CN102695939A - 距离计测装置及距离计测方法 - Google Patents

Abstract

一种距离计测装置（10），其具有：拍摄图像的摄像元件（20）；使被摄体像衍射的衍射光学元件（24）；使通过衍射光学元件（24）而衍射的被摄体像成像于摄像元件的光学系统（22）；以及计测从由摄像元件（20）拍摄的图像到被摄体的距离的距离计测部（16），距离计测部（16）根据在由摄像元件（20）拍摄的图像上的通过衍射光学元件（24）而产生的被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

Description

距离计测装置及距离计测方法

技术领域

本发明涉及距离计测装置，根据从一个视点拍摄到的多张图像来计测场景的进深。

背景技术

曾经提出了以非接触方式计测某个三维场景的进深即距各个被摄体的距离的各种方法。将这些方法大致划分为主动方法和被动方法。主动方法是向被摄体照射红外线、超声波或者激光光束等，根据截止到反射波返回来的时间或者反射波的角度等计算距离的方法。被动方法是根据被摄体的像计算距离的方法。尤其是在使用照相机计算距离的情况下，广泛采用不需要用于照射红外线等的装置的被动方法。

关于被动方法也提出了许多方法，其中之一是根据由于聚焦的变化而产生的模糊(ぼけ)来计测距离的被称为Depth from Defocus（散焦测深，下面表述为DFD）的方法。DFD具有不需要多个照相机即可计测距离、能够根据较少数量的图像计测距离等特征。

下面，对DFD的原理进行简单说明。

在设摄影图像为I（x，y）、设表示没有透镜产生的模糊的状态的原图像为S（x，y）时，两者之间存在诸如式1所示的关系。

[数式1]

I(x，y)＝S(x，y)*h(x，y，d(x，y))    (式1)

其中，h表示用于表示光学系统的模糊状态的点扩展函数（Point SpreadFunction，下面表述为PSF），d表示在摄影图像上或者原图像上的位置（x，y）的被摄体距离。h表示依据于上述位置（x，y）和被摄体距离d的函数。另外，式中的*表示卷积运算。

式1包括作为未知数的S和d。在此拍摄改变了聚焦位置的同一场景的图像I₂。改变聚焦位置相当于PSF相对于同一被摄体距离而变化。即式2成立。

I₂(x，y)＝S(x，y)*h′x，y，d x，y))    (式2)

其中，h’表示不同于h的聚焦位置的PSF。通过求解这些数式，能够求出场景的原图像S和被摄体距离d。提出了以专利文献1为代表的原图像S和被摄体距离d的各种解法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2963990号公报

专利文献1：日本特开昭62－222117号公报

专利文献1：日本特开2006－329897号公报

发明概要

发明要解决的问题

根据式1和式2可知，不同聚焦位置的PSF的变化越小，摄影图像I与I₂之差异越小，因而很难求出被摄体距离d。即，景深越深，基于DFD的距离计测越困难。尤其是在透镜的焦距较短的情况下，即使最大限度地开放光圈，景深也不能足够的浅，可以说DFD的应用在本质上比较困难。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种距离计测装置及距离计测方法，即使是在焦距较短等景深较深的条件下，也具有较高的距离计测精度。

用于解决问题的手段

根据本发明的某个方面的距离计测装置具有：拍摄图像的摄像元件；使被摄体像衍射的衍射光学元件；光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件；以及距离计测部，计测从由所述摄像元件拍摄的图像到被摄体的距离，所述距离计测部根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距所述被摄体的距离。

根据这种结构，不是根据模糊的大小，而是根据通过衍射而产生的衍射像的间隔来求出被摄体距离。衍射像的间隔不受景深影响，具有被摄体距离越短则间隔越小、被摄体距离越长则间隔越大的性质。因此，即使是在景深比较深而不产生模糊的条件下，也能够根据在一个视点拍摄的图像高精度地求出被摄体距离。

并且，也可以是，上述的距离计测装置还具有使特定的波长频带的光线分别透射的光学滤波器。

衍射的影响因波长而异，因而在不使用光学滤波器的情况下，来自一点的光受到各种衍射的影响，在图像上不能汇集为一点，而成为模糊的图像。因此，需要用于去除模糊的处理。根据这种结构，通过只利用特定的波长，能够得到没有模糊的图像，因而不需要去除模糊的处理，能够简化被摄体距离的计算处理。

并且，也可以是，所述衍射光学元件具有曲面形状。优选的是，所述曲面是球面，所述曲面的曲率半径与所述光学系统的光圈和所述衍射光学元件之间在所述光轴上的距离大致相等。

根据这种结构，即使是视场角变化时，也不会产生根据衍射的级数的正负而形成的衍射像的位置的偏倚，因而在计算被摄体距离时不需要考虑视场角，能够简化处理。

并且，也可以是，所述曲面是非球面。

根据这种结构，即使是视场角变化时，也不会产生根据衍射的级数的正负而形成的衍射像的位置的偏倚，而且能够使衍射像的间隔相对于视场角而固定，因而能够简化被摄体距离的计算处理。

