(57)【要約】  本発明は、光学式距離計に関係し、光学式距離計は、光検出部自身へ投影された画像を電子画像に変換する光検出部と、物体の画像を上記光検出部に投影する、上記光検出部上の画像を形成する入射した光ビームを調整する結像システムと、上記光検出部上の画像を形成する入射光を調整する光学系と、上記画像の空間スペクトルを提供する手段と、そして、上記画像の焦点ずれの程度に基づき、物体から当該光学式距離計までの距離を導き出す手段とを、備え、上記光学系は、焦点画像面に相関した光検出部上の画像の焦点ずれの程度が、結果として基準パターンに相関した上記画像の空間スペクトルの変位になるように、入射光を調整し、そして、上記距離計は、変位の上記程度から、焦点ずれの程度を導き出す手段を備えている。
2012514749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出部自身へ投影された画像を対応する電子画像に変換する光検出部と、
少なくとも１つの物体の画像を、上記光検出部に投影する結像システム、及び、上記光検出部上の画像を形成する入射光ビームを調整する少なくとも１つの光学系と、
スペクトル分解によって上記画像の空間スペクトルを提供するスペクトル処理手段と、そして、
上記画像の焦点ずれの程度に基づき、物体から当該光学式距離計までの距離を導き出す焦点ずれ処理部と、
を備えた光学式距離計であって、
上記光学系は、焦点画像面に相関した光検出部上の画像の焦点ずれの程度が、結果として、基準パターンに相関した上記画像の空間スペクトルの変位となるよう、入射光ビームを調整するように構成されており、そして、
上記基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の程度から、焦点画像面に相関した画像平面上の物体の画像の焦点ずれの程度を直接導き出す追加的処理手段を、備えたことを特徴とする光学式距離計。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系であり、画像の焦点ずれの程度に依存する空間スペクトルの変位の程度を提供する少なくとも１つのキラルの光学系を備えていることを特徴とする光学系。
【請求項３】
請求項２に記載のキラルの光学系であり、少なくとも１つのキラルの光学マスクを備えたことを特徴とするキラルの光学系。
【請求項４】
請求項１に記載の光学系であり、少なくとも２つの独立した光学チャネルの組み合わせであることを特徴とする光学系。
【請求項５】
請求項４に記載の少なくとも２つの独立した光学チャネルの組み合わせであり、キラル変調を提供することを特徴とする組み合わせ。
【請求項６】
上記光学系は、上記基準パターンに相関した画像の空間スペクトルを回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１から５に記載の光学式距離計。
【請求項７】
上記光学系は、上記基準パターンに相関した画像の空間スペクトルを拡大縮小させるように構成されていることを特徴とする請求項１から６に記載の光学式距離計。
【請求項８】
上記光学系は、上記基準パターンに相関した画像の空間スペクトルを横移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１から７に記載の光学式距離計。
【請求項９】
上記光学系は、上記空間スペクトルにおける少なくとも１つの特有のパターンを提供するよう構成されていることを特徴とする請求項１から８に記載の光学式距離計。
【請求項１０】
上記特有のパターンは、上記光学系の固有のスペクトル応答を含んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学式距離計。
【請求項１１】
上記特有のパターンは、ラインのパターンであることを特徴とする請求項１０に記載の光学式距離計。
【請求項１２】
上記画像の部分的エリアに対応する少なくとも２つの部分画像の焦点ずれの程度を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１に記載の光学式距離計。
【請求項１３】
焦点ずれマップを提供するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光学式距離計。
【請求項１４】
深度マップを提供するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光学式距離計。
【請求項１５】
波面マップを提供するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光学式距離計。
【請求項１６】
請求項１から１５に記載の光学式距離計を含む画像再構築装置であり、上記画像の空間スペクトルから上記物体の少なくとも１つの焦点画像の再構築を行うことを特徴とする画像再構築装置。
【請求項１７】
結像のためのキラルの光学系を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１６に記載の画像再構築装置。
【請求項１８】
上記結像のためのキラルの光学系は、放物線状のキラルの光学系を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１７に記載の画像再構築装置。
【請求項１９】
上記放物線状のキラルの光学系は、放物線状のキラルの光学マスクを少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１８に記載の画像再構築装置。
【請求項２０】
光学式距離計を備えた位相ダイバーシティ装置であり、請求項１から１５に記載の光学式距離計、及び、既知の推測された焦点ずれの多様性を用いて複数の画像を同時処理する追加的手段、を備えたことを特徴とする位相ダイバーシティ装置。
【請求項２１】
光学式距離計を備えた位相ダイバーシティ装置であり、請求項１６から１９に記載の画像再構築装置、及び、既知の推測された焦点ずれの多様性を用いて複数の画像を同時処理する追加的手段、を備えたことを特徴とする位相ダイバーシティ装置。
【請求項２２】
上記位相ダイバーシティ装置は画像再構築装置であることを特徴とする、請求項２０または２１に位相ダイバーシティ装置。
【請求項２３】
上記位相ダイバーシティ装置は光学式距離計であることを特徴とする、請求項２０または２１に位相ダイバーシティ装置。
【請求項２４】
請求項１から１５に記載の光学式距離計と、少なくとも１つの光路を推定する手段との組み合わせから成ることを特徴とする光学パスファインダー。
【請求項２５】
光検出部自身へ投影された画像を対応する電子画像に変換する光検出部と、
少なくとも１つの物体の画像を、上記光検出部に投影する結像システム、及び、上記光検出部上の画像を形成する入射光ビームを調整する少なくとも１つの光学系と、
スペクトル分解によって上記画像の空間スペクトルを提供するスペクトル処理手段と、そして、
上記画像の焦点ずれの程度に基づき、物体から距離計までの距離を導き出す焦点ずれ処理部と、
を備えた様態波面センサであって、
上記光学系は、少なくとも１つの波面収差が、結果として基準パターンに相関した上記画像の空間スペクトルの変位となるよう、入射光ビームを調整するように構成されており、そして、
上記距離計は、上記基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の上記程度から、焦点画像面に相関した画像平面上の物体の画像の少なくとも１つの波面収差の程度を直接導き出す追加的処理手段を、備えたことを特徴とする様態波面センサ。
【請求項２６】
光検出部に少なくとも１つの物体の画像を投影し、
光学系により入射光ビームを調整し、
光検出部に投影された画像を対応する電子画像に処理し、スペクトル分解により画像の空間スペクトルを提供し、そして、
画像の焦点ずれの程度を基に、上記物体から距離計までの距離を導き出す、光学的な距離の測定方法であって、
焦点画像面に相関した画像平面上の少なくとも１つの物体の画像の焦点ずれの程度が、結果として基準パターンに相関した上記画像の空間スペクトルの変位となるように、入射光ビームの調整と、
上記基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の上記程度から、焦点画像面に相関した画像平面上の上記物体の画像の焦点ずれの程度を直接導き出す追加的処理と、を含むことを特徴とする光学的な距離の測定方法。
【請求項２７】
上記光ビームの調整は、キラルの調整であり、基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の程度が画像の焦点ずれの程度に依存することを特徴とする請求項２６に記載の光学的な距離の測定方法。
【請求項２８】
上記光ビームの調整により、上記空間スペクトルにおいて少なくとも１つの特有のパターンを提供することを特徴とする請求項２６または２７に記載の光学的な距離の測定方法
【請求項２９】
画像の再構築方法であり、請求項２５から２８に記載の方法と、上記画像の空間スペクトルから上記物体の少なくとも１つの焦点画像を再構築する処理工程と、の組み合わせであることを特徴とする画像の再構築方法。
【請求項３０】
請求項２５から２９に記載の光学的な距離の測定方法であり、少なくとも１つの光学的経路を提供することを特徴とする距離の測定方法。
【請求項３１】
光検出部に少なくとも１つの物体の画像を投影し、
光学系により入射光ビームを調整し、
上記画像を対応する電子画像に変換するよう処理し、そして、
スペクトル分解により画像の空間スペクトルを提供する、様態波面の検出方法であって、
少なくとも１つの波面収差が、結果として基準パターンに相関した上記画像の空間スペクトルの少なくとも１つの変位となるように、入射光ビームを調整し、
上記基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の程度から、少なくとも１つの波面収差の程度を直接導き出す追加的処理を行う、ことを特徴とする様態波面の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔序論〕
受動型の距離測定を含む距離測定は、測定者あるいは測定装置から、対象である１つの物体あるいは複数の物体までの距離、あるいは、拡張された景色（シーン）、を推定するものであり、民生や軍事に、また、工業的、学術的に、応用され、重要である。
【０００２】
幾何学的な方法に基づく光学式距離計、すなわち角度測定装置としての作動は、１９世紀から使用されている。光距儀のシステムでは、一旦、物体の次元が推測的（演繹的）に分かると（例えば、１７９９年からの初期の先行技術文献２，２８９に示されている）、距離は、物体の角度のサイズから、算出される、あるいは、導き出される。また、視差／同時発生の距離計では、距離は、同じ物体のいくつかの画像の視差エラーから、値が求められる。これらの装置は本質的に受動型である。また、それらの精度は角度の測定の精度により制限される。受動型の三角測量の方法も、画像領域内の複数の個所での焦点ずれ（ピンぼけ、デフォーカス）の程度を推定するために、現代の写真用カメラ（例えば、K. Engelhardt and R. Knop, Appl. Opt. 34, 2339-2344, 1995）にて採用されている。
【０００３】
現代の結像装置では、受動型の距離測定は、位相検知方法あるいは対比測定方法を用いて遂行することができる。位相検知方法（例えば、WO2005/098501、及び、US2008/205872）は、既知の光路長さを用いて、主要な物体からの光をいくつかのチャネルへ分割し、光の強度の差を求めるために部分画像を分析する。対比測定方法（例えば、US2006109369、及び、US2004017502）は、焦点合わせ（ピント合わせ）の条件を変更することによって、光検出部上の結像あるいは結像の一部を、最適化する。
【０００４】
上記方法は、本文書に記述された距離計の装置および対応する方法とは、すべての面において異なる。本文書に記述された距離計の装置および対応する方法は、物体の三角測量または角度測定を必要となしないし、また、対比評価または部分画像遅れた位相の比較を必要としない。
【０００５】
〔用語と定義〕
一般用語：焦点画像面は、物体面に光学的に結合する面であり、焦点合わせエラーを有さない。画像平面が焦点画像面と一致すると、画像は、焦点が合う、あるいは、はっきりする。一致しないと、画像は、焦点が合わない（焦点がずれる、ピンぼけになる）、あるいは、画像は、はっきりしない、あるいは、画像はいくらかの焦点ずれの程度を有することになる。
【０００６】
物体及び画像の用語は、Goodmanの一般化された結像システムの定義（J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Co., Inc., New York, 1996, Chap.6）に従っている。物体は物体面の中に位置し、そして、対応する画像は画像平面の中に位置する。数学的に説明すると、物体と画像とは、物体面と画像平面とにおける光の分配を表わすデータ配列あるいは機能を、それぞれ、参照する。
【０００７】
スペクトル応答は、一般に、輝度インパルス応答のフーリエ変換により得られる。あるいは、制限されないが、ウェーブレット分解及び他のスペクトル分解、を含む他の変換によって得られる。ここで、スペクトル分解は、画像を、ヒルベルト空間の適切なオペレーターの固有関数の主成分へ分解することである。画像／物体の空間スペクトルは、画像／物体のデータのスペクトル分解によって得られる。
【０００８】
