CN102356298A - 光学测距仪与带有手性光学布置的成像仪器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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，WO2005/098501和US2008/205872)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

一般术语：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—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。

光学手性和布置—与测距结合的光学手性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。

附图说明

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z＝Ar²α表示的圆形孔径内，其中z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

而且相位函数由下述给出：

图13、15和17表示OTF模量，即MTF，在散焦值分别为

和

时计算的。图14、16和18显示对应的PSFs。这些图分别覆盖空间频率区-2≤ω_x≤2，-2≤ω_y≤2和空间区-7.6≤x≤7.6，-7.6≤y≤7.6，所有变量都是无量纲的。虚线19是水平线并沿着PSF缘(lobes)的转向(shift)方向。从MTF图看出，增加散焦产生了在空间光谱中的线图案的独特的旋转。中央线保持几乎不扭曲而容易检测。相反，PSF是传播变量—其缘沿着线19、相反方向水平移动，并经历衍射和缩放。

图6显示为了成像的手性光学布置的光学响应，在这个例子中，具有相位函数

的抛物线螺旋光学掩膜定义在单元半径的圆形孔径中。图20、23和26表示OTF模量、即MTF，分别在散焦值

和

时计算。绘图21、24和27描绘MTFs的中央水平相交部分。图22、25和28显示对应的PSFs。该MTF和PSF图分别覆盖空间频率区-2≤ω_x≤2，-2≤ω_y≤2，和空间区-7.6≤x≤7.6，-7.6≤y≤7.6，所有变量都是无量纲的。从图MTF和相交区域看出，在散焦的改变导致空间光谱的中央结构的独特旋转，而OTF模量维持正的，即没有零。注意，PSF仅具有一个中心缘，其强度分布很少取决于散焦—该缘直接延长。

图7显示参考图案的产生，在这个例子中，特征图案对应于光学掩膜的固有光谱响应。离开客体29的光(其能够是在例如仪器的工厂校对期间的任意客体或场景)被成像光学元件2通过光学掩膜5投射到光传感器4的图像平面3上。光传感器4转换30被投射光为对应的电子图像31，其通过处理构件32而被转换为空间光谱33。空间光谱33是被形成的参考图案。在这个例子中，客体29是被随机图案照射的平面。

图8显示用于测距和成像的方法。离开客体1的光被成像光学元件2通过光学掩膜5投射到光传感器4的图像平面3上。光传感器4提供30该电子图像34，其被处理构件32转换为空间光谱35。附加的处理构件36评估图像的散焦度37，并接着通过处理38，到客体的距离39以计算。通过处理空间光谱35和用附加处理构件40评估的散焦37，能够得到客体的重建图像41。

图9显示来自带有根据图2设计的光学掩膜的原型光学测距仪的结果。在这个例子中，在光传感器上的图像42描绘关注客体43的焦点对准图像。图像的光谱分解44提供空间光谱45，其包括线46的特征图案，在这个例子中，对齐于例如垂直轴47，其可以认为是参考图案。

图10显示来自带有根据图2设计的光学掩膜的原型光学测距仪的结果。在这个例子中，在光传感器上的图像42描绘关注客体43的散焦图像。图像的光谱分解44提供空间光谱45，其包括线46的特征图案，线46，在这个例子中，相对于垂直轴47以旋转48的程度被缩放和角旋转(由于散焦)。到客体的距离可以使用本文件提供的公式从旋转的程度中计算。注意，线47，在这个例子中，可以认为是参考图案。

图11显示光学测距仪和带有手性光学布置的成像仪器的替换实施例。离开客体1的光被在布局平面内的带有半遮挡孔径51和52的两个间隔开的透镜49和50收集，并被镜53、54、55和分束器56中继到光传感器4的图像平面3上。由光传感器4产生的电信号被进一步由电子处理器7处理。光通道的相对倾斜导致非零有效棱镜恒量A，其与半遮挡孔径51和52结合使得系统布置为手性。

图12显示光学测距仪和带有手性光学布置的成像仪器的替换实施例。离开客体1的光被两个凹面镜57和58反射到光传感器4的图像平面3上。该些镜以距离59而大间距间隔开。由光传感器4产生的电信号由电子处理器7被进一步处理。镜57和58的相对倾斜(优选在正交于光学布局的平面的平面内)使得系统为手性。当间距59比凹面镜57和58的直径大时，这个手性光学布置是提供高灵敏度的最简单的实施例之一。

本发明的范围

本文件公开了用于基本被动(不带有客体的动态照射)、固态(不带有活动部件)的光学测距的仪器和方法，其可适于形成成像仪器或测距仪和成像仪器的组合以实施距离测量和通过光学/数字处理来提供客体的焦点对准成像。本文件描述的测距仪实质上是被动光学测距仪，但能适于通过增加照明/光投射元件来成为动态光学测距仪，照明/光投射元件例如是可视搜索灯、IR灯、各种激光灯、例如照射客体的栅格的特定灯图案的投射器、等等。测距仪没有移动部件，其有利于制造、应用和仪器的生产成本。与本文件描述的附加成像仪器组合，其可以在被动和活动模式中提供客体的对准。

从仪器和方法的说明中大量的应用可以推导出来。多个例子列在下面，但可能的应用不限于所列的例子。本文件所述的仪器和方法允许：第一，在不知道到客体的距离时估计相对于焦点对准图像平面的图像平面内得散焦度；第二，评估从客体到测距仪的距离。所述仪器能适于，第三，从散焦的图像重建焦点对准图像；第四，从图像的对应子区域计算多个子图像的散焦度；第五，从图像的对应子区域重建多个焦点对准子图像；第六，将来自图像的对应多个子区域的多个焦点对准子图像结合进“合成”焦点对准/EDF图像；第七，创建散焦地图，然后是深度地图；第八，通过分析在连贯时间周期内的图像和子图像计算客体的速度和距离；第九，通过分析散焦的本地度数表征入射光的波前和创建波前地图。本领域技术人员可以推断光学掩膜的固有光学响应可以根据光波长，因而，第十，所述仪器可以改进以确定光谱。在各种技术应用中，结合分光计的测距仪是有利的。第十一，本文件所述光学测距仪从原理上可以是个测距仪或成像仪器或其适于涉及波的所有过程的应用的组合，但更直接适用于在光学中的非相干单色波过程。该发明可以直接用于红外和紫外光谱。白炽灯阴极管产生的X-射线根据定义不是相干的也不是单色的，但该方法通过例如晶体单色器的使用而可用于X-射线以产生单色(monochromacity)。对于超声和相干射频率信号(coherent radio frequency signals)，公式可以调整以用于相应系统的相干振幅传递函数。使用多色光，但被分离在准单色光谱元件中。测距仪也可以改动以分析多色通道，通过分割例如光学掩膜的表面为三个部分，一个部分设有红(R)滤光片、一个部分设有蓝(B)滤光片和一个部分设有绿(G)滤光片并结合至少一个具有相应的例如拜尔(Bayer)彩色滤光图案的光传感器。对应于R、B和G波段的图像可以独立分析且测距可以对每个波段分别完成。可替换的，可调光谱选择设备，例如可调彩色滤光片、或衍射光栅，可以适用于选择测距仪的操作光谱。

