(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を放射または反射する物体（１０；３０）の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する方法であって、物体の実像（２０）を形成する結像光学系（１２；２９）の光束を位置解像光電検知器（１３）に受光し、前記位置解像光電検知器（１３）の信号を評価装置（１７）に供給し、前記位置解像光電検知器（１３）上の物体の実像（２０）の座標から物体（１０；３０）の方向を求める形式のものにおいて、
複数の強度ピークを有すると共にシャドー投影によらないで形成される強度分布（１４´；１６´；２６´）が前記位置解像光電検知器（１３）上に形成されるよう、前記結像光学系（１２；２９）の結像作用に加えて、光学素子（１４；１６；２４）によって、物体（１０；３０）から来る光束の波面（１１，１１ａ）を構造化すること、及び、
光学素子（１４；１６；２４）の構造関数の関連の下に、測定した強度分布（１４´；１６´；２６´）から前記座標を求め、該座標から物体（１０；３０）の方向を求めること
を特徴とする方法。
【請求項２】
光学素子（１４；１６；２４）によって前記位置解像光電検知器（１３）上に形成される強度分布（１４´；１６´；２４´）の位置基本周波数または位置高調波周波数と、前記位置解像光電検知器（１３）の感光性構造の位置基本周波数とによって低周波数重畳パタンを形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
光束を放射または反射する物体（１０；３０）の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する装置であって、物体の実像（２０）を形成する結像光学系（１２；２９）の光束を位置解像光電検知器（１３）に受光し、前記位置解像光電検知器（１３）の信号を評価装置（１７）に供給し、前記位置解像光電検知器（１３）上の物体の実像（２０）の座標から物体（１０；３０）の方向を求めるよう構成されたものにおいて、
物体（１０；３０）と前記位置解像光電検知器（１３）との間の光路に、結像光学系（１２；２９）に加えて、複数の強度ピークを有すると共にシャドー投影によらないで形成される強度分布（１４´；１６´；２６´）が前記位置解像光電検知器（１３）上に形成されるよう、物体（１０；３０）から来る光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が配されること、及び
評価装置において（１７）、光学素子（１４；１６；２４）の構造関数の関連の下に、測定した強度分布（１４´；１６´；２４´）から前記座標を求め、該座標から物体（１０；３０）の方向を求めること
を特徴とする装置。
【請求項４】
光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が、結像光学系（１２；２９）の射出ひとみ平面またはこのひとみと共役のひとみ平面に設けてあることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
結像光学系（１２；２９）の１つの表面上に、光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が設けてあることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が、同時に、結像特性を有し、結像光学系（１２；２９）の代替をなすことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
光学素子（１４；１６；２４）が、位置に依存して異なる屈折構造を有することを特徴とする請求項３〜６の１つに記載の装置。
【請求項８】
光学素子（１４；１６；２４）が、回折構造を含むことを特徴とする請求項３〜６の１つに記載の装置。
【請求項９】
光学素子（１４；１６；２４）が、光束を位置に依存して異なる態様で偏光する構造を有することを特徴とする請求項３〜５の１つに記載の装置。
【請求項１０】
光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が、透過方式で作用することを特徴とする請求項３〜９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
