[发明专利]使用编码孔径的距离测量

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像捕获装置，能够确定场景中的物体的距离信息，确切地说涉及一种用于使用具有编码孔径和新颖的计算算法的捕获装置来更高效地确定距离信息的方法。

背景技术

光学成像系统经过设计可以在指定的距离范围内产生场景物体的聚焦图像。图像在图像空间中的一个二维（2D）平面中最清晰地对焦，这个平面称为焦平面或图像平面。根据几何光学，场景物体与图像平面之间的完美焦点关系只对于遵守薄透镜方程的物距与图像距离的组合存在：

1f=1s+1s′---(1)]]>

其中是f是透镜的焦距，s是从物体到透镜的距离，且s’是从透镜到图像平面的距离。这个方程对于单个薄透镜是有效的，但众所周知，厚透镜、复合透镜和更加复杂的光学系统是建模成具有有效焦距f的单个薄透镜。或者，复杂系统是使用主平面的构造和使用上述方程（下文中称为透镜方程）中的有效焦距建模的，其中物距和图像距离s、s’是从这些平面测量的。

还已知，一旦系统聚焦在处于距离s₁上的物体上，那么总地来说，只有处在这个距离上的物体才在位于距离s₁'上的对应图像平面上清晰对焦。处在不同距离s₂上的物体在对应的图像距离s₂'上产生其最清晰的图像，这个图像距离是通过透镜方程确定的。如果系统聚焦在s₁上，那么处在s₂处的物体会在位于s₁'处的图像平面上产生散焦的模糊的图像。模糊程度取决于两个物距s₁与s₂之间的差、透镜的焦距f，以及通过f数（表示为f/#）测量的透镜的孔径。举例来说，图1展示了焦距为f且通光孔径为直径D的单透镜10。位于距离s₁处的物体的轴上点P₁在离透镜的距离s₁'处的点P₁'上成像。位于距离s₂处的物体的轴上点P₂在离透镜的距离s₂'处的点P₂'上成像。跟踪来自这些物点的光线，轴向光线20和22在像点P₁'上会聚，而轴向光线24和26在像点P₂'上会聚，然后在它们分开的距离为d时与P₁'的图像平面相交。在具有圆对称的光学系统中，从P₂发出的光线在所有方向上分布，会在P₁'的图像平面上产生直径为d的圆，称为“模糊圆”或“弥散圆”。

轴上点P₁从透镜移动得更远，趋向于无限远，根据透镜方程可以知道s₁'＝f。这使得f数通常被定义为f/#＝f/D。在有限距离上，有效f数定义为(f/#)_w＝f/s₁'。在任一种情况下，显然f数是到达图像平面的光锥的角度测量，这又与模糊圆的直径d有关。实际上，可以显示出：