现有技术

现有发明US2008/0137059和对应文件(A.Greengard等，Opt.Lett.21，181-183，2006，和S.R.P.Pavani和R.Piestun，Opt.Expr.16，3484-3489，2008)，现有发明包括的与所述文件结合，将从此后指为根据US2008/0137059的测距仪。

根据US2008/0137059的被动光学测距仪的概念是基于Schechner(Y.Y.Schechner等，Phys.Rev.E54，R54-R53，1996)和Piestun(R.Piestun等，J.Opt.Soc.Am.A17，294-303，2000)的早期研究，解决包括高斯-拉盖尔(Gauss-Laguerre(GL))模式叠加的光束的传播效应。一般化的自成像条件已经知道，并且关于横向强度分布(其在传播中是不变的)的旋转率的关系作为纵向坐标z的函数已经对于GL模式叠加被推导出来。应该注意的是，US2008/0137059里的理论分析涉及相干照明。根据US2008/0137059的光学测距仪被按这样的方式设计，其振幅(相干)点分散函数h可以表示为GL模式组合而满足旋转的自成像条件，即相应的横向强度分布～|h|²旋转且保持在传播中的不变。在非相干光中，强度PSF，由|h|²给出，以与h的方式类似的方式保持在传播上的旋转。当带有旋转的PSF的光学系统对延展的客体或场景成像，导致的“旋转图像”I是旋转的PSF|h|²和客体图像I₀的卷积、即

应该注意，I₀不预先知道，所以为了估计未知的距离，首先，旋转的PSF必须找出而只有这样距离可以从|h|²对散焦的依赖来计算。这要求旋转的PSF的去卷积，其意味着在I₀上的附加信息需要被提供。在US2008/0137059中这个步骤指“接收一参考图像”而接着“旋转的PSF的去卷积”。因而，根据US2008/0137059的测距要求至少两个图像，或者对客体结构的已知。

本文件的所述发明在设计、实施例和方法上有别于根据US2008/0137059的测距仪，而且多个、但不必是所有的差别在于：

第一，如上所解释的，根据US2008/0137059的测距要求PSF的计算或去卷积，从而，在探测图像I以外，要求为评估旋转的PSF提供一“参考图像”、“校准图像”或者“理论图像”，即I₀。本领域技术人员可以推断，对于这种待创建的图像，精确的结构，例如在客体平面内的强度分布I₀必须知道。因此，在实际上，参考图像必须是客体的图像或从客体的图像推导出，除非客体是点光源，当例如I₀～δ(r)，从而I～|h|²。US2008/0137059描述了一方法以通过停止下来(stopping down)成像系统的孔径来得到附加参考框.。本发明确定从客体的一个图像的距离而不需要任何关于客体结构的假设。散焦度是直接从图像光谱相对于例如参考轴或预先从测距仪的光学布置已知的参考图案的移位度来推导的。

第二，本领域技术人员可以推断，由光学系统的成像可以等效描述于物理域(根据PSF，|h|²，和强度分布I和I₀)和于空间频域(根据OTF，H，和相应的空间光谱

和

)。然而，使用OTF于被动测距显示一关键优势—即，未知的散焦可直接从图像光谱中推导。意味着

和

F是傅立叶转换，为简单起见假设光学系统是等平面(isoplanatic)，成像等式变成

从而，H以预定方式调制图像的空间光谱本发明指定OTF，H，为在图像光谱引入移位(根据散焦)和，可选的，产生特征图案来使这些移位可测。在图像光谱中的移位可以被测量例如通过估计重叠积分

积分运算是覆盖频域(ω_x，ω_y)，而且散焦度可以通过最大化重叠积分η得到。光谱方法的一个重要优势，遵从傅立叶变换理论，是当关注客体横向转向时，

保持不变。这使得OTF为基础的方法适用于移动客体的测距或动态测距。在物理域中的客体转向导致去卷积步骤的明显复杂化。

第三，根据US2008/0137059的旋转的PSF是(引用)“涉及一类传播不变量旋转束，其通过叠加属于沿在高斯-拉盖尔(Gauss-Laguerre)模态平面内的直线的光学模式而获得”。本文件里所述的光学测距既不要求传播不变量旋转束，也不依靠在模态平面内的任何特定限制。如一个例子，本文件的图5显示，对半孔径棱镜光学掩膜的PSF演变计算，其被认为是本文件的光学布置的一个优选实施例之一。从图5明显看出，系统PSFs 14、16和18是传播变化的光分布，其在有散焦的复杂方式中演变：PSF演变包括沿着参考线的PSF缘的水平转向、其衍射和缩放。

第四，现有发明US2008/0137059要求对散焦演变旋转PSF和接着的距离计算。在本文件中，旋转的PSF们是不需要的而且散焦是直接从OTF，H的移位中推导出的。本领域技术人员可以推断，为了具有接近衍射-极限性能的成像系统，即PSF是良好的本地化函数，散焦导致的移位可以非常精确地在频域而非在物理域中确定。例如，本文件的图6显示抛物线螺旋掩膜的空间响应。从图6明显看出，散焦的改变导致该MTF的中央结构的独特的旋转，见20、23和26。与此同时，该PSFs 22、25和28很难显露任何改变除了定向延伸。

第五，US2008/0137059方法包括掩膜，其最大化费舍尔(Fisher)信息，而看到本发明包括手性掩膜，其引入手性。为了预测和优化根据US2008/0137059的旋转的PSF系统的光学响应，复杂的数值分析是需要的，包括多种严重制约，例如在GL平面内的线的周围的波模式的对中(centration)、旋转不变性等。相反，手性掩膜响应易于估计和优化。在很多现实情况中，OTF可以分析地得到。例如，该OTF半孔径棱镜光学掩膜及其对散焦的依赖和棱镜部分的陡度是在本文件的“分析框架”部分中推导出。

第六，遵从文件US2008/0137059，该旋转的PSF系统特征为由旋转PSF传递函数的振幅部分、未用的衍射构件和向侧缘的光散射引起的低光效率。实际上，～1.8％的传递函数效率由于严格的旋转PSF掩膜而实现。在3D旋转PSF响应上的缓解制约最近已经导致产生56.8％的理论效率的新的高效率旋转PSF设计。然而，本领域技术人员可以推断，不具有在3D振幅PSF的相位上和相干传递函数的不连续性上的附加限制的相干光响应的优化导致衍射人造物和光散射。根据US2008/0137059，(引用)“在适当位置的的相奇点是原则上对应于PSF的旋转的”。这从根本上限制了旋转PSF系统的效率。相反，本文件所述的OTF为基础的方法的效率(使用帕斯维尔(Parseval)定理，该效率可以确定为在具有可用特征图案的空间光谱区域内的能量对空间光谱内整个能量的比率)可以达到100％。例如，在低数值孔径(numerical apeture(NA))系统，图像光谱是位于低空间频率并且可以完全被特征图案覆盖。散焦造成图案的移位，但整个图案结构仍然对散焦估值有用。