光束の波面（１１，１１ａ）を構造化する光学素子（１４；１６；２４）が、反射方式で作用することを特徴とする請求項３〜９の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光束を放射または反射する物体の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する方法であって、物体の実像を形成する結像光学系の光束を位置解像光電検知器に受光し、検知器の信号を評価装置に供給し、検知器上の物体の実像の座標から物体の方向を求める形式の方法に関する。更に、本発明は、光束を放射または反射する物体の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する装置であって、物体の実像を形成する結像光学系の光束を位置解像光電検知器に受光し、検知器の信号を評価装置に供給し、検知器上の物体の実像の座標から物体の方向を求めるよう構成された装置に関する。この場合、物体から来る光束は、可視波長範囲にあり、物体によって放射、散乱または反射される。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ９２／０７２８１Ａには、結像光学系を使用せずに照明物体の位置を測定する装置が開示されている。物体で反射された光束は、方向偏光ミラーを介して透明なマスクへ向けられる。マスクは、シャドー投影によって位置に敏感な検知器上に対応するシャドーパタンを形成する縞パタンを備えている。検知されたシャドーパタンは、マスクのあらかじめ記憶された縞パタンと比較され、関連づけられ、かくして、検知器上のシャドーパタンの位置が決定され、従って、物体の位置が決定される。シャドーパタンによって、少数の検知素子のみを照明するフォーカシング光点による点状物体の結像の場合とは異なり、多数の検知素子が測定および装置の分解能に寄与する。
【０００３】
米国特許第４８５７７２１号には、２進コードパタンを有するマスクに長く細い間隙を介して入射光束を入射させる光学的方向センサが記載されている。コードパタンは、ストリップ状検知素子を直下に備える多数の平行な隣接のストリップとして設けてある。これらのストリップは、間隙に直角に向いており、従って、光の入射時に、間隙は、コードストリップおよび検知素子ストリップに直角な光の線（縞）を形成する。ストリップに直角に検知された２進コードから、関連の入射角度を求める。
【０００４】
米国特許第５４２８２１５号には、平行化されたレーザ光の角度センサが開示されている。レーザ光は、ディジタルグレーコードにもとづき配置された平行なスリットを有するシャドー投影パタンを照明する。シャドー投影パタンから所定の距離において、線形検知器アレイは、レーザ光の入射角度に依存して、スリットを介して入射する光を受光する。
【０００５】
３次元物体の立体的位置を縁（ないし稜）検知によって確認、評価し、物体までの距離を求めるための光学装置は、ドイツ特許公開第３２３３０１３号から公知である。この装置は、特に、自動操作装置の像評価系に使用される。３次元位置確認のため、絞り開口の異なる２つの順次に配置した対物レンズ、ラスタフィルタおよび望遠カメラを使用する。結像式を満足するため、光学装置内の上記構造群間の特定の空間的関係と結像物体との間の特定の空間的関係が順守される。
【０００６】
ラスタフィルタは、立体的に刻印（凹凸）加工された周期的構造、例えば、正弦波状に湾曲した表面など、レンズ、円筒レンズまたは所定の傾斜面または交差状態に配置されたプリズム要素を有するプリズムから構成される。上記構造体は、光束の屈折を利用し、かくして、光束は、所定角度αだけ偏向され、かくして、結像される物体点がシフト（移動）される。[ラスタフィルタの]周期的構造によって、物体の縁（稜）における明るさ推移が周期的に変調される。上記推移を望遠カメラによって行的に撮影（走査）し、信号を電子的に評価する。縁（稜）の像の周期的みだれは、ラスタフィルタによってコード化された形で、物体輪郭の回転位置および経過に関する情報を含む。物体までの距離は、存在する関数関係にもとづき、同じく、結像された物体輪郭とラスタフィルタのラスタ構造との重畳から誘導される。
【０００７】
ラスタフィルタに屈折性の立体構造を使用し、２つの対物レンズを使用し、一連の幾何学的条件を順守する場合、多大の製造および調製の手間ないし費用が必要となる。望遠レンズによる撮影は、ビデオ走査によって定められる分解能によって行われる。
【０００８】
