专利名称：光学测距仪与带有手性光学布置的成像仪器的制作方法
光学测距仪与带有手性光学布置的成像仪器引言测距，包括被动测距，是对从观察者或观察设备到关注的一个或多个客体的距离或扩展场景的估计，对消费者、军事、技术和科学应用具有重要性。基于几何方法、即操作如角测量设备的光学测距仪从十九世纪起一直在使用。在视距系统中，一旦客体的尺寸事先知道，距离是由客体的角大小计算，或者，可替换的，推导出的(例如，如在从1799年的早期现有技术文件2，289所公开的)，而在视差/ 一致测距仪中，距离是从同一客体的多个图像的视差来评估的。这些设备本身是被动的，且他们的精度被角度测量精度限制。被动三角法也用于现代摄像机中(例如，K. Engelhardt和R.Knop， Appl. Opt. 34,2339-2344,1995)来估算在图像场中多个位置的散焦度数。在现代成像设备中，被动测距能够由相检测或对比测量法来完成。相检测方法(例如，W02005/098501和US2008/20587》在主客体之后分离光进入多个具有已知光路长度的通道，并分析子图像在光强上的差异。对比测量法(例如，US2006109369和 US2004017502)在光传感器上通过改变对焦条件来优化图像或部分图像的对比度。上述方法，在所有方面，不同于描述于本文件中的测距仪及其对应方法，其既不要求客体的三角测量或角度测量，也不要求相位延迟子图像的对比度评估或比较。术语和定义焦点对准图像平面是与客体平面光学耦合的平面，因而，没有对焦误差。当图像平面与焦点对准图像平面一致时，图像是焦点对准的或轮廓分明的，而且，如果不是，图像是散焦的或模糊不清的，或者，可替换的，图像有一定的散焦度。术语客体和图像遵照古德曼(Goodman)的为一般性成像系统所作的定义 (J.W.Goodman，傅立叶光学简介(Introduction to Fourier Optics)，麦格劳-希尔公司 (McGraw-Hill Co. Inc.)，纽约，1996，第6章)。客体是设置在客体平面而且对应的图像位于图像平面。在数学描述中，客体和图像分别表示光在客体和图像平面分布的数字阵列或函数。光谱响应通常通过强度脉冲响应的傅立叶变换或其他变换得到，其他变换包括、 但不限于小波分解和其他光谱分解，其中光谱分解是将图像分解为在希尔伯特(Hilbert) 空间里的适当算符的本征函数的基准。图像/客体的空间光谱通过图像/客体数据的光谱分解得到。参考图案，在本文件的内容中，表示在空间光谱域中的任意图案，其可用作参考比例来测量由散焦导致的图像光谱的移位度。参考图案能够是在空间光谱域内的任意合成结构，例如，单独的线、或网格线。可替换的，参考图案能够是从光学布置或光学掩膜的固有光谱响应得到的特征图案。特征图案能够通过非相干光学传递函数(OTF)、即调制传递函数 (MTF)、的模量来便利地表示，用掩膜振幅和相位函数计算。在实际中，特征图案对于测量和评估空间光谱的移位是有用的。周期性的多条线的图案是特征图案的一个例子，由带有手性棱镜元件的光学掩膜造成，例如，半孔径棱镜光学掩膜。术语散焦地图表示为了扩展客体/场景而得到的散焦度数的分布、通常指二维的分布，深度地图提供多个客体或多个子图像的距离而且波前地图描述波前扭曲，例如，在出射光瞳平面和相对于高斯参考球来测量。所述地图可以是静态地图为单独点及时提供信息，或者可替换的，是动态地图例如以按实时速度提供更新的信息。缩写EDF是扩展景深 (Extended Depth of Field)。仪器和实施例一光学测距仪测量从至少一个客体到相对于光学测距仪的预定位置的距离。图像重建器，或在本文件的内容中的成像仪器，是适应于提供客体的至少一个焦点对准图像的光学测距仪，其中图像从例如图像的空间光谱重建。一旦客体和测距仪之间的距离是已知的，光路指示器是用于测量光路长度的仪器。光学手件和布置一与测距结合的光学手件是本文件的主要概念。手性光学元件具有至少一个导致光束、或者替换为光信号、的手性相位调制的光学表面。手性相位调制，反过来，与能够由三维手性表面表示的手性相位函数结合。根据定义，手性表面的镜像不能通过旋转和转换而被映射为原始表面，例如，M. Petitjean，数学物理杂志(J. Math. Phys.) 43，4147-4157，2002，其文件被包括在本文件中作为参考。