第七，借由一个例子和公式，本文件描述了，在“分析框架”部分，用于从光传感器检测到的类似模糊的图像得到客体的焦点对准图像的方法，该方法没有对于根据US2008/0137059的测距仪公开。

第八，根据US2008/0137059的测距仪和为了光学测距的方法包括多个光学掩膜和要求远距离客体的多个图像。在本文件中，光学测距可以由客体的仅一个图像来完成而且根本不需要附加的光学部件，即光学掩膜，例如，如图12所示的光学布置包括用于成像的一对凹面镜而且手性效果是由相对倾斜的该些镜引入的。

现有发明US7218448B1描述了用于被动测距的系统和方法，其在关键方面，包括物理原理、设计和实施例，不同于本文件所述的被动光学测距仪。个别、但不必要所有的区别在于：第一，US7218448B1所述的光学布置或掩膜设计(包括带有两个棱镜的线性相位调制)中没有一个是手性光学布置或手性光学掩膜。第二，根据US7218448B1的被动测距(引用)“是通过改动非相干光学系统完成的[......]这个方式使得依赖于零的范围出现在OTF中”或其他文字(引用)“零被加入以对具有在范围上的信息的波前进行编码”。本文件所述的用于光学测距的方法不要求零在OTF中—该OTF可以有不规则结构和不包括零，或良好定义的极小值。例如，图6所示的MTF，交叉部分21、24和27不显示零在光谱范围内。由于零不能通过任何数字后期过滤来移除，这对图像重建有利。与此同时，散焦度可以从该MTF的中央缘的二维移位推导出，通过例如，最大化重叠积分

其中|H|是散焦依赖的MTF而且积分的实施是覆盖光谱域(ω_x，ω_y)。第三，根据US7218448B1的带有场的扩展深度的被动测距，通过结合线性相位调制滤光片、产生单透镜立体图、带有立体相位调制掩膜而获得。在本文件中，测距的扩展深度的达到可以不需要附加部件和相位掩膜，通过使用手性光学布置的定向灵敏度，例如，通过成型光学系统的出射光瞳。可以数学上证明，光瞳的成型，例如由仅两个小的开口来替代一打开的光瞳，可以导致测距仪准确度和范围深度的提升。该方法的唯一缺点是光降低。

现有发明US5521695A及其部分续编US5870179A在物理原理、设计和实施例上不同于本文件所述的被动光学测距仪。个别、但不必全部的差别在：第一，文件US5521695A和US5870179A所述的光学布置或掩膜设计没有一个是手性光学布置或手性掩膜。第二，为了测距和成像，US5521695A和US5870179A要求排名缺陷(rank deficient)成像系统转换矩阵和颜色分离技术。关于成像的排名缺陷(在数学上排名缺陷的一个例子是矢量的分解或投射到基矢的不完整组)意味着结果的图像包括小于客体的信息，因而，客体的图像不能由任何后过滤重建。这可以通过色分离来克服，当预定色带(或波长)被用于测距，而其他色带被用于成像。本发明不要求排名缺陷转换矩阵和/或复杂的色分离技术。而且，在用于成像的手性光学布置的情况下，仅一个探测到的图像需要用于同时测距和图像重建。第三，用于估计到客体的多个点的距离的US5521695A和US5870179A方法依托于范围-编码图像块的分析。在US5521695A和US5870179A的符号中，每个块y_i是对应客体数据u与范围依赖“排名缺陷”PSFH_i的卷积，即

本领域技术人员可以推断，找到一组矢量a_i使得

和

当i≠j，是错置的问题，其可导致例如矢量a_i不仅依赖于到客体的特定部分u的距离，也依赖于客体结构(由于y_i依赖于u)。在本发明中，客体相关人造物限制测距精确度通过附加光学掩膜/光学布置被移除，或算法化地，如本文件所述。第四，遵从说明书，US5521695A和US5870179A使用带有数个分立区域L的采样的PSF(甚至欠采样的(under-sampled)，只要成像系统是排名缺陷的)。这意味着形成的范围-编码的图像块y_i是L加权的PSF值h₀..h_L-1的叠加，而且形成的在y_i的强度分布偏离能够由连续PSF得到的值。这种偏离根本地限制了系统精确性。相反，在本发明，PSF维持连续且系统精确性仅由图像的大小限制。

分析框架

用于光学测距的方法要求至少一个位于光学系统内部或外部的光学掩膜，优选位于出射光瞳的平面内，来调制入射光的相位和振幅。光学掩膜可以设计为单独的部件，或作为光学系统的一部分，或光传感器，或光学系统的任意部件的一部分，例如带有改进的表面的中继透镜。光学掩膜由其振幅和相位函数而完全刻画。在测距仪的最简单实施例中，穿过掩膜后的光由在图像平面的光传感器记录，图像平面由系统设计指定，而且通常不与用于关注的距离范围的光学系统的焦点对准图像平面一致。可替换的，光可以由位于表示图像的空间光谱的平面内的光传感器记录，例如，在US4556950描述的光学处理器的输出平面内，该文件被包括在本文件中作为参考。

考虑到光学掩膜是在出射光瞳的平面内。在笛卡尔(Cartesian)坐标系内，Z轴沿着光学系统的光学轴，并且X和Y轴正交于光学轴且位于出射光瞳的平面内，掩膜的复杂的转换可以表达为：

其中p(x，y)是振幅转换函数而且

是相位函数。需要注意的是，在指定的几何里，根据式(1)的复杂的转换与一般化的光瞳函数一致。

使用减少的坐标(H.H.Hopkins，Proc.Roy.Soc.of London，A231，91-103，1955)和假设由散焦导致的对焦误差达到

不相干光学传递函数(OTF)作为减少的空间频率ω_x和ω_y的函数，|ω_x|，|ω_y|≤2，变成(H.H.Hopkins，Proc.Roy.Soc.of London，A231，91-103，1955)

(2)

这里Ω是在减少的坐标里的光瞳的整个面积

$\mathrm{\Ω}=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|P(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

指定客体的空间光谱为客体强度分布的傅立叶转换

$I_0({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_0(x^{\′},y^{\′})\exp [-i({\mathrm{\ω}}_x{x}^{\′}+{\mathrm{\ω}}_y{y}^{\′})]{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}---\left(4\right)$

其中x′和y′是在客体平面内的横向坐标而I₀(x′，y′)是表征客体的强度分布，图像的光谱(在图像平面)采用这个形式(J.W.Goodman，Introduction to Fourier Optics，McGraw-Hill Co.，Inc.，New York，1996)

因而，图像的空间光谱是客体光谱和具有散焦的光学系统的OTF的乘积。注意，式(5)对等平面(isoplanatic)成像，或者，等同地，带有空间不变量光学系统的成像是有效的。注意，等平面成像的效果可以类似地根据各向异性平面(anisoplanatic)传递函数(ATF)来描述。

对焦误差

可以表示如下，例如

其中D是出射光瞳的直径；λ是波长；f是后焦距；z₀是从客体到光学系统的第一主平面的未知的推理距离；z_i是在第二主平面和图像平面之间的距离。

复合函数P(x，y)需要被选择以使得图像光谱I_i(ω_x，ω_y)、由式(5)给出，转换散焦变化为可测的光谱特征的移位。该光谱特征，或光谱的特征图案，需要易于探测且允许来自这些移位的对焦误差