并且，也可以是，所述距离计测装置还具有向所述被摄体投射特定的波长频带的光的照明装置。

通过向被摄体投射特定的波长频带的光，能够与使用光学滤波器时相同地拍摄特定的波长频带的图像。因此，能够得到没有模糊的图像，能够简化被摄体距离的计算处理。

另外，本发明不仅能够实现为具有这种特征性的处理部的距离计测装置，而且也能够实现为将距离计测装置所包含的特征性的处理部执行的处理作为步骤的距离计测方法。并且，也能够实现为使计算机作为距离计测装置所包含的特征性的处理部而发挥作用的程序、或者使计算机执行距离计测方法所包含的特征性步骤的程序。并且，这种程序当然能够通过CD－ROM（Compact－Disc－Read Only Memory）等计算机能够读取的非临时性记录介质或因特网等通信网络进行流通。

发明效果

根据本发明的距离计测装置及距离计测方法，不是根据模糊的大小，而是根据通过衍射而产生的衍射像的间隔来求出被摄体距离，因而即使是在景深比较深不产生模糊的条件下，也能够根据在一个视点拍摄的图像高精度地求出被摄体距离。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的距离计测装置的功能性结构的框图。

图2是示意地表示光线通过衍射光学元件而入射的状态的图。

图3是表示光线通过衍射光学元件而入射时的几何学关系的图。

图4是表示计算被摄体距离的处理的流程的流程图。

图5是说明用于拍摄衍射图像的、基于致动器的衍射光学元件的移动的图。

图6是说明用于拍摄参照图像的、基于致动器的衍射光学元件的移动的图。

图7A是示意地表示较短被摄体距离的PSF形状（核形状）的图。

图7B是示意地表示较长被摄体距离的PSF形状（核形状）的图。

图8是示意地表示光线从光轴外的点通过衍射光学元件而入射的状态的图。

图9A是示意地表示光轴上的PSF形状（核形状）的图。

图9B是示意地表示光轴外的PSF形状（核形状）的图。

图10是示意地表示光线从光轴外的点通过由球面构成的衍射光学元件而入射的状态的图。

图11是表示不使用光学滤波器，通过拍摄白色的点光源而得到的衍射图像的一例的图。

图12A是表示使用蓝色波长频带的光学滤波器，通过拍摄白色的点光源而得到的衍射图像的一例的图。

图12B是表示使用绿色波长频带的光学滤波器，通过拍摄白色的点光源而得到的衍射图像的一例的图。

图12C是表示使用红色波长频带的光学滤波器，通过拍摄白色的点光源而得到的衍射图像的一例的图。

图13是表示包括本发明所必须的构成要素的距离计测装置的功能性结构的框图。

具体实施方式

下面，使用附图详细说明本发明的实施方式。另外，下面说明的实施方式均用于示出本发明的优选的一个具体示例。在下面的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接方式、步骤、步骤的顺序等仅是一例，其主旨不是限定本发明。本发明仅利用权利要求书进行限定。因此，关于下面的实施方式的构成要素中、没有在表示本发明的最上位概念的独立权利要求中记载的构成要素，不一定是实现本发明的课题所需要的构成要素，仅是作为构成更优选的方式的构成要素进行说明的。

（实施方式1）

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的实施方式1的距离计测装置的功能性结构的框图。

距离计测装置10具有摄像部12、帧存储器14、距离计测部16和控制部18。

摄像部12包括摄像元件20、衍射光学元件24、光学系统22、光学滤波器26和致动器(actuator)28，摄像部12拍摄被摄体像并输出图像。

摄像元件20拍摄图像，利用CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合装置）或者CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体）等构成。

衍射光学元件24使被摄体像衍射。衍射光学元件24的材质没有特别限定，但优选不遮光的透明的玻璃等材质。通过不遮光，能够防止光量的下降。例如，衍射光学元件24优选在玻璃上刻划平行的槽来形成凹凸的元件、将折射率不同的透明材质交替排列构成的元件等。并且，衍射光学元件24也可以通过交替排列对光遮光的部分和不遮光的部分而构成，但在这种情况下将导致光量减少。

光学系统22使经由衍射光学元件24而衍射的被摄体像成像于摄像元件20。

光学滤波器26使特定的波长频带的光线透射。

致动器28使衍射光学元件24进入到光学系统22的光路中以及从光学系统22的光路中退出。

衍射光学元件24能够通过致动器28在光路上进退，能够切换地拍摄没有产生衍射的状态的图像和产生了衍射的状态的图像。衍射光学元件24配置在光学系统22的光轴上，而且是在比光学系统22的光圈更靠近被摄体的位置。

