專利名稱：多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維(3D)成像領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于多級(jí)透鏡的三維成像 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
三維技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超過一個(gè)世紀(jì)了，但是通常因?yàn)閷?duì)操作者的要求以及成本而 在應(yīng)用中受到限制。通常我們說一個(gè)客觀的世界是三維的，客觀世界的三維圖像通過某種 技術(shù)把它記錄下來然后處理、壓縮再傳輸出去，顯示出來，最終在人的大腦中再現(xiàn)客觀世界 的圖像?，F(xiàn)在，3D系統(tǒng)正逐步的用于娛樂、商業(yè)和科學(xué)應(yīng)用。隨之而來的是，許多硬件和軟 件公司也加入了 3D系統(tǒng)。近幾年來，NTT DoCoMo公布的Sharp Mova SH251iS手機(jī)，首次運(yùn)用了能夠顯示3D 圖像的彩色屏幕。單個(gè)數(shù)碼相機(jī)通過拍攝兩張二維(2D)的不同角度的圖像，然后經(jīng)過處理 從而得到3D圖像。當(dāng)3D圖像被發(fā)送出去的時(shí)候，需要有類似功能的設(shè)備才能看到3D圖像。 并且由于單個(gè)數(shù)碼相機(jī)拍攝的是2D圖像，所以必須經(jīng)過認(rèn)為的處理轉(zhuǎn)換成3D圖像。為了 得到比較好的3D圖像，在拍攝的時(shí)候，拍攝的物體的位置的要求是比較苛刻的。所以這個(gè) 圖像的質(zhì)量不能保證。富士 Real 3D Wl用到了全新研發(fā)的“FinePix REAL 3D鏡頭系統(tǒng)”和自然影像處 理引擎3D，其實(shí)利用了雙目視覺，即利用兩個(gè)鏡頭來模擬人的兩只眼睛，經(jīng)過處理從而形成 有層次感的3D影像。首先融合了采集到兩個(gè)CCD傳感器上的同步2D信息，然后實(shí)時(shí)地將 其處理成高質(zhì)量的影像。但是需要兩個(gè)鏡頭來模擬，從而使設(shè)備的尺寸太大，不便攜帶，從 而推廣受限。SwissRanger SR-2相機(jī)首次采用了 TOF原理技術(shù)。將一束光作為參考發(fā)射到待測(cè) 場(chǎng)景中，通過計(jì)算光束回光的時(shí)間差或者相位差，計(jì)算出場(chǎng)景中物體的距離，從而得到深度 信息。此外，再結(jié)合相機(jī)拍攝獲得二維影像信息，從而能同時(shí)獲取整個(gè)場(chǎng)景。由于要用到參 考光束，從而使得設(shè)備在獲取整個(gè)場(chǎng)景的時(shí)候收到限制，最終導(dǎo)致深度分辨率低、視角小。目前的三維獲取設(shè)備的研究成果仍然存在設(shè)備的尺寸太大；深度分辨率低、是視 角小；可重計(jì)算性弱；不能便捷地獲取非剛體的完整物體等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的是提供減少系統(tǒng)尺寸、提高深度分辨率、 視場(chǎng)角大、可重計(jì)算性強(qiáng)、能便捷地獲取剛體和非剛體的完整物體的多級(jí)透鏡的三維成像 系統(tǒng)。為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其技術(shù)方案包括多級(jí)透 鏡和傳感器，所述多級(jí)透鏡為第一級(jí)透鏡、第二級(jí)透鏡、…第N-2級(jí)透鏡、第N-I級(jí)透鏡、 第N級(jí)透鏡，其中在光線傳播的方向依序放置多級(jí)透鏡和傳感器，光線通過第一級(jí)透鏡成 像至第級(jí)透鏡用于生成多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息，多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息繼續(xù)傳播至第N級(jí)透鏡，第N級(jí)透鏡得到物體光線的多視角的場(chǎng)景二維信息，傳感器提取多視角的場(chǎng)景二 維信息，再通過立體匹配，從而獲得場(chǎng)景中物體的深度信息。其中，所述多級(jí)透鏡中的每一級(jí)透鏡的個(gè)數(shù)是一個(gè)透鏡，或是對(duì)稱布局的多個(gè)透 鏡；每個(gè)透鏡是單面凸透鏡、或是雙面凸透鏡，并且透鏡的形狀是圓形，或是正多邊形；多 個(gè)透鏡排布在平面上、或排布在曲面上，且曲面是各種曲率半徑的曲面；所述曲面是凹面向 入射光，或是凸面向入射光。其中，所述對(duì)稱布局的多個(gè)透鏡是網(wǎng)格形布局透鏡、環(huán)形布局透鏡和任意正多邊 形布局透鏡。其中，所述環(huán)形布局透鏡為至少一個(gè)圓環(huán)形布局透鏡或一個(gè)以上的圓環(huán)布局透
^Mi O其中，所述第一級(jí)透鏡所成實(shí)像上任意一點(diǎn)發(fā)出的光線都能到達(dá)下一級(jí)透鏡中每 一個(gè)透鏡。其中，所述傳感器的像素尺寸小于視差的差別為深度分辨率；當(dāng)選擇多級(jí)透鏡為 兩級(jí)透鏡時(shí)，視差(disparity)的差別表示如下