基準パターンは、本文書の文脈中では、空間スペクトル領域中のいくつものパターンを意味し、焦点ずれにより引き起こされる画像スペクトルの変位の程度（度合い）を測定する参照スケールとして使用される。基準パターンは、空間スペクトル領域における合成構造であり、例えば、シングルライン、あるいは、ラインから成る格子、であってもよい。あるいは、基準パターンは、光学系または光学マスクの固有のスペクトル応答から得られる特有のパターンであってもよい。特有のパターンは、一貫性のない光学移動機能（ＯＴＦ）、すなわち、マスクの振幅及び位相の機能にて計算された調整移動機能（ＭＴＦ）、の係数により都合よく表されてもよい。実際、特有のパターンは、空間スペクトルの置換を測定し値を求めるのに、役立つ。ラインの周期的パターンは、キラル（鏡像異性）のプリズム素子を備えた光学マスク（例えば半絞りのプリズムの光学マスク）に起因する特有のパターンの一例である。
【０００９】
用語、焦点ずれマップは、空間的に拡張された物体／景色について得られた、一般的に２次元の、焦点ずれの程度、の分布を表す。深度マップは、複数の物体あるいは複数の部分画像の距離を提供し、また、波面マップは、例えば射出瞳の面内での、波面の歪みを表し、そして、ガウスの参照領域（Gaussian reference sphere）に関して測定される。
上記マップは、単一の時間内に情報を提供する静的マップ、あるいは、例えばリアルタイムのスピードで、最新の情報を提供する動的マップであってもよい。ＥＤＦは、拡張被写界深度（Extended Depth of Field）の略である。
【００１０】
装置と実施形態−光学式距離計は、少なくとも１つの物体から光学式距離計に関して予め定められた位置までの距離を測定する。画像再構築装置、あるいは、本文書の文脈における結像装置は、物体の少なくとも１つの焦点画像を提供するように適合された光学式距離計である。そして、画像は、例えば画像の空間スペクトルから、再構築される。光学パスファインダーは、一旦、物体と距離計の間の距離が推測的に分かると、光学経路の長さを測定する装置である。
【００１１】
光学キラリティおよび系−距離測定と結びつけられる光学キラリティは、本文書の主なコンセプトである。
【００１２】
キラルの光学素子は、光ビームあるいは光信号のキラルの位相変調に帰着する光学面を少なくとも１つ備えている。キラルの位相変調は、言い換えると、三次元のキラル表面によって表わせるキラルの位相関数に関係する。定義上、回転と変換とにより、キラル表面の鏡像をオリジナル表面へ写像することができない。例えば、「M. Petitjean, J. Math. Phys. 43, 4147-4157, 2002」は、これは、言及によって本文書に含まれている。数学的な用語において、物体は、それがパリティ変換の下で不変でない場合に、キラルであると定義される。
【００１３】
キラルの光学系は、画像平面に近づく光がキラルの位相変調を含むように、あるいはその代わりに、光学システムの一般化さされた瞳関数がキラルの位相を有するように、光を調整する点において特徴付けられた光学システムの系である。
【００１４】
キラル変調とは、キラルの光学系に起因する光の振幅および位相の変調である。右回りにあるいは左回りに、または、右巻きにあるいは左巻きに、というキラリティサインあるいはキラリティ方向は、各特定の光学マスクに対して、同じであるのが好ましい。すなわち、１つのマスクは、１つのキラリティ機能、あるいは同じサインのキラリティ機能の組み合わせ、のみで構成されるべきである。しかし、反対のサインのキラリティ機能の組み合わせを除外するものではない。シンプルなケースでのキラリティ度合い、例えば、渦は、トポロジカルチャージの観点から、定量的に測定される。他のケース（例えば、複合的な三次元表面）では、キラリティ度合いは、連続的なキラリティ測定、例えば「Salomon et al., J. Mater. Chem. 25, 295-308, 1999」の観点から算出することができる。
【００１５】
〔図面の説明〕
図１は、光学式距離計及び結像装置の基本的な具体例を示している。物体１から発せられる光は、結像光学系２により、光検出部４の画像平面３上に投影される。射出瞳６の面の中に位置する光学マスク５は、伝送された光の強度および位相を調整する。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によってさらに処理される。
【００１６】
図２は、正方形の開口部を有する、本実施例での、半絞りのキラルのプリズムの光学マスクを示している。マスクは１つの平面素子８及び１つのプリズム素子９を備えている。
【００１７】
図３は、正方形の開口部を有する、本実施例での、２つのプリズム素子を備えた光学マスクを示している。マスクは、マスクのキラル構造をもたらす、２つのプリズム素子１０及び１１を備えている。
【００１８】
図４は、本実施例において、円形の穴の中でｚ＝Ａｒ２αによって定義される、放物線状の螺旋の面１２を備えた光学マスクを示している。ここで、ｚは表面のたわみ、ｒは半径方向の座標、αはマスクの面における極の角度、及びＡはマスクの勾配である。
【００１９】
図５は、本実施例における、焦点ずれ依存ＯＴＦおよび対応するキラルの光学マスクのＰＳＦの考案について示している。マスクの振幅関数は、
【００２０】
【数１】
2012514749.tif 000003
【００２１】
によって、定義される。そして、位相関数は、
【００２２】
【数２】
2012514749.tif 000004
【００２３】
によって与えられる。
【００２４】
写真１３，１５，１７は、ＯＴＦの係数、すなわち、焦点ずれ値φ＝０、φ＝５、φ１０にてそれぞれ算出されたＭＴＦ、を表す。写真１４，１６，１８は、対応するＰＳＦを示す。これらの写真は、それぞれ、空間周波数の範囲−２≦ωx≦２、−２≦ωｙ≦２、および、空間の範囲−７．６≦ｘ≦７．６、−７．６≦ｙ≦７．６、をカバーし、全ての変数は、無次元である。破線１９は、ＰＳＦのローブ（lobes）のシフト方向に沿った平行線である。ＭＴＦ写真からわかるように、焦点ずれの増加は、空間スペクトル中のラインパターンの別個の回転を発生させる。中央のラインは、ほとんど歪んでおらず、容易に検知できる。これに対して、ＰＳＦは、ローブが、反対方向において、破線１９に沿って水平に移動する伝播する変化、並びに、経験から得られた回折およびスケーリングである。
【００２５】
図６は、結像ためのキラルの光学系の光学応答を示しており、本実施例における、ユニット半径の円形の開口部により定義づけられた、
【００２６】
【数３】
2012514749.tif 000005
【００２７】
の位相関数の放物線状の螺旋の光学マスクを示している。
【００２８】
写真２０，２３および２６は、ＯＴＦ、すなわち、焦点ずれ値が、それぞれ、φ＝−４、φ＝−６、およびφ＝−８にて算出されたＭＴＦ、の係数を表している。描画２１，２４，２７は、ＭＴＦの中央の水平断面を描いている。写真２２，２５，２８は、対応するＰＳＦを示している。ＭＴＦおよびＰＳＦの写真は、それぞれ、空間周波数の範囲−２≦ωx≦２、−２≦ωｙ≦２、および、空間の範囲−７．６≦ｘ≦７．６、−７．６≦ｙ≦７．６、をカバーし、全ての変数は、無次元である。ＭＴＦ写真および空間スペクトルの断面図からわかるように、焦点ずれの変化は、結果的に、ＯＴＦの係数が正のままである間の、空間スペクトルの中心の構造の明確な回転に帰着する。すなわち、ゼロを有さない。ここで、ＰＳＦは、１つの適切に中心に置かれたローブのみ有しており、それらの強度の分配は、弱く焦点ずれに依存し、ローブが引き伸ばす。
【００２９】
図７は、基準パターン、本実施例では、光学マスクの固有のスペクトル応答に対応する特有のパターン、の生成について示している。物体２９ (これは、例えば、工場出荷時の検査中の、標準の物体あるいは景色、とすることができる) から出る光２９は、結像光学部材２により、光学マスク５を介して、光検出部４の画像平面３上に投射される。光検出部４は、投影された光を対応する電子画像３１に変換し３０、電子画像３１は、処理手段３２により、空間スペクトル３３へ変換される。空間スペクトル３３は、結果として生じる基準パターンである。本実施例では、物体２９は、ランダムなパターンによって照射された飛行機である。
【００３０】
図８は、距離の測定方法と結像方法について示している。物体から出る光は、結像光学部材２により、光学マスク５を介して、光検出部４の画像平面３上に投射される。光検出部４は、電子画像３４を生成し３２、電子画像３４は、処理手段３２によって空間スペクトル３５に変換される。追加的な処理手段３６は、画像の焦点ずれの程度３７の値を求め、そして、処理３８により物体までの距離３９が算出される。
追加的な処理手段４０を用いて、空間スペクトル３５および値が求められた焦点ずれ３７を処理することで、物体の再構築された画像４１を得ることができる。
【００３１】
図９は、図２に基づいて設計された光学マスクを備えたプロトタイプの光学式距離計の結果を示している。この例では、光検出部の画像４２は対象の物体４３の焦点の合った画像を表す。画像のスペクトル分解４４は、空間スペクトル４５を提供し、空間スペクトル４５は、特有のパターンのライン４６を含んでいる。ライン４６は、この例では、基準パターンと見なすことができる縦軸４７に位置合わせされている。
【００３２】
図１０は、図２に基づいて設計された光学マスクを備えたプロトタイプの光学式距離計の結果を示している。この例では、光検出部の画像４２は対象の物体４３の焦点の合っていない（焦点がずれている、ピンぼけの）画像を表す。画像のスペクトル分解４４は、空間スペクトル４５を提供し、空間スペクトル４５は特有のパターンのライン４６を含んでいる。ライン４６は、この例では、計測および、縦軸４７に対して回転の程度４８により角度を持って回転される。物体への距離は、例えば本文書の中で与えられる式を使用する、回転の程度から計算することができる。ここで、ライン４７は、この例では、基準パターンと見なすことができる。
【００３３】
図１１は、キラルの光学系を備えた光学式距離計および結像装置の、他の実施形態を示している。物体１から出る光は、離されて配置された、分塞がった開口部５１および５２を備える２つのレンズ４９および５０により、レイアウトの面上に集光し、そして、ミラー５３，５４，５５およびビームスプリッタ５６により中継されて、光検出部４の画像平面３へと向かう。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によりさらに処理される。光学チャネルの相対的な傾きは、ゼロでない有効なプリズムの定数Ａに帰着し、半分塞がった開口部５１および５２と組み合わせることで、システム系をキラルにする。
【００３４】
図１２は、キラルの光学系を備えた光学式距離計および結像装置の、他の実施形態を示している。物体１から出る光は、２つの凹面鏡５７及び５８によって反射され、光検出部４の画像平面３へ向かう。凹面鏡５７及び５８は、間隔５９を離して広げて配置される。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によりさらに処理される。（より好ましくは、光学レイアウトの面に対して垂直な面における）凹面鏡５７及び５８の相対的な傾きは、システムをキラルにする。このキラルの光学系は、間隔５９が凹面鏡５７及び５８の直径と比較して大きい場合に、高感度となる最も単純な具体例の一つである。
【００３５】
〔本発明の適応範囲〕
本文書は、基本的に受動型の（物体の能動的な照射は無い）、固定の（可動部材は無い）光学的な距離の測定、についての装置と方法とを開示する。この光学的な距離の測定は、光学の／デジタルの処理によって、距離の測定を実行し、物体の焦点画像を提供する、結像装置、あるいは、距離計と結像装置との組み合わせを形成するのに適応できる。本文書に開示された距離の測定装置は、本質的に、受動型の光学式距離計である。しかし、例えば、可視のサーチライト、ＩＲライト、様々な種類のレーザライト、物体を照射する格子のような特定のライトパターンのプロジェクター等の、照明／ライトの投射ユニットを追加した、能動型の光学式距離計に適応しても構わない。距離計は可動部材を有しておらず、よって、装置の製造、アプリケーション、および製造コストにおいて有利である。本文書に記述された追加的な結像装置と結びつけて、それは、受動および能動の両方のモードで、物体を標的とすることができる。
【００３６】