帧存储器14是以帧单位存储图像的存储器，存储摄像部12输出的图像等。

距离计测部16进行根据由摄像部12拍摄到的图像来计算被摄体距离的处理。即，距离计测部16根据在由摄像元件20拍摄的图像上通过衍射光学元件24而产生的被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

控制部18构成为包括CPU以及存储控制程序的ROM和RAM等，控制各个功能块。

下面，对根据衍射像的间隔计算被摄体距离的原理进行说明。

图2是示意地表示光线通过衍射光学元件而入射的状态的图。图2所示的衍射光学元件G对应于衍射光学元件24，摄像面I对应于摄像元件20。在图2中，假设衍射光学元件G位于被摄体o和针孔P之间。从被摄体o发出的光线入射到衍射光学元件G，并以与衍射光学元件G的特性对应的衍射角而弯曲。弯曲后的光线中只有特定角度的光线能够通过针孔P并到达摄像面I。衍射角是根据衍射的级数而定义的，因而非衍射光即0级光（L0）、＋1级的衍射光（L1）及－1级的衍射光（L－1）等多条光线到达摄像面I。2级以上的衍射光也能够到达摄像面I，但在图2中为了简化起见而省略图示。另外，针孔P的位置相当于光学系统22中的光圈的位置。

图3是表示光线通过衍射光学元件24（G）而入射时的几何学关系的图。在图3中，利用下面的式3表示在摄像面I上能够形成衍射像的位置与光轴中心的距离d。

[数式3]

d＝ftanβ        (式3)

其中，f表示从针孔到摄像面的距离即焦距。在图3中，角度β与来自衍射光学元件G的出射角度相等，因而在设光线从被摄体o向衍射光学元件G的入射角为α时，根据衍射的公式，下面的式4成立。

[数式4]

$\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{n\λ}}{D}$ (式4)

其中，n表示衍射的级数，λ表示入射光的波长，D表示衍射光学元件G的光栅间隔。除此之外，在被摄体o与衍射光学元件G的光轴上的距离v、和衍射光学元件G与针孔P的光轴上的距离u之间，下面的式5成立。

[数式5]

vtanα＝utanβ        (式5)

根据式4和式5求出与衍射的级数n对应的角度β，利用所求出的角度β，根据式3能够求出距离d。并且，根据式5可知，角度β是根据距被摄体的距离v而确定的，因而能够形成衍射像的位置d（将在摄像面I上根据距光轴中心的距离d而确定的能够形成衍射像的位置记述为位置d）也根据被摄体距离而变化。

另外，在专利文献1中公开了与本发明相同地使用衍射光学元件的测距方法。另外，在专利文献2中公开了这样的方法，将激光光束投影于透射型衍射光学元件，根据通过衍射而分光的光线到达被摄体时的光点的间隔来计算距离，利用三角测量的原理计算被摄体距离。

下面，对计算被摄体距离的处理的流程进行说明。图4是表示距离计测装置10计算被摄体距离的处理的流程的一例的流程图。该处理是从预先设定的n个级别的被摄体距离V（1）、V（2）、…、V（n）中计算最适合作为被摄体距离的距离的处理。

摄像元件20拍摄衍射图像I和参照图像I’（步骤S101、S102）。其中，所说衍射图像是指衍射光学元件24位于光路上的状态的图像，所说参照图像是指衍射光学元件24不在光路上的状态的图像。在拍摄衍射图像I的情况下，如图5所示，致动器28使衍射光学元件24在光路上移动。另一方面，在拍摄参照图像I’的情况下，如图6所示，致动器28使衍射光学元件24从光路上退出。另外，步骤S101和S102的顺序也可以颠倒。

在此，在衍射图像I和参照图像I’之间，用下面的式6示出的关系成立。

[数式6]

I(x，y)＝I′(x，y)*h(x，y，d(x，y))    (式6)

另外，*表示卷积运算。其中，h表示如在图7A或者图7B中示意地示出的那种形状的核(kernel)，根据式3～式5示出的关系，在被摄体距离V（i）（i＝1～n）较短的情况下，如图7A所示衍射光的间隔变窄，在被摄体距离V（i）较长的情况下，如图7B所示衍射光的间隔变宽。另外，图7A和图7B表示存在作为衍射光的0级光和±1级光这三种光时的核的示例，但实际上根据到达摄像面的衍射光的级数，点（衍射光）的数量及间隔可能变化。并且，图7A和图7B表示光学系统采用模糊的大小几乎不因距离而变化的光学系统的情况。核是通过仿真(simulation)求出的，例如相当于假设在被摄体的位置存在点光源时的理想的衍射图像I。

控制部18将初始值1代入计数器i（步骤S103），距离计测部16对图像（衍射图像I或者参照图像I’）的每个像素（x，y）计算相对于第i个级别被摄体距离V（i）的误差函数C（x，y，i）的值（步骤S104）。误差函数C（x，y，i）用下面的式7表示。

