CN201043890Y - 单孔径多重成像的光学成像测距装置 - Google Patents

Abstract

一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于构成：同光轴地依次包括成像主透镜、多重成像元件、场镜和光电探测器，该光电探测器的输出端接数字图像处理器，所述的成像主透镜与多重成像元件紧贴在一起，所述的数字图像处理器用于处理由光电探测器采样的数字图像，提取物体的深度信息的数据处理软件。本实用新型只需单次成像，即可获得完备的成像，而且系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定位和标定，测距算法简单，可快速地获得物体的深度信息。

Description

单孔径多重成像的光学成像测距装置

技术领域

本实用新型涉及物体表面的深度信息，是一种用于测量视场中物体表面的深度信息的单孔径多重成像的光学成像测距装置，即物体表面上点到视点之间的距离。获得的距离信息可用于物体三维形貌的重建，目标特征识别，以及自动车辆，机器人导航等。

背景技术

普通光学成像系统的成像过程一般是三维物空间到二维像空间的映射，成像过程中往往丢失了景物的深度信息。而获得图像的深度信息即物体表面上各点到视点的距离在很多应用中是非常重要。常用的被动式距离恢复方法有立体视觉方法、光学微分方法、微透镜阵列的单目立体方法以及孔径编码层析成像方法等。立体视觉方法是通过在空间放置两台或多台相机对同一目标物体在不同的视点进行摄像。由于视点不同，所成的图像之间存在着视差，即同一物点的像点分布在各个相机像接收面的不同位置上。如果能够从每幅视差图像中找到同一物点的对应像点，然后根据三角几何就可以计算出物点的距离来。但是这种方法需要相机的精确定位和复杂标定，并且由于在图像间寻找同一物点的像即图像的匹配需要大量极其复杂的计算，因此限制了其应用范围。

为了解决立体视觉方法中存在的内在困难，人们提出了光学微分的方法。在先技术[1](参见RANGE ESTIMATION BY OPTICALDIFFERENTIATION，Farid H and E.P.Simoncelli，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.15，No.7，1998)中提出了利用两块光学掩模板进行光学微分的距离估计方法。光学掩模板中的其中一块掩模板的掩模函数是另一块掩模板的掩模函数微分形式，因此不需要空间分开放置相机就能够获得景物的视差图像，并且此方法能够解决图像的匹配困难问题，但是由于需要两块掩模板来获取两幅图像，因此增加了系统的复杂程度。

在先技术[2](参见OPTICAL RANGING APPARATUS，Edward H.Adelson，United States Patent，Patent Number：5076687，Date of Patent：Dec.31，1991)中提出了一种全光相机的光学测距装置，它利用主透镜成像，然后在光电探测器阵列之前放置一块微透镜阵列用于记录入射光的三维结构。每一个微透镜都代表一个宏观像素，它能够记录通过主透镜后的光线分布。通过孔径平面上不同部分即不同视点的光线成像在宏观像素的不同子像素上，数字图像处理器按规则从单幅的复合图像中提取来自于不同视点景物子图像，然后通过简单的立体图像配准算法就可以计算估计出景物的深度信息。由于采用单个透镜成像，避免复杂的相机定位和标定问题，其次通过预滤波，可以大大的减少图像间的匹配困难。但是这种方法也存在较大的缺点，最突出的是微透镜阵列与光电探测器阵列之间的对齐困难，对齐误差会导致较大的图像深度估计误差。另外由于需要在透镜成像之前加散射板来预滤波，因此整个成像系统是不完备的。

另外一种不需要相机标定和立体匹配算法的三维成像方法是空间相机的孔径编码方法。在先技术[3](一种基于编码孔径成像原理的三维的三维成像方法，郎海涛，刘立人，阳庆国，光学学报，Vol.26，No.1，pp34-38，2006)提出了利用孔径编码方法把相机阵列按照某种编码方式排列对景物成像，然后利用相应的解码算法，恢复景物的三维距离信息。这种方法需要多个相机对物体同时成像，相机阵列需要按照孔径编码方式排列，占用了较大的空间，不利于小型化，集成化。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于单孔径多重成像的光学成像测距装置，该装置继承了上述在先技术的一些优点而克服了它们的缺点，特点是只需单次成像，即成像完备。系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定位和标定，测距算法简单快速。