在数学术语里，客体被定义为手性，如果其在奇偶变换下不是不变的。手性光学布置是光学系统的布置，特征在于布置调制光以使接近图像平面的光包括手性相位调制，或者可选择的，光学系统的广义的光瞳函数具有手性相。手性调制是由手性光学布置造成的光的振幅和相位调制。手性标记，或者可替换的，方向；顺时针或反时针，或者，右手或左手，最好应该是对于每个特定光学掩膜是相同的，即一个掩膜应该只能由相同标记的一手性函数、或多个手性函数的组合构成，但相反标记的手性函数的组合不是排除在外的。手性度，在简单情况下，例如一漩涡，可以根据拓扑电荷而被定量测量，其他情况下，(例如一复合三维表面)，手性度可以根据连续手性测量而被计算，例如，Salomon 等，材料化学杂志(J. Mater. Chem.) 25, 295-308,1999。


图1显示光学测距仪和成像仪器的基本实施例。离开客体1的光被成像光学元件 2投射到光传感器4的图像表面3。位于出射光瞳6的平面的光学掩膜5调制被传送光的强度和相位。由光传感器4产生的电信号被电子处理器7进一步处理。图2显示半孔径手性棱镜光学掩膜，在这个例子中，带有方形孔径。掩膜包括一个平面元件8和一个棱镜元件9。图3显示带有两个棱镜元件的光学掩膜，在这个例子中，带有方形孔径。掩膜包括两个棱镜元件10和11，导致掩膜的一个手性结构。图4显示带有抛物线螺旋表面12的光学掩膜，在这个例子中，限定在ζ = Ar2 α表示的圆形孔径内，其中ζ是表面凹陷，r是径向坐标，α是在掩膜平面内的极角，而A是掩膜陡度。图5显示散焦相关OTF的演化和手性光学掩膜的对应的PSF，在这个例子中，掩膜
的振幅函数定义为
ρ(χ
ρκ ’"^""iO,其他情况时
而且相位函数由下述给出
权利要求
1.光学测距仪，包括-一光传感器，适于转换投射到其上的图像为一相对应的电子图像；-一成像系统，适于投射至少一个客体的一个图像到该光传感器上，和至少一个光学布置来调制该入射光束以形成该图像于该光传感器上，-光谱处理构件，适于通过光谱分解来提供所述图像的该空间光谱；和-散焦处理构件，适于基于该图像的散焦度来推导出该客体到该测距仪的距离，其特征在于-该光学布置适于调制该入射光束以使得在光传感器上的图像相对于焦点对准图像平面的散焦度导致所述图像相对于参考图案的空间光谱的移位，和-该测距仪包括附加的处理构件以适于从在相对于参考图案的空间光谱的所述移位度直接推导出相对于焦点对准图像平面的图像平面内的客体的图像的散焦度。
2.根据权利要求1的光学布置，其特征在于，该光学测距仪包括至少一个适于提供取决于图像的散焦度的空间光谱的移位度的手性光学布置。
3.根据权利要求2的手性光学布置，其特征在于，手性光学布置包括至少一个手性光学掩膜。
4.根据权利要求1的光学布置，其特征在于，光学布置是至少两个独立的光学通道的组合。
5.根据权利要求4的至少两个独立的光学通道的组合，其特征在于，该组合是适于提供手性调制的。
6.根据权利要求1-5的光学测距仪，其特征在于，该光学布置适于提供相对于参考图案的图像的空间光谱的旋转。
7.根据权利要求1-6的光学测距仪，其特征在于，该光学布置适于提供相对于参考图案的图像的空间光谱的缩放。
8.根据权利要求1-7的光学测距仪，其特征在于，该光学布置适于提供相对于参考图案的图像的空间光谱的侧向转向。
9.根据前述权利要求的光学测距仪，其特征在于，该光学布置适于提供在空间光谱里的至少一个特征图案。
10.根据权利要求9的光学测距仪，其特征在于，该特征图案包括该光学布置的固有光谱响应。
11.根据权利要求10的光学测距仪，其特征在于，该特征图案是多条线的图案。
12.根据前述权利要求的任意一个的光学测距仪，其特征在于，该测距仪适于从图像的相应的子区域提供至少两个子图像的散焦度。
13.根据权利要求12的光学测距仪，其特征在于，该测距仪适于提供散焦地图。
14.根据权利要求12的光学测距仪，其特征在于，该测距仪适于提供深度地图。
15.根据权利要求12的光学测距仪，其特征在于，该测距仪适于提供波前地图。
16.包括根据前述权利要求的任意一个的光学测距仪的图像重建器，其特征在于，该图像重建器适于从图像的空间光谱提供客体的至少一个焦点对准图像的重建。
17.根据权利要求16的图像重建器，其特征在于，该图像重建器包括至少一个用于成像的手性光学布置。
