專利名稱：光學測距儀與帶有手性光學布置的成像儀器的制作方法
光學測距儀與帶有手性光學布置的成像儀器引言測距，包括被動測距，是對從觀察者或觀察設備到關注的一個或多個客體的距離或擴展場景的估計，對消費者、軍事、技術和科學應用具有重要性。基于幾何方法、即操作如角測量設備的光學測距儀從十九世紀起一直在使用。在視距系統中，一旦客體的尺寸事先知道，距離是由客體的角大小計算，或者，可替換的，推導出的(例如，如在從1799年的早期現有技術文件2，289所公開的)，而在視差/ 一致測距儀中，距離是從同一客體的多個圖像的視差來評估的。這些設備本身是被動的，且他們的精度被角度測量精度限制。被動三角法也用于現代攝像機中(例如，K. Engelhardt和R.Knop， Appl. Opt. 34,2339-2344,1995)來估算在圖像場中多個位置的散焦度數。在現代成像設備中，被動測距能夠由相檢測或對比測量法來完成。相檢測方法(例如，W02005/098501和US2008/20587》在主客體之后分離光進入多個具有已知光路長度的通道，并分析子圖像在光強上的差異。對比測量法(例如，US2006109369和 US2004017502)在光傳感器上通過改變對焦條件來優化圖像或部分圖像的對比度。上述方法，在所有方面，不同于描述于本文件中的測距儀及其對應方法，其既不要求客體的三角測量或角度測量，也不要求相位延遲子圖像的對比度評估或比較。術語和定義焦點對準圖像平面是與客體平面光學耦合的平面，因而，沒有對焦誤差。當圖像平面與焦點對準圖像平面一致時，圖像是焦點對準的或輪廓分明的，而且，如果不是，圖像是散焦的或模糊不清的，或者，可替換的，圖像有一定的散焦度。術語客體和圖像遵照古德曼(Goodman)的為一般性成像系統所作的定義 (J.W.Goodman，傅立葉光學簡介(Introduction to Fourier Optics)，麥格勞-希爾公司 (McGraw-Hill Co. Inc.)，紐約，1996，第6章)。客體是設置在客體平面而且對應的圖像位于圖像平面。在數學描述中，客體和圖像分別表示光在客體和圖像平面分布的數字陣列或函數。光譜響應通常通過強度脈沖響應的傅立葉變換或其他變換得到，其他變換包括、 但不限于小波分解和其他光譜分解，其中光譜分解是將圖像分解為在希爾伯特(Hilbert) 空間里的適當算符的本征函數的基準。圖像/客體的空間光譜通過圖像/客體數據的光譜分解得到。參考圖案，在本文件的內容中，表示在空間光譜域中的任意圖案，其可用作參考比例來測量由散焦導致的圖像光譜的移位度。參考圖案能夠是在空間光譜域內的任意合成結構，例如，單獨的線、或網格線。可替換的，參考圖案能夠是從光學布置或光學掩膜的固有光譜響應得到的特征圖案。特征圖案能夠通過非相干光學傳遞函數(OTF)、即調制傳遞函數 (MTF)、的模量來便利地表示，用掩膜振幅和相位函數計算。在實際中，特征圖案對于測量和評估空間光譜的移位是有用的。周期性的多條線的圖案是特征圖案的一個例子，由帶有手性棱鏡元件的光學掩膜造成，例如，半孔徑棱鏡光學掩膜。術語散焦地圖表示為了擴展客體/場景而得到的散焦度數的分布、通常指二維的分布，深度地圖提供多個客體或多個子圖像的距離而且波前地圖描述波前扭曲，例如，在出射光瞳平面和相對于高斯參考球來測量。所述地圖可以是靜態地圖為單獨點及時提供信息，或者可替換的，是動態地圖例如以按實時速度提供更新的信息。縮寫EDF是擴展景深 (Extended Depth of Field)。儀器和實施例一光學測距儀測量從至少一個客體到相對于光學測距儀的預定位置的距離。圖像重建器，或在本文件的內容中的成像儀器，是適應于提供客體的至少一個焦點對準圖像的光學測距儀，其中圖像從例如圖像的空間光譜重建。一旦客體和測距儀之間的距離是已知的，光路指示器是用于測量光路長度的儀器。光學手件和布置一與測距結合的光學手件是本文件的主要概念。手性光學元件具有至少一個導致光束、或者替換為光信號、的手性相位調制的光學表面。手性相位調制，反過來，與能夠由三維手性表面表示的手性相位函數結合。根據定義，手性表面的鏡像不能通過旋轉和轉換而被映射為原始表面，例如，M. Petitjean，數學物理雜志(J. Math. Phys.) 43，4147-4157，2002，其文件被包括在本文件中作為參考。