本实用新型的技术解决方案是：

一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，特点在于其构成：同光轴地依次包括成像主透镜、多重成像元件、场镜和光电探测器，该光电探测器的输出端接数字图像处理器，所述的成像主透镜与多重成像元件紧贴在一起，所述的数字图像处理器用于处理由光电探测器采样的数字图像，提取物体的深度信息的数据处理软件。

所述的单孔径多重成像是指利用在单个孔径范围内同时产生多幅同一视场范围内物体的像。但单幅的像不是分开接收，而是作为一个复合图像最后整体的被像探测器接收。本实用新型产生多重图像的方法是利用微棱镜阵列的偏折分光作用或者光波调制模板阵列的波前调制作用或者两者结合在一起共同作用。光波携带物体三维信息入射到光瞳面时，在光瞳面的不同部分受到不同的偏折或者调制，通过每一个微棱镜或者光波调制模板的光束和成像主透镜一起最后都独立单个成像。由于光瞳面上各部分光束受到不同改变，因此所成的单幅图像之间存在着差异。这种差异正是物体三维信息在多重图像中的体现。

所述的场镜的作用是用来缩小光学图像；由于微棱镜阵列的分光作用，光学图像一般分布在像面上较大区域范围内，普通的光电图像探测器根本无法接收，因此在成像透镜与像面探测器之间的光路中需要加入一场镜，把光学图像缩小到光电探测器有效像面探测面积的大小。

所述的数字图像处理器是一个专门的数字处理芯片，内置景物深度提取算法，对数字图像进行数据处理。计算结果存入芯片存贮单元或者送到其他图像显示或控制单元。

所述的成像主透镜由一个双凸透镜构成，所述的多重成像元件紧贴在成像主透镜之后。

所述的成像主透镜由两个平面相对的平凸透镜构成，所述的多重成像元件放在紧贴的两个平凸透镜之间。

所述的多重成像元件是微棱镜阵列，或光波调制模板阵列，或由微棱镜阵列和光波调制模板阵列组合而成，并整体地置于成像系统的光瞳平面上。

所述的该微棱镜阵列是由多个微棱镜按照一定规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维微棱镜阵列。

所述的微棱镜阵列是圆形阵列，或矩形阵列。

所述的微棱镜阵列是规则排列分布的，即在光瞳面上按照事先固定的间距安排放置微棱镜，而每一单个微棱镜的顶角根据成像系统的参数和微棱镜的位置确定，以保障每一单个微棱镜在像面上所成的单像之间是无重叠的规则排列。

所述的微棱镜阵列是按孔径编码方式排列分布的，即根据孔径编码成像原理，按照孔径编码方式安排微棱镜的排列，每一个微棱镜之间的间距由编码函数给定，每一单个微棱镜的顶角根据成像系统参数和微棱镜的位置确定，以保障每一单个微棱镜在像面上所成的单像最后叠加在一起形成孔径编码图像。

所述的光波调制模板阵列是由多个波前调制元件按照规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维波前调制元件阵列，该光波调制模板阵列整体地放在光瞳面上。

本实用新型的技术效果：

本实用新型与上述在先技术相比，最大的特点是：利用单孔径多重成像的原理，采用在贴近光学成像系统的主透镜的位置放置一多重成像元件，如微棱镜阵列或者光波调制模板阵列或者两者的结合，用于对同一视场中物体的单次多重成像。多重成像过程中间接地在多重图像中记录了物体的深度信息，解决了现有技术中的缺点，只需单次成像，即可获得完备的成像，而且系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定位和标定，测距算法简单，可快速地获得物体的深度信息。

附图说明

图1为本实用新型单孔径多重成像的光学成像测距装置的结构示意图。

图2为本实用新型两个平凸透镜构成的成像主透镜装置结构示意图。

图3为本实用新型由微棱镜阵列和光波调制模板阵列构成多重成像元件的装置结构示意图。

图4为微棱镜阵列的单目立体视觉原理示意图。

图5为透镜的几何成像原理示意图。

图6为规则排列的微棱镜阵列示意图。

图7为微棱镜阵列为规则排列时的像面上各子图像的分布示意图。

图8为孔径编码排列的微棱镜阵列示意图。

图9为微棱镜阵列为孔径编码排列时的像面上各子图像的分布示意图。

图10为利用相关滤波方法重建三维层析图像的数字图像处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型单孔径多重成像的光学成像测距装置的结构示意图。即本实用新型实施例1的装置的结构示意图。由图可见，本实用新型单孔径多重成像的光学成像测距装置的构成是：同光轴地依次包括成像主透镜2、多重成像元件3、场镜4和光电探测器5，该光电探测器5的输出端接数字图像处理器6，所述的成像主透镜2与多重成像元件3紧贴在一起，所述的数字图像处理器6用于处理由光电探测器5采样的数字图像，提取物体的深度信息。