スイス特許第６６５７１５号には、光学的構造（パタン）を有するラスタディスクとして構成された物体関連の視準マークによって物体の角度位置を測定する方法が記載されている。この場合、視準マークを光電的に評価し、かくして得られた情報を視準マークに対応する基準マークと比較する。所定の中心を備えた視準マークを検知器アレーの検知表面上に個々に結像し、次いで、得られた数値を基準マークと関連比較する。次いで、比較結果から、光軸からの視準マーク中心の位置を計算する。この公知の方法の場合、物体の構造および位置に関して得られる分解能は、第１に、検知器アレイの各検知範囲、即ち、不連続の画素ジオメトリによって与えられ、対応して限定される。
【０００９】
“Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ  Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｒｕｎｄｓｃｈａｕ”Ｎｏ．３９，１９８８のｐ１４−１８のＨｕｅｐらの論文“Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｓｙｓｔｅｍｅ  ｆｕｅｒ  ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅ  ｕｎｄ  ｇｅｏｄａｅｔｉｓｃｈｅ  Ｍｅｓｓｕｎｇｅｎ”に、反射性視準マークによって表面（例えば、航空機のライニングまたは車体部分）を非接触で測定するために使用されるセオドライト系が記載されている。この場合、セオドライトの望遠鏡の軸線と同軸に配置された投光器が、セオドライト望遠鏡によって位置解像検知器としてのＣＣＤ−アレイ上に結像される視準マークを照明する。コンピュータを含む電子評価装置が、視準マーク像の中心点を決定する。ＣＣＤーアレイ上の視準マーク像の中心点の座標から、所与の座標系の視準マークの水平、垂直角度を求める。
【００１０】
視準マークとしては、観察方向とは無関係に、それぞれ、同一の視準マーク像を与える表面反射性球（例えば、クロムメッキして研磨した鋼球）を使用する。反射球は、セオドライトの投光器のひとみの虚像を球内部に形成し、この虚像は、セオドライトの望遠鏡で観察され、ＣＣＤ−アレイ上に示される。しかしながら、球の焦点距離が小さいので、球内のひとみ像は、セオドライトと球との間の距離が短くても、回折で制限されて小さく、ＣＣＤ−アレイ上においてその画素の大きさよりも小さい。ともかく撮影を実施できるよう、セオドライト望遠鏡はデフォーカシングされ、その結果、ＣＣＤ−アレイの複数の画素によって受光できる光点が生ずる。かくして得られた光点から、重心評価または輪郭評価によって光点中心を定める。デフォーカシングにもとづき、もちろん、光点内の異なる光度分布およびその鋭敏でない（ピンぼけの）縁が、測定誤差を生ずる。
【００１１】
一般に、ＣＣＤ−アレイ上に十分に大きい像を得るため、もちろん、結像倍率の大きいまたは距離に適合するよう結像倍率可変の対物レンズを使用する。かくして、例えば、十分に大きい光点径の形成のためにセオドライト望遠鏡のデフォーカシング操作はなくすることもできよう。しかしながら、大きい結像倍率は、対応して焦点距離の大きい対物レンズの使用を必要とする。このため、特殊な望遠鏡対物レンズまたはコリメータは、２ｍ以上の焦点距離を有する。この場合、検知器寸法同一の条件において、角度測定範囲は、必然的に明らかに制限される。更に、このような焦点距離を有するコリメータは、光学機器の容積および重量の増大を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、極めて僅かな所要光学的構成部材および調整において且つドラスチックに短い構造長さにおいて、大きい角度範囲内で物体から来る光束の方向を決定でき、使用する光電検知器の構造に起因する位置分解能を遥かに越える精度を達成する方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明の方法の視点（第一の視点）により、光束を放射または反射する物体の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する方法であって、物体の実像を形成する結像光学系の光束を位置解像光電検知器に受光し、前記位置解像光電検知器の信号を評価装置に供給し、前記位置解像光電検知器上の物体の実像の座標から物体の方向を求める形式の方法が提供される。この方法において、複数の強度ピークを有すると共にシャドー投影によらないで形成される強度分布が前記位置解像光電検知器上に形成されるよう、前記結像光学系の結像作用に加えて、光学素子によって、物体から来る光束の波面を構造化すること、及び、光学素子の構造関数の関連の下に、測定した強度分布から前記座標を求め、該座標から物体の方向を求めることを特徴とする（形態１・基本構成１）。