[数式7]

C(x，y，i)＝|I(x，y)-I′(x，y)*h(x，y，i)|    (式7)

误差函数C（x，y，i）的值相当于将没有衍射的状态的参照图像I’（x，y）与第i个级别距离V（i）对应的核h（x，y，i）进行卷积而得到的图像、与实际的衍射图像I（x，y）之间的差。在被摄体o实际处于第i个级别距离V（i）时，该差异达到最小。

另外，在式7中误差函数C（x，y，i）表示像素间的差的绝对值，但也能够根据L2范数(norm)等表述距离的任意形式设定误差函数C（x，y，i）。

在计算出误差函数C（x，y，i）的值后，控制部18判定计数器i的值是否达到n（步骤S105）。在计数器i的值没有达到n的情况下（步骤S105：否），控制部18使计数器i的值递增1（步骤S106）。距离计测部16反复误差函数C（x，y，i）的值的计算处理（步骤S104），直到计数器i的值达到n。

在计算出全部n个级别的误差函数C（x，y，i）的值后（步骤S105：是），距离计测部16计算被摄体距离（步骤S107）。在位置（x，y）的被摄体距离v（x，y）用下面的式8表示。

[数式8]

$v(x,y)=V\left(\underset{i}{\arg \min }C(x,y,i)\right)$ (式8)

在此，式9表示函数f（i）的值为最小时的i的值。

[数式9]

$\underset{i}{\arg \min }f\left(i\right)$ (式9)

即，根据式8计算出与误差函数C（x，y，i）的值为最小的级别i对应的距离V（i），作为各个位置（x，y）的被摄体距离。

另外，被摄体距离V（i）是根据式3～式5确定的。例如，采用将第i个级别的距离V（i）设为衍射像的位置d（i）达到用d（i）＝ia（a：任意常数）表示的值时的v的值等方法。优选将常数a的值设为能够在所拍摄到的图像上识别到各个级别i的位置d（i）的衍射像的大小（例如摄像元件的像素的大小程度）。当然，也可以根据除此之外的关系来确定被摄体距离V（i）。例如，式3～式5没有考虑折射等基于衍射光学元件24的厚度或材质的影响，因而也可以通过光学仿真计算出考虑了这些影响的衍射像的位置d（i），并确定对应的被摄体距离V（i）。

另外，式6利用与式1及式2相同的形式进行表示，因而能够利用相同的构架来表示衍射像和DFD中的模糊。因此，将如图7A或者图7B所示的核视为PSF并应用DFD的处理，由此能够求出被摄体距离。在这种情况下，能够采用已有的DFD处理算法来求出被摄体距离。

另外，也可以取代如上述的示例那样采用与DFD相同的构架的方式，而是根据自相关等直接从衍射图像I计算出衍射像的间隔，再使用式3～式5计算出被摄体距离。例如，在专利文献3中公开了这样的方法，沿着双重像间的位移约束来搜索自相关取最大值的位置，由此求出被摄入到透明板中的双重像的间隔，也可以利用这种方法计算出被摄体距离。

过去的DFD根据模糊的大小变化来计算出被摄体距离，而根据本发明的实施方式1，能够根据衍射像的间隔计算出被摄体距离。在此，考虑到被摄体距离变化某个固定量时的模糊的大小的变化量，该变化量大致与光学系统的开口的大小成比例，因而焦距越短，模糊变化量越小。与此相对，根据式3～式5，在入射光的波长λ固定的情况下，衍射像的间隔d是根据衍射光学元件G与针孔P之间的距离u、光栅间隔D及衍射的级数n确定的，与焦距f（从针孔到摄像面的距离）及开口的大小无关。因此，即使是焦距缩短时，也能够增大衍射像的间隔d的变化量，其结果是能够提高被摄体距离的计测精度。

（实施方式2）

本发明的实施方式2的距离计测装置具有能够在衍射方向上均等地保持衍射像的间隔的结构。具体地讲，衍射光学元件24具有曲面形状。其它构成要素与实施方式1相同。下面对采取这种结构的理由进行说明。

在图2和图3中考虑了被摄体o位于光轴上的情况。与此相对，考虑如图8所示被摄体o位于视场角θ的位置的情况。与图2和图3的情况相同地，从被摄体o发出的光线中以特定的角度入射到衍射光学元件G（24）的光线通过衍射而弯曲，然后通过针孔P入射到摄像面I。此时，在摄像面I上能够形成衍射像的位置与光轴中心的距离d’用下面的式10表示。

[数式10]

d′＝ftanβ        (式10)

并且，在衍射光的入射角β、和视场角θ、和光线从被摄体o向衍射光学元件G的入射角α之间，下面的式11成立。

[数式11]