一多重成像元件3，用于产生多重光学图像，场镜4用于缩小所成的多重光学复合图像以适合光电探测器的接收面积大小，一光电探测器5如CCD接收光学图像并将其数字化。一数字图像处理器6如微处理器，用于计算处理光电探测器5所采样接收到的数字图像，从中提取物体的深度信息。

所述的成像主透镜2，主要负责光学成像。成像主透镜可以由一个或多个透镜组合而成，若是只有一个透镜，则多重成像元件直接紧贴放在透镜的后面。一种较好的方法是如图2所示，把多重成像元件3紧夹在两个平凸透镜构成的成像透镜之间，这样能够保证多重成像元件3在光学系统的光瞳面上。

所述的多重成像元件，如图3所示，是由微棱镜阵列31或者光波调制模板阵列32或者它们两者组合在一起构成的。它们的最终目的都是为了形成对同一景物的多重成像。多重成像过程是一次完成的，且每一单个成像之间是互相独立的，也是有差别的。

所述的微棱镜阵列31是由多个微棱镜311按照一定规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维阵列。整个阵列平面位于成像系统的光瞳平面上。光阑形状若是圆形的，微棱镜阵列也被限制在圆形光阑范围内，如图6a所示，若光瞳为矩形的，微棱镜阵列即是矩形阵列，如图6b所示。矩形阵列较圆形阵列更容易设计和加工。微棱镜阵列31可以是规则排列分布的，所谓的规则排列，即在光瞳面上按照事先固定的间距安排放置微棱镜，而每单个微棱镜的顶角也是根据成像系统的参数和微棱镜的位置确定的，目的是为了使得在像面上各单幅像之间是无重叠的规则排列，如图7所示。所述的微棱镜阵列也可以是按某种孔径编码方式排列分布的，所谓的孔径编码排列，即根据孔径编码成像原理，按照某种孔径编码方式安排微棱镜的排列，如图8所示，微棱镜之间的间距由编码函数给定，每单个微棱镜的顶角同样也是根据成像系统参数和微棱镜的位置确定的，目的是为了使得像面上各单幅图像最后叠加在一起形成孔径编码图像。

所述的微棱镜阵列31的每单个微棱镜311的顶角，即每单个微棱镜的倾斜程度，是根据具体的成像需要确定的，它与微棱镜在光瞳面上的位置有关。微棱镜的顶角越大，其对光的偏折也越大，对于倾斜程度较小的微棱镜，其产生的偏折角δ跟顶角θ有如下近似关系

δ≈tanδ≈(n-1)θ    (1)

其中n为微棱镜的折射率。

所述的光波调制模板阵列32是由多个波前调制元件321按照规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维波前调制元件阵列。光波调制模板阵列32整个也放在光瞳面上。入射到光瞳面不同部分的光波因此受到不同的调制，从而携带物体三维信息的光波被记录在不同的调制光波中，通过合适的解调方法就可以恢复物体的三维信息来。光波调制元件321可采用纯振幅型调制器，如光学微分方法[参见在先技术1]一样，一部分调制元件的调制函数是另外一部分调制函数的微分形式。也可采用纯相位型调制器，如一部分调制元件为正的二次相位调制如凸透镜，另一部分为负的二次相位调制如凹透镜，从而使得入射到不同相位模板的光波产生不同程度的离焦，利用离焦传递函数的方法就可以恢复图像的深度信息来。以及采用两者结合的复振幅型调制器。除此之外，光波调制器还可以采用不同周期的光栅对光波进行调制。

