專利名稱：光學(xué)測(cè)距儀與帶有手性光學(xué)布置的成像儀器的制作方法
光學(xué)測(cè)距儀與帶有手性光學(xué)布置的成像儀器引言測(cè)距，包括被動(dòng)測(cè)距，是對(duì)從觀察者或觀察設(shè)備到關(guān)注的一個(gè)或多個(gè)客體的距離或擴(kuò)展場(chǎng)景的估計(jì)，對(duì)消費(fèi)者、軍事、技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用具有重要性?；趲缀畏椒?、即操作如角測(cè)量設(shè)備的光學(xué)測(cè)距儀從十九世紀(jì)起一直在使用。在視距系統(tǒng)中，一旦客體的尺寸事先知道，距離是由客體的角大小計(jì)算，或者，可替換的，推導(dǎo)出的(例如，如在從1799年的早期現(xiàn)有技術(shù)文件2，289所公開(kāi)的)，而在視差/ 一致測(cè)距儀中，距離是從同一客體的多個(gè)圖像的視差來(lái)評(píng)估的。這些設(shè)備本身是被動(dòng)的，且他們的精度被角度測(cè)量精度限制。被動(dòng)三角法也用于現(xiàn)代攝像機(jī)中(例如，K. Engelhardt和R.Knop， Appl. Opt. 34,2339-2344,1995)來(lái)估算在圖像場(chǎng)中多個(gè)位置的散焦度數(shù)。在現(xiàn)代成像設(shè)備中，被動(dòng)測(cè)距能夠由相檢測(cè)或?qū)Ρ葴y(cè)量法來(lái)完成。相檢測(cè)方法(例如，W02005/098501和US2008/20587》在主客體之后分離光進(jìn)入多個(gè)具有已知光路長(zhǎng)度的通道，并分析子圖像在光強(qiáng)上的差異。對(duì)比測(cè)量法(例如，US2006109369和 US2004017502)在光傳感器上通過(guò)改變對(duì)焦條件來(lái)優(yōu)化圖像或部分圖像的對(duì)比度。上述方法，在所有方面，不同于描述于本文件中的測(cè)距儀及其對(duì)應(yīng)方法，其既不要求客體的三角測(cè)量或角度測(cè)量，也不要求相位延遲子圖像的對(duì)比度評(píng)估或比較。術(shù)語(yǔ)和定義焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面是與客體平面光學(xué)耦合的平面，因而，沒(méi)有對(duì)焦誤差。當(dāng)圖像平面與焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面一致時(shí)，圖像是焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)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(shù)語(yǔ)客體和圖像遵照古德曼(Goodman)的為一般性成像系統(tǒng)所作的定義 (J.W.Goodman，傅立葉光學(xué)簡(jiǎn)介(Introduction to Fourier Optics)，麥格勞-希爾公司 (McGraw-Hill Co. Inc.)，紐約，1996，第6章)?？腕w是設(shè)置在客體平面而且對(duì)應(yīng)的圖像位于圖像平面。在數(shù)學(xué)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(shù)字陣列或函數(shù)。光譜響應(yīng)通常通過(guò)強(qiáng)度脈沖響應(yīng)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(dāng)算符的本征函數(shù)的基準(zhǔn)。圖像/客體的空間光譜通過(guò)圖像/客體數(shù)據(jù)的光譜分解得到。參考圖案，在本文件的內(nèi)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(lái)測(cè)量由散焦導(dǎo)致的圖像光譜的移位度。參考圖案能夠是在空間光譜域內(nèi)的任意合成結(jié)構(gòu)，例如，單獨(dú)的線、或網(wǎng)格線?？商鎿Q的，參考圖案能夠是從光學(xué)布置或光學(xué)掩膜的固有光譜響應(yīng)得到的特征圖案。特征圖案能夠通過(guò)非相干光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)、即調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)、的模量來(lái)便利地表示，用掩膜振幅和相位函數(shù)計(jì)算。在實(shí)際中，特征圖案對(duì)于測(cè)量和評(píng)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(gè)例子，由帶有手性棱鏡元件的光學(xué)掩膜造成，例如，半孔徑棱鏡光學(xué)掩膜。術(shù)語(yǔ)散焦地圖表示為了擴(kuò)展客體/場(chǎng)景而得到的散焦度數(shù)的分布、通常指二維的分布，深度地圖提供多個(gè)客體或多個(gè)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(duì)于高斯參考球來(lái)測(cè)量。