(u+v)tanθ+vtanα＝utanβ    (式11)

根据式10、式11及衍射的公式即式4，能够求出d’。

在此，将＋1级光、0级光、－1级光在摄像面上的位置分别设为d’（＋1）、d’（0）、d’（－1），在视场角θ不是0的情况下，根据式4和式11可知，从d’（0）到d’（＋1）的距离、和从d’（0）到d’（－1）的距离不同。对此通过光学仿真来列举实际的数值进行表示。另外，在下面的光学仿真中采用了ZEMAX Development Corporation公司制造的光学仿真软件“ZEMAX（商品名）”。

光学系统的结构如表1所示。另外，R、d、nd、vd依次表示各个面的曲率半径（单位：mm）、面间隔（单位：mm）、d线的折射率、阿贝数。其中，面序号0表示被摄体的位置。

[表1]

面序号	面类型	R	d	nd	v d
						0		∞	1.0e5
1	衍射	∞	2.0	1.517	64.17
						2		∞	48.0
3(光圈面)	旁轴	∞	5.0	-	-
						4(像面)		∞	-

另外，在表1中，面类型为“衍射”的面表示衍射面，面类型为“旁轴”(paraxial)的面表示没有像差的理想透镜。面类型为空的面表示球面。

在此，设衍射面的光栅间隔为2μm，设理想透镜的焦距为5mm，设光线的波长为550nm。在以上条件下，分别求出视场角θ为0°、10°、20°时的d’（＋1）、d’（0）、d’（－1）的值，如下面的表2所示。另外，d’的单位全部是mm。并且，xey表示x×10y。

[表2]

视场角θ	d’(+1)	d’(0)	d’(-1)	d’(+1)-d’(0)	d’(0)-d’(-1)
						0°	1.422	0	-1.422	1.422	1.422
10°	2.499	0.882	-0.503	1.617	1.385
						20°	3.903	1.820	0.342	2.083	1.478

在视场角θ为0°的情况下，如图9A示意地示出的那样，以0级光为中心，＋1级光和－1级光位于相等间隔的位置，但随着视场角增大，如图9B所示衍射光的间隔变得不均匀。因此，在计算被摄体距离时，作为在利用式7求出误差函数C（x，y，i）的值时进行卷积的核h（x，y，i），需要准备即使同是第i个级别距离也因每个图像的位置（x，y）而不同的核。为了使处理变简单，优选核在图像整体中是均一的。

这种不均一性起因于衍射光学元件是平面，光线向衍射光学元件的入射角因视场角而异。如图10所示，使衍射光学元件G形成为曲面，而且使其曲率半径与从在光轴上的衍射面到光圈面的距离大致相等。由此，朝向针孔P的中心的光线始终基本垂直地入射到衍射光学元件G。因此，能够使入射角大致保持固定。衍射面为曲面时的衍射像的位置是按照下面所述求出的。

根据图10，在角度α、β、θ之间，下面的式12示出的关系成立。

[数式12]

usinβ＝(v+u(1-cosβ))tan(α-β)+(u+v)tanθ    (式12)

另外，衍射面的曲率半径与从衍射面到光圈面的距离相等，因而衍射后的出射角与衍射面垂直，因而根据衍射的公式得知式13成立。

[数式13]

$\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{n\λ}}{D}\cos \mathrm{\β}$ (式13)

其中，n表示衍射的级数，λ表示入射光的波长，D表示衍射光学元件G的光栅间隔。通过从式12和式13中消去α，能够求出与视场角θ对应的角度β，再根据式3求出衍射像的位置d。

以如表3所示的光学系统22为例来说明使衍射光学元件G形成为曲面的效果。在此，假设光栅间隔和理想透镜的焦距等参数与表1的示例相同。并且，假设第1面及第2面的曲率半径与从衍射面到光圈面的距离相同。分别求出视场角θ为0°、10°、20°时的d’（＋1）、d’（0）、d’（－1）的值，如下面的表4所示。

[表3]

面序号	面类型	R	d	nd	v d
						0		∞	1.0e5
1	衍射	50.0	2.0	1.517	64.17
						2		50.0	48.0
3(光圈面)	旁轴	∞	5.0	-	-
						4(像面)		∞	-

[表4]

视场角θ	d’(+1)	d’(0)	d’(-1)	d’(+1)-d’(0)	d’(0)-d’(-1)
						0°	1.397	0	-1.397	1.397	1.397
10°	2.319	0.900	-0.519	1.419	1.419
						20°	3.350	1.860	0.371	1.490	1.489

根据表4可知，无论在哪个视场角时，d’（＋1）－d’（0）的值均与d’（0）－d’（－1）的值基本相等，基于视场角的偏倚被消除。

在衍射面为曲面的情况下，计算被摄体距离的处理的流程基本上与实施方式1示例的流程相同。不同之处在于，根据对图像的各个像素预先设定的n个级别的被摄体距离V（x，y，1）、V（x，y，2）、…、V（x，y，n），按照取代式8的下面的式14来计算被摄体距离。