【００１４】
更に、上記の課題を解決するために、本発明の装置の視点（第二の視点）により、光束を放射または反射する物体の水平角度および垂直角度によって定義される方向を測定する装置であって、物体の実像を形成する結像光学系の光束を位置解像光電検知器に受光し、前記位置解像光電検知器の信号を評価装置に供給し、前記位置解像光電検知器上の物体の実像の座標から物体の方向を求めるよう構成された装置が提供される。この装置において、物体と前記位置解像光電検知器との間の光路に、結像光学系に加えて、複数の強度ピークを有すると共にシャドー投影によらないで形成される強度分布が前記位置解像光電検知器上に形成されるよう、物体から来る光束の波面を構造化する光学素子が配されること、及び評価装置において、光学素子の構造関数の関連の下に、測定した強度分布から前記座標を求め、該座標から物体の方向を求めることを特徴とする（形態３・基本構成２）。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の方法に係る独立請求項１及び装置に係る独立請求項３により、上記課題に対応する効果が夫々達成される。即ち、本発明の方法及び装置により、極めて僅かな所要光学的構成部材および調整において且つドラスチックに短い構造長さにおいて、大きい角度範囲内で物体から来る光束の方向を決定でき、使用する光電検知器の構造に起因する位置分解能を遥かに越える精度を達成することができる。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が夫々達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは、形態１及び形態３を除き、従属請求項の対象でもある。
（形態１）  上記基本構成１参照。
（形態２）  上記形態１の方法において、光学素子によって前記位置解像光電検知器上に形成される強度分布の位置基本周波数または位置高調波周波数と、前記位置解像光電検知器の感光性構造の位置基本周波数とによって低周波数重量パタンを形成することが好ましい。
（形態３）  上記基本構成２参照。
（形態４）  上記形態３の装置において、光束の波面を構造化する光学素子が、結像光学系の射出ひとみ平面またはこのひとみと共役のひとみ平面に設けてあることが好ましい。
（形態５）  上記形態３又は４の装置において、結像光学系の１つの表面上に、光束の波面を構造化する光学素子が設けてあることが好ましい。
（形態６）  上記形態３の装置において、光束の波面を構造化する光学素子が、同時に、結像特性を有し、結像光学系の代替をなすことが好ましい。
（形態７）  上記形態３〜６の装置において、光学素子が、位置に依存して異なる屈折構造を有することが好ましい。
（形態８）  上記形態３〜６の装置において、光学素子が、回折構造を含むことが好ましい。
（形態９）  上記形態３〜５の装置において、光学素子が、光束を位置に依存して異なる態様で偏光する構造を有することが好ましい。
（形態１０）  上記形態３〜９の装置において、光束の波面を構造化する光学素子が、透過方式で作用することが好ましい。
（形態１１）  上記形態３〜９の装置において、光束の波面を構造化する光学素子が、反射方式で作用することが好ましい。
【００１７】
点光源から放射された光束は、均一な媒体中をすべての空間方向へ球形に伝播する。即ち、同一位相の面は、球面であり、拡張する。中心から球面までの距離は、漸次的に大きくなり、小さいセクションは、ほぼ平面とみなされる。結像光学系の開口が上記セクションに一致すると、上記開口は、ほぼ平坦な光波または−光の像で見て−ほぼ平行な光束を受光する。
【００１８】
最も簡単な事例では集光レンズから構成できる結像光学系は、その焦面にこのような光束をフォーカシングする。従って、遠く離れた点光源は、結像光学系の焦面に点状に現れる。光源の投影によって離れた物体上に形成されるほぼ点状の光点についても同様である。更に、光源から放射され光学装置によって平行光束に形成される光束は、結像光学系によってその焦面に点状に結像される。この場合、平行光束は、直接にまたは平坦な物体における反射の光路を介して結像光学系に達する。
【００１９】
結像光学系の焦面に設けた位置に敏感な検知器は、位置分解能が十分である場合、特定の箇所に強度ピークとして点状像を合致（記録）させる。検知器上のこの箇所は、平行光束が結像光学系の光軸となす角度に依存する。角度の増大とともに、点状像は光軸から離れる。３次元的に観察し、位置に敏感な２次元検知器を使用した場合、検知器上の各座標点は、一義的に、入射光束の方向に関連される。この場合、方向は、水平角度および垂直角度によって与えられる。従って、上記角度の１つまたは双方の変化によって入射光束の方向が変化した場合、検知器面上の光点の座標が変化する。