在數學術語里，客體被定義為手性，如果其在奇偶變換下不是不變的。手性光學布置是光學系統的布置，特征在于布置調制光以使接近圖像平面的光包括手性相位調制，或者可選擇的，光學系統的廣義的光瞳函數具有手性相。手性調制是由手性光學布置造成的光的振幅和相位調制。手性標記，或者可替換的，方向；順時針或反時針，或者，右手或左手，最好應該是對于每個特定光學掩膜是相同的，即一個掩膜應該只能由相同標記的一手性函數、或多個手性函數的組合構成，但相反標記的手性函數的組合不是排除在外的。手性度，在簡單情況下，例如一漩渦，可以根據拓撲電荷而被定量測量，其他情況下，(例如一復合三維表面)，手性度可以根據連續手性測量而被計算，例如，Salomon 等，材料化學雜志(J. Mater. Chem.) 25, 295-308,1999。
圖1顯示光學測距儀和成像儀器的基本實施例。離開客體1的光被成像光學元件 2投射到光傳感器4的圖像表面3。位于出射光瞳6的平面的光學掩膜5調制被傳送光的強度和相位。由光傳感器4產生的電信號被電子處理器7進一步處理。圖2顯示半孔徑手性棱鏡光學掩膜，在這個例子中，帶有方形孔徑。掩膜包括一個平面元件8和一個棱鏡元件9。圖3顯示帶有兩個棱鏡元件的光學掩膜，在這個例子中，帶有方形孔徑。掩膜包括兩個棱鏡元件10和11，導致掩膜的一個手性結構。圖4顯示帶有拋物線螺旋表面12的光學掩膜，在這個例子中，限定在ζ = Ar2 α表示的圓形孔徑內，其中ζ是表面凹陷，r是徑向坐標，α是在掩膜平面內的極角，而A是掩膜陡度。圖5顯示散焦相關OTF的演化和手性光學掩膜的對應的PSF，在這個例子中，掩膜
的振幅函數定義為
ρ(χ
ρκ ’"^""iO,其他情況時
而且相位函數由下述給出
權利要求
1.光學測距儀，包括-一光傳感器，適于轉換投射到其上的圖像為一相對應的電子圖像；-一成像系統，適于投射至少一個客體的一個圖像到該光傳感器上，和至少一個光學布置來調制該入射光束以形成該圖像于該光傳感器上，-光譜處理構件，適于通過光譜分解來提供所述圖像的該空間光譜；和-散焦處理構件，適于基于該圖像的散焦度來推導出該客體到該測距儀的距離，其特征在于-該光學布置適于調制該入射光束以使得在光傳感器上的圖像相對于焦點對準圖像平面的散焦度導致所述圖像相對于參考圖案的空間光譜的移位，和-該測距儀包括附加的處理構件以適于從在相對于參考圖案的空間光譜的所述移位度直接推導出相對于焦點對準圖像平面的圖像平面內的客體的圖像的散焦度。
2.根據權利要求1的光學布置，其特征在于，該光學測距儀包括至少一個適于提供取決于圖像的散焦度的空間光譜的移位度的手性光學布置。
3.根據權利要求2的手性光學布置，其特征在于，手性光學布置包括至少一個手性光學掩膜。
4.根據權利要求1的光學布置，其特征在于，光學布置是至少兩個獨立的光學通道的組合。
5.根據權利要求4的至少兩個獨立的光學通道的組合，其特征在于，該組合是適于提供手性調制的。
6.根據權利要求1-5的光學測距儀，其特征在于，該光學布置適于提供相對于參考圖案的圖像的空間光譜的旋轉。
7.根據權利要求1-6的光學測距儀，其特征在于，該光學布置適于提供相對于參考圖案的圖像的空間光譜的縮放。
8.根據權利要求1-7的光學測距儀，其特征在于，該光學布置適于提供相對于參考圖案的圖像的空間光譜的側向轉向。
9.根據前述權利要求的光學測距儀，其特征在于，該光學布置適于提供在空間光譜里的至少一個特征圖案。
10.根據權利要求9的光學測距儀，其特征在于，該特征圖案包括該光學布置的固有光譜響應。
11.根據權利要求10的光學測距儀，其特征在于，該特征圖案是多條線的圖案。
12.根據前述權利要求的任意一個的光學測距儀，其特征在于，該測距儀適于從圖像的相應的子區域提供至少兩個子圖像的散焦度。
13.根據權利要求12的光學測距儀，其特征在于，該測距儀適于提供散焦地圖。
14.根據權利要求12的光學測距儀，其特征在于，該測距儀適于提供深度地圖。
15.根據權利要求12的光學測距儀，其特征在于，該測距儀適于提供波前地圖。
16.包括根據前述權利要求的任意一個的光學測距儀的圖像重建器，其特征在于，該圖像重建器適于從圖像的空間光譜提供客體的至少一個焦點對準圖像的重建。
17.根據權利要求16的圖像重建器，其特征在于，該圖像重建器包括至少一個用于成像的手性光學布置。