实施例1

本实施例是基于单目立体视觉的图像深度恢复技术。要恢复图像深度，必须先获得视差图像，即从各个不同视点观察同一物体所得到的图像。本装置的多重成像方式提供了在单一孔径成像(单目)下，获取多幅视差图像的方法。基于本实施例的原理，只用了微棱镜阵列31作为多重成像元件3。如图3所示，夹在两平凸透镜21和22构成的成像主透镜之间的微棱镜阵列31具有偏折分光束的作用，微棱镜阵列31中的每个微棱镜311的顶角不一样，使得通过每个微棱镜311的光束不再聚焦一点成像，而是各自分开聚焦，每个微棱镜311与透镜21、22组合成一个单独成像系统，就像是在孔径平面上排列了数目与微棱镜个数相同的照相机，但是每个相机的位置不同，对视场中的物体1也就会成不同视点的像，这就是视差图像。视差图像中包含了物体表面的深度信息。此实施例不需要光波调制模板阵列32，因此每一个调制元件321可以用中空的子孔径光阑代替，子孔径光阑321严格对齐每一个微棱镜311。此实施例的成像原理如图4所示，假设物点7聚焦于像接收面8，如图2(a)所示，那么此物点不论向前还是向后移动，它在像接收面8上的都是成散斑像，如图2(b)和图2(c)所示。图4中在像面底下标示出了点物7的像的光强分布，依据几何光学，对于聚焦情形，像面8上得到的是数目与微棱镜相同的明亮光点，而离焦情形，像面8上的光强分布则是一系列暗淡的光斑。形状跟每个微棱镜所占光瞳面积相似。另外，对于不同远近的物点，每个散斑像在像面8上的位置是不一样的。对于规则分布的微棱镜阵列，近物点的像光斑向图像中心的外侧移动，微棱镜311越靠光瞳的外侧，这种像移越大；相反，远物点的像光斑则向图像中心的内侧移动，同样，微棱镜311越靠光瞳的外侧，这种像移越大；因此分析这种光强的分布与散斑的移动方向就可定量地决定物点的距离。这种利用单一孔径成像，并且提取孔径平面不同位置的视差子图像，然后分析子图像间像素位移量得到景物深度信息的方法就是单目立体视觉测距方法。

视差图像间的位移量跟景物的深度可由透镜成像系统几何关系给出。如图5所示，设成像主透镜焦距为f，像接收面到孔径平面的距离为s，孔径平面上偏移量为Δ_v(v)，像面上的偏移为Δ_r(r)，则物距d可以由下式给出：

$d\left(r\right)\frac{f\left|{\mathrm{\Δ}}_v\left(v\right)\right||{\mathrm{\Δ}}_r\left(r\right)}{\left|{\mathrm{\Δ}}_v\left(v\right)\right|s-f\left|{\mathrm{\Δ}}_v\left(v\right)\right|+f|{\mathrm{\Δ}}_r\left(r\right)}---\left(2\right)$

实际的计算中，孔径平面的偏移量Δ_v(v)就是每一个微棱镜在孔径平面上的坐标差，而像面偏移量Δ_r(r)为视差图像间的像素偏移量即视差量。

微棱镜阵列的结构：

此实施例的微棱镜阵列31的排列方式为规则排列，即微棱镜311被放置在一系列具有固定间隔的方格位置上，方格的中心位置距离光轴的横向与纵向距离即为此微棱镜311的坐标。图6(a)表示的是光学系统的光阑9形状为圆形时的9×9的微棱镜阵列；图6(b)表示的是光阑9形状为矩形的9×9的微棱镜阵列。此实施例除了要求棱镜阵列31按规则排列，其每个微棱镜311的顶角也有一定规律。单目立体视觉要求每幅视差子图像之间不能重叠，因此要求每个微棱镜311与透镜组合子系统所成的子图像之间在像接收面8上是足够分开的。图7表示的是共5×5个子图像81在像面8上刚好分开的情形，各个子图像81间没有重叠。假设每幅子图像大小为w_x×w_y，则在此要求下，微棱镜阵列31中第(p，q)(阵列中心序号为(0，0))个微棱镜的顶角应该满足：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_p=\frac{p{w}_x}{s(n-1)}& p=0,\±1,\±2,...\±P\\ {\mathrm{\θ}}_q=\frac{q{w}_y}{s(n-1)}& q=0,\±1,\±2,...\±Q\end{array}---\left(3\right)\right.$

每块微棱镜311的顶角在光瞳面内朝向中心光轴一侧。若微棱镜的总数为2P×2Q，则可以得到同样数目的视差子图像。若微棱镜阵列31只有横向或纵向一个方向的倾角，则只可获得相应一个方向上的视差图像。这对只存在一个方向上有深度变化的景物的情形是可行的。