【００２０】
上記の説明は、不動の平面内の１つの角度のみを測定するという設定課題についても当てはまる。この場合、第２の角度の指示は不要であり、第２角度は、任意にゼロと置くことができる。このような場合、位置に敏感な１次元検知器（例えば、線形ダイオード列）を使用することもできる。
【００２１】
これまで考察された平面波以外に、もちろん、結像光学系によって球面波を受光することもできる。このような場合、物体は、結像光学系から近い範囲にあり、点状光束を放射または反射する。即ち、結像光学系のピント調節が必要であり、この場合、物体は、結像光学系の像面に結像される。この場合、方向決定のため、検知器上の像点の座標以外に、もちろん、結像光学系の調節された像距離も考慮しなければならない。
【００２２】
本発明にもとづき、検知器上に、従来の点状物体像の代わりに、複数の強度ピークを有する強度分布が生ずるよう、物体から来る光束の光波フロントを構成（構造化）する光学素子を光路に導入する。この場合、光学素子は、基本的に、光路の任意の箇所に設置できる。しかしながら、射出ひとみの近傍にまたは直接に射出ひとみ面にまたは射出ひとみと共役の結像光学系のひとみ面に光学素子を設置するのが好ましい。もちろん、共役ひとみ面は、結像光学系の前に、即ち、結像光学系と物体との間に位置できる。この場合も、光波フロントを構成（構造化）する光学素子を設けることができる。
【００２３】
光束の光波フロントに対する光学素子の物理的作用は、光学素子の構造によって決まる光学素子の構造関数によって数学的に一義的に記述することができる。構造関数は、光束の光波フロントに作用し、検知器上に対応する強度分布を生ずる。この関係の一義性にもとづき、光学素子の構造関数を使用して測定された強度分布から、逆の順序で、入射光波フロントを再構成（ｒｅｋｏｎｓｔｒｕｋｔｒｉｅｒｅｎ）でき、かくして、将来の方向、即ち、物体から来る光束の方向を決定できる。基本的に、光学素子の構造関数の代わりに、先行の較正（予較正）の結果を使用することもできる。
【００２４】
光波フロントを構造化するこの種の光学素子の実現のため、各種の光学素子を利用できる。即ち、例えば、光束の光波フロントを屈折性、反射性または偏光性によってまたは回折効果によって立体的に影響を及ぼすこと（制御）ができる。
【００２５】
屈折性構造を使用する場合、光学素子は、位置に依存して異なる屈折率または材料厚によって特徴づけられる。検知器上に所望の強度構造を得るため、光波フロント（波面）を生成する屈折率関数または厚さ関数によって立体的光波フロント変調を対応して変更できる。屈折率関数および厚さ関数は、光学素子の構造関数をなす。
【００２６】
同様に、位置に依存して異なる偏光範囲を使用できる。二色性材料は、線形偏光を与え、かくして、位置に依存する上記材料の配列に応じて、異なる偏光方向が生ずる。一般に、例えば、複屈折材料の位置的に変化する厚さによって形成される各種の楕円偏光状態も可能である。検光子によって、この場合には（パタン）構造化を行う光学素子の構造関数をなす局部的偏光変調から、検知器上に対応する強度分布が生ずる。
【００２７】
回折構造によっても、本発明に係る光学素子を構成できる。この場合、例えば、格子構造が局部的に変化するフレネル・ゾーンプレートまたはホログラフィー素子を使用できる。このような回折構造は、各種のリトグラフィー法、エッチング法または蒸着（析着）法によってまたは刻印法、打抜きないしプレス加工またはフライス加工によって担体上に形成できる。この場合、担体は、光束を透過または反射してよく、即ち、光学素子は、透過方式または反射方式で使用できる。
【００２８】
更に、光学素子には、複数の強度ピークを有する強度分布が検知器上に生ずるよう、入射光束から、光学素子の構造に起因する立体的な光波フロント変調を誘起するすべての物理的効果を利用できる。強度分布は、強度パタンまたはコードとみなすこともできる。入射光束の方向が変化した場合、検知器上の強度パタンまたはコードはシフトする。
【００２９】
測定された強度分布の評価は、例えば、公知の中央値形成法によってまたは適合（Fit）アルゴリズムによって行う。この評価は、単一光点の評価に比して明らかに改善された方向測定精度を与える。なぜならば、拡張された構造の位置評価によって、信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）が改善されるからである。更に、さもなければ唯一つの光点に入射光束をフォーカシングする場合に常に存在する検知器の過露光の危険性が減少される。更に、強度分布の評価の信頼性が向上される。なぜならば、光路の擾乱が、強度分布の多数の光点の測定によって容易に補償されるからである。