[数式14]

$v(x,y)-V(x,y,\left(\underset{i}{\arg \min }C(x,y,i)\right))$ (式14)

在式8中，V在图像整体中采用了一个序列，而在式14中，按照各个像素对V设定了不同的序列。

在衍射面是平面的情况下，与视场角相对应，衍射像的间隔根据衍射的级数的正负而不同。但是，根据本发明的实施方式2，通过使衍射面形成为曲面，使光线垂直地入射到衍射面，因而消除了衍射像的间隔的不均匀性。因此，能够简化被摄体距离计算处理。

（变形例）

在本变形例中，衍射光学元件24具有非球面的曲面形状。通过采用非球面形状，能够精细地控制光线的到达位置，使衍射像的间隔相对于衍射的级数的正负而保持均等，而且能够使衍射像的间隔相对于视场角而保持固定。通过进行基于光学仿真的优化来确定具体的非球面的形状，使得在任意的视场角和波长时，衍射像的间隔相对于衍射的级数的正负是均等的，而且衍射像的间隔相对于视场角是固定的。

这种光学系统的示例如表5所示。另外，设衍射面的光栅间隔为2μm，设理想透镜的焦距为5mm，设光线的波长为550nm，针对视场角θ为0°、10°、20°时的3点进行了优化评价。

[表5]

面序号	面类型	R	d	nd	v d
						0		∞	1.0e5
1	衍射	∞	2.0	1.517	64.17
						2	非球面	72.272	48.0
3(光圈面)	旁轴	∞	5.0	-	-
						4(像面)		∞	-	-	-

面类型为“非球面”的面表示非球面。非球面形状用下面的式15表示。

[数式15]

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+A_{12}{r}^{12}$ (式15)

其中，c＝1/R，k表示圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12分别表示4次、6次、8次、10次、12次的非球面系数。在表5中，第2面的圆锥系数及非球面系数如表6所示。并且，r表示非球面形状的曲率，Z表示从光圈面到非球面形状的光轴方向的距离。

[表6]

k	A4	A6	A8	A10	A12
						0	-8.0525e-6	1.07732e-7	-4.67435e-10	9.22735e-13	-6.71705e-16

在表5和表6的光学系统中，分别求出视场角θ为0°、10°、20°时的d’（＋1）、d’（0）、d’（－1）的值，如表7所示。

[表7]

视场角θ	d’(+1)	d’(0)	d’(-1)	d’(+1)-d’(0)	d’(0)-d’(1)
						0°	1.033	0	-1.033	1.033	1.033
10°	1.690	0.656	0.376	1.034	1.032
						20°	2.316	1.284	0.254	1.032	1.030

在相同的光学系统中将被摄体距离设为1000mm时的衍射像的位置如表8所示。

[表8]

视场角θ	d’(+1)	d’(0)	d’(-1)	d’(+1)-d’(0)	d’(0)-d’(-1)
						0°	1.000	0	-1.000	1.000	1.000
10°	1.656	0.656	-0.344	1.000	1.000
						20°	2.288	1.286	0.283	1.002	1.003

无论是哪种被摄体距离，衍射像的间隔均相对于衍射的级数的正负而大致均匀，而且相对于视场角保持大致固定的间隔。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的内容，也能够在用于实现本发明的目的及其附带的目的的各种形式中实施，例如可以是下面所述的方式。

例如，在实施方式1、2中假设计算衍射像的位置时的光学系统是针孔，但也可以是由一个透镜或者多个透镜组构成的成像光学系统。在这种情况下，由于受到透镜的折射的影响，衍射像的位置与针孔时不同，但衍射像的位置依旧根据被摄体距离而变化，因而能够与针孔时相同地计算被摄体距离。即，通过将光学系统的光圈的位置视为针孔的位置，能够相同地计算被摄体距离。

例如，在实施方式1、2中也可以是，光学滤波器26具有使多个波长频带的光线分别通过的特性，并进行根据各个通过波长频带的图像计算被摄体距离的处理。

图11是表示不使用上述的光学滤波器26，通过拍摄白色的点光源而得到的衍射图像的一例的图。根据式4可知，衍射光的出射角因每个波长频带而异。因此，在图11中可知衍射像成为模糊的图像。图12A～图12C是表示使用上述的光学滤波器26，按照每个波长频带拍摄与图11相同的白色的点光源而得到的图像，图12A、图12B、图12C分别表示蓝色波长频带、绿色波长频带及红色波长频带的衍射图像。在各个波长频带的衍射图像中没有产生衍射像的模糊。通过将从上述多个衍射图像分别得到的距离计测结果进行整合，能够降低因图像的噪声而形成的被摄体距离计算的误差，并实现更加高精度的距离计测。例如，也可以将使用多个衍射图像计测的同一像素位置的多个距离的平均值作为被摄体距离。