的不明确的定量测定。侧向转向、旋转和缩放是可能的光谱特征的移位。包括侧向转向、旋转和缩放的组合的复合移位也是可接受的，只要他们允许散焦的定量测定无关地客体的空间光谱I₀(ω_x，ω_y)。

为了得到由对焦误差造成的可测的移位和产生在图像的空间光谱内的特征图案，相位函数可以被选为、至少部分地、手性棱镜函数。振幅函数p(x，y)，在这种情况下，需要调整以适于产生在图像的空间光谱内的分立的典型特征，其特征允许在图像的空间光谱内的移位的模糊的和定量的特征。然而，不是p(x，y)和

的所有组合都适于该目的。例如，对于

$p(x,y)=\left\{\begin{array}{c}1,x^2+y^2\≤1\\ 0,x^2+y^2>1\end{array}\right.---\left(7\right)$

和

其中A是恒量，光学掩膜的固有光谱响应定义为

且仅包括旋转对称的典型特征，其特征不旋转也不对于

转向。

对

和p(x，y)的大多数组合而言，关于的分析的表达、由式(2)给出，不能明确地发现。与此同时，数值模拟可以实施以预测由散焦导致的光谱移位。可替换的，具有适当设计的掩膜的完全组装的光学系统可以与一组位于离测距仪不同距离的位置的客体来校准。由于一慎重(discreet)组的实验记录的移位度数对应于一慎重组的距离，中间距离可以通过例如插值校准数据来评估。

对焦误差

的定量测定要求图像的空间光谱和指定于任何事先已知的散焦的参考图案的比较。为了说明的目的，特征图案、这里定义为OTF模数且预估在

用于下述内容。在这种情况下，移位度通过比较|H(ω_x，ω_y，0)|和|I_i(ω_x，ω_y)|可以得到。散焦度通过比较

和|I_i(ω_x，ω_y)|来估值，其中

被调整以得到在

和|I_i(ω_x，ω_y)|之间的最接近匹配。在很多情况下、但不是总是这样，在

和|I_i(ω_x，ω_y)|之间的最优匹配可以通过例如最大化重叠积分得到

其中积分是覆盖有用光谱域。

的最大值在

与未知散焦一致时达到。更复杂的比较方法可以使用，例如，基于矩分析，傅立叶转换(在光学掩膜的固有空间响应是周期函数的情况下)，圆谐相关性(见J.W.Goodman，Introduction toFourier Optics，McGraw-Hill Co.，Inc.，New York，1996)等等。

一旦对焦误差

被发现，客体的焦点对准图像，或等同地，客体的光谱，可以被计算。例如，使用式(5)，最简单的反演方法虽然要求大的信噪(signal-to-noise)溢价(premium)，导致如下的客体光谱(J.W.Goodman，Introduction to Fourier Optics，McGraw-Hill Co.，Inc.，New York，1996)

其中恒量ε^-1，通过类推于最小二乘方差滤波器(least-mean-square-error filter)(维纳滤波器(Wiener filter))，表示信噪比。客体的焦点对准图像接着由反演傅立叶转换计算。

光学布置、或可替换的，带有手性结构的光学掩膜，其不引入零到空间光谱的相对大的域中，对成像应用是非常有用的。光学掩膜的一个例子，其容许对焦误差的测定和有助于图像重建，是抛物线手性光学掩膜，其由相位函数定义(在出射光瞳平面内)

其中掩膜的

限定在原点在出射光瞳中央的极坐标(r，α)内。可以看出，在小的空间频率

OTF变为

其中(ω_r，ω_α)是在极坐标内的空间频率，和ω_α＝arctan(ω_y/ω_x)。因此，从式(12)明显看出，OTF的中央缘线性相对于散焦

旋转。这个效果通过图6中的MTFs显示。该OTF

在ω_r的宽域(A越高，该域越宽)中没有零，因而，

可以在不需要在空间频率的宽域中过多的噪音放大的情况下被反演。客体的图像可以通过例如式(10)得到。在A→∞，

时是没有价值的，而且光学系统变为对散焦不敏感。

例子：带有半孔径棱镜光学掩膜的仪器

带有半孔径棱镜部件的矩形孔径是光学掩膜的最简单的实施之一，其首先，在图像光谱中产生独特的特征，其二，使光谱特征的位置和大小在一定程度上依赖于散焦。掩膜的振幅函数由此给出

而且相位函数指定为

很明显，根据式(14)的

是手性函数。

为简单起见假设|ω_x|≤1和|ω_y|≤2，根据式(2)的积分以及由式(13，14)限定的掩膜，导致了OTF，其可以以三项的组合表示

来自：(I)两个平面的半孔径的交叉点

(II)平面和棱镜半孔径的交叉点

和(III)两个棱镜半孔径的交叉点

在将式(16-18)带入式(15)之后，带有半孔径棱镜掩膜的光学系统的散焦的OTF采用这个形式

其中实系数a和b是

遵从式(19)，OTF包括周期性结构，所述线的图案，其结构完全不依赖于客体结构，而是对散焦敏感。这种周期性结构可以被视为在很大程度上通过

和

的“干涉”而被创造的线的图案。注意，在

和A→0，该OTF简化为

其是带有方形光瞳的衍射极限(diffraction-limited)系统.的OTF。

在式(19)中的余弦项的相位是由空间频率ω_x和ω_y的线性函数表示的

引入极坐标(ω_r，ω_α)根据

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x={\mathrm{\ω}}_r\cos {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}},\\ {\mathrm{\ω}}_y={\mathrm{\ω}}_r\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}},\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_x^2+{\mathrm{\ω}}_y^2},\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}=\arctan ({\mathrm{\ω}}_y/{\mathrm{\ω}}_x),\end{array}\right.---\left(24\right)$

式(23)可以重写为

其中

正交于线图案的角。

从式(25)，因此，该线图案以角ω_α＝-π/2+β关于原点(ω_α＜0当A＞0和

)被旋转。在ω_α＝β，该线图案结构的空间周期T达到它的最小值

因此，图案取向由角指定

和由式(26)给出的它的空间周期，以已知方式关于对焦误差

变化。

根据式(19)，我们有

和由式(9)给出的叠加积分

可以表示为傅立叶积分

其可以通过快速傅立叶变换(FFT)方法很容易地计算。

如果我们替换|I_i(ω_x，ω_y)|为|I_i(ω_x，ω_y)|²而且注意

式(28)可以进一步简化。引入

散焦方向和v＝A棱镜陡度方向，和使用傅立叶变换定义，例如式(4)，新的叠加积分η′(u，v)采用这个形式

η′(u，v)＝Re{∫∫|I_i(ω_x，ω_y)|²×exp[i(uω_x+vω_y)]dω_xω_y}＝∫∫I_i(x+u/2，y+v/2)I_i(x-u/2，y-v/2)dxdy                       (29)