装置と方法についての記述から、多くの適用例を引き出すことができる。いくつかの例が以下に列挙されるが、適用可能な範囲は列挙された例に制限されない。本文書に記述された装置と方法は、次のことを可能にする。第１に、物体についての距離の予備知識なしに、焦点画像面に相関した画像平面における焦点ずれの程度を推定し、第２に、物体から距離計までの距離を求める。記述された装置は、第３に、焦点がずれた画像から焦点の合った画像に再構築するのに適応され、第４に、画像の対応する部分領域から複数の部分画像の焦点ずれの程度を算出し、第５に、画像の対応する部分領域から複数の焦点の合った部分画像を再構築し、第６に、画像の対応する複数の部分領域からの複数の焦点の合った部分画像を、”合成の”焦点の合ったＥＤＦ画像に重ね合わせ、第７に、焦点ずれマップおよび、続けて、深度マップを構築し、第８に、連続した期間内で、画像あるいは部分画像を分析して、物体の速度と距離とを算出し、第９に、局所的な焦点ずれの程度の分析により入射光の波面を特徴づけ、そして、波面マップを構築する。当業者は、光学マスクの固有の光学応答が光の波長に依存すると、結論を下してもよい。従って、第１０に、記述された装置は、光のスペクトルを決定するために修正することができる。様々な技術的な適用において、分光計と組み合わせられた距離計は、有利なものになり得る。第１１に、本文書に記述された光学式距離計は、原理的には、波動を含む全てのプロセスへ適用するために改造された、距離計、あるいは、結像装置、となり得る。しかし、光学的に同期しない単色の波動プロセスに、最も直接的に適用できる。本発明は、赤外線および紫外線のスペクトルに、直接適用することができる。白熱の陰極チューブによって生産されたＸ線は、定義により、同期せず、単色ではない。しかし、方法は、例えば、単色を生産する結晶の単色光分光器の適用により、Ｘ線に対して使用できる。超音波および同期の無線周波数信号に対して、式は、対応するシステムの同期の振幅伝達関数に適応できる。多色の光、しかし、見かけ上単色のスペクトル成分に分離された光、を使用する。距離計は、例えば、光学マスクの表面を３つのセクションに分割することにより、複数のカラーチャネルの分析に適応することができる。３つのセクションは、赤（Ｒ）のフィルタを備えた１つのセクション、青（Ｂ）のフィルタを備えた１つのセクション、および緑（Ｇ）のフィルタを備えた１つのセクションを有する。これらセクションは、少なくとも１つの光検出部（フォトセンサ）と結合する。光検出部は、対応する、例えば、バイエル・カラーフィルター・パターンを備えている。Ｒ，ＢおよびＧバンドに対応する画像は、独立して分析でき、そして、距離測定は、各スペクトルのバンドにより別々に、遂行できる。代わりに、例えば、調整可能なカラーフィルターといった調整可能なスペクトルの選択装置、あるいは、回折格子は、距離計のスペクトルの処理の選択に適応できる。
【００３７】
〔先行発明〕
先行発明である、US2008/0137059および、対応する文書「A. Greengard et al., Opt. Lett. 21, 181-183, 2006, and S.R.P. Pavani and R. Piestun, Opt. Expr. 16, 3484-3489, 2008」は、先行発明は上記文書の組み合わせも含んでおり、以降では、US2008/0137059に記載の距離計として参照する。
【００３８】
US2008/0137059に記載の受動型の光学式の距離測定のコンセプトは、ガウス−ラゲール（ＧＬ）モードの重ね合わせからなる光ビームの伝播効果を主張する、Schechner (Y.Y. Schechner et al., Phys. Rev. E 54, R54-R53, 1996)、および、Piestun (R. Piestun et al., J. Opt. Soc. Am. A 17, 294-303, 2000)の初期の研究に基づいている。一般化された自己結像の条件が見つかり、縦の座標ｚの関数としての、横の強度の分配（これは伝播上不変である）の回転割合に対する相関が、ＧＬモードの重ね合せのために引き出された。US2008/0137059の理論的な分析は、同期の照射に関連していることに留意すべきである。US2008/0137059に記載の光学式距離計は、その振幅（コヒーレント）の点像分布関数ｈが、回転自己結像の条件を満たすＧＬモードの組み合わせとして表すことができるように設計されている。すなわち、対応する横方向の強度分布
【００３９】
【数４】
2012514749.tif 000006
【００４０】
は、回転し、伝播時に不変のままである。非同期の光において、
【００４１】
【数５】
2012514749.tif 000007
【００４２】
によって与えられる強度ＰＳＦは、ｈのそれらと同様の方法で、伝播時に回転したままである。回転するＰＳＦを伴う光学システムが拡張した物体あるいは背景を画像化する際、結果としての回転画像Ｉは、回転ＰＳＦの畳み込み
【００４３】
【数５】
2012514749.tif 000008
【００４４】
であり、物体の画像Ｉ０、すなわち、
【００４５】
【数６】
2012514749.tif 000009
【００４６】
である。未知の距離を求めるために、Ｉ０は予めわかってはいないことに注意すべきであり、初めに、回転ＰＳＦが分からなければならない。そして、それから、距離は、焦点ずれにおける
【００４７】
【数５】
2012514749.tif 000010
【００４８】
の依存度から算出できる。これは、Ｉ０の追加情報が提供されなければならないことを意味する回転ＰＳＦの逆重畳を必要とする。US2008/0137059では、このステップは、「回転ＰＳＦの逆重畳」に続く「参照画像の受信」として、参照される。従って、US2008/0137059に記載の距離測定は、少なくとも２つの画像、または、画像の構造の予備知識が必要である。
【００４９】
本文書に記載された発明は、設計、実施例、および方法において、US2008/0137059等とは異なるが、必ずしも全てではない。相違点は、次の通りである。
【００５０】
第１に、上記で説明したように、US2008/0137059に記載の距離測定は、算出あるいは、ＰＳＦの逆重畳を必要とし、そして、検出された画像Ｉに加え、「参照画像」、「校正画像」、あるいは「理論上の画像」、言い換えればＩ０が、回転ＰＳＦを評価するために、提供される必要がある。当業者は、そのような画像が構築されるために、精密な構造、例えば、画像平面における強度分布Ｉ０が、知られる必要があると、結論を下してもよい。従って、実際には、参照画像は、物体が、例えば、
【００５１】
【数７】
2012514749.tif 000011
【００５２】
であり、そして、
【００５３】
【数８】
2012514749.tif 000012
【００５４】
である場合の、点光源でない限り、物体の画像であるか、あるいは、物体の画像から導き出される必要がある。US2008/0137059は、結像システムの開口を絞ることによって、追加の参照フレームを取得する方法を開示している。本発明は、物体の構造に関して何らかの仮定をすることなしに、物体の１つの画像から距離を決定する。焦点ずれの程度は、例えば、基準軸、または距離計の光学的配置から事前に既知となっている基準パターンに相関した画像スペクトルの変位の程度から直接導き出される。
【００５５】
第２に、当業者は、光学システムによる結像は、物理的ドメイン（ＰＳＦの観点から、
【００５６】
【数５】
2012514749.tif 000013
【００５７】
、および強度分布、ＩおよびＩ０）、および空間周波数ドメイン（ＯＴＦの観点から、Ｈおよび、対応する空間スペクトル、
【００５８】
【数９】
2012514749.tif 000014
【００５９】
および、
【００６０】
【数１０】
2012514749.tif 000015
【００６１】
）にて同様に記述することができると結論付けてもよい。しかしながら、受動型の測距のためにＯＴＦを使用することは、重要な利点を与える。すなわち、未知の焦点ずれは、画像スペクトルから直接得ることができる。
【００６２】
【数１１】
2012514749.tif 000016
【００６３】
【数１２】
2012514749.tif 000017
【００６４】
および、
【００６５】
【数１３】
2012514749.tif 000018
【００６６】
を表し、ここでＦはフーリエ変換であり、簡潔にするために光学システムは等平面状（isoplanatic）であると仮定すると、結像の方程式は、
【００６７】
【数１４】
2012514749.tif 000019
【００６８】
となる。従って、Ｈは、画像の空間スペクトル
【００６９】
【数９】
2012514749.tif 000020
【００７０】
を所定の方法で変調する。本発明は、ＯＴＦであるＨを、画像スペクトルにおける変位（焦点ずれによって異なる）を導入し、そして、必要に応じて、これらの変位を検出可能にする特徴的なパターンを作成するものとして、指定する。画像スペクトルの変位は、例えば、重なり積分
【００７１】
【数１５】
2012514749.tif 000021
【００７２】
を求めることによって、測定することができる。ここで、積分は、スペクトルのドメイン（ωｘ，ωｙ）を超えており、焦点ずれの程度は、重なり積分ηを最大化することによって得られる。フーリエ変換の定理から得られる、スペクトル的アプローチの重要な利点は、対象となる物体が横方向に移動したとき、
【００７３】
【数１６】
2012514749.tif 000022
【００７４】
は、不変のままであることである。これは、ＯＴＦに基づく方法を、移動物体の測距、または、動的な測距に対して適用可能にする。物理的ドメインでは、物体の移動によって、逆重畳のステップが大幅に複雑になる。
【００７５】
第３に、US2008/0137059による回転ＰＳＦは、（引用）「ガウス−ラゲールの様態面のラインに沿って落ちる光学モードを重畳して得られる、伝搬が不変の回転ビーム、のクラスに関連する」。本文書に記載の光学式距離計は、伝搬が不変の回転ビームを必要とせず、また、様態面におけるどのような特定の制約にも依存もしない。例として、本文書の図５は、絞りのプリズムの光学マスクのために計算された、ＰＳＦの発展を示しており、光学マスクは、本文書における光学系の好ましい実施形態の一つであると考えられる。図５から明確にわかるように、システムＰＳＦ１４，１６，１８は、伝搬が相違する光の分布であり、焦点ずれに伴う複雑な様式において発展される。ＰＳＦの発展は、基準線、それらの回折、およびスケーリング、に沿ったＰＳＦローブの水平方向の移動を、含んでいる。
【００７６】
第４に、先行発明US2008/0137059は、焦点ずれの評価、および次のレンジの計算のために、回転ＰＳＦを必要とする。本文書において、回転ＰＳＦは必要とせず、焦点ずれは、ＯＴＦの変位、Ｈ、から直接得られる。当業者は、回折限界の性能に近い、すなわち、すなわち、ＰＳＦが十分に局地集中された機能である、結像システムに対して、焦点ずれに起因する変位は、物理的ドメインよりもむしろスペクトルドメイン（領域）で、非常に正確に決定できる、と結論付けてもよい。例えば、本文書の図６は、放物線状の螺旋のマスクの空間的応答を示している。図６から明確にわかるように。焦点ずれの変化は、ＭＴＦの中央構造の別個の回転の結果となる（２０、２３，２３参照）。それと同時に、ＰＳＦ２２、２５，２８は、方向の延長以外のどのような変化も、ほとんど明らかにしない。
【００７７】
第５に、US2008/0137059の方法は、フィッシャーの情報を最大化するマスクを含んでいる。その一方で本発明は、キラリティを引き起こすキラルのマスクを含んでいる。US2008/0137059による回転ＰＳＦシステムの光学応答を予測し最適化するために、いくつかの厳格な制約を含む複雑な数値解析が要求される。厳格な制約とは、例えば、ＧＬ面のラインの周りの波のモードのセンタリング、回転の不変性など、である。これに対して、キラルのマスク応答を、評価し最適化するのは、簡単である。多くの実用的なケースでは、ＯＴＦは分析的に見つけることができる。例えば、ＯＴＦの半絞りのプリズムの光学マスクと、その焦点ずれ、および、プリズム部分の勾配の依存度とは、本文書の「分析的枠組み」の項において導き出される。
【００７８】
第６に、US2008/0137059から以下のように、回転ＰＳＦシステムは、回転ＰＳＦの伝達関数の振幅部分に起因する低い光効率、未使用の回折成分、および、側面ローブに対する光の散乱、によって特徴づけられる。実際には、〜１．８％の伝達関数の効率は、正確な回転ＰＳＦマスクを用いて達成される。３次元の回転ＰＳＦ応答に対する軽減された制約が、最近、〜５６．８％の理論上の効率に従って設計された新しい高効率の回転ＰＳＦにもたらされた。しかしながら、当業者は、３次元振幅PSFの過程に対する、および首尾一貫したトランスファー機能の不連続に対する、３次元振幅ＰＳＦの位相上と同期の伝達関数上とに、追加的な制限のない、同期の光学応答の最適化が、光の回折の影響および散乱に結びつくと、結論付けることがある。US2008/0137059によれば、（引用）「適切な位置での位相特異性は、ＰＳＦの回転に対する、主たる原因である」とういことである。これは、基本的に回転ＰＳＦシステムの効率を制限する。それに対して、本文書に記述されたＯＴＦに基づいたアプローチの効率（Parsevalの定理を使用すると、効率は、空間スペクトルの全エネルギーに対する、使用可能な特有のパターンを備えた空間スペクトルの部分的エネルギーの比率として決定することができる）は、１００%に達する可能性がある。例えば、低い開口数（ＮＡ）のシステムでは、画像スペクトルは、低い空間周波数に集中され、特有のパターンによって完全にカバーすることができる。焦点がずれることで、パターンの変位を引き起こすが、全てのパターン構造は焦点ずれの評価に使用可能なままである。
【００７９】
第７に、本文書は、「分析的枠組み」の項に、例と計算式とを用いて、光検出部によって検知されたぼやけたような画像から、物体の焦点画像を得る方法を説明する。この方法は、US2008/0137059に記載の距離計の装置に対しては開示されていない。
【００８０】
第８に、US2008/0137059に記載の光学式の距離測定のための距離測定の装置および方法は、多数の光学マスクを含んでおり、そして、離れた物体の多数の画像を必要とする。本文書では、光学式の距離測定は、物体の１つの画像のみで、そして、追加の光学素子、すなわち、光学マスク無しで、遂行することができる。例えば、図１２に示される光学系は、結像のために凹面鏡を１組有し、キラリティの効果は、この鏡の相対的な傾きにより導入される。
【００８１】