所述地圖可以是靜態(tài)地圖為單獨(dú)點(diǎn)及時(shí)提供信息，或者可替換的，是動(dòng)態(tài)地圖例如以按實(shí)時(shí)速度提供更新的信息?？s寫EDF是擴(kuò)展景深 (Extended Depth of Field)。儀器和實(shí)施例一光學(xué)測(cè)距儀測(cè)量從至少一個(gè)客體到相對(duì)于光學(xué)測(cè)距儀的預(yù)定位置的距離。圖像重建器，或在本文件的內(nèi)容中的成像儀器，是適應(yīng)于提供客體的至少一個(gè)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像的光學(xué)測(cè)距儀，其中圖像從例如圖像的空間光譜重建。一旦客體和測(cè)距儀之間的距離是已知的，光路指示器是用于測(cè)量光路長(zhǎng)度的儀器。光學(xué)手件和布置一與測(cè)距結(jié)合的光學(xué)手件是本文件的主要概念。手性光學(xué)元件具有至少一個(gè)導(dǎo)致光束、或者替換為光信號(hào)、的手性相位調(diào)制的光學(xué)表面。手性相位調(diào)制，反過(guò)來(lái)，與能夠由三維手性表面表示的手性相位函數(shù)結(jié)合。根據(jù)定義，手性表面的鏡像不能通過(guò)旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換而被映射為原始表面，例如，M. Petitjean，數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)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(xué)布置是光學(xué)系統(tǒng)的布置，特征在于布置調(diào)制光以使接近圖像平面的光包括手性相位調(diào)制，或者可選擇的，光學(xué)系統(tǒng)的廣義的光瞳函數(shù)具有手性相。手性調(diào)制是由手性光學(xué)布置造成的光的振幅和相位調(diào)制。手性標(biāo)記，或者可替換的，方向；順時(shí)針或反時(shí)針，或者，右手或左手，最好應(yīng)該是對(duì)于每個(gè)特定光學(xué)掩膜是相同的，即一個(gè)掩膜應(yīng)該只能由相同標(biāo)記的一手性函數(shù)、或多個(gè)手性函數(shù)的組合構(gòu)成，但相反標(biāo)記的手性函數(shù)的組合不是排除在外的。手性度，在簡(jiǎn)單情況下，例如一漩渦，可以根據(jù)拓?fù)潆姾啥欢繙y(cè)量，其他情況下，(例如一復(fù)合三維表面)，手性度可以根據(jù)連續(xù)手性測(cè)量而被計(jì)算，例如，Salomon 等，材料化學(xué)雜志(J. Mater. Chem.) 25, 295-308,1999。


圖1顯示光學(xué)測(cè)距儀和成像儀器的基本實(shí)施例。離開(kāi)客體1的光被成像光學(xué)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(xué)掩膜5調(diào)制被傳送光的強(qiáng)度和相位。由光傳感器4產(chǎn)生的電信號(hào)被電子處理器7進(jìn)一步處理。圖2顯示半孔徑手性棱鏡光學(xué)掩膜，在這個(gè)例子中，帶有方形孔徑。掩膜包括一個(gè)平面元件8和一個(gè)棱鏡元件9。圖3顯示帶有兩個(gè)棱鏡元件的光學(xué)掩膜，在這個(gè)例子中，帶有方形孔徑。掩膜包括兩個(gè)棱鏡元件10和11，導(dǎo)致掩膜的一個(gè)手性結(jié)構(gòu)。圖4顯示帶有拋物線螺旋表面12的光學(xué)掩膜，在這個(gè)例子中，限定在ζ = Ar2 α表示的圓形孔徑內(nèi)，其中ζ是表面凹陷，r是徑向坐標(biāo)，α是在掩膜平面內(nèi)的極角，而A是掩膜陡度。圖5顯示散焦相關(guān)OTF的演化和手性光學(xué)掩膜的對(duì)應(yīng)的PSF，在這個(gè)例子中，掩膜
的振幅函數(shù)定義為
ρ(χ
ρκ ’"^""iO,其他情況時(shí)
而且相位函數(shù)由下述給出
權(quán)利要求
1.光學(xué)測(cè)距儀，包括-一光傳感器，適于轉(zhuǎn)換投射到其上的圖像為一相對(duì)應(yīng)的電子圖像；-一成像系統(tǒng)，適于投射至少一個(gè)客體的一個(gè)圖像到該光傳感器上，和至少一個(gè)光學(xué)布置來(lái)調(diào)制該入射光束以形成該圖像于該光傳感器上，-光譜處理構(gòu)件，適于通過(guò)光譜分解來(lái)提供所述圖像的該空間光譜；和-散焦處理構(gòu)件，適于基于該圖像的散焦度來(lái)推導(dǎo)出該客體到該測(cè)距儀的距離，其特征在于-該光學(xué)布置適于調(diào)制該入射光束以使得在光傳感器上的圖像相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的散焦度導(dǎo)致所述圖像相對(duì)于參考圖案的空間光譜的移位，和-該測(cè)距儀包括附加的處理構(gòu)件以適于從在相對(duì)于參考圖案的空間光譜的所述移位度直接推導(dǎo)出相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的圖像平面內(nèi)的客體的圖像的