根据定义，其是图像自相关函数(aotocorrelation function)。通过相对于

地最大化η′(u，v)，未知的散焦度

可以知道。注意，η′(u，v)是对称函数，η′(-u，-v)＝η′(u，v)，其导致两个最大值，或两个自相关缘，相对根据式(13，14)的掩膜而言。式(29)是优选的，当棱镜陡度v＝A不是精确定义时。在这个情况下，在最大化之前，函数η′(u，v)可以在v上平均。可替换的方法是使一个自相关缘适配于，例如，一椭圆抛物面(具有分立的最大值)。接着，通过实施最小二乘方差方法，最大值的坐标可以确定，因而，未知的散焦

和陡度A可以知道。这个方法已经在测距仪原型里成功地实施了。

本发明

本发明描述一种光学测距仪包括调整以适于投射图像和适于调制至少一个客体的光束到光传感器的成像系统，光传感器例如CCD传感器，该传感器被调整以适于转换投射到其上的图像为对应的电子图像或，可替换的，耦合于该传感器的独立的处理构件以完成所述图像转换步骤。本发明也包括光谱处理构件以被调整以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以被调整以适于基于图像的散焦度来推导从客体到测距仪的距离。该成像系统包括至少一个光学布置，位于成像光学的光路里，以调制光束而使得在相对于焦点对准图像平面的图像平面里的至少一个客体的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。另外的处理构件从相对于该参考图案的空间光谱的所述移位度直接推导出在相对于焦点对准图像平面的图像平面里的客体的图像的散焦度。该参考图案(也见于术语和定义部分)是在空间光谱域的图案，其可以用作参考刻度来测量由散焦导致的该图像光谱的该移位度。术语直接推导指该图像光谱与例如，一单独的线，或一线的栅格、或多条线的图案的直接比较，而不必另外的处理步骤例如，例如，去卷积。

处理构件执行投射到该光传感器上的该图像到数字图像的转化，数字图像通过合适的数字处理器、例如个人电脑而可以被数字处理、存储、或显示。处理构件也执行图像的光谱分解。光谱分解可以通过数字算法从数字图像，或可替换的，直接由光学处理器从在图像平面内的图像而完成，该光学处理器在US4556950中描述。处理构件也提供散焦度到距离的转化，例如，通过根据式(6)的计算。

附加的处理构件特别为了本文件所述的发明执行新颖的任务且使其适应于从相对于所示的参考图像的所述空间光谱的移位来提供在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，例如，通过光学掩膜的固有光谱光学响应，其是事先已知的。附加的处理构件可以包括光学机械组件以估计散焦度，通过观察者的目视估计，或更可能的，一电子处理构件和对应的软件来自动估计散焦度。

本文件所述的所有处理步骤可以被实施，通过使用光学机械方法由，例如，一组光学部件和机械的滑动或旋转刻度和观察者的目视观察。例如，用于从散焦计算距离的处理步骤可以由传统的计算规则完成。可替换的，所述处理可以是电子化的，通过数字或模拟电子构件，例如估计在预定的参考图像和图像光谱作为移位参数的函数之间的叠加积分、或交叉相关。明显地，所述计算、处理和估计当然可以，在近代，最好由数字电子构件提供。仅当远距离客体的空间结构是事先知道的或可以描述为一组简单的几何形式，散焦度可以从在光传感器上的图像的移位度来直接估计。例如，由式(13，14)限定的半透镜掩膜导致在图像平面内的远距离客体的“双重”图像。介于客体图像之间的间距及其相关旋转取决于棱镜掩膜的陡度A和散焦

因而，未知散焦可以从旋转度来计算，例如，式(27)限定的大量图像的中心。更一般的，式(29)容许通过最大化在散焦方向上的图像自相关函数来进行散焦的估计(对于任何远距离客体)。图像自相关，反过来，可以被直接计算，或通过例如，FFT方法或包括图像的数字和硬件处理的其他方法。处理步骤可以包括单独的处理构件(例如专用电子处理器)或所有可以结合进单独的处理构件(一个处理器)中的处理步骤。本文件进一步说明的计算的非反复性(non-interative nature)容许高速处理，其对客体的距离测量和速度以及高速移动的客体的成像是很重要的。

在光传感器上的图像的空间光谱可以通过电子图像的离散傅立叶变换得到。图像光谱与例如由例如MTF的特征图案表示的参考图案的比较，可以通过例如计算这些光谱的叠加积分来得到。叠加积分的最大化产生相对移位的估值，其移位可以转化为散焦，而通过根据式(6)重计算，或如例如Nayar(Nayar等，Proc.of Fifth Intl.Conf.on Computer Vision，995-1001，Cambrige，MA，USA，1995)所述，从测距仪到客体的距离可以被估计。

本领域技术人员可能注意到，图像的空间光谱取决于客体的空间结构和光学系统的光谱响应。由客体空间结构(例如空间周期性)造成的图像光谱里的强的人造物(artifacts)可能会妨碍在图像的空间光谱中的移位的探测和估值，因而，恶化测距仪的准确度。为了摆脱在空间光谱内的客体相关的特征，附加的光学掩膜可以与主光学掩膜组合。该附加的掩膜应该设计有规则或随机的相位和/或振幅结构以均匀化在整个光谱带上的客体相关的光谱特征。其他光学部件，例如，凹的反射光导，和光学机械布置，例如，为了轴向旋转整个测距仪，可以用于抹去图像相关的光谱特征。可替换的，图像光谱的算法后处理可以用于减小图像人造物的效应。例如，假设在关注的

和

(见式20，21)的光谱范围内，从式(19)，得到其中A是已知的棱镜恒量，q是整数，-N≤q≤N，N＝[Aω_max/(4π)]和ω_max是最大空间频率。使用式(5)，我们引入“合成”光谱函数

当N＞＞1时，式(30)中的最后一项稍微取决于ω_y而在

中不产生显著的客体相关的人造物。

所述光学布置可以，例如，包括至少一个手性光学布置以适于提供取决于图像的散焦度的空间光谱的移位度。这种手性光学布置可以包括，例如，至少一个手性光学掩膜，掩膜可以包括至少一个手性光学表面。可替换的，手性光学布置可以包括任何光学组件以使光学系统为手性。

光学掩膜，在最基本的实施例中，如本文件所阐述的，是传统的透明折射光学部件，通常，带有多个离散的或连续的子区域。然而，所述光学掩膜可以推导出所述功能性，从传播/折射(例如透明棱镜光学器件，很可能从玻璃或透明聚合物制造)中，也从反射(例如是特定棱镜形状的镜的光学掩膜)、周期性相位和振幅结构(例如是实现特定棱镜形状的相位和振幅光栅的掩膜)、全息图和衍射光学部件和其他光学实施例，全息图包括电脑合成全息图，例如，为了特定应用以提供带有仅一个振幅掩膜的手性效应的迂回电脑合成(detourcomputer generated)光学全息图，其他光学实施例包括GRIN型光学器件，其具有此处描述的各种功能。