先行発明US7218448B1は、受動型の測距のシステムおよび方法について記述しており、本文書の中で示される受動型の光学式の距離計とは、物理的な原理、設計および具体例を含む、重要な側面において異なる。必ずしも全てではないが、いくつかが異なっており、相違は次の通りである。第１に、US7218448B1には記載された、光学系あるいはマスクのデザイン（２つのプリズムを備えた一次の位相の調整マスクを含む）は、キラルの光学系あるいは、キラルの光学マスクではない。第２に、US7218448B1に記載の受動型の測距は、（引用）「非同期の光学システムを調整することにより達成され、…そのような方法では、ゼロに依存する範囲はＯＴＦの中に存在する」。あるいは言い換えれば、(引用)「ゼロは、範囲についての情報を備えた波面をエンコードするために付け加えられる」。本文書に記述された光学の距離の測定方法は、ＯＴＦの中のゼロを要求しない。ＯＴＦは不規則な構造を有しているかもしれないし、ゼロを含んでいないかもしれないし、あるいは十分に定義された最小値を含んでいないかもしれない。例えば、図６のＭＴＦの断面図２１，２４，２７は、スペクトルの範囲でゼロを明らかにしない。ゼロは、任意のデジタル・ポスト・フィルタリングによって削除することができないため、これは画像の再構築にとって有利である。同時に、焦点ずれの程度は、例えば、重なり積分
【００８２】
【数１７】
2012514749.tif 000023
【００８３】
を最大化することで、ＭＴＦの中央ローブの二次元の変位から導出することができる。ここで、
【００８４】
【数１８】
2012514749.tif 000024
【００８５】
は、ＭＴＦ依存の焦点ずれであり、積分は、空間的ドメイン（ωｘ，ωｙ）に渡って遂行される。第３に、US7218448B1に記載の拡張された被写界深度を備えた受動型の測距は、線形位相調整フィルタを、単一のステレオグラムを生成しながら、立体の位相変調マスクと組み合わせることにより、得られる。本文書では、例えば、光学システムの出射瞳を形作ることにより、キラルの光学系の方向感度を使用して、追加の素子および位相マスクなしで、測距の深度を拡張することができる。それは、例えば、２つの小さな開口を有する開口瞳孔に変化させる瞳孔整形が、距離計の精度および測距の深度の増加に帰着することは、数学的に説明できる。このアプローチのただ１つの欠点は、光の減退である。
【００８６】
先行発明US5521695Aおよびその一部継続の発明US5870179Aは、本文書に示される受動型の光学式距離計とは、物理的な原理、設計および実施形態において、異なる。必ずしも全てではなく、必ずしも全てではないが、いくつかが異なっており、相違は次の通りである。第１に、US5521695AおよびUS5870179Aに記載された、光学系あるいはマスクのデザインは、いずれも、キラルの光学系でも、キラルのマスクでもない。第２に、測距および結像のために、US5521695AとUS5870179Aは、ランク落ちの結像システムの変換行列と、色の分解技術とを必要とする。結像に関するランク落ち（数学的にランク落ちの例は、ベクトルの、基底ベクトルの不十分な集合（セット）への、分解、あるいは、投影である）、結果として得られる画像が、物体よりも少ない情報を含み、物体の画像をどのようなポスト・フィルタリングによっても再構築できないことを、意味する。これは、定義済みの色のバンド（あるいは波長）が測距のために使用される場合、色分解により達成でき、また、他の色のバンドは結像のために意図される。本発明は、ランク落ちの変換行列および／または複雑な色の分解技術を、必要としない。さらに、結像のためのキラルの光学系のケースでは、１つの検知された画像のみが、同時の測距離および画像の再構築に、必要である。第３に、物体の様々なポイントまでの距離を推定するUS5521695AとUS5870179Aの方法は、範囲でエンコードされた画像ブロックの分析に依存する。US5521695AとUS5870179Aの表記において、各ブロックｙｉは、対応する画像データｕ、の畳み込みの結果であり、範囲依存の「ランク落ち」のＰＳＦ，Ｈｉ、すなわち、
【００８７】
【数１９】
2012514749.tif 000025
【００８８】
を伴う。当業者は、１セットのベクトルａｉを見つけることは、達成されていない問題である、と結論を下すかもしれない。ここで、ａｉは、
【００８９】
【数２０】
2012514749.tif 000026
【００９０】
および、
【００９１】
【数２１】
2012514749.tif 000027
【００９２】
であり、ｉ≠ｊである。達成されていない問題は、結果的に、例えば、物体の特別なセクションｕに対する範囲にだけでなく、物体の構造に依存する（ｙｉがｕに依存しているため）ベクトルａｉに帰着する。本発明では、範囲（レンジ）の精度を制限する物体に関連する影響は、付加的な光学マスク／光学系によって、あるいは、本文書に記述されるアルゴリズムによって削除される。第４に、以下の記載のように、US5521695AおよびUS5870179Aは、離散領域Ｌの数を有する、サンプリングされたＰＳＦ（結像システムがランク落ちしているために、不十分なサンプリングであっても）を使用する。これは、次のことを意味する。結果として得られる範囲でエンコードした画像のブロック、ｙｉは、ＰＳＦの値ｈ０、ｈＬ−１を加重したＬの重ね合わせであり、それらから結果として得られるｙｉの強度分布は、連続的なＰＳＦから得られる。このような偏差は、基本的にシステムの精度を制限する。これに対して、本発明では、ＰＳＦは連続的なままであり、また、システムの制度は画像のサイズによってのみ制限される。 
【００９３】
〔分析的枠組み〕
光学式の距離測定の方法は、入射光の位相と振幅を変調するために、光学システムの内側または外側、好ましくは好ましくは射出瞳の面、に配置される光学マスクが少なくとも１つ必要である。光学マスクは、個々の素子として、あるいは、光学システムあるいは光検出部の一部、あるいは、光学システムの素子の一部、として、設計されてもよい。例えば、改質された表面を有する中継レンズとして設計されてもよい。光学マスクは、その振幅関数と位相関数とによって、完全に特徴付けられる。距離計の最も簡単な実施形態では、マスクを通過した後の光は、画像平面における光検出部により登録され、システム設計により指定され、一般に、対象の距離の範囲のために、光学システムの焦点画像と一致しない。また、光は、例えば、本文書の参考文献に含まれるUS4556950に記載の光学処理部の出力面における、画像の空間スペクトルを表す平面に配置された光検出部により登録することができる。
【００９４】
光学マスクが射出瞳の面にある場合を考慮する。Ｚ軸が光学システムの光軸に沿っており、Ｘ軸とＹ軸とが光軸に対して垂直でありかつ射出瞳の面にある、デカルト座標では、マスクの複合的な伝達は、
【００９５】
【数２２】
2012514749.tif 000028
【００９６】
で表される。ここで、ｐ（ｘ，ｙ）は、振幅透過関数、θ（ｘ，ｙ）は、位相関数である。指定された幾何学において、式（１）に基づく複合的な伝達は、一般化された瞳関数と一致することに、注意する。
【００９７】
減退した座標を使用（H.H. Hopkins, Proc. Roy. Soc. of London, A231, 91-103, 1955）し、焦点合わせエラーがφに対する焦点ずれの量により引き起こされたと仮定すると、 減退した空間周波数ωｘ、ωｙ、（
【００９８】
【数２３】
2012514749.tif 000029
【００９９】
）の関数としての非同期の光学的伝達関数（ＯＴＦ）は、
【０１００】
【数２４】
2012514749.tif 000030
【０１０１】
となる（H.H.Hopkins, Proc. Roy. Soc. of London, A231,91-103, 1955）。ここで、Ωは、減退した座標の瞳（瞳孔）の総面積であり、
【０１０２】
【数２５】
2012514749.tif 000031
【０１０３】
である。
【０１０４】
物体の強度分布のフーリエ変換としての物体の空間スペクトルを指定すると、
【０１０５】
【数２６】
2012514749.tif 000032
【０１０６】
である。ここで、ｘ’およびｙ’は、物体面における横方向の座標であり、Ｉ０（ｘ’，ｙ’）は、物体を特徴付ける強度分布であり、（画像平面における）画像スペクトルは、
【０１０７】
【数２７】
2012514749.tif 000033
【０１０８】
の形状となる（J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Co., Inc., New York, 1996）。
【０１０９】
このように、画像の空間スペクトルは、焦点ずれを伴う光学システムの、物体のスペクトルおよびＯＴＦの、生産物である。ここで、式（５）は、非同期の平面（anisoplanatic）の結像に有効であり、空間不変の光学システムを用いた結像において同様であることに注意する。また、非同期の平面の結像の効果は、非同期の平面の伝達関数（ＡＴＦ）の観点から、簡単に記載できる、ことに注意する。
【０１１０】
焦点合わせのエラーφは、例えば、次のように、表すことができる。
【０１１１】
【数２８】
2012514749.tif 000034
【０１１２】
ここで、Ｄは、出射瞳の直径、λは、波長であり、ｆは、背面焦点距離であり、ｚ０は、物体から光学システムの第１の主平面までの未知の推測的な距離であり、ｚ１は、第２の主平面と画像平面との間の距離である。
【０１１３】
複合関数Ｐ（ｘ，ｙ）は、画像スペクトルＩｉ（ωｘ、ωｙ）が、式（５）で与えられるように、選択されたものであり、焦点ずれの変化を、スペクトルの特徴の検出可能な変位に、変換する。 スペクトルの特徴またはスペクトルの特徴的パターンは、容易に検出可能にされるべきであり、これらの変位からの焦点合わせエラーφの明確な定量を可能にすべきである。スペクトルの特徴の可能な変位の中に、横移動、回転、拡大縮小、がある。横移動、回転、および拡大縮小を含む複合変位は、物体Ｉ０（ωｘ、ωｙ）の空間スペクトルに関係なく、焦点ずれの定量を許可次第、受け入れられる。
【０１１４】
焦点合わせエラーφから生じる検出可能な変位を取得し、画像の空間スペクトルにおける特徴的パターンを生成するために、キラルのプリズムの機能として、少なくとも一部において、位相関数θ（ｘ，ｙ）を選択することができる。振幅関数ｐ（ｘ，ｙ）は、この場合、画像の空間スペクトルにおける明確な固有の特徴を生成するのに適用されるべきである。この特徴は、画像の空間スペクトルにおける変位の明確で定量的な特徴付けを、許可するものである。しかしながら、ｐ（ｘ，ｙ）およびθ（ｘ，ｙ）の全ての組み合わせ、この目的に適しているわけではない。 例えば、
【０１１５】
【数２９】
2012514749.tif 000035
【０１１６】
および、
【０１１７】
【数３０】
2012514749.tif 000036
【０１１８】
を伴い（ここで、Ａは定数である）、
【０１１９】
【数３３】
2012514749.tif 000037
【０１２０】
として定義された光学マスクの固有のスペクトル応答は、回転する対称な固有の特徴のみを備えている。この特徴は、φに対して、回転あるいは移動しない。
【０１２１】
θ（ｘ，ｙ）およびｐ（ｘ，ｙ）のほとんどの組み合わせのための、式（２）により与えられるＨ（ωｘ，ωｙ，φ）の解析的表現は、明確に見つけることができない。同時に、数値シミュレーションは、焦点ずれにより引き起こされるスペクトルの変位の予測を遂行できる。あるいはまた、適切に設計されたマスクを有する完全に組み立てられた光学システムは、距離計から異なる距離に置かれた物体のセット（集合）を用いて、校正することができる。距離の慎重なセットに対応する、実験的に登録された変位の程度の慎重なセットを用いて、中間の距離を、例えば、校正データを補間することによって、評価することができる。
【０１２２】
焦点合わせエラーφの定量は、画像の空間スペクトルと、推測的に知られた焦点ずれにて指定される基準パターンとの比較を必要とする。例示を目的として、ここでＯＴＦの係数として定義され、かつ、φ＝０にて算出された特徴的なパターンは、以下で使用される。この場合、変位の程度は、
【０１２３】
【数３１】
2012514749.tif 000038
【０１２４】
と
【０１２５】
【数３２】
2012514749.tif 000039
【０１２６】
とを比較することで、求められる。焦点ずれの程度は、
【０１２７】
【数３３】
2012514749.tif 000040
【０１２８】
と
【０１２９】
【数３２】
2012514749.tif 000041
【０１３０】
とを比較することで、値が求められる。ここで、φは、
【０１３１】
【数３３】
2012514749.tif 000042
【０１３２】
と
【０１３３】
【数３２】
2012514749.tif 000043
【０１３４】
との間の最も近い一致を得ることで調整される。多くの場合、全てではないが、
【０１３５】
【数３３】
2012514749.tif 000044
【０１３６】
と
【０１３７】
【数３２】
2012514749.tif 000045
【０１３８】
との間の最もよい一致（ベストマッチ）は、例えば、重なり積分である、
【０１３９】
【数３４】
2012514749.tif 000046
【０１４０】
を最大化することによって、求められる。ここで、積分は、使用可能なスペクトル領域を超えている。η（φ）の最大値は、φが未知の焦点ずれに一致するときに到達する。例えば、モーメント解析、フーリエ変換（この場合、光学マスクの固有の空間応答は、周期関数である）、円形の高調波相関（J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Co., Inc., New York, 1996参照）などに基づく、より複雑な比較方法が使用できる。
【０１４１】