数字图像处理方法：

如图1所示，场镜4把光学图像缩小到光电探测器5的像接收面上，光学信号被转化为电学信号并且经A\D转换后送入数字图像处理器6。下一步的工作是从这些数字图像中来提取图像的深度信息。这里是利用现有的方法进行数据处理，简单介绍如下：首先需要对获得的复合图像进行子图像分割，由于图像无重叠并且规则排列，因此分割过程较简单；其次需要对子图像进行一些图像预先处理(如高通滤波等)以滤掉绝大部分图像噪声，增强图像质量；最后对处理后的视差图像用合适的距离估测算法进行深度提取计算，基于本装置的特点，可以采用简单的立体图像配准算法[请参阅在先技术2]。采用最小二乘方法，视差图像间的视差量可以用下式来计算

${\mathrm{\Δ}}_r\left(r\right)\frac{\underset{r\∈A}{\mathrm{\Σ}}[{\▿}_{v}I(r;v){]}^T{\▿}_{r}I(r;v)}{\underset{r\∈A}{\mathrm{\Σ}}[{\▿}_{r}I(r;v){]}^T{\▿}_{r}I(r;v)}---\left(4\right)$

这里的_vI(r；v)表示图像灰度对视点(微棱镜坐标)的梯度；由于实际装置中微棱镜311的个数是有限的，因此只能用视差子图像间离散差分梯度近似，它是各子图像间的差异量化。_rI(r；v)表示的是视差子图像对图像空间坐标的梯度，由于数字图像的离散化，因此它也是图像灰度对图像坐标的差分梯度。式中的求和是对图像在像素r的邻域A内取平均，以增加计算的可靠性，一般取5×5到9×9大小的图像区域块。经过(4)计算后得到的视差量代入(2)即可得到物体的深度形貌。

下面给出本实施例的成像系统的一个具体参数：成像透镜有效焦距为50mm，光阑直径为25mm，场镜4距成像透镜2的距离为25mm，光电探测器CCD5放在场镜4的后焦面上6mm处。CCD像素分辨率为512×480，微棱镜阵列31大小为5×5的方形阵列，这样总共可以获得25幅视差子图像。每单幅子图像的分辨率大概为100×100，每块微棱镜311的所占方格面积为11.79×11.79mm²，微棱镜介质折射率为1.5，微棱镜的横向与纵向的倾角设置相同，第0块为倾角为零的平板，第±1块倾角为6.32°，第±2块倾角为12.64°。

实施例2

本实施例是基于光学孔径编码三维成像技术。具体的方法是对微棱镜阵列31按照一定方式进行编码排列，构成一个二值阵列。编码阵列中的数字“0”表示此处不透光，而数字“1”表示此处放置一微棱镜311，每个微棱镜311的顶角仍跟它在阵列中的位置有关。由于微棱镜阵列31的分光作用，一点源经过编码棱镜阵列31与成像透镜2成像后，像面上的光强分布是与编码阵列成比例缩放的光斑阵列。每一个微棱镜311与主成像透镜2的组合子系统仍单独成像，最后各个子图像在像接收面上叠加在一起构成的编码图像。根据线性平移不变系统的性质，编码图像I(r)是各层物体所成几何像

与编码孔径函数在像面上投影卷积的叠加。

$I\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}O(-\frac{s}{d_i}r)*C\left(\frac{d_i}{d_i+s}r\right)$

$=O(-\frac{s}{d_m}r)*C\left(\frac{d_m}{d_m+s}r\right)---\left(5\right)$

$+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}O(-\frac{s}{d_i}r)*C\left(\frac{d_i}{d_i+s}r\right)(i\≠m)$

若要从编码图像解码重建景物d_m层的图像，只要解码滤波函数D(r)应该满足

$C\left(\frac{d_m}{d_m+s}r\right)*D\left(\frac{d_m}{d_m+s}r\right)\→\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

