的图像，其中图像基于双折射窗的不同折射率而在多个固定焦点位置的每个来捕获。响应提供给至少一个双折射窗的光的输入偏振的轴旋转，在相应固定焦点位置所获取的各对象图像与在相邻固定焦点位置所获取的对象图像相比具有子像素横向图像移位，其中双折射窗具有相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而位移的边缘。
按照本发明的又一实施例，提供一种供配置成在多个不同焦平面来捕获图像的对象的图像捕获装置中使用的电光透镜段。电光透镜段包括：一个或多个偏振器，配置成定向穿过其的光的偏振；以及多个偏振敏感光学元件，具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面的每个的对象图像的捕获，其中多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件相对于与电光透镜段的光轴垂直的平面而倾斜，并且在平面中倾斜成相对于彼此围绕光轴旋转90度。电光透镜段还包括多个偏振调制元件，其配置成响应对其施加的电压而有选择地控制输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，以便实现在多个不同焦平面的对象图像的捕获。倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件响应产生于施加到多个偏振调制元件的电压、输入到多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转的变化而生成在多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位，使得在生成横向图像移位中不需要电光透镜段的机械运动。
本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，以及还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或***并且执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。

Claims (22)

1.一种图像捕获装置，所述图像捕获装置配置成捕获对象的图像，所述图像捕获装置包括：
成像拍摄装置透镜***；
电光器件布置，所述电光器件布置定位在所述对象与所述成像拍摄装置之间，所述电光器件布置包括：
一个或多个偏振器，所述一个或多个偏振器配置成定向穿过其的光的偏振；
多个偏振敏感光学元件，所述多个偏振敏感光学元件具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面中的每个的所述对象图像的捕获；以及
多个偏振调制元件，所述多个偏振调制元件配置成响应于对其施加的电压而有选择地控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转；
其中所述多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件具有相对于与所述电光器件布置的光轴垂直的平面而倾斜的相应边缘；以及
控制***，所述控制***耦合到所述电光器件布置，并且配置成控制电压向所述多个偏振调制元件中的每个的施加，以控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的所述光的所述偏振旋转，使得改变所述多个偏振敏感光学元件的所述光程长度以提供在所述多个不同焦平面中的每个的所述对象图像的捕获；
其中所述第一和第二偏振敏感光学元件响应于对其输入的所述光的所述偏振旋转而生成在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位。
2.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件中的每个从与所述光轴垂直的所述平面机械地倾斜，使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移。
3.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件中的每个包括构造成使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移的楔元件。
4.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件中的所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移，使得所述第一偏振敏感光学元件的所述边缘和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘在平面中定向成相对于彼此围绕所述光轴旋转90度。
5.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件中的所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移，使得所述第一偏振敏感光学元件的所述边缘和所述第二偏振敏感光学元件的所述边缘在平面中相对于彼此成90度之外的角度，以便响应于对其输入的所述光的所述偏振旋转而赋予在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的非正交横向图像移位。
6.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述横向图像移位包括在多个不同焦距所捕获的相应对象图像之间的子像素移位。
7.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件在包括4个子像素图像移位位置的多个不同焦距来提供正方形移位图案。