散焦度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)布置，其特征在于，該光學(xué)測(cè)距儀包括至少一個(gè)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(xué)布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的手性光學(xué)布置，其特征在于，手性光學(xué)布置包括至少一個(gè)手性光學(xué)掩膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)布置，其特征在于，光學(xué)布置是至少兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)通道的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的至少兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)通道的組合，其特征在于，該組合是適于提供手性調(diào)制的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該光學(xué)布置適于提供相對(duì)于參考圖案的圖像的空間光譜的旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該光學(xué)布置適于提供相對(duì)于參考圖案的圖像的空間光譜的縮放。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該光學(xué)布置適于提供相對(duì)于參考圖案的圖像的空間光譜的側(cè)向轉(zhuǎn)向。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該光學(xué)布置適于提供在空間光譜里的至少一個(gè)特征圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該特征圖案包括該光學(xué)布置的固有光譜響應(yīng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該特征圖案是多條線的圖案。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一個(gè)的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該測(cè)距儀適于從圖像的相應(yīng)的子區(qū)域提供至少兩個(gè)子圖像的散焦度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該測(cè)距儀適于提供散焦地圖。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該測(cè)距儀適于提供深度地圖。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)測(cè)距儀，其特征在于，該測(cè)距儀適于提供波前地圖。
16.包括根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一個(gè)的光學(xué)測(cè)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(gè)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像的重建。
17.根據(jù)權(quán)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(gè)用于成像的手性光學(xué)布置。
18.如權(quán)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(xué)布置包括至少一個(gè)拋物線手性光學(xué)布置。
19.如權(quán)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(xué)布置包括至少一個(gè)拋物線手性光學(xué)掩膜。
20.包括光學(xué)測(cè)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(jù)權(quán)利要求1-15的任一個(gè)的光學(xué)測(cè)距儀和附加構(gòu)件，附加構(gòu)件適于用事先已知的散焦多樣性來(lái)提供多個(gè)圖像的同時(shí)處理。
21.包括光學(xué)測(cè)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(jù)權(quán)利要求16-19的任一個(gè)的圖像重建器和附加構(gòu)件，附加構(gòu)件適于用事先已知的散焦多樣性來(lái)提供多個(gè)圖像的同時(shí)處理。
22.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(xué)測(cè)距儀。
24.光路指示器，其特征在于，該光路指示器是由如權(quán)利要求1-15的任一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)距儀和適于提供至少一個(gè)光路的估值的構(gòu)件組成。