18.如權利要求17所述的圖像重建器，其特征在于，該用于成像的手性光學布置包括至少一個拋物線手性光學布置。
19.如權利要求18所述的圖像重建器，其特征在于，該拋物線手性光學布置包括至少一個拋物線手性光學掩膜。
20.包括光學測距儀的相位多樣性儀器，其特征在于，該相位多樣性儀器包括根據權利要求1-15的任一個的光學測距儀和附加構件，附加構件適于用事先已知的散焦多樣性來提供多個圖像的同時處理。
21.包括光學測距儀的相位多樣性儀器，其特征在于，該相位多樣性儀器包括根據權利要求16-19的任一個的圖像重建器和附加構件，附加構件適于用事先已知的散焦多樣性來提供多個圖像的同時處理。
22.根據權利要求20或21的相位多樣性儀器，其特征在于，該相位多樣性儀器是一圖像重建器。
23.根據權利要求20或21的相位多樣性儀器，其特征在于，該相位多樣性儀器是一光學測距儀。
24.光路指示器，其特征在于，該光路指示器是由如權利要求1-15的任一項的光學測距儀和適于提供至少一個光路的估值的構件組成。
25.模態波前傳感器，包括-一光傳感器，適于轉換投射到其上的圖像為相應的電子圖像； -一成像系統，適于投射至少一個客體的一圖像到該光傳感器上，和至少一個光學布置，以調制入射光束來形成圖像在該光傳感器上，-光譜處理構件，適于通過光譜分解來提供所述圖像的空間光譜；和 -散焦處理構件，適于基于圖像的散焦度來推導出從客體到測距儀的距離， -其特征在于該光學布置適于調制入射光束以使得至少一個波前失真導致相對于參考圖案的所述圖像的空間光譜的移位，和-使得該測距儀包括附加的處理構件以適于從相對于參考圖案的空間光譜的所述移位度來推導出相對于焦點對準圖像平面的圖像平面內的客體的圖像的至少一個波前失真。
26.用于光學測距的方法，包括-投射至少一個客體的一圖像到一光傳感器上， -通過一光學布置來調制入射光束，-處理投射到光傳感器上的圖像為相應的電子圖像，來通過光譜分解提供圖像的空間光譜；和-基于圖像的散焦度來推導出從客體到測距儀的距離， 其特征在于，該方法包括-入射光束的調制使得相對于焦點對準圖像平面的圖像平面內至少一個客體的該圖像的散焦導致相對于參考圖案的圖像的空間光譜的移位。-附加的處理，其從相對于參考圖案的空間光譜的移位度來直接推導出相對于焦點對準圖像平面的圖像平面內客體的圖像的散焦度。
27.根據權利要求沈的用于光學測距的方法，其特征在于，光束的調制是手性調制以使得相對于參考圖案的空間光譜的移位度取決于圖像的散焦度。
28.根據權利要求沈或27的用于光學測距的方法，其特征在于，光束的調制是這樣的， 使得其提供至少一個特征圖案于空間光譜內。
29.用于圖像重建的方法，其特征在于，用于圖像重建的方法是根據權利要求25-28的任何項的方法和處理步驟的組合，處理步驟適于從圖像的空間光譜中重建客體的至少一個焦點對準圖像。
30.根據權利要求25-29的任一項的用于光學測距的方法，其特征在于，用于光學測距的該方法適于提供至少一個光路。
31.用于模態波前感應的方法，包括-投射至少一個客體的一圖像到一光傳感器上，-通過一光學布置來調制該入射光束，-處理以轉換該圖像為相應的電子圖像，和-通過光譜分解來提供該圖像的該空間光譜，其特征在于，該方法包括-調制通過調整該入射光束以使得至少一個波前失真導致相對于一參考圖案的該圖像的該空間光譜的至少一個移位，-附加的處理，其從相對于該參考圖案的該空間光譜的所述移位度來直接推導出至少一個該波前失真度。
全文摘要
本發明涉及一光學測距儀，包括，一光傳感器、適于轉換投射到其上的該圖像為一電子圖像，一成像系統、用于投射一客體的一圖像到該光傳感器上，一光學布置、以調制該入射光形成為在該傳感器上的該圖像，用于提供所述圖像的空間光譜的構件和用于基于該圖像的散焦度來推導出從該客體到該測距儀的距離的構件，其中該光學布置適于調制入射光以使得相對于焦點對準圖像平面的該光傳感器上該圖像的散焦度導致相對于參考圖案的所述圖像的空間光譜的移位和其中測距儀包括用于從所述移位度來推導散焦度的構件。
文檔編號G01C3/08GK102356298SQ201080010245
公開日2012年2月15日 申請日期2010年1月8日 優先權日2009年1月9日
發明者A·N·西蒙諾夫, M·C·羅姆巴赫 申請人:Asmr控股有限公司