因此按照编码孔径三维成像技术的原理，采用合适的编码-解码函数对就可以从编码图像中获得物体三维层析图像，包括物体表面的深度信息。

微棱镜阵列的结构：

本实施例的微棱镜阵列31的排列方式为孔径编码排列，即按照某一种特定的编码阵列，如伪随机码阵列、均匀冗余阵列或者非冗余的稀疏阵列，安排微棱镜311在光瞳面上的位置，编码函数中为数值“1”的方格放置微棱镜311，而数字“0”的方格为遮挡区。图8(a)表示的是光学系统的光阑9形状为圆形的9×9的微棱镜随机编码阵列；图8(b)表示的是光阑9形状为矩形的9×9的微棱镜随机编码阵列。此实施方式除了要求棱镜阵列31按孔径编码排列，其每个微棱镜311的顶角也有一定规律。假设微棱镜编码阵列中单个编码单元面积，即单个微棱镜311所占区域面积为l_x×l_y，则微棱镜编码阵列31中第(p，q)(阵列中心序号为(0，0))个微棱镜的顶角应该满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_p=k\frac{p{l}_x}{f(n-1)}\\ {\mathrm{\θ}}_q=k\frac{q{l}_y}{f(n-1)}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，k为缩放比例系数。(p，q)为微棱镜在编码阵列中的序号。若总共有M个微棱镜，则可以得到用同样数目的子图像相叠加而形成的编码图像。图9表示的是像面8上共5×5幅子图像81叠加后的编码图像。

数字图像处理：

存在许多从编码图像中恢复原物体的三维图像的方法，主要有逆滤波法，维纳滤波法，解卷积法，全局优化法以及相关滤波方法，几何反投影加条件判断法等[参阅在先技术3]，不同的方法，具有不同的优缺点。可根据具体情况选择。本实施例，在这里以相关滤波方法为例简单地介绍怎样处理编码数字图像。数字图像处理流程图如图10所示，首先根据微棱镜编码阵列函数选择匹配解码函数或者失匹配解码函数，匹配解码函数就是编码阵列函数，而失匹配解码函数则是把编码函数中数值“0”改为“-1”(流程11)。之后为解码函数选择放大率；要计算放大率必先给定物距，可以先根据预先知识大致估计物体在空间的纵向深度范围；在此范围内离散化的选择一系列的深度值，计算成像系统的放大率(流程12)。接下来根据给定的放大率把缩放后解码函数与编码数字图作相关运算(流程13)。得到的图像包含物体的图像信息和解码不完全带来的图像噪声。下一步就是用合适的去噪算法去除图像中的噪声(流程14)。对于均匀的背景噪声可以简单的减法减掉图像噪声，而对于复杂的噪声可以采用迭代滤波的方法去除掉。之后计算物体图像的有效区域并且记录物体这一层的深度(流程15)。重复流程12-流程16，直至物体所有深度层次上的像都被解码出来。最后的工作是把所有这些解码得到的层析像利用图像融合技术融合成物体的三维立体重构像，同时得到物体深度形貌(流程17)。

Claims (9)

1.一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于构成：同光轴地依次包括成像主透镜(2)、多重成像元件(3)、场镜(4)和光电探测器(5)，该光电探测器(5)的输出端接数字图像处理器(6)，所述的成像主透镜(2)与多重成像元件(3)紧贴在一起。

2.根据权利要求1所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的成像主透镜(2)由一个双凸透镜构成，所述的多重成像元件(3)紧贴在成像主透镜(2)之后。

3.根据权利要求1所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的成像主透镜(2)由两个平面相对的平凸透镜(21、22)构成，所述的多重成像元件(3)放在紧贴的两个平凸透镜(21、22)之间。

4.根据权利要求1所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的多重成像元件(3)是微棱镜阵列(31)，或光波调制模板阵列(32)，或由微棱镜阵列(31)和光波调制模板阵列(32)组合而成，并整体地置于成像系统的光瞳平面上。

5.根据权利要求4所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的该微棱镜阵列(31)是由多个微棱镜(311)按照一定规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维微棱镜阵列。

6.根据权利要求4或5所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的微棱镜阵列(31)是圆形阵列，或矩形阵列。

7.根据权利要求5所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的微棱镜阵列(31)是规则排列分布的，即在光瞳面上按照事先固定的间距安排放置微棱镜(311)，而每一单个微棱镜(311)的顶角根据成像系统的参数和微棱镜的位置确定。

8.根据权利要求5所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的微棱镜阵列(31)是按孔径编码方式排列分布的，即根据孔径编码成像原理，按照孔径编码方式安排微棱镜(311)的排列，每个微棱镜(311)之间的间距由编码函数给定，每一单个微棱镜(311)的顶角根据成像系统参数和微棱镜的位置确定。

9.根据权利要求4所述的单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于所述的光波调制模板阵列(32)是由多个波前调制元件(321)按照规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维波前调制元件阵列，该光波调制模板阵列整体地放在光瞳面上。

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