光学掩膜可以用分别描述被传送的光的强度和相位调制的对应的振幅和相位函数来限定。光学掩膜必须这样设计以使得振幅函数与相位函数结合来提供光学系统的非均匀光谱响应，例如MTF，优选带有高度突出的特征。进一步，非均匀光谱响应的构造和空间结构需要以已知的方式取决于散焦度。

上述手性光学布置引起接近光传感器的光束的手性调制。手性调制，反过来，可以造成定向灵敏度，或可替换的，定向分辨率，其是沿着优选轴的提高的灵敏度结合沿着相反轴的降低的灵敏度，因而，手性布置可以这样设计以使得灵敏度可以明显超过沿着至少一个轴的衍射极限。定向灵敏度也容许扩展测距仪的动态范围，例如，通过在正交于测量方向的方向上缩小系统孔径。例如，实验显示，带有根据式(13，14)的光学掩膜的光学系统中，附加的沿着X轴的狭缝光阑(slit diaphragm)显著地增大了距离测量的范围和改善了测量的灵敏度。

光学掩膜的一个例子：手性光学部件

光学掩膜的相位函数可以选来提供光的手性调制。这个效果可以由具有例如手性折射表面的掩膜来实现，该表面可以是分立的台阶，例如棱镜手性布置(例如，如图2-3所示)，或者是连续的，例如抛物线手性布置(例如，图4所示)，如本文件所述和所示。

手性表面通常是复杂的设计。然而，在本文件中，具有手性功能性的简单的离散掩膜设计是为了测距而设计，其包括仅覆盖掩膜孔径的一部分的棱镜折射表面。这种设计可以自然地一般化为多个棱镜表面的情形，棱镜表面覆盖整个掩膜孔径，或仅其一部分。

带有手性棱镜表面的光学掩膜的一个例子是方形孔径掩膜，其带有覆盖孔径的一半的棱镜(边缘沿着掩膜的一侧)和覆盖掩膜的另一半的平面。另一个例子是带有矩形形状和由螺旋表面表征的光学表面的掩膜。

需要注意的是，手性棱镜表面的角的陡度(在文本中，相对于极角的偏导数)可以取决于所述表面的应用和规格来变化，例如所述陡度可以是线性或非线性函数。类似的，径向陡度(相对于半径的偏导数)的设计可以很大程度上取决于附加要求，例如，掩膜可能包括附加球形表面来改变成像系统的焦距。通常，一个光学掩膜可以包括任何数量的这种表面以表征手性棱镜表面的任何组合，但至少一个具有非零(non zero)角陡度(angular steepness)。

本领域技术人员可以推断，手性棱镜表面可以由多种方式提供，例如仅有一部分被棱镜覆盖的孔径、仅有一部分被抛物或球形表面的组合覆盖的孔径，其组合起来可能造成棱镜效应(例如，两个抛物表面侧向转变产生可变的倾斜)还有，两个棱镜、背靠背设置且以固定的角度旋转，可以提供取决于旋转角度的可变的棱镜，其可变的棱镜也可以覆盖部分孔径和产生手性棱镜表面。明显的，手性表面可以由多种组件和构造获得，而且组件或构造的选择依赖于完整的测距仪的设计。各种空间相位调制器(例如，液晶基础的设备)或变形镜(deformable mirrors)可以直接施用来产生手性相位调制。从实际的角度看，标准光学部件的使用以实现手性功能性是最受关注的，由于其极大地简化了这种组件的制作。

需要注意的是，彩色/光谱滤波器可以被包括进掩膜设计中。这种滤波器的应用允许连串成像和图像的预估，基于他们的波长，或可替换的，波长范围。彩色图像可以被探测到，例如，通过带有拜耳(Bayer)彩色滤波图案的光传感器。

上述棱镜(手性)光学掩膜揭露了定向灵敏度。这意味着，例如，根据式(13，14)的光学掩膜允许探测一维散焦，其表示为(在出射光瞳的平面内(其中

是对焦误差，而且X轴正交于光学掩膜的棱镜的和平面的区域之间边界。定向灵敏度的应用包括客体形状的遥控感应和从场景中一组客体中的单独客体的选择。

上述定向灵敏度允许测距仪准确度的进一步提高，通过调整在正交于感应方向的方向上的掩膜的相位和振幅函数。例如，通过增加立方项γy³到由式(14)给出的相位函数

中，其中γ是恒量，可替换的以及优选的，通过在沿着Y轴的方向减小光学系统的孔径，特征图案(线图案)变成更显著而且甚至分布覆盖空间频域(ω_x，ω_y)。这可能极大地助于在图像光谱内的移位的精确测定，因而，提高准确度，和明显增加测距仪的动态范围。

手性光学布置和手性光学掩膜可以应用于超分辨率成像，即成像提供的光学分辨率超过对于给定光学系统的衍射极限分辨率。在带有手性掩膜的光学系统内获得的光谱特征的范围和对比度可以仅仅稍微地取决于入射光的相位失真，例如散焦。例如，由于由式(13，14)限定的光学掩膜，当对焦误差增加时，线图案旋转，但线的长度几乎维持不变。这意味着沿着线图案的空间光谱并不随着增加的散焦而退化，而且在该方向的光学分辨率仍然不被散焦误差影响。

可替换的，光学布置可以是，例如，至少两个独立的光学通道的组合、每个光学通道投射客体的图像到相同的光传感器上。独立通道的组合可以是手性光学布置并适于提供手性调制。这种布置可以包括，例如，至少两个独立的且很大程度上完全相同的光学通道的组合投射相同的图像到光传感器上，该组合是适于提供与图像的散焦度相关的空间光谱的移位度，通过，例如，在至少一个通道相对于至少一个的另一个通道引入倾斜，通过例如倾斜光学部件，例如倾斜光学镜。

需要注意的是，绝对的散焦误差的测量的精确度基本上限制于主光学器件的入口孔径和从主光学器件到关注的客体的距离(见，例如，C.J.R.Sheppard，J.Microsc.149，73-75，1988)。更高的精确度要求更大的孔径，或更严格的地，更大的数值孔径，其可以通过结合来自多个相对小的孔径的光信号的组合得到，多个相对小的孔径在正交于光轴的方向上相距甚远。在这种情况下，理论焦深(depth of focus)，即轴向分辨率，可以最后达到具有等于入口子孔径之间的最大距离的孔径大小的光学系统的分辨率。通过结合具有均等的/被调整的光路的多个独立的光学通道的输出，这种大的孔径能够有效获得。例如，具有两个光学通道的双目系统可以适于提供一个客体的在一个光传感器上的一单独图像。本领域技术人员可以推断，来自双目的两个通道的光信号能够被结合在单独的光传感器上，通过例如包括所述镜(mirrors)和分束器(beam-splitters)的光学布置，例如在图11中所示。光的手性相位调制可以通过位于双目的每个通道中的额外的相位掩膜被得到，或可替换的，通过一个通道相对于另一个通道的相对错位(倾斜)。这种错位决定了造成的手性效应的有效棱镜恒量A，见式(14)。另一个例子，对于长距离测量很重要，是包括两个相距甚远的凹面镜的系统，凹面镜聚焦从远距离的客体的光到光传感器上。在这个例子中，手性效应可以通过一个镜相对于另一个镜的倾斜得到，例如如图12所示。