光学滤波器26可以采用在光学系统的前面配置的滤色片。通过采用滤色片，能够使特定的波长的光透射。例如，通过切换使用分别使红色波长频带、蓝色波长频带及绿色波长频带的光透射的3个滤色片，能够分别使用3个波长频带的光计测距离。根据这种方法，由于对同一被摄体求出3个距离，因而也可以根据3个距离通过运算求出1个距离。例如，也可以将3个距离的平均值设为被摄体的距离。

另外，也可以使用出射特定的波长频带的光的照明装置取代滤色片。也可以是，这种照明装置将特定的波长频带的照明光投影到被摄体上，由此拍摄特定的波长频带的衍射图像。为了拍摄多个波长频带的衍射图像，只要在切换波长的同时将照明光投影到被摄体上拍摄衍射图像即可。

（其它变形例）

另外，关于本发明根据上述实施方式进行了说明，然而本发明当然不限于上述的实施方式。诸如以下所述的情况也包含于本发明中。

（1）构成上述各个装置的构成要素的一部分或者全部具体地讲能够构成为由微处理器、ROM、RAM、硬盘装置、显示器装置、键盘、鼠标等构成的计算机系统。在所述RAM或者硬盘装置中存储有计算机程序。所述微处理器按照所述计算机程序进行工作，由此各个装置实现其功能。在此，计算机程序为了实现预定的功能，可以组合多个表示针对计算机的指令的命令代码而构成。

（2）构成上述各个装置的构成要素的一部分或者全部可以由一个系统LSI（Large Scale Integration：大规模集成电路）构成。系统LSI可以是在一个芯片上集成多个构成部分制得的超多功能LSI，具体地讲是包括微处理器、ROM、RAM等在内构成的计算机系统。在所述RAM中存储有计算机程序。所述微处理器按照所述计算机程序进行工作，由此系统LSI实现其功能。

（3）构成上述各个装置的构成要素的一部分或者全部也可以由能够在各个装置上插拔的IC卡或单体模块构成。所述IC卡或所述模块是由微处理器、ROM、RAM等在内构成的计算机系统。所述IC卡或所述模块也可以包含上述的超多功能LSI。微处理器按照计算机程序进行工作，由此所述IC卡或所述模块实现其功能。该IC卡或该模块可以具有耐篡改性。

（4）本发明也可以是以上所示的方法。并且，也可以是利用计算机实现这些方法的计算机程序，还可以是由所述计算机程序构成的数字信号。

并且，本发明也可以将所述计算机程序或者所述数字信号记录在计算机可以读取的记录介质中，所述记录介质例如是软盘、硬盘、CD－ROM、MO、DVD、DVD－ROM、DVD－RAM、BD（Blu-ray Disc：蓝光盘）、半导体存储器等。并且，本发明还可以是记录在这些记录介质中的所述数字信号。

并且，本发明也可以构成为经由电通信线路、无线或有线通信线路、以因特网为代表的网络、数据广播等，传输所述计算机程序或者所述数字信号。

并且，本发明也可以构成为具有微处理器和存储器的计算机系统，所述存储器存储所述计算机程序，所述微处理器按照所述计算机程序进行工作。

并且，本发明也可以构成为将所述程序或者所述数字信号记录在所述记录介质中并传输，或者经由所述网络等传输所述程序或者所述数字信号，从而能够利用独立的其他计算机系统来实施。

（5）本发明也可以分别组合上述实施方式和上述变形例来实施。

另外，图13表示包括本发明所必须的构成要素的距离计测装置的框图。距离计测装置10A具有摄像部12A和距离计测部16。摄像部12A具有摄像元件20、光学系统22和衍射光学元件24。即，上述的光学滤波器26、致动器28、帧存储器14、控制部18不是必须的构成要素，但优选是距离计测装置具备的要素。

此次公开的实施方式在所有方面上都仅是示例，不能认为是限制性的方式。本发明的范围不在于上述的说明，而在于利用权利要求书公开的内容，并且包含与权利要求书同等意义及范围内的所有变更。

产业上的可利用性

本发明的距离计测装置能够根据从一个视点拍摄到的图像进行距离计测，因而能够应用于所有的摄像设备。尤其是其利用衍射像的位置取代模糊来计测距离的原理，最适合于采用需要缩短焦距的小型摄像元件的摄像设备。

标号说明

10距离计测装置；12摄像部；14帧存储器；16距离计测部；18控制部；20摄像元件；22光学系统；24衍射光学元件；26光学滤波器；28致动器。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.（补正后）一种距离计测装置，该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射、并具有曲面形状的衍射光学元件；