25.模態(tài)波前傳感器，包括-一光傳感器，適于轉(zhuǎn)換投射到其上的圖像為相應(yīng)的電子圖像； -一成像系統(tǒng)，適于投射至少一個(gè)客體的一圖像到該光傳感器上，和至少一個(gè)光學(xué)布置，以調(diào)制入射光束來(lái)形成圖像在該光傳感器上，-光譜處理構(gòu)件，適于通過(guò)光譜分解來(lái)提供所述圖像的空間光譜；和 -散焦處理構(gòu)件，適于基于圖像的散焦度來(lái)推導(dǎo)出從客體到測(cè)距儀的距離， -其特征在于該光學(xué)布置適于調(diào)制入射光束以使得至少一個(gè)波前失真導(dǎo)致相對(duì)于參考圖案的所述圖像的空間光譜的移位，和-使得該測(cè)距儀包括附加的處理構(gòu)件以適于從相對(duì)于參考圖案的空間光譜的所述移位度來(lái)推導(dǎo)出相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的圖像平面內(nèi)的客體的圖像的至少一個(gè)波前失真。
26.用于光學(xué)測(cè)距的方法，包括-投射至少一個(gè)客體的一圖像到一光傳感器上， -通過(guò)一光學(xué)布置來(lái)調(diào)制入射光束，-處理投射到光傳感器上的圖像為相應(yīng)的電子圖像，來(lái)通過(guò)光譜分解提供圖像的空間光譜；和-基于圖像的散焦度來(lái)推導(dǎo)出從客體到測(cè)距儀的距離， 其特征在于，該方法包括-入射光束的調(diào)制使得相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的圖像平面內(nèi)至少一個(gè)客體的該圖像的散焦導(dǎo)致相對(duì)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(duì)于參考圖案的空間光譜的移位度來(lái)直接推導(dǎo)出相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的圖像平面內(nèi)客體的圖像的散焦度。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈的用于光學(xué)測(cè)距的方法，其特征在于，光束的調(diào)制是手性調(diào)制以使得相對(duì)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(jù)權(quán)利要求沈或27的用于光學(xué)測(cè)距的方法，其特征在于，光束的調(diào)制是這樣的， 使得其提供至少一個(gè)特征圖案于空間光譜內(nèi)。
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(jù)權(quán)利要求25-28的任何項(xiàng)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(gè)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像。
30.根據(jù)權(quán)利要求25-29的任一項(xiàng)的用于光學(xué)測(cè)距的方法，其特征在于，用于光學(xué)測(cè)距的該方法適于提供至少一個(gè)光路。
31.用于模態(tài)波前感應(yīng)的方法，包括-投射至少一個(gè)客體的一圖像到一光傳感器上，-通過(guò)一光學(xué)布置來(lái)調(diào)制該入射光束，-處理以轉(zhuǎn)換該圖像為相應(yīng)的電子圖像，和-通過(guò)光譜分解來(lái)提供該圖像的該空間光譜，其特征在于，該方法包括-調(diào)制通過(guò)調(diào)整該入射光束以使得至少一個(gè)波前失真導(dǎo)致相對(duì)于一參考圖案的該圖像的該空間光譜的至少一個(gè)移位，-附加的處理，其從相對(duì)于該參考圖案的該空間光譜的所述移位度來(lái)直接推導(dǎo)出至少一個(gè)該波前失真度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一光學(xué)測(cè)距儀，包括，一光傳感器、適于轉(zhuǎn)換投射到其上的該圖像為一電子圖像，一成像系統(tǒng)、用于投射一客體的一圖像到該光傳感器上，一光學(xué)布置、以調(diào)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(gòu)件和用于基于該圖像的散焦度來(lái)推導(dǎo)出從該客體到該測(cè)距儀的距離的構(gòu)件，其中該光學(xué)布置適于調(diào)制入射光以使得相對(duì)于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圖像平面的該光傳感器上該圖像的散焦度導(dǎo)致相對(duì)于參考圖案的所述圖像的空間光譜的移位和其中測(cè)距儀包括用于從所述移位度來(lái)推導(dǎo)散焦度的構(gòu)件。
文檔編號(hào)G01C3/08GK102356298SQ201080010245
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者A·N·西蒙諾夫, M·C·羅姆巴赫 申請(qǐng)人:Asmr控股有限公司