[发明专利]光学测距仪与带有手性光学布置的成像仪器

说明书

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。