18.如权利要求17所述的图像重建器，其特征在于，该用于成像的手性光学布置包括至少一个抛物线手性光学布置。
19.如权利要求18所述的图像重建器，其特征在于，该抛物线手性光学布置包括至少一个抛物线手性光学掩膜。
20.包括光学测距仪的相位多样性仪器，其特征在于，该相位多样性仪器包括根据权利要求1-15的任一个的光学测距仪和附加构件，附加构件适于用事先已知的散焦多样性来提供多个图像的同时处理。
21.包括光学测距仪的相位多样性仪器，其特征在于，该相位多样性仪器包括根据权利要求16-19的任一个的图像重建器和附加构件，附加构件适于用事先已知的散焦多样性来提供多个图像的同时处理。
22.根据权利要求20或21的相位多样性仪器，其特征在于，该相位多样性仪器是一图像重建器。
23.根据权利要求20或21的相位多样性仪器，其特征在于，该相位多样性仪器是一光学测距仪。
24.光路指示器，其特征在于，该光路指示器是由如权利要求1-15的任一项的光学测距仪和适于提供至少一个光路的估值的构件组成。
25.模态波前传感器，包括-一光传感器，适于转换投射到其上的图像为相应的电子图像； -一成像系统，适于投射至少一个客体的一图像到该光传感器上，和至少一个光学布置，以调制入射光束来形成图像在该光传感器上，-光谱处理构件，适于通过光谱分解来提供所述图像的空间光谱；和 -散焦处理构件，适于基于图像的散焦度来推导出从客体到测距仪的距离， -其特征在于该光学布置适于调制入射光束以使得至少一个波前失真导致相对于参考图案的所述图像的空间光谱的移位，和-使得该测距仪包括附加的处理构件以适于从相对于参考图案的空间光谱的所述移位度来推导出相对于焦点对准图像平面的图像平面内的客体的图像的至少一个波前失真。
26.用于光学测距的方法，包括-投射至少一个客体的一图像到一光传感器上， -通过一光学布置来调制入射光束，-处理投射到光传感器上的图像为相应的电子图像，来通过光谱分解提供图像的空间光谱；和-基于图像的散焦度来推导出从客体到测距仪的距离， 其特征在于，该方法包括-入射光束的调制使得相对于焦点对准图像平面的图像平面内至少一个客体的该图像的散焦导致相对于参考图案的图像的空间光谱的移位。-附加的处理，其从相对于参考图案的空间光谱的移位度来直接推导出相对于焦点对准图像平面的图像平面内客体的图像的散焦度。
27.根据权利要求沈的用于光学测距的方法，其特征在于，光束的调制是手性调制以使得相对于参考图案的空间光谱的移位度取决于图像的散焦度。
28.根据权利要求沈或27的用于光学测距的方法，其特征在于，光束的调制是这样的， 使得其提供至少一个特征图案于空间光谱内。
29.用于图像重建的方法，其特征在于，用于图像重建的方法是根据权利要求25-28的任何项的方法和处理步骤的组合，处理步骤适于从图像的空间光谱中重建客体的至少一个焦点对准图像。
30.根据权利要求25-29的任一项的用于光学测距的方法，其特征在于，用于光学测距的该方法适于提供至少一个光路。
31.用于模态波前感应的方法，包括-投射至少一个客体的一图像到一光传感器上，-通过一光学布置来调制该入射光束，-处理以转换该图像为相应的电子图像，和-通过光谱分解来提供该图像的该空间光谱，其特征在于，该方法包括-调制通过调整该入射光束以使得至少一个波前失真导致相对于一参考图案的该图像的该空间光谱的至少一个移位，-附加的处理，其从相对于该参考图案的该空间光谱的所述移位度来直接推导出至少一个该波前失真度。
全文摘要
本发明涉及一光学测距仪，包括，一光传感器、适于转换投射到其上的该图像为一电子图像，一成像系统、用于投射一客体的一图像到该光传感器上，一光学布置、以调制该入射光形成为在该传感器上的该图像，用于提供所述图像的空间光谱的构件和用于基于该图像的散焦度来推导出从该客体到该测距仪的距离的构件，其中该光学布置适于调制入射光以使得相对于焦点对准图像平面的该光传感器上该图像的散焦度导致相对于参考图案的所述图像的空间光谱的移位和其中测距仪包括用于从所述移位度来推导散焦度的构件。
文档编号G01C3/08GK102356298SQ201080010245
公开日2012年2月15日 申请日期2010年1月8日 优先权日2009年1月9日
发明者A·N·西蒙诺夫, M·C·罗姆巴赫 申请人:Asmr控股有限公司