带有数个独立的和错位的通道或者接收孔径光学布置，具有多个优势：第一，在特征图案取向上的测距仪的灵敏度，例如见式(27)，可以通过改变所述光学通道的错位度而容易地调整，错位例如是倾斜。第二，成像的衍射极限质量对于每个小的孔径通道可以通过在通道间的错位的相互关联容易地实现。第三，客体的测距可以与客体的随后的成像结合，即当A＝0。

图像的空间光谱的移位，或可替换的，图像的空间光谱的组分，可以用初等几何变换来描述，即初等移位，包括空间光谱的旋转、缩放和变向，或空间光谱的组分。空间光谱的移位也包括所述初等移位和此处未提及的其他类型的移位的组合。初等移位的组合和类型及其对散焦度的依赖是事先已知的，且被光学布置或掩膜设计规定。

空间光谱的旋转，通常是对于具有手性光学布置的成像系统的移位的主导类型，一般能够由特征图案的旋转表征。然而，在大多数情况下，旋转伴随着其他初等移位。例如，对于根据式(13，14)的光学掩膜，特征图案是多条线的图案，其刻度式(26)和旋转式(27)，沿着散焦

光学布置应该被调整，使得其提供至少一个特征图案在空间光谱内以允许空间光谱的所述移位的探测和估值。这种图案可以是，但不限于，多条线的图案。光学布置，或可替换的，光学掩膜，产生至少一个可测特征在图像光谱里，该特征不依赖于客体光谱而且允许对参考图案的移位量(与散焦相关联)的确定。

参考图案也可以是，例如，特征图案，如本文件所述，该特征图案是从光学布置或光学掩膜的固有光谱响应得到的，该特征图案是带有光学掩膜的成像系统的光谱响应，例如，在没有散焦时获得的MTF。当光学掩膜的振幅函数和相位函数是事先知道的，由光学掩膜的固有光谱响应表示的特征图案可以事先分析性地或数字性地计算。参考图案的更优选择是系统模量OTF，即MTF，用光学掩膜的振幅和相位函数计算。当固有光谱响应不能分析性地或数字性计算的情况下，特征图案可以在例如仪器的工厂校准期间产生，使用位于例如光学耦合于光传感器平面的平面内的客体并产生零散焦。图7显示固有光谱响应的产生的产生。更一般的，由不同参考客体得到的一组参考光谱可以用于散焦估计。

特征图案可以是多条线的图案。这样，多条线的周期性、图案，由式(19)限定，是特征图案的一个例子，由具有手性棱镜部件的光学掩膜造成，例如是根据式(13，14)的半孔径棱镜光学掩膜。多条线的图案证明适于对光谱分析的高分辨率测量。明显的，例如一独特的组的线的移位可以被探测和相对于模糊的和/或无特色的特征图案的移位更高准确度地估值。

需要注意的是，棱镜光学掩膜的光谱响应，例如见式(19)，可以通过在物理域中实施狭缝的适当构造来额外筛选出。这种额外的筛选导致，第一，在图像光谱中的客体相关人造物的减少，和第二，其可能极大简化光传感器的结构。

光学测距仪可以适于提供来自客体的图像的对应子图像的至少两个子图像的散焦度数。有了对应于在复杂场景中的多客体的子图像的散焦的信息，或者可替换的，单独扩展客体可以被分析，以使得，例如，光学测距仪可以提供散焦地图，包括对每个子图像独立的散焦度和，随后提供深度地图，包括从客体的多个子部分独立地到测距仪的距离。

另外，光学测距仪也可以适于提供波前地图，其中，波前是从对应于所述子图像的散焦度数来创建的。连续波前地图的创建可以类比于为了夏客-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器而开发的波前创建方法来执行。

静态和动态散焦地图、深度地图和波前地图对于军事和家庭安全应用的重要性的相对新颖的辅助，是由于对光学的、且通常是被动的探测的额外的选项的原因，探测是关于运动和客体速度与关于在波前特征上的改变的探测。

由于入射信号的振幅(从对于每个子图像的光强度来重建)和相位(从所述子图像的散焦度数来确定)二者可以由光学测距仪独立测量，孔径合成技术，例如R.Burgmann，P.A.Rosen，E.J.Fielding，Synthetic aperture radar interferometry tomeasure Eeath’s surface topograph and its deformation，Annual Review of Earth andPlanetary Sciences 28，169-209，2000，变成适于提高仪器的有效基底(或基线，在雷达天文学)。在这个例子中的测距仪的空间分辨率可能与具有在大小上等于基底的孔径的设备的分辨率一致。

上述光学测距仪和成像仪器的多种组合可以被设计。例如，成像仪器的对焦构件耦合于测距仪以助于成像仪器的对焦。然而，最简单的途径是调整测距仪以提供客体图像和使用在同样仪器内的散焦/距离数据以改正散焦。因而，至少一个客体的至少一个焦点对准图像可以用这样的仪器从由光传感器提供的客体的图像来重建。还有，组合大量的本发明的方面，客体的位置或轨迹或路线被定量，使得这种仪器适于很多防御和家庭安全应用，以及各种消费者、技术和医学应用。

图像重建器可以设计包括如本文件所述的光学测距仪的一特定实施例，以提供至少一个焦点对准的客体图像，其焦点对准图像是从通常来说的在图像平面内的散焦的/模糊的图像的空间光谱来重建的。

图像重建器的光学布置应该优选包括，例如，至少一个用于成像的手性光学布置，该布置适于提供在对焦误差的特定范围内和在至少一个光谱区域中无零值的图像光谱，该光谱区域通常位于空间光谱的零区域的附近。本领域技术人员可以推断，图像的空间光谱内的零(zeros)不能被任何数字后过滤(postfiltering)移除。

这种布置可以包括任何手性光学布置，例如，手性掩膜或由独立光学通道提供的手性。为了成像，抛物手性光学布置是最优选的，该布置可以是，例如，抛物手性光学掩膜，或可替换的布置包括带有抛物螺旋轮廓的表面。优选布置的一个是在光学系统的出射光瞳的光学掩膜以根据

提供手性相位调制，其中r是径向坐标而且α是在横向平面内的极角，A是陡度参数。图6显示这种抛物手性光学掩膜的光学响应。

相位多样性仪器可以被创建，该仪器结合本文件所述的光学测距仪并具有用于已知散焦多样性或相对散焦的多图像的同时处理的构件和措施。这种相位多样性仪器的一个实施例是适于提供焦点对准图像的图像重建器。这种相位多样性仪器的可替换实施例是适于提供距离估值的测距仪。

相位多样性仪器处理客体的多个图像，该图像具有已知的介于图像平面间的散焦多样性，且可以同时被处理来评估位置的距离和/或重建该客体的该焦点对准图像，允许提高的测距准确度和提高的图像重建质量，这是因为客体相关特征可以被数学性地排除在考虑外。处理机制的一个例子可以包括如下步骤，也见A.N.Simonov和M.C.Rombach，Otp.Lett.34，2111-2113，2009：第一，N个散焦的多样化图像(defocus diverse images)的探测及其空间光谱的计算