【００３０】
強度分布の位置基本周波数またはその位置高調波周波数の１つと検知器の感光性構造の位置基本周波数とで低周波数の重畳パタンを形成する場合、この強度分布から、特に改善された位置分解能が得られ、かくして、特殊な感度が得られる。低周波数重畳パタンは、モアレパタンと同様に作用する。モアレパタンについて良く知られているのだが、モアレパタンは、モアレパタンを形成する構造のシフトに極めて敏感に応答する。即ち、この場合、強度分布が検知器上をその画素構造に対して極く僅かにシフトしても、低周波数重畳パタンの位置周波数が強く変化する。即ち、重畳パタンの変化は、検知器上の強度分布の変化に関して極めて敏感に反応するインジケータである。かくして、位置情報は、検知器の画素構造のジオメトリの場合よりも１００倍超良好に分析できる。かくして、対応して、角度測定の精度が向上され、従って、物体の方向測定の精度が向上される。
【００３１】
パタン化された光分布を検知器上に形成すれば、精度の向上および角度測定の確実さ以外に、測定範囲拡大の利点が得られる。点状光分布の場合、方向測定範囲は、検知器面の大きさによって決定される。しかしながら、構造化（パタン化）強度分布の場合、立体構造の拡がり（大きさ）が決定的である。この大きさは、検知器面積よりもかなり大きくてよい。強度分布の大半が検知器の活性面内になくても、方向測定が可能である。これは、下記の例から明らかであろう。直線的構造の簡単な回折格子における回折によって既に、検知器上に、１つの主ピークと両側に配される複数の副ピークとを有する強度分布が生ずる。この場合、副ピーク、即ち、高次の回折ピークは、検知器の活性面を越えて拡がる。光束の大きな入射角にもとづき、光源の始めの点状像に対応する主ピークが、もはや、検知器の活性面上にない場合は、副ピークの位置から主ピークを再構成することができる。副ピークが、特定できることのみが重要であり、このことは基本的にその強度差にもとづき可能である。
【００３２】
総括して、本発明の利点は、光波フロントを構成する光学素子によって、物体の方向測定に関してより高い精度およびより大きい測定範囲を達成できるという点にある。位置分解能が明らかに改善されているので、簡単で焦点距離の短い結像光学系で十分である。かくして、一方では、有利なことには、機械的構造長さが著しく短縮され、光学的構成部材および調整の面倒さないし経費が減少される。他方では、短い焦点距離によって、物体の角度測定範囲を拡大できる。この角度測定範囲は、更に、拡張された強度分布にもとづき、検知器の大きさを越えて更に本質的に拡大される。かくして、従来の物体像が、検知器の感光性面外にあっても、方向測定が可能である。
【００３３】
図面を参照して、以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。なお、特許請求の範囲に付した図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に本発明を限定することを意図するものではない。
【実施例】
【００３４】
第１ａ図に、光束の光波フロントを構造化（パタン化）する透過光学素子１４の模式図を示した。光学素子１４は、結像光学系１２（図示の実施例の場合、屈折光学系を含む対物レンズ）と位置解像光電検知器１３との間に設置してある。この場合、観察物体１０は、遠くの光源であり、結像光学系１２に入射する光束は、ほぼ平面の光波フロント１１を有する。更に、光源の光束または散乱光によって照明される反射体も観察物体１０として使用でき、この場合、上記反射体から反射された光束は、ほぼ平面の光波フロントを有し、結像光学系１２によって受光される。
【００３５】
光学素子１４がない場合、入射する平面光波フロント１１は、結像光学系１２によって検知器１３の箇所２０に点状に結像される。上記光点の直径は、一般に、検知器１３の感光構造に比して小さい。即ち、検知器の感光構造の位置基本周波数（走査周波数）は、小さすぎて点状強度分布の高い位置周波数成分を把握できない。さて、第１ａ図に示した如く、光束の光波フロント１１を構造化する本発明に係る光学素子１４を光路に設置すれば、入射光波フロント１１は立体的に変調され、その結果、検知器１３上には、物体１０の点状像２０の代わりに、複数の強度ピークを有する強度分布１４´が生ずる。検知器の信号は、強度分布１４´の強度ピークの位置を求める評価装置１７に送られる。かくして、光学素子の構造関数によって、入射光波フロント１１の水平角度および垂直角度、即ち、観察物体１０の方向を決定する。