一旦、焦点合わせエラーφが求められると、物体の焦点画像、あるいは、同様に、物体のスペクトルは、算出できる。例えば、式（５）を用いて、最も簡単な、しかし、大きな信号対ノイズの割合を必要とする、反転方法は、以下の物体スペクトル（J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Co., Inc., New York, 1996）に帰着する。
【０１４２】
【数３５】
2012514749.tif 000047
【０１４３】
ここで、ε−１は、最小平均二乗誤差フィルタ（Wienerフィルタ）を用いたに相似によって、信号対ノイズ比を意味する。物体の焦点画像は、よって、逆フーリエ変換を用いて算出される。
【０１４４】
光学系、あるいは、空間スペクトルの比較的広い領域でゼロを導入しないキラル構造を有する光学マスクは、結像の応用のために興味深いものである。焦点合わせエラーの決定を可能にし、かつ、画像の再構築を容易にする、光学マスクの例は、位相関数
【０１４５】
【数３６】
2012514749.tif 000048
【０１４６】
により（射出瞳面において）定義される、放物線状のキラルの光学マスクである。ここで、マスクのθは、射出瞳の中心における始点を伴う極座標（ｒ，α）で定義される。わずかな空間周波数、ωｒ＜＜１、において、ＯＴＦが、
【０１４７】
【数３７】
2012514749.tif 000049
【０１４８】
になることが、わかる。ここで、（ωｒ，ωα）は、極座標の空間周波数、
【０１４９】
【数３８】
2012514749.tif 000050
【０１５０】
および、
【０１５１】
【数３９】
2012514749.tif 000051
【０１５２】
である。式（１２）からはっきり分かるように、ＯＴＦの中心ローブは、焦点ずれφを伴って直線的に回転する。この効果は、図６のＭＴＦにより示される。ＯＴＦであるＨ（ωｒ，ωα，φ）は、ωｒの広い領域においてゼロを有さず、それゆえ、Ｈ（ωｒ，ωα，φ）は、空間周波数の広い領域において過度のノイズの増幅なしに、反転させることができる。物体の画像は、例えば、式（１０）により、得られる。もし、
【０１５３】
【数４０】
2012514749.tif 000052
【０１５４】
であり、光学システムが焦点ずれに対して鈍くなれば、価値がない。
【０１５５】
〔実施例:半絞りのプリズムの光学マスクを備えた装置〕
第１に、画像スペクトルの別個の特徴を作成し、第２に、スペクトルの位置およびサイズを形成する、光学マスクの最も簡単な実施形態のうちで、特定の方法で、焦点がずれていることに依存する特徴は、半絞りのプリズムの素子を有する長方形の開口である。マスクの振幅関数は、
【０１５６】
【数４１】
2012514749.tif 000053
【０１５７】
によって与えられ、そして、位相関数は、
【０１５８】
【数４２】
2012514749.tif 000054
【０１５９】
として、特定される。式（１４）の
【０１６０】
【数４３】
2012514749.tif 000055
【０１６１】
は、キラルの関数であることは明確である。
【０１６２】
簡単のため、
【０１６３】
【数４４】
2012514749.tif 000056
【０１６４】
および、
【０１６５】
【数４５】
2012514749.tif 000057
【０１６６】
と仮定すると、式（１３）（１４）にて指定されるマスクを有する式（２）の積分値は、結果として、３つの要素の組み合わせとして説明できるＯＴＦになる。３つの要素は、
【０１６７】
【数４６】
2012514749.tif 000058
【０１６８】
であり、これは、以下から求められる。（Ｉ）２つの平坦な半分の開口の共通部分
【０１６９】
【数４７】
2012514749.tif 000059
【０１７０】
（ＩＩ）平坦なプリズムの半分の開口の共通部分
【０１７１】
【数４８】
2012514749.tif 000060
【０１７２】
そして、（ＩＩＩ）２つのプリズムの半分の開口の共通部分、である。
【０１７３】
【数４９】
2012514749.tif 000061
【０１７４】
式（１６）から（１８）を式（１５）に置き換えた後、半分絞りのプリズムのマスクを備えた光学システムの、焦点がずれているＯＴＦは、
【０１７５】
【数５０】
2012514749.tif 000062
【０１７６】
で表される形状を取る。ここで、実係数ａおよびｂは、
【０１７７】
【数５１】
2012514749.tif 000063
【０１７８】
となる。
【０１７９】
式（１９）からわかるように、ＯＴＦは、周期的な構造である前述のラインのパターンを、含む。この構造は、物体の構造には全く依存しないが、焦点ずれに対する感度はよい。この周期的な構造は、ＨＩ（ωｘ，ωｙ，φ）およびＨＩＩ（ωｘ，ωｙ，φ）の「干渉」によって大部分が生成されるラインのパターンとして、扱うことができる。ここで、
【０１８０】
【数５２】
2012514749.tif 000064
【０１８１】
および、
【０１８２】
【数５３】
2012514749.tif 000065
【０１８３】
であり、ＯＴＦは、
【０１８４】
【数５４】
2012514749.tif 000066
【０１８５】
に単純化される。これは、正方形の瞳を有する回折限界システムのＯＴＦである。
【０１８６】
式（１９）の中の、余弦の項の位相は、空間周波数ωｘおよびωｙの一次関数
【０１８７】
【数５５】
2012514749.tif 000067
【０１８８】
によって表される。
【０１８９】
【数５６】
2012514749.tif 000068
【０１９０】
に基づく極性の組み合わせ（ωｒ，ωα）を導入することで、式（２３）は、
【０１９１】
【数５７】
2012514749.tif 000069
【０１９２】
で書き表せる。ここで、
【０１９３】
【数５８】
2012514749.tif 000070
【０１９４】
は、ラインパターンに対して角度が垂直になる。
【０１９５】
式（２５）から、ラインパターンが、起因（Ａ＞０およびφ＞０のとき、ωα＜０）に関して、角度ωα＝−π／２＋βで、回転されることが続く。ωα＝βのとき、ラインパターンの構造の空間的周期Ｔは、最小値
【０１９６】
【数５９】
2012514749.tif 000071
【０１９７】
に近づく。
【０１９８】
そして、角度
【０１９９】
【数６０】
2012514749.tif 000072
【０２００】
により指定されるパターンの方向と、式（２６）によって与えられるその空間的周期は、焦点合わせのエラーを伴い、既知のやり方によって、変化する。
【０２０１】
式（１９）により、我々は、
【０２０２】
【数６１】
2012514749.tif 000073
【０２０３】
を有し、式（９）により得られた重なり積分η（φ）は、フーリエ積分
【０２０４】
【数６２】
2012514749.tif 000074
【０２０５】
によって説明できる。フーリエ積分は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の方法により、容易に計算できる。
【０２０６】
式（２８）は、さらに、
【０２０７】
【数６３】
2012514749.tif 000075
【０２０８】
を、
【０２０９】
【数６４】
2012514749.tif 000076
【０２１０】
に置き換えることで、より単純化できる。ここで、
【０２１１】
【数６５】
2012514749.tif 000077
【０２１２】
である。ｕ＝２φ、焦点ずれの方法、および、ν＝Ａ、プリズムの勾配の方法、を導入し、そして、例えば式（４）のようなフーリエ変換の定義を使用することで、新たな重なり積分η’（ｕ，ν）が、
【０２１３】
【数６６】
2012514749.tif 000078
【０２１４】
から得られる。これは、定義によれば、画像の自己相関関数である。ｕ＝２φに関するη’（ｕ，ν）の最大化により、未知の焦点ずれの程度φがわかる。ここで、η’（ｕ，ν）は、対称関数、η’（−ｕ，−ν）＝η’（ｕ，ν）である。これは、結果的に、式（１３）（１４）に記載のマスクに対する、２つの最大値、あるいは、２つの自己相関のローブになる。式（２９）は、プリズムの勾配ν＝Ａが正確に明らかでない時の方が好ましい。この場合、最大化の前に、関数η’（ｕ，ν）は、νにて平均化してもよい。代わりのアプローチとしては、自己相関ローブの１つを、例えば、（明確な極大値を有する）楕円の放物面に適合させることである。その後、最小平均二乗誤差の方法を適用することによって、極大の座標を決定でき、そして、未知の焦点ずれφおよび勾配Ａがわかる。このアプローチは、距離計のプロトタイプにおいて、成功して遂行された。
【０２１５】
〔本発明〕
本発明は、画像を投影し、かつ、光検出部（フォトセンサ）上の少なくとも１つの物体の光ビームを調整する、結像システムを含む光学距離計について開示する。この光検出部は、例えば、それに投影された画像を対応する電子画像に変換するＣＣＤセンサ、あるいは、上記画像を変換ステップを遂行するために、センサと繋がれた分離処理手段である。本発明は、さらに、スペクトル分解により、上記画像の空間スペクトルを提供するスペクトル処理手段、および、画像の焦点ずれの程度に基づき、物体から距離計までの距離を導き出す焦点ずれ処理手段を備えている。結像システムは、結像の光学系の光路に置かれる、少なくとも１つの光学系を備え、焦点画像面に相関した画像平面における少なくとも１つの物体の画像の焦点ずれが、最終的に、基準パターンに相関した画像の空間スペクトルの変位となるように、光ビームを調整する。追加処理手段は、焦点画像面に相関した画像平面における物体の画像の焦点ずれの程度を、基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の上記程度から直接導き出す。基準パターン（用語と定義の項も参照）は、空間スペクトル領域でのパターンであり、焦点ずれに由来する画像スペクトルの変位の程度を測定する参照スケールとして、使用される。直接導き出す、という用語は、例えば、単線、あるいは、線からなる格子、あるいは、線からなるパターンを伴い、例えば、逆重畳といった追加的な処理ステップなしの、画像スペクトルの、直接比較を、参照する。
【０２１６】
処理手段は、光検出部に投影された画像を電子画像へ変換する処理を遂行する。デジタル画像は、例えばパーソナルコンピュータといった、適切なデジタルの処理装置によって、デジタル的に処理でき、格納でき、あるいは、表示できる。処理手段は、また、画像のスペクトル分解を遂行する。スペクトル分解は、デジタル画像から、あるいは、画像平面の画像から直接、デジタルアルゴリズムによって、例えば、US4556950に記載の光学処理装置のような光学処理装置を用いて、達成することができる。処理手段は、例えば、式（６）に基づく演算により、焦点ずれの程度を距離に変換する。
【０２１７】
追加的処理手段は、本文書に記載の本発明に固有の新規のタスクを実行する。そして、例えば、推測的に既知の光学マスクの固有のスペクトルの光学応答によって、基準パターンに相関した上記空間スペクトルの変位から、焦点画像面に相関した画像平面の物体の画像の焦点ずれの程度を与える。追加的処理手段は、観測者によって可視の評価により、焦点ずれの程度を推定する光学式の機械的な集合を含むことがある。あるいは、自動的に焦点ずれの程度を推定する電子的処理手段および対応するソフトウェアを含むことがある。
【０２１８】
本文書に記載の全ての処理ステップは、例えば、光学素子のセット、および、機械的なスライドさせたり回転させたりするスケールや観測者による目視検査を使用する、光学式の機械的な方法を用いて実行される。例えば、焦点ずれから距離を計算する処理ステップは、従来の演算ルーラーを用いて、達成できる。さらに、上記処理は、デジタルまたはアナログの電子的手段によって電子的に処理できる。電子的手段は、例えば、、変移パラメータの関数として定義された基準パターンおよび画像スペクトルの間の、重なり積分、あるいは、相互相関を評価する。上記演算、処理、および推定は、もちろん、現代では、デジタルな電子的手段により、最も好適に提供できることは、明らかである。離れた物体の空間スペクトルが推測的に知られている場合、あるいは、単純な幾何学形態の集合として記述できる場合にのみ、焦点ずれの程度は、光検出部上の画像のずれの程度から、直接求めることができる。例えば、式（１３）、（１４）により定義される半分のプリズムのマスクは、結局、画像平面において離れた物体の二重像（ダブルイメージ）となる。物体画像とそれに相対的な回転角との間の間隔は、プリズムのマスクの勾配Ａおよび焦点ずれφに依存する。このように、未知の焦点ずれは、例えば、式（２７）により、画像の質量中心の回転の程度から、算出できる。さらに、一般的に、式（２９）は、焦点ずれの方向において、自己相関関数を最大化することで、焦点ずれの値を求めることを可能にする。画像の自己相関は、順番に、直接算出されることもあるし、あるいは、例えば、ＦＦＴの方法あるいは画像のデジタルおよびハードウェアの処理を含む他の方法を用いて、算出されることもある。処理ステップは、個別の処理手段（例えば、専用の電子処理装置）を備えることもあるし、あるいは、全ての処理ステップが、単一の処理手段（１つの処理装置）に結付けられることもある。本文書で前述された演算の非反復性は、高速で動く物体の結像と同様に、物体の速度および距離の測定に対して重要である高速の処理を可能にする。
【０２１９】
光検出部上の画像の空間スペクトルは、電子画像の離散フーリエ変換によって得ることができる。例えば、特徴的なパターン、すなわち、ＭＴＦで表現される、基準パターンを有する画像スペクトルの比較は、例えば、これらのスペクトルの重なり積分の計算によって行うことができる。重なり積分の最大化は、相対的な変位を推定することに帰着する。この変位は、焦点ずれに変換でき、式（６）に基づき再計算することにより、あるいは、例えば、Nayar（Nayar et al., Proc. of Fifth Intl. Conf. on Computer Vision, 995-1001, Cambridge, MA, USA, 1995）に記載されたものとして、物体の距離計からの距離が求められる。