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件；以及

距离计测部，计测从由所述摄像元件拍摄的图像到被摄体的距离，

所述距离计测部根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距所述被摄体的距离。

2.根据权利要求1所述的距离计测装置，

所述衍射光学元件配置在所述光学系统的光轴上，而且是在比所述光学系统的光圈更靠近被摄体的位置。

3.根据权利要求1或2所述的距离计测装置，

所述衍射光学元件具有相对于所述光学系统中的光路能够进退的构造，

所述距离计测部使用在所述衍射光学元件不在所述光路上的状态下由所述摄像元件拍摄到的参照图像、和所述衍射光学元件在所述光路上的状态下由所述摄像元件拍摄到的衍射图像，计测距所述被摄体的距离。

4.根据权利要求3所述的距离计测装置，

所述距离计测部将如下候选确定为距所述被摄体的距离，该候选是将对距所述被摄体的距离的各个候选预先设定的核与所述参照图像进行卷积而得到的结果的图像、与所述衍射图像之间的差为最小时的候选。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的距离计测装置，

所述距离计测装置还具有使特定的波长频带的光线分别透射的光学滤波器。

6.根据权利要求5所述的距离计测装置，

所述光学滤波器具有使多个波长频带的光线透射的特性，

所述距离计测部使用与所述多个波长频带的光线对应的多个图像，计测距所述被摄体的距离。

7.（删除）

8.（补正后）根据权利要求2所述的距离计测装置，

所述曲面是球面，所述曲面的曲率半径与所述光学系统的光圈和所述衍射光学元件之间在所述光轴上的距离大致相等。

9.（补正后）根据权利要求1所述的距离计测装置，

所述曲面是非球面。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述的距离计测装置，

所述距离计测装置还具有向所述被摄体投射特定的波长频带的光的照明装置。

11.（补正后）一种使用距离计测装置的距离计测方法，

该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射、并具有曲面形状的衍射光学元件；以及

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件，

所述距离计测方法根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

12.一种程序，使计算机执行权利要求11所述的距离计测方法。

13.（补正后）一种集成电路，使用距离计测装置计测距离，该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射、并具有曲面形状的衍射光学元件；以及

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件，

所述集成电路具有距离计测部，该距离计测部根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

Claims (13)

1.一种距离计测装置，该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射的衍射光学元件；

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件；以及

距离计测部，计测从由所述摄像元件拍摄的图像到被摄体的距离，

所述距离计测部根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距所述被摄体的距离。

2.根据权利要求1所述的距离计测装置，

所述衍射光学元件配置在所述光学系统的光轴上，而且是在比所述光学系统的光圈更靠近被摄体的位置。

3.根据权利要求1或2所述的距离计测装置，

所述衍射光学元件具有相对于所述光学系统中的光路能够进退的构造，

所述距离计测部使用在所述衍射光学元件不在所述光路上的状态下由所述摄像元件拍摄到的参照图像、和所述衍射光学元件在所述光路上的状态下由所述摄像元件拍摄到的衍射图像，计测距所述被摄体的距离。

4.根据权利要求3所述的距离计测装置，

所述距离计测部将如下候选确定为距所述被摄体的距离，该候选是将对距所述被摄体的距离的各个候选预先设定的核与所述参照图像进行卷积而得到的结果的图像、与所述衍射图像之间的差为最小时的候选。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的距离计测装置，

所述距离计测装置还具有使特定的波长频带的光线分别透射的光学滤波器。

6.根据权利要求5所述的距离计测装置，

所述光学滤波器具有使多个波长频带的光线透射的特性，

所述距离计测部使用与所述多个波长频带的光线对应的多个图像，计测距所述被摄体的距离。

7.根据权利要求5或6所述的距离计测装置，

所述衍射光学元件具有曲面形状。

8.根据权利要求7所述的距离计测装置，

所述曲面是球面，所述曲面的曲率半径与所述光学系统的光圈和所述衍射光学元件之间在所述光轴上的距离大致相等。

9.根据权利要求7所述的距离计测装置，

所述曲面是非球面。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述的距离计测装置，

所述距离计测装置还具有向所述被摄体投射特定的波长频带的光的照明装置。

11.一种使用距离计测装置的距离计测方法，

该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射的衍射光学元件；以及

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件，

所述距离计测方法根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

12.一种程序，使计算机执行权利要求11所述的距离计测方法。

13.一种集成电路，使用距离计测装置计测距离，该距离计测装置具有：

拍摄图像的摄像元件；

使被摄体像衍射的衍射光学元件；以及

光学系统，使通过所述衍射光学元件而衍射的所述被摄体像成像于所述摄像元件，

所述集成电路具有距离计测部，该距离计测部根据在由所述摄像元件拍摄的图像上的通过所述衍射光学元件而产生的所述被摄体像的衍射像的间隔，计测距被摄体的距离。

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