其中p＝1...N而且通过类比于式(5)，

其中

是未知的对焦误差但的差是预先已知的。为了分析的简化起见，我们可以指定

其中

是用本文件所述的方法找到的散焦的最佳估值，是在

的不准确度，而且

是已知的多样性散焦。第二，生成函数Ψ作为线性组合的创建满足

其中系数A_p应该这样选择使得Ψ不取决于

图像重建通过，例如，最小二乘方差法

$I_0({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y)=\frac{B_0^{*}}{{\left|B_0\right|}^2+\mathrm{\ϵ}}\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_p{I}_i^{\left(p\right)}({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y)---\left(33\right)$

其中ε^-1是信噪比.(4)散焦的校正通过估计

来估值

使用一额外的生成函数Ψ′满足

通过结合式(31)、(34)，散焦校正可以被得到

(5)根据式(35)的估值可以被重复直到在的特定的精确度被达到。需要注意的是，相位多样性原理也可以用于测距，例如，仅用于提供扩展的动态范围以使仪器运行。

对于图像重建有大量的选项。图像可以完全或部分散焦，但，取决于所述散焦度，至少一个可识别图像被提供。虽然该图像通常是低质量的，但仍然有用，例如，用于目标参考。然而，如果散焦度被发现，记录的图像可以被至少部分地校正，通过重建算法的办法，例如，最小二乘方差反转滤波器(J.W.Goodman，Introduction to Fourier Optics，McGraw-Hill Co.，Inc.，New York，1996)。更复杂的图像重建算法，其要求更低的信噪优惠(premium)，也可以使用。类似的，使用类似的处理方法光学掩膜的存在导致的图像失真也可以被校正。在这种情况下，掩膜的相位和振幅函数要求是事先已知的。上述方法可以扩展以包括另外的方法和处理步骤以适于提供图像重建。这种方法，例如，提供至少一个客体的至少一个焦点对准图像的重建。类似于前述内容，该方法也可以扩展以提供从客体的至少一个图像的相应的多个子区域的多个子图像的重建，数字图像重建领域的技术人员能够推断，具有模糊图像(或其空间光谱)和知晓相对于焦点对准图像平面的散焦度，焦点对准图像可以被重建。实际上，重建质量主要取决于光学器件的质量(即，畸变和空间带宽)、光传感器的空间分辨率和动态范围。另外，方法可适于从至少一个客体的相应的散焦子图像得到焦点对准子图像。而且，大数量的这种从相应的散焦子图像得到的焦点对准子图像可以结合入客体的最终焦点对准图像。三维清晰的图像，或可替换的，EDF图像，也因而可以被创建。

明显的，传统的成像选项也可以被创建，通过例如，机械移动静态光掩膜出光路，或改变可变掩膜的光学形状为例如平面掩膜，可变掩膜的提供例如通过液晶屏幕或自适应镜，其将测距仪转化为传统型摄像成像系统。

需要注意的是，光学测距仪的一个实施例可以适于光路指示仪(pathfinder)以提供至少一个光学的估计，例如所述光路的长度或其他特征，但这种光路指示仪仅可以在客体和测距仪的距离预先已知或事先已知时运行。这个测距仪的有些非正常的应用。光路是物理距离和光穿过其中的媒介物的折射系数的结合。当距离维持恒定时，光路可以改变，例如，由于媒介物的折射系数的变化，如果媒介物是空气，由于，例如，空气压力、湿度等等。测距仪也可以适于测量大气扰动和动荡、风速和甚至可测量空气里的声音，作为被动光学麦克风，且适于测量在液体中的等同现象。

所述光路也可以用于确定多个子图像，其信息可以接着结合到光路地图中。这种光路地图允许所述扰动或其他现象的全估计。光路地图的观念是新颖的。

前述光学测距仪可以适于提供模态波前检测，因而，成为模态波前传感器。本领域技术人员会推断，本文件的前述观念可以扩展到类似的任何选择失真，通过本文件所公开的公式和数学观念来调整和推导。由于实际的测距应用前述光学测距仪提供了散焦度数，但除了散焦的失真也可以用很大程度上相似于所述光学测距仪的仪器来确定。明显的，光学布置必须适于所述特定的其他失真。例如，在泽尼克(Zernike)模型表述中，圆形的光学掩膜具有相位函数

其中A是相位函数的陡度，导致缩放和OTF的旋转，其响应于波前的像散(astigmatic)失真

这种模态波前传感器可以创建为包括：一成像系统，其包括至少一个光学布置以调制至少一个入射光束来透射至少一个客体的至少一个图像到光传感器上，和至少一个处理构件，其包括转换图像为相应的电子图像的构件，适于通过光谱分解提供图像的空间光谱的构件，其中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至少一个相对于参考图案的图像的空间光谱的移位，该图案可以是特征图案，例如，光学布置的已知的固有光谱响应，和附加的处理构件，其适于从相对于参考图案的空间光谱的所述移位度来直接推导至少一个波前失真度。

用于测距和波前感应的方法

用于光学测距的方法包括下述的程序和处理步骤，这些程序和步骤不必限于此：至少一个客体的一个图像到光传感器的投射、通过光学布置入射光束的例如是手性调制的调制、处理以转换图像为相应的电子图像，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从客体到测距仪的距离，和调制以调整入射光束使得在相对于焦点对准图像平面的图像平面内的至少一个客体的图像的散焦导致参考图案的图像的空间光谱的移位，和额外的处理从相对于参考图案的空间光谱的所述移位度直接推导出在相对于焦点对准平面的图像平面内的客体的图像的散焦度。用于光学测距的方法可以被调制以使得所述光束的调制是手性调制。另外，用于光学测距的方法可以被调制以使其提供至少一个特征图案于空间光谱中以允许所述移位的探测。这种图案可以是，但不限于，多条线的图案。特征图案可以是，例如，预先已知的光学布置的固有光谱响应。

还有，用于图像重建的方法从图像的空间光谱中提供客体的至少一个焦点对准图像的重建。对于这种重建的细节涉及图像重建器的描述和在本文件的其他地方。

用于光学测距的方法可以适于测量光路，例如光路的距离，一旦介于客体和测距仪之间的距离被预先精确地知道。本领域技术人员可以推断，光路结合，例如，物理距离和由于光穿越其中的媒介物的折射系数。

上述用于光学测距的方法提供散焦度。本领域技术人员也会推断，除了散焦外，失真，可以有很大程度上相似于上述测距的方法来确定，导致模态波前传感。其他失真可以由包含适于所述特定的其他失真的光学布置来确定。这种用于模态波前传感的方法可以包括：在光传感器上的至少一个客体的一个图像的投射、入射光束的被光学布置的调制、转换图像为相应的电子图像的处理、由光谱分解提供图像的空间光谱，和调制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图像的空间光谱的至少一个移位，该参考图案可以，例如，相应于光学布置的固有已知光谱响应，和附加的处理从相对于参考图案的空间光谱的所述移位度直接推导出至少一个波前失真度。

Claims (31)

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26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26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。

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