【００３６】
強度分布１４´の位置基本周波数または位置高調波周波数の１つと検知器構造の位置基本周波数とで低周波数の重畳パタンを形成すれば、上記方向を特に正確に決定できる。この重畳パタンは、物体１０の側方運動、即ち、結像光学系１２への入射光束の方向変化に極めて敏感であり、この場合、上記方向変化は、検知器１３上の強度分布１４´の対応するシフトを誘起する。即ち、極めて正確な動的測定を実施することもでき、物体１０の側方運動を正確に記録、測定、追跡できる。その際において装置を動力駆動化および自動化すれば、物体１０が、第１ａ図の装置の検知範囲から離れても、全立体角範囲にわたって連続的に物体１０を追跡できる。
【００３７】
この場合、光波フロント１１を構造化する光学素子１４として、パタンをエッチングした構造のガラス板を使用する。即ち、光学素子１４は、ガラス基板にモノシリックに一体化されている。振幅ホログラムまたは位相ホログラムを使用することもできる。他の実施例は、既に挙げた。光学素子１４は、結像光学系１２の射出ひとみにまたはその近傍にまたは上記ひとみと共役のひとみ面に設置するのが好ましい。このような共役ひとみ面は、結像光学系１２の前に、即ち、上記結像光学系と物体１０との間に設置することもできる。上記箇所に設置した光学素子１４を第１ｂ図に示した。
【００３８】
第２図には、観察物体として、この実施例では６つの平面鏡からなる回転ミラー３０が示してある。その回転軸３１は、位置不変に設置されている。光源５は、同じく位置不変に設置され、入射光束を反射する回転ミラー３０を照明する。この場合、反射角度は、回転ミラー３０の回転位置に依存する。即ち、反射光束は、回転位置に関連する方向を有する。回転ミラー３０の回転運動によって、反射光束の方向が変化される。図示の装置および本発明に係る方向測定によって、回転ミラー３０の回転位置を極めて正確に求めることができる。
【００３９】
第３図の場合、結像光学系１２は、球面光波フロント１１ａを受光する。即ち、物体１０は、結像光学系１２の直近にある。従って、結像確保のため、検知器１３は像面Ｂにある。ピント調節時、物体１０と結像光学系１２との間の距離に応じて、像距離ｂが変化し、従って、検知器上の強度分布の位置が変化する。これは、方向測定時に考慮される。
【００４０】
第４図の実施例の場合、結像光学系１２として、平凸対物レンズが示してある。その平面側には構造（パタン）１６が設けてある。パタン１６は、第１ａ図を参照して説明した如き光学素子１４のパタンと同種である。特に、パタン１６は、回折パタンであってもよい。上記パタンは、例えば、エッチングまたは蒸着（析着）によって作成できるか、フィルムとして被覆できる。僅かな情報のみを与える入射平面光波フロントの点状像２０の代わりに、パタン１６は、強度分布１６´を生ずる。かくして、方向測定について、測定精度の向上、測定範囲の拡大および光学的・機械的構造のコンパクト性の既述の利点が得られる。この実施例の場合、更に、結局、光学的構成部材は唯一つだけであり、構成部材も僅かである。
【００４１】
第５図に、構造（パタン）２６を有するので結像特性を有すると同時に入射光束の光波フロントを構成する光学素子２４を示した。即ち、パタン２６は、入射光波フロント１１から、複数の強度ピークからなる強度分布２６´を形成するとともにピント調節を行う。
【００４２】
第１−５図の実施例の場合、光束の光波フロントを構造化する光学素子は、透過方式で作用する。他方、第６図には、反射方式で作用し光束の光波フロントを構造化する光学素子２８を示した。光学素子２８の背面に鍍銀して、透過性光学素子１４の場合と同一のパタン１６を使用できる。しかしながら、パタン１６は、それ自体で反射特性を有することもできる。光束の結像は、屈折性結像光学素子１２によって行う。
【００４３】
他方、光波フロント１１の結像のため、例えば、第７図に示した凹面鏡２９の如き反射結像光学系を使用することもできる。この実施例の場合、強度分布１６´を形成するパタン１６は、凹面鏡２９の内面に設けてある。基本的機能は、上記実施例の機能に対応する。
【００４４】