8.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中每个对象图像具有与相邻焦平面处的对象图像的焦深重叠的焦深，使得捕获冗余深度数据。
9.如权利要求8所述的图像捕获装置，其中所述控制***配置成：
将所述对象图像输入到超分辨率算法中，使得将所述对象图像的所述冗余深度数据和横向图像移位提供给所述超分辨率算法；以及
从所述超分辨率算法来生成合成图像，使得所述合成图像的空间分辨率从获取所述对象图像的第一图像分辨率级别增加到第二更高图像分辨率级别。
10.如权利要求8所述的图像捕获装置，其中每个对象图像在焦距上与其它对象图像分隔设置焦点步长，并且其中每个对象图像的所述焦深近似等于所述焦点步长的大小。
11.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述控制***配置成将去卷积应用于所获取的对象图像，以校正离焦光。
12.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述偏振调制元件包括法拉第旋转器、光电晶体、波板和液晶面板(LCP)中的至少一个，并且其中所述偏振敏感光学元件包括双折射窗和双折射透镜中的至少一个。
13.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述图像捕获装置配置成在包括4个不同焦平面、8个不同焦平面或者16个不同焦平面的1至32个不同焦平面处捕获对象图像。
14.如权利要求1所述的图像捕获装置，其中所述图像捕获装置还包括由所述控制***所控制的电压源，以将电压施加到所述多个偏振调制元件，以改变其取向状态，以便控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的所述偏振旋转以改变其光程长度。
15.一种用于经由图像捕获装置来获取对象的图像的方法，所述方法包括：
提供包括图像形成光学透镜和电光透镜段的图像捕获装置，所述电光透镜段还包括：
一个或多个偏振器，所述一个或多个偏振器配置成定向穿过其的光的偏振；
双折射窗，所述双折射窗根据穿过其的光的输入偏振而呈现不同的折射率，其中所述双折射窗中的至少一个具有相对于与所述电光透镜段的光轴垂直的平面而倾斜的边缘；以及
液晶偏振旋转器，所述液晶偏振旋转器配置成有选择地旋转提供给所述双折射窗的光的所述输入偏振的轴；以及
通过所述图像捕获装置在多个固定焦点位置中的每个处捕获所述对象的至少一部分的图像，其中在所述多个固定焦点位置处捕获所述对象图像包括：
有选择地将电压施加到所述电光透镜段中的所述液晶偏振旋转器，以旋转提供给所述双折射窗的光的所述输入偏振的所述轴；以及
响应于施加到所述液晶偏振旋转器的所述电压而在所述多个固定焦点位置中的每个处捕获所述对象的至少一部分的图像，其中图像基于所述双折射窗的不同折射率在所述多个固定焦点位置中的每个处捕获；
其中响应于提供给所述至少一个双折射窗的光的所述输入偏振的所述轴旋转，在相应固定焦点位置处所获取的每个对象图像与在相邻固定焦点位置处所获取的对象图像相比具有子像素横向图像移位，其中所述至少一个双折射窗具有相对于与所述电光透镜段的所述光轴垂直的所述平面而倾斜的所述边缘。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个双折射窗包括第一双折射窗和第二双折射窗，其中所述第一和第二双折射窗在包括4个子像素图像移位位置的所述固定焦点位置处提供子像素横向图像移位的正方形移位图案。
17.如权利要求15所述的方法，还包括：
配准在所述多个固定焦点位置处所捕获的所述图像，以创建所述图像之间的像素对应性；
使用来自焦点的深度和来自散焦算法的深度其中之一来确定手的至少一部分的3D形状；
将所配准的图像和所述3D形状输入到超分辨率算法中；以及
从所述超分辨率算法来生成合成图像，其中所述合成图像具有从捕获所述对象图像的第一图像分辨率级别增加的第二空间分辨率级别。
18.如权利要求15所述的方法，其中在所述多个固定焦点位置处捕获对象图像包括在1与32个之间的不同固定焦点位置处捕获对象图像。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个双折射窗从与所述光轴垂直的所述平面机械地倾斜，使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个双折射窗包括构造成使得其所述边缘相对于与所述光轴垂直的所述平面而位移的楔元件。
21.一种电光透镜段，所述电光透镜段供在配置成在多个不同焦平面处捕获图像的对象的图像捕获装置中使用，所述电光透镜段包括：
一个或多个偏振器，所述一个或多个偏振器配置成定向穿过其的光的偏振；
多个偏振敏感光学元件，所述多个偏振敏感光学元件具有随不同偏振态而变化的光程长度，以便提供在多个不同焦平面中的每个的所述对象图像的捕获，所述多个偏振敏感光学元件包括至少第一偏振敏感光学元件和第二偏振敏感光学元件，其中所述第一偏振敏感光学元件和所述第二偏振敏感光学元件相对于与所述电光透镜段的光轴垂直的平面而倾斜，并且在平面中倾斜成相对于彼此围绕所述光轴旋转90度；以及
多个偏振调制元件，所述多个偏振调制元件配置成响应于对其施加的电压而有选择地控制输入到所述多个偏振敏感光学元件的光的偏振旋转，以便实现在多个不同焦平面的对象图像的捕获；
其中所倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件响应于产生于施加到所述多个偏振调制元件的所述电压、输入到所述多个偏振敏感光学元件的所述光的所述偏振旋转的变化而生成在所述多个不同焦平面所捕获的相应对象图像之间的横向图像移位，使得在生成所述横向图像移位中不需要所述电光透镜段的机械运动。
22.如权利要求21所述的电光透镜段，其中所倾斜的第一和第二偏振敏感光学元件在包括4个子像素图像移位位置的多个不同焦距来提供正方形移位图案。
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