【０２２０】
当業者は、画像の空間スペクトルが、物体の空間的構造と光学システムのスペクトル応答とに依存していることに気づくかもしれない。物体の空間的構造（例えば、空間的な周期性）に起因する画像スペクトルの強い影響は、画像の空間スペクトルの変位の検出と推定との妨げになり、そして、距離計の精度が劣化することもある。空間スペクトルの物体に関連した特性を取り除くために、追加的な光学マスクを、メインの光学マスクと組み合わせることがある。この追加的マスクは、スペクトル全体の帯域で物体に関連したスペクトル特性を均一化するため、規則的なあるいはランダムな、位相または／および振幅の構造を伴って、設計される必要がある。例えば、中空の反射性導光体、および、例えば、軸方向に距離計全体を回転させるための光学の機械的な系といった、他の光学素子を、物体に関連したスペクトル特性を不鮮明にするために使用することがある。また、画像スペクトルのアルゴリズムの後処理が、画像の乱れ（アーチファクト）の影響を軽減するために、用いられることがある。例えば、対象のスペクトルの範囲において、
【０２２１】
【数６７】
2012514749.tif 000079
【０２２２】
および、
【０２２３】
【数６８】
2012514749.tif 000080
【０２２４】
（式２０、２１を参照）、と仮定すると、式（１９）から、
【０２２５】
【数６９】
2012514749.tif 000081
【０２２６】
であることがわかる。ここで、Ａは、既知のプリズムの定数であり、ｑは、整数あり、
【０２２７】
【数７０】
2012514749.tif 000082
【０２２８】
および、ωｍａｘは、最大の空間周波数である。式（５）を使用して、我々は、”合成”スペクトル関数、
【０２２９】
【数７１】
2012514749.tif 000083
【０２３０】
を導入する。
【０２３１】
Ｎ＞＞１のとき、式（３０）の最後の項は、弱くωｙに依存し、そして、Ｓ（ωｘ，ωｙ，φ）における顕著な物体に関連する影響を生成しない。
【０２３２】
上記の光学系は、例えば、画像の焦点ずれの程度に依存する空間スペクトルの変移の程度を提供する、少なくとも１つのキラルの光学系を備えることがある。このようなキラル光学系は、例えば、少なくとも１つのキラルの光学表面を有するキラルの光学マスクを少なくとも１つ備えることがある。また、キラルの光学系は、光学システムをキラルにする任意の光学素子を備えることがある。
【０２３３】
光学マスクは、その基本的な実施形態では、本文書に記載された、複数の離散的または連続的なサブ領域で、一般的に、従来の透明な屈折光学素子である。しかし、光学マスクは、透過／屈折（例えば、ガラスまたは透明ポリマーから製造されるような、透明なプリズムの光学系）だけでなく、次のものからも、上記の機能性を引き出す。反射（例えば、光学マスクは、指定されたプリズム形状のミラーである）、周期的な位相と振幅との構造（例えば、マスクは、指定されたプリズム形状に影響する位相と振幅との格子）、コンピュータが生成したホログラム含むホログラム、例えば、振幅マスクをのみ備えたキラルの効果を提供する特定のアプリケーションのために、迂回のコンピュータが生成した光学ホログラム、および、回折光学素子とＧＲＩＮタイプの光学系を含む他の光学素子、から上記機能性を引き出す。これらは、最終的には、ここに記載された様々な機能性に帰着する。
【０２３４】
光学マスクは、透過光の強度および位相変調をそれぞれ表す、対応する振幅関数および位相関数の観点から、定義することができる。光学マスクは、位相関数を振幅関数と組み合わせたものとして、設計される必要があり、光学システムの不均一なスペクトル応答、例えば、好ましくは非常に強調された特徴を有する、ＭＴＦ、を提供する。さらに、この不均一なスペクトル応答の構成と空間的な構造は、焦点ずれの程度に、公知の方法で、依存する必要がある。
【０２３５】
上記のキラルの光学系は、光検出部に近づく光ビームのキラル変調を生じさせる。キラル変調は、順番に、方向感度、あるいは、方向解像度、となることがある。これは、逆の軸に沿って減少させられた感度と結び付けられた、１つの優先的な軸に沿って増幅された感度である。その結果、キラルの系は、精度が、少なくとも１つの軸に沿った回折限界を、はっきりと超えるように、設計されることがある。方向感度は、例えば、測定方向と直交する方向にシステムの開口を絞ることで、距離計のダイナミックレンジを拡張できるようにする。例えば、式（１３）、（１４）に記載の光学マスクを備えた光学システムにおいて、Ｘ軸に沿った追加のスリット膜が、大幅に距離測定の範囲を増加させ、測定の感度を向上させることが、実験的に示された。
【０２３６】
〔光学マスクの例:キラルの光学素子〕
光学マスクの位相関数は、光のキラル変調を提供するように選択されることがある。この効果は、例えば、キラルの屈折面を有するマスクを用いて達成することができる。キラルの屈折面は、離散的なステップにおける、例えば、プリズムのキラルの系（例えば、図２−３に示される）であっても、あるいは、連続的なステップにおける、例えば、本文書に記述および図示される放物線状のキラルの系（例えば、図４に示される）であってもよい。
【０２３７】
キラル表面は、一般的に、複雑なデザインである。しかしながら、本文書では、キラルの相関性を有するシンプルな個々のマスクのデザインが、マスクの開口部の一部のみ覆うプリズムの屈折面を含んでなる距離計のために、説明される。このデザインは、マスクの開口部全体を、または、その一部だけを覆う複数のプリズム表面の場合に、自ずと一般化することができる。
【０２３８】
キラルのプリズム表面を有する光学マスクの例は、開口部の一方の半分（ウェッジは、マスクの側面に沿っている）を覆うプリズムと、マスクの他方の半分を覆う平坦面とを有する、正方形の開口のマスクである。別の例では、長方形の形状とらせん状の面で表される光学表面とを有するマスクである。
【０２３９】
ここで、キラルのプリズム表面の角度勾配（この文脈では、極角に対する偏導関数）は、上記表面の応用例および仕様に応じて異なり、例えば、上記勾配は、線形関数あるいは非線形関数になることがある、ことに注意する。同様に、半径方向の勾配（半径に対する偏導関数）は、主に追加の要件に依存するように、設計されることがある。例えば、マスクは、結像システムの焦点距離を変更するために追加的な球面を含んでもよい。一般的に、１つの光学マスクは、キラルのプリズム表面の任意の組み合わせを意味する、ただし、ゼロ以外の角度勾配を少なくとも１つ備える、任意の数の表面を有する。
【０２４０】
当業者は、キラルのプリズム表面は、例えば、プリズムにより一部のみが覆われた開口部、放物線状の表面または球面の組み合わせにより一部のみが覆われた開口部といった、様々な手段によって得ることができると、結論付ける可能性がある。放物線状の表面または球面は、組み合わせにおいて、プリズムの効果（例えば、横方向にシフトされた二つの放物線状の表面は、可変傾斜を生成する）に帰着することがある。また、背中合わせに配置され、かつ、所定の角度回転された、２つのプリズムは、回転の程度に応じた可変プリズムを提供することができる。この可変プリズムは、開口部の一部を覆い、キラルのプリズム表面を生成することができる。キラル表面が、様々な構成部材や構造によって得ることができ、構成部材や構造の選択が、完全な距離測定の装置のデザインに依存することは、明らかである。さまざまな空間位相変調器（例えば、液晶に基づく装置）、または、変形可能な鏡は、キラル相変調を生成するために、直接適用することができる実用的な観点から、キラルの機能を実現するための標準的な光学素子の使用は、それが、そのような構成部材の製造を顕著に簡素化するため、最も関心のあることである。
【０２４１】
ここで、カラー／スペクトルのフィルタが、マスクのデザインに含められることがあることに注意する。このようなフィルタの応用例は、その後の結像を、そして、それらの波長、あるいは、波長の範囲に基づく、画像の評価を、可能にする。カラー画像は、例えば、バイエルのカラーフィルターのパターンを有する光検出部によって、検出することができる。
【０２４２】
上記したプリズム（キラル）の光学マスクには、方向感度を明らかにする。これは、例えば、式（１３），（１４）に基づく光学マスクが、Ｗｘ＝φｘ２により（出射瞳の面において）表される一次元の焦点ずれを検出するのを可能にする、ことを意味する。ここで、φは焦点合わせのエラーであり、Ｘ軸は、プリズムと光学マスクの平坦領域との間の境界に対して、垂直である。方向感度の応用例は、物体形状を遠隔で検知すること、および、その場で物体のグループからの個々の物体を選択すること、を含む。
【０２４３】
上記の方向感度は、検出方向に垂直な方向のマスクの位相関数と振幅関数とを調整することで、距離計の精度の更なる向上を可能にする。例えば、３次の項γｙ３を、式（１４）で与えられる位相関数θ（ｘ，ｙ）に追加することで（γは定数）、あるいは、その代わりにそして好ましくは、Ｙ軸に沿った方向における光学システムの開口部を減らすことで、特徴的なパターン（ラインパターン）は、空間周波数の領域で、より顕著にそして均等に分散する。これは、画像スペクトルの変位の正確な測定を容易にし、そして、このように精度を向上させ、そして、距離計のダイナミックレンジを大幅に増加する場合がある。
【０２４４】
キラルの光学系やキラルの光学マスクは、すばらしい解像度の結像、すなわち、与えられた光学システムに回折限界の分解能を超える光学の分解能を提供する結像に対して適用することができる。 キラルのマスクを有する光学システムにおいて得られるスペクトル特性の拡張とコントラストは、入射光の位相の歪み、例えば焦点ずれ、に弱く依存する例えば、式（１３）、（１４）に定義される光学マスクを備えた、ラインパターンは、焦点合わせエラーが増加すると、回転するが、ラインの長さは、ほとんど変わらない。これは、ラインパターンに沿った空間的スペクトルは、焦点ずれの増加によって劣化しないこと、および、この方向における光学解像度は、焦点合わせエラーによる影響を受けないこと、を意味する。
【０２４５】
また、光学系は、例えば、各チャネルが同じ光検出部に物体の画像を投影する、少なくとも２つの、独立したチャネルの組み合わせであってもよい。独立したチャネルの組み合わせは、キラル変調を提供するように適合されたキラルの光学系であってもよい。このような系は、例えば、少なくとも２つの独立した、ほぼ等しい、光検出部に同じ画像を投影する光学チャネルの組み合わせを含んでいてもよい。この組み合わせは、例えば、傾斜した光学ミラーのような、例えば、傾斜した光学素子を用いた、例えば、少なくとも１つのチャネルに対する少なくとも１つの他のチャネルにおける傾斜の導入することで、画像の焦点ずれの程度と相関する空間スペクトルの変位の程度を提供するように適合されている。
【０２４６】
ここで、完全な焦点合わせエラーの測定の精度は、基本的に、主な光学系の入り口の開口部によって、および、主な光学系から対象である物体までの距離によって、制限されることに注意する（例えば、C.J.R. Sheppard, J. Microsc. 149, 73-75, 1988参照）。より高い精度は、より大きな開口を、または、より厳密には、光軸に垂直な方向で、遠方に位置する、いくつかの比較的小さな開口部からの光信号を組み合わせることによって、効果的に得られる、より大きな開口数を、必要とする。この場合、焦点の理論的な深度、すなわち、軸方向の分解能は、入り口のサブ開口間の最大の距離に等しい口径を持つ光学システムの分解能に、最終的に、到達する可能性がある。このような大口径は、均等にされた／調整された光路を有するいくつかの独立した光学チャネルの出力を組み合わせることにより、効果的に得ることができる。例えば、二つの光学チャネルを持つ双眼システムは、光検出部上に物体の単一の画像を提供するように適応させることができる。当業者は、例えば、双眼の両方のチャンネルからの光信号を、例えば、図１１に開示されるような、例えば、鏡およびビームスプリッタを含む光学系によって、単一の光検出部に組み合わせることができる、と結論付けることもある。光のキラルの位相変調は、双眼の各チャネルに配置された追加的な位相マスクにより、あるいは、一方のチャネルの他方に対する相対的なずれ（傾斜）により、両眼の各チャンネルに配置、追加の位相マスク、得られてもよい。このずれは、結果としてキラルの効果を生じるための効果的なプリズムの定数Ａ（式（１４）を参照）を決定する。 別の例では、長距離の測定に対して重要なのは、光検出部で遠くの物体からの光の焦点を合わせる広く離間した凹面鏡を備えたシステムである。この場合、キラルの効果は、例えば図１２に示すような、一方のミラーの他方に対する傾斜によって得ることができる。
【０２４７】
独立してずれて配置されたチャネルあるいは受信側の開口部を備えた光学系は、いくつかの利点を有する。まず第１に、距離計の感度は、特徴的なパターンの観点から、配向性（例えば、式（２７）参照）は、上記光学チャネルのずれ（例えば傾き）の程度を変更することによって、容易に調整できる。第２に、結像の回折限界の質を、容易に各小口径のチャネルに対して、高めることができる。第３に、物体の距離測定を、チャネル間の位置ずれを補正することにより、すなわちＡ＝０のとき、後続の物体の結像と組み合わせることができる。
【０２４８】