位置に敏感な２次元検知器１３を使用する場合、第１−７図に示した光波フロント構成光学素子によって形成される如き強度分布は、２次元で同時に検知される。第８図に、この２次元強度分布の部分、即ち、検知器１３のｙ座標を特定した場合にｘ座標に依存する強度推移を示した。更に、強度分布の２次元位置を検知する場合、よく知られているように、ｘ座標においてのみ位置に敏感な１次元検知器１３でも十分である。この場合、しかしながら、一義的にｙ座標に依存する特殊な強度分布を使用しなければならない。１次元的または２次元的な位置に敏感な検知器１３によって検知されるこのような２次元強度分布から物体１０の方向を求めるため、以下では、入射する平面光波フロント１１から出発する。
【００４５】
特定の基準方向から来る平面波は、電界強度Ｅ＝Ａ＊ｅｘｐ（ｉｋｒ）によって表される。式中、Ａは、平面波のここでは無関係の時間的推移および初期位相を表す複素振幅を表し、ｋは、波数ベクトルを表し、ｒは、ｅ−関数の複素指数に含まれる位置ベクトルを表す。波数ベクトルｋは、光波フロント１１に垂直であり、即ち、光束の方向を示し、従って、物体へ向かう方向も示す。電界強さＥには、位置座標に依存する光学素子の構造関数Ｓを乗ずる。この構造関数は、光学素子の製造時に知られる。フーリエ変換にもとづきまたは、場合によっては、フレネル積分の計算および量の二乗の形成にもとづき、基準方向について強度分布が得られる。
【００４６】
この強度分布は、見かけ上で云えば、検知器平面内の空中写真として提示される。この空中写真から、光電検知器１３の各別（ディスクリート）の、即ち、各画素からなる構造（複数）によって、検知された像が生ずる。既知の検知器構造によって、従来の計算操作を行うことによって、空中写真から、検知された像を計算できる。この計算は、空中写真の部分的の積分によって、即ち、各画素の積分によってまたは数学的に等価の方法によって行うことができる。
【００４７】
物体１０の側方運動、即ち、物体１０の方向変化は、入射波の入射角度の変化を生じ、かくして、最も簡単な場合、検知された像の側方へのずれを誘起する。このような場合、基準方向について計算した像に対する検知された像のずれは、相関関係によってまたは他の評価アルゴリズムによって確認することができる。上記ずれと基準方向に対する光束の水平、垂直入射角度との間の関係は既知であるので、これらの入射角度は、最終的に、物体１０の方向座標として求められる。
【００４８】
例えば、空中写真に存在する位置周波数と検知器１３の位置周波数との重畳によって、低周波数の重畳パタンを形成する他の場合には、空中写真と検知された像との間にはより複雑な関係が存在する。空中写真のずれは、更に、検知された像の形状の変化を誘起する。このような場合、空中写真と検知器１３の感光性構造との間の交互作用を評価アルゴリズムにおいて考慮しなければならない。
【００４９】
更に、それ自体でパタンを有する拡張された物体１０の方向も求めることができる。このような物体１０を結像した場合、もちろん、物体像は、物体１０の対応する構造（パタン）を含み、従って、光波フロントを構造化する光学素子がなくても、検知器１３上には強度分布が得られる。しかしながら、このような強度分布は、第８図の強度分布から明らかな如く、光学素子によって更にはるかに微細化される。従って、この強度分布は、多数の強度ピークにもとづき、強度パタンまたはコードとしても検知できる。コードは、更に、純粋な物体像に刻印される。もちろん、パタンを備えた拡張された物体１０の場合、更に上述の計算操作に関与する物体の構造関数が既知でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１ａ図は、結像光学系と検知器との間に独立に設置され入射光束の平面光波フロントを構造化する透過光学素子の模式図であり、第１ｂ図は、結像光学系と光源との間に光学素子を設置した実施例の第１ａ図と同様の模式図である。
【図２】第２図は、回転ミラーによって反射された光束を受光する実施例の第１ａ図と同様の模式図である。
【図３】第３図は、入射光束が球面光波フロントを有する実施例の第１ａ図と同様の模式図である。
【図４】第４図は、光束の光波フロントを立体的に変調する構造を屈折結像光学系の表面に直接に設置した実施例の模式図である。
【図５】第５図は、光束の光波フロントを構造化する結像性光学素子の模式図である。
【図６】第６図は、光束の光波フロントを構造化する反射性光学素子の模式図である。
【図７】第７図は、光束の光波フロントを立体的に変調する構造を反射結像光学系の表面に直接に設置した実施例の模式図である。
【図８】第８図は、本発明に係る光学素子によって形成された強度分布を示す図面である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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