画像の空間スペクトルの変位は、または、その代わりに、画像の空間スペクトルの成分は、初等幾何学的変換、すなわち、空間スペクトルあるいは空間スペクトルの成分の、回転、拡大縮小、および移動を含む初等の変位、の観点から説明することができる。また、空間スペクトルの変位は、上記の初等の変位の組み合わせや、ここに開示されていない他の種類の変位を含んでもよい。初等の変位とそれらの焦点ずれの程度への依存関係との組み合わせと種類は、推測的に知られており、光学系、またはマスクのデザインによって、規定されている。
【０２４９】
空間スペクトルの回転は、一般的に、キラルの光学系を有する結像システムのための支配的なタイプの変位であり、通常は、特徴的なパターンの回転により表すことができる。ただし、ほとんどの場合、回転は、初等の変位を伴って遂行される。たとえば、式（１３）、（１４）に記載の光学マスクに対する、特徴的なパターンは、焦点ずれφに沿って、拡大縮小し、回転する、ラインのパターンである。
【０２５０】
光学系は、それが、空間スペクトルの上記変位の検出および評価を可能にするための、空間スペクトルの少なくとも１つの特徴的なパターンを提供するように、適合させられるべきである。このようなパターンは、制限はされないが、ラインのパターンであってもよい。光学系は、または、光学マスクは、画像スペクトルにおいて、少なくとも１つの検出可能な機能を生成する。この機能は、物体のスペクトルに依存せず、基準パターンに対する（焦点ずれと相関した）変位量の測定を可能にする。
【０２５１】
本文書に記載されているように、基準パターンは、また、例えば、特徴的なパターンであってもよい。この特徴的なパターンは、光学系あるいは光学マスクの固有のスペクトル応答から得られる。この特徴的パターンは、結像システムのススペクトル応答、例えば、焦点がずれていないときに得られたＭＴＦ、である。光学マスクの振幅関数と位相関数とが推測的に分かっている場合には、光学マスクの固有のスペクトル応答で表される特徴的なパターンは、解析的にまたは数値的に、予め計算されてもよい。基準パターンのために、システムＯＴＦ、すなわち、光学マスクの振幅関数と位相関数を用いて算出されたＭＴＦの係数が、好適に選択される。固有のスペクトル応答を解析的または数値的に評価することができない状況では、特徴的なパターンは、例えば、光学的に光検出部に結合した平面に配置され、その結果ゼロの焦点がぼけた物体を使用した装置の工場出荷時の校正中に、生成することができる。図７は、固有のスペクトル応答の発生の発生を示している。より一般的には、別の基準物体を用いて得られた基準スペクトルのセットを、焦点ずれの評価に用いてもよい。
【０２５２】
特徴的なパターンは、ラインのパターンであってもよい。このような、周期的な、式（１９）で定義される、ラインのパターンは、例えば、式（１３）、（１４）に基づく半絞りのプリズムの光学マスクのようなキラルのプリズム素子備えた光学マスクから得られる特徴的なパターンの例である。このラインのパターンは、高分解能の測定のためのスペクトル解析に適していることが証明されている。あきらかに、例えば、ラインの異なるセットの変位は、ぼやけの変位および／または特徴のない特徴的なパターン比べて、より高い精度で、検出され、評価されてもよい。
【０２５３】
ここで、プリズムの光学マスクのスペクトル応答（例えば、式（１９）参照）は、物理的なドメインに、スリットを適切に設定することによって除去できることに注意する。このような追加のフィルタは、第一に、画像スペクトルにおける物体に関連する影響（アーチファクト）の現象に帰着し、そして、第２に、それが大幅に光検出部の構成を簡素化することがある。
【０２５４】
光学式距離計は、対応した物体の画像のサブエリアから、少なくとも２つの部分画像（サブ画像）の焦点ずれの程度を提供するように、適応させることができる。複雑なシーンの複数の物体に対応する部分画像の焦点ずれにに関する情報と共に、または、代わりに、単一の拡張された物体が解析されて、例えば、光学距離計は、各部分画像のそれぞれの焦点ずれの程度を有する焦点ずれマップを提供し、そして、続けて、物体のサブセクションから距離計までのそれぞれの距離を有する深度マップを提供する。
【０２５５】
さらに、光学式距離計は、前記部分画像に対応する焦点ずれの程度から構築される波面マップを提供するように適応させられてもよい。連続的な波面マップの構築は、Shack-Hartmannの波面センサ用に開発された波面の構築方法と同様に、実施することができる。
【０２５６】
静的および動的な焦点ずれマップ、深度マップおよび波面マップは、光学的な、そして一般的に受動型の、物体の運動およびスピードと波面の特性の変化との検知、のための追加的なオプションにより、軍事への応用とホームセキュリティへの応用とに対する重要な相対的な新規の手掛かりとなる。
【０２５７】
入射信号の、（各部分画像の光強度から計算される）振幅と、（上記部分画像の焦点ずれの程度から決定される）位相との両方が、光学式距離計により、独立して測定することができる。そのため、開口の合成の技術、例えば、R. Burgmann, P.A. Rosen, E.J. Fieldingの「Synthetic aperture radar interferometry to measure Earth's surface topography and its deformation, Annual Review of Earth and Planetary Sciences 28, 169-209, 2000」は、効果的な開口のベース（または、電波天文学におけるベースライン）の増加に適用できる。この場合の距離測定の装置の空間分解能は、ベースと同じサイズの開口を有する装置の解像度と一致するかもしれない。
【０２５８】
上記した光学式距離計と結像（撮像）装置との様々な組み合わせを設計することができる。例えば、結像装置の焦点手段は、結像装置の焦点合わせを容易にするために、距離計に組み合わせることができる。最も単純なアプローチは、しかしながら、物体の画像を提供し、そして、同じ装置内の内部の、焦点ずれのデータ／距離のデータを、焦点ずれを修正しするのに使用するように、距離計の装置を適応させることである。従って、少なくとも１つの物体の少なくとも１つの焦点画像は、光検出部によって提供される物体の画像から、そのような装置を用いて再構築することができる。また、本発明の複数の特徴を組み合わせることで、物体の位置や軌道やコースは、視覚的に、あるいは、デジタル的に、理解される。一方、同時に、速度および方向は、そのような装置を、様々な、民生への応用、技術的な応用、および医療的な応用に対するのと同様に多くの防御やホームセキュリティへの応用に対して最適化させて、定量化される。
【０２５９】
本文書で説明されているように、画像再構築装置は、物体の少なくとも１つの画像焦点を提供するように、光学式の距離計の特定の実施形態を含んで設計されてもよい。この焦点画像は、一般的に、画像平面上の焦点のずれた／ぼやけた画像の空間スペクトルから、再構成される。
【０２６０】
画像再構成装置の光学系は、好ましくは、例えば、結像のための少なくとも１つのキラルの系を含む必要がある。この系は、焦点合わせエラーの指定された範囲で、そして、通常、空間スペクトルのゼロ領域の近くの、少なくとも１つのスペクトルの領域で、ゼロの値をとらない画像スペクトルを提供するように適合される。当業者は、画像の空間スペクトルにおけるいくつかのゼロは、どのようなディジタル・ポスト・フィルタリングによっても移動できない、と結論付けるかもしれない。
【０２６１】
このような系は、いくつかのキラルの光学系、例えば、キラルのマスク、または、キラルの独立した光チャネルにより提供されるキラリティ、を含んでもよい。結像のための放物線状のキラルの光学系、例えば、放物線状のキラルの光学マスクとなる系、または、放物線状の螺旋の特徴を有する表面を含む別の系、が最も好適である。好適な系の１つは、
【０２６２】
【数７２】
2012514749.tif 000084
【０２６３】
に基づくキラルの位相変調を提供する光学システムの射出瞳における光学マスクである。ここで、ｒは半径方向の座標であり、αは横断面における極角であり、Ａは勾配パラメータである。図６は、このような放物線状のキラルの光学マスクの光学応答を表している。
【０２６４】
本文書で説明する光学距離計と、推測的に知られた焦点ずれの多様性、または、相対的な焦点ずれ、を有する複数の画像を同時に処理するための手段および測定器に、結びつける、位相ダイバーシティ装置が構築されてもよい。このような位相ダイバーシティ装置の一実施形態は、焦点画像を提供するように適合された画像再構築装置である。このような位相ダイバーシティ装置の他の実施形態は、距離を推定するように適合された距離計である。
【０２６５】
位相ダイバーシティ装置が、１つの物体の複数の画像を処理する。この画像は、推測的に知られている画像平面間の焦点ずれの多様性を有しており、未知の距離を求めるために、同時に処理される。および／または、物体に関連した特性が数学的に考慮から外れるために、測距の精度の増幅および、画像の改造品質の増幅を可能にしながら、物体の焦点画像を再構築する。処理の枠組みの例は、以下のステップを含む。また、「A.N.Simonov and M.C.Rombach, Otp. Lett. 34, 2111-2113, 2009」が参照できる。第１に、Ｎ個の焦点のずれた画像の検出と、これらの空間スペクトルの演算のステップ。
【０２６６】
【数７３】
2012514749.tif 000085
【０２６７】
ここで、Ｐ＝１・・・Ｎ、および式（５）の相似により、
【０２６８】
【数７４】
2012514749.tif 000086
【０２６９】
ここで、φｐは、未知の焦点合わせのエラーである。しかし、φｐ−φｋは予め知られている。解析を簡単にするために、φｐ＝φ０＋φ０＋δφｐを表してもよい。ここで、φ０は、本文書に開示の方法により見つけられた最もよいな焦点ずれの推定値である。また、δφは、φ０における誤り、Δφｐは、既知の多様性の焦点ずれ（ダイバーシティ・ディフォーカス）である。第２に、
【０２７０】
【数７５】
2012514749.tif 000087
【０２７１】
を満たすＨ（ωｘ，ωｙ，φｐ）の一次結合ととしての母関数Ψの構築のステップ。ここで、係数ＡｐはΨがδφに依存しないように選択されてもよい。（３）例えば、最小平均二乗誤差の方法、
【０２７２】
【数７６】
2012514749.tif 000088
【０２７３】
による、画像の再構築のステップ。ここで、ε−１は、信号対ノイズの比である。（４）
【０２７４】
【数７７】
2012514749.tif 000089
【０２７５】
を満たす追加的な母関数Ψ’を伴うδφの値を求めることによって、焦点ずれの推定値φ０を修正するステップ。式（３１）（３４）を結びつけることで、焦点ずれの修正が
【０２７６】
【数７８】
2012514749.tif 000090
【０２７７】
として理解される。（５）式（３５）に基づいた算出を、δφでの指定された精度に到達するまで繰り返すステップ。
【０２７８】
位相の多様性の原理は、例えば、関数の装置のための拡張されたダイナミックレンジを提供するためにのみ、距離測定に適用できることに注意すべきである。
【０２７９】
画像の再構築のためのオプションがいくつかある。画像は、完全にまたは部分的に焦点がずれていてもよいが、上記焦点ずれの程度に応じて、少なくとも１つの、認識可能な画像が提供される。そのような画像は、一般的に、低品質であるが、それは、例えば、ターゲットの参照のために、まだ役に立つかもしれない。しかしながら、焦点ずれの程度が検出された場合は、登録された画像は、少なくとも部分的に、例えば、最小平均二乗誤差の逆フィルタ「J.W.Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Co., Inc., New York, 1996」といったアルゴリズムの再構築により、修正されることがある。
低いシグナル対ノイズの比が要求される、より複雑な画像の再構築のアルゴリズムを、適用することもできる。同様に、光学マスクの存在によって生じる画像の歪みは、同様の処理方法を用いて修正することもできる。このケースでは、マスクの位相関数と振幅関数とは、推測的に知られている必要がある。上記の方法は、画像再構成を提供するための、追加の方法や処理ステップを含むように、拡張することができる。そのような方法により、例えば、少なくとも１つの物体の少なくとも１つの焦点画像は、再構築される。上記と同様に、また、これらの方法は、少なくとも１つの物体の、対応する複数の部分領域から、複数の部分画像を再構築できるように、拡張することができる。デジタル画像の再構築の当業者は、ぼやけた画像（またはその空間スペクトル）を有し、焦点画像面に相関した焦点ずれの程度がわかると、焦点画像を再構築できる、と結論付けるであろう。実際には、再構築の質は、主に光学系の質（すなわち、収差と空間帯域幅）、空間分解能、及び光検出部のダイナミックレンジに依存する。加えて、方法は、少なくとも１つの、物体の対応する焦点の合っていない部分画像から焦点の合った部分画像を得るために適応させることができる。さらに、対応する焦点が合っていない部分画像から得られた、複数のそのような焦点が合った部分画像は、最終的には、物体の焦点画像に、まとめることができる。三次元のシャープな画像、または、代わりの、ＥＤＦの画像は、このようにして構築することができる。
【０２８０】
明らかに、伝統的な結像のオプションは、例えば、機械的に光路の静的フォトマスクを移動して、または、例えば、平面マスクに導入された、液晶画面または適応ミラーなどによって提供される可変マスクの光学的形状を変更するなどして、作成される。平面マスクは、距離計を伝統的なタイプのカメラの結像システムに変化させるものである。
【０２８１】
ここで、光学距離計の一実施形態は、例えば、上記光路長、あるいは、他の特徴といった、少なくとも１つの光路の推定値を提供するために、光学的パスファインダーに適合させることができることに注意する。しかし、そのようなパスファインダーは、物体と距離計との間の距離が事前に知られ、あるいは、推測的に知られている場合に、最適に機能することができる。これは距離計のめったにない適用例である。光路は、物理的な距離と光が通過する媒介物の屈折率との組み合わせである。距離は一定のままである一方で、例えば媒介物の屈折率の変化により、光路は変化する。もし媒介物が空気であれば、例えば、気圧、湿度等によって変化する。距離計は、大気および乱気流、風速の測定に適応できる。さらに、受動型の光学マイクロフォンとして動作することで、多分、空中の音の測定、に適応できる。また、液体中の等価な事象の測定に適応できる。
【０２８２】
上記光路は、複数の部分画像のために決定され、その情報は、続けて光路地図に組み合わせられる。このような光路マップは、上記の障害あるいは他の事象の十分な評価を考慮している。光路マップの概念は、新規なものである。
【０２８３】
これまでに記載された光学式距離計は、様態波面検出に適応することができ、従って、これは、様態波面センサとなる。当業者は、本文書本文書の中で述べられた概念は、本文書に記載の式および数学的概念の適応および導出による最適な収差のようなものまで広げることができると、結論付けてもよい。これまでに記載された光学式距離計は、実際的な距離測定への適応であるため、焦点ずれの程度を提供する。しかし、焦点ずれ以外の収差も上記光学式距離計に大部分が相似する装置を用いて決定できる。光学系は、上記特有の他の収差に適応できることは、明確である。例えば、Zernikeの様態説明において、円形の光学マスクは、位相関数
【０２８４】
【数４３】
2012514749.tif 000091
【０２８５】
を伴い、波面の非点収差の歪曲Ｗ＝φ（ｘ２−ｙ２）への応答におけるＯＴＦのスケーリングおよび回転に帰着する。ここで、Ａは、位相関数の勾配である。
【０２８６】
このような様態波面センサは、光検出部上に少なくとも１つの物体の少なくとも１つの画像を投影する入射光ビームを調整する光学系、および、画像を対応する電子画像に変換する手段を含む少なくとも１つの処理手段を備えた結像システムと、スペクトル分解により画像の空間スペクトルを与える追加的な手段と、基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の程度から少なくとも１つの波面収差の程度を導き出すための追加的な処理手段と、を備えて構成することができる。ここで、光学系は、結果的に少なくとも１つの波面収差が基準パターンに相関した画像の空間スペクトルの変位になるように、入射光ビームを調整する。このパターンは、例えば、光学系の既知の固有のスペクトル応答といった、特有のパターンであってもよい。
【０２８７】
〔距離測定の方法および波面の検出方法〕
光学的な距離の測定方法は、以下の手順および処理ステップを含んでいる。なお、手順およびステップは必ずしも以下には限定されない。光検出部に少なくとも１つの物体の画像を投影し、光学計による入射光ビームの調整（例えば、キラル変調）し、画像を対応する電子画像に変換する処理を行い、スペクトル分解による画像の空間スペクトルを提供して、画像の焦点ずれの程度から物体から距離計までの距離を導き出し、そして、焦点画像に対する画像平面上の少なくとも１つの物体の画像の焦点ずれを、画像の空間スペクトルの変位になるように、入射光ビームに適応した調整を行い、そして、基準パターンに相関した空間スペクトルの変位の上記程度から、焦点画像面に相関した画像平面の物体の画像の焦点ずれの程度を、直接導き出す追加的な処理を行う。光学的な距離の測定方法は、上記の光ビームの調整がキラル変調であるものに、適応できる。さらに、光学的な距離の測定方法は、上記変位の検知を見込む、空間スペクトルにおける少なくとも１つの特有のパターンを、提供するものに、適応できる。そのようなパターンは、制限はされないが、ラインのパターンであってもよい。特有のパターンは、例えば、光学系の既知の固有のスペクトル応答であってもよい。
【０２８８】
さらに、画像再構築方法は、画像の空間スペクトルから物体の少なくとも１つの焦点画像を再構築する。このような再構築の詳細は、本文書中の画像再構築装置および他の装置の記載に言及する。
【０２８９】
光学的な距離の測定方法は、一旦、物体と距離計との間の距離が正確に予め知られれば、光路（例えば光路長）の測定に適応できる。当業者は、光路が、例えば光が通過する媒介物の屈折率を伴う物理的な距離と結びついていると、断定してもよい。
【０２９０】
上記の光学的な距離の測定方法は、焦点ずれの程度を提供する。当業者は、さらに、焦点ずれ以外の収差は、上記された距離の測定に大部分が似ている方法により決定され、様態波面を検出することに帰着する、と結論付けるであろう。他の収差は、上記した特定の他の収差に適応された光学系に包含されることで決定される。そのような様態波面の検出方法は、少なくとも１つの画像を光検出部へ投射、光学系により入射光ビームを調整、画像を対応する電子画像に変換処理、スペクトル分解により画像の空間クペクトルを提供、および、少なくとも１つの波面収差が、基準パターンに相関した画像の空間スペクトルの少なくとも１つの変位となるように、入射光ビームを調整、および、基準パターンに相関した空間スペクトルの上記変位の程度から、少なくとも１つの波面収差を直接導き出す追加的な処理、を含む。なお、基準パターンは、例えば、光学系の固有の既知のスペクトル応答に、対応する。
【図面の簡単な説明】
【０２９１】
【図１】光学式距離計及び結像装置の基本的な具体例を示している。物体１から発せられる光は、結像光学系２により、光検出部４の画像平面３上に投影される。射出瞳６の面の中に位置する光学マスク５は、伝送された光の強度および位相を調整する。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によってさらに処理される。
【図２】正方形の開口部を有する、本実施例での、半絞りのキラルのプリズムの光学マスクを示している。マスクは１つの平面素子８及び１つのプリズム素子９を備えている。
【図３】正方形の開口部を有する、本実施例での、２つのプリズム素子を備えた光学マスクを示している。マスクは、マスクのキラル構造をもたらす、２つのプリズム素子１０及び１１を備えている。
【図４】本実施例において、円形の穴の中でｚ＝Ａｒ２αによって定義される、放物線状の螺旋の面１２を備えた光学マスクを示している。ここで、ｚは表面のたわみ、ｒは半径方向の座標、αはマスクの面における極の角度、及びＡはマスクの勾配である。
【図５】本実施例における、焦点ずれ依存ＯＴＦおよび対応するキラルの光学マスクのＰＳＦの考案について示している。マスクの振幅関数は、
【０２９２】
【数１】
2012514749.tif 000092
【０２９３】
によって、定義される。そして、位相関数は、
【０２９４】
【数２】
2012514749.tif 000093
【０２９５】
によって与えられる。
【０２９６】
写真１３，１５，１７は、ＯＴＦの係数、すなわち、焦点ずれ値φ＝０、φ＝５、φ１０にてそれぞれ算出されたＭＴＦ、を表す。写真１４，１６，１８は、対応するＰＳＦを示す。これらの写真は、それぞれ、空間周波数の範囲−２≦ωx≦２、−２≦ωｙ≦２、および、空間の範囲−７．６≦ｘ≦７．６、−７．６≦ｙ≦７．６、をカバーし、全ての変数は、無次元である。破線１９は、ＰＳＦのローブ（lobes）のシフト方向に沿った平行線である。ＭＴＦ写真からわかるように、焦点ずれの増加は、空間スペクトル中のラインパターンの別個の回転を発生させる。中央のラインは、ほとんど歪んでおらず、容易に検知できる。これに対して、ＰＳＦは、ローブが、反対方向において、破線１９に沿って水平に移動する伝播する変化、並びに、経験から得られた回折およびスケーリングである。
【図６】結像ためのキラルの光学系の光学応答を示しており、本実施例における、ユニット半径の円形の開口部により定義づけられた、
【０２９７】
【数３】
2012514749.tif 000094
【０２９８】
の位相関数の放物線状の螺旋の光学マスクを示している。
【０２９９】
写真２０，２３および２６は、ＯＴＦ、すなわち、焦点ずれ値が、それぞれ、φ＝−４、φ＝−６、およびφ＝−８にて算出されたＭＴＦ、の係数を表している。描画２１，２４，２７は、ＭＴＦの中央の水平断面を描いている。写真２２，２５，２８は、対応するＰＳＦを示している。ＭＴＦおよびＰＳＦの写真は、それぞれ、空間周波数の範囲−２≦ωx≦２、−２≦ωｙ≦２、および、空間の範囲−７．６≦ｘ≦７．６、−７．６≦ｙ≦７．６、をカバーし、全ての変数は、無次元である。ＭＴＦ写真および空間スペクトルの断面図からわかるように、焦点ずれの変化は、結果的に、ＯＴＦの係数が正のままである間の、空間スペクトルの中心の構造の明確な回転に帰着する。すなわち、ゼロを有さない。ここで、ＰＳＦは、１つの適切に中心に置かれたローブのみ有しており、それらの強度の分配は、弱く焦点ずれに依存し、ローブは引き伸ばす。
【図７】基準パターン、本実施例では、光学マスクの固有のスペクトル応答に対応する特有のパターン、の生成について示している。物体２９ (これは、例えば、工場出荷時の検査中の、標準の物体あるいは景色、とすることができる) から出る光２９は、結像光学部材２により、光学マスク５を介して、光検出部４の画像平面３上に投射される。光検出部４は、投影された光を対応する電子画像３１に変換し３０、電子画像３１は、処理手段３２により、空間スペクトル３３へ変換される。空間スペクトル３３は、結果として生じる基準パターンである。本実施例では、物体２９は、ランダムなパターンによって照射された飛行機である。
【図８】距離の測定方法と結像方法について示している。物体から出る光は、結像光学部材２により、光学マスク５を介して、光検出部４の画像平面３上に投射される。光検出部４は、電子画像３４を生成し３２、電子画像３４は、処理手段３２によって空間スペクトル３５に変換される。追加的な処理手段３６は、画像の焦点ずれの程度３７の値を求め、そして、処理３８により物体までの距離３９が算出される。追加的な処理手段４０を用いて、空間スペクトル３５および値が求められた焦点ずれ３７を処理することで、物体の再構築された画像４１を得ることができる。
【図９】図２に基づいて設計された光学マスクを備えたプロトタイプの光学式距離計の結果を示している。この例では、光検出部の画像４２は対象の物体４３の焦点の合った画像を表す。画像のスペクトル分解４４は、空間スペクトル４５を提供し、空間スペクトル４５は、特有のパターンのライン４６を含んでいる。ライン４６は、この例では、基準パターンと見なすことができる縦軸４７に位置合わせされている。
【図１０】図２に基づいて設計された光学マスクを備えたプロトタイプの光学式距離計の結果を示している。この例では、光検出部の画像４２は対象の物体４３の焦点の合っていない（焦点がずれている、ピンぼけの）画像を表す。画像のスペクトル分解４４は、空間スペクトル４５を提供し、空間スペクトル４５は特有のパターンのライン４６を含んでいる。ライン４６は、この例では、計測および、縦軸４７に対して回転の程度４８により角度を持って回転される。物体への距離は、例えば本文書の中で与えられる式を使用する、回転の程度から計算することができる。ここで、ライン４７は、この例では、基準パターンと見なすことができる。
【図１１】キラルの光学系を備えた光学式距離計および結像装置の、他の実施形態を示している。物体１から出る光は、離されて配置された、分塞がった開口部５１および５２を備える２つのレンズ４９および５０により、レイアウトの面上に集光し、そして、ミラー５３，５４，５５およびビームスプリッタ５６により中継されて、光検出部４の画像平面３へと向かう。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によりさらに処理される。光学チャネルの相対的な傾きは、ゼロでない有効なプリズムの定数Ａに帰着し、半分塞がった開口部５１および５２と組み合わせることで、システム系をキラルにする。
【図１２】キラルの光学系を備えた光学式距離計および結像装置の、他の実施形態を示している。物体１から出る光は、２つの凹面鏡５７及び５８によって反射され、光検出部４の画像平面３へ向かう。凹面鏡５７及び５８は、間隔５９を離して広げて配置される。光検出部４により生成された電子信号は、電子プロセッサー７によりさらに処理される。（より好ましくは、光学レイアウトの面に対して垂直な面における）凹面鏡５７及び５８の相対的な傾きは、システムをキラルにする。このキラルの光学系は、間隔５９が凹面鏡５７及び５８の直径と比較して大きい場合に、高い感度となる最も単純な具体例の一つである。
【図１】
2012514749.tif 000095
【図２】
2012514749.tif 000096
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012514749.tif 000100
【図７】
2012514749.tif 000101
【図８】
2012514749.tif 000102
【図９】
2012514749.tif 000103
【図１０】
2012514749.tif 000104
【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2012514749.tif 000107
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