Γπl(wèi)StSL+其中，設(shè)第二級(jí)透鏡是由多個(gè)透鏡組成，L為第二級(jí)透鏡中多個(gè)透鏡中相鄰?fù)哥R的 中心之間的距離，t為第二級(jí)透鏡中的每個(gè)透鏡到第一級(jí)透鏡成像基準(zhǔn)面的距離，g為第二 級(jí)透鏡中的每個(gè)透鏡具有相同的焦距，vf1)和分別為場(chǎng)景中深度不同的兩個(gè)物體針對(duì)第 一級(jí)透鏡的像距，且V1wC巧(1)。其中，所述傳感器尺寸大于第N級(jí)透鏡中每個(gè)透鏡成像的范圍。其中，第N級(jí)透鏡的各透鏡的布局在傳感器上所成的像不重疊。其中，物體在經(jīng)過各級(jí)透鏡在傳感器上相鄰兩個(gè)透鏡的像中，對(duì)應(yīng)于相同物體部 分的像素個(gè)數(shù)的比例要大于1/2。其中，三維成像系統(tǒng)的調(diào)焦是通過調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡至第N級(jí)透鏡及傳感器其中一 個(gè)或者幾個(gè)器件的位置來獲得清晰的成像。其中，三維成像系統(tǒng)的調(diào)焦是同時(shí)通過調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡至第N級(jí)透鏡及傳感器其 中各個(gè)器件的位置來獲得清晰的成像。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用了多級(jí)透鏡的三維成像技術(shù)，及各級(jí)透鏡的對(duì)稱 布局，減小了系統(tǒng)尺寸，從而使得方便攜帶成為可能。靈活的透鏡形狀和多樣的透鏡布局所 在面的選擇擴(kuò)大了視場(chǎng)角，大大增加了成像視角，提高了深度分辨率。同時(shí)，本發(fā)明提出了 靈活的調(diào)焦方法，以滿足該系統(tǒng)在不同場(chǎng)合使用。本發(fā)明能便捷地獲取剛體和非剛體的完 整物體的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)。


圖1示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖。圖2示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖。圖3a至圖3h示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中各級(jí)透鏡中透鏡的布局類型。圖4a至圖4b示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的基本光路圖。
圖5a至圖5b示出場(chǎng)景中兩個(gè)深度不同的物體在多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中的光 路圖。圖6示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中確保最后一級(jí)透鏡中的每個(gè)透鏡成像不重 疊和對(duì)應(yīng)相同的像素部分比例的示意圖1。圖7示出二級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中第二級(jí)透鏡的2*3網(wǎng)格形布局透鏡的示意 圖。圖8a至圖8b示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中各級(jí)透鏡排布在曲面和平面。圖9a至圖91示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)各級(jí)透鏡中各個(gè)透鏡的形狀及相應(yīng)透 鏡構(gòu)成的排布示意。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。這里描述了多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)。多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)允許用戶利用多 級(jí)透鏡的設(shè)計(jì)來方便快捷地獲取三維場(chǎng)景和三維物體。系統(tǒng)包括多級(jí)透鏡和傳感器系統(tǒng)兩 部分，多級(jí)透鏡包括第一級(jí)透鏡、第二級(jí)透鏡、……第N-2級(jí)透鏡、第N-I級(jí)透鏡直到第N 級(jí)透鏡。圖1示出兩級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，包括第一級(jí)透鏡和第二 級(jí)透鏡以及用于獲取多維視角的二維信息的傳感器等確保系統(tǒng)正確功能的多個(gè)組件。光線 通過第一級(jí)透鏡101成像之后繼續(xù)傳播經(jīng)過第二級(jí)透鏡102中各個(gè)透鏡生成多級(jí)場(chǎng)景縮小 成像信息，多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息最終通過傳感器103獲取場(chǎng)景中的物體的光線經(jīng)過第一 級(jí)透鏡101和第二級(jí)透鏡102所成像的信息。這個(gè)過程的基本光路圖如圖4a至圖4b所示。 第一級(jí)透鏡101到第二級(jí)透鏡102之間的距離為L(zhǎng)1，第二級(jí)透鏡102到傳感器103之間的 距離為L(zhǎng)2。多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中的第一級(jí)透鏡101選擇的是一個(gè)透鏡，第二級(jí)透鏡 102中的透鏡的布局是3*3的網(wǎng)格形布局。第一級(jí)透鏡101和第二級(jí)透鏡102中透鏡的布 局不局限于這種布局，可以選擇圖3a至圖3h示出的幾個(gè)各級(jí)透鏡中的透鏡對(duì)稱布局，也可 以選擇其他的對(duì)稱布局。第一級(jí)透鏡101所成實(shí)像上任意一點(diǎn)發(fā)出的光線方向都是有一定 范圍的，所以需要保證每一點(diǎn)發(fā)出的光線都能到達(dá)第二級(jí)透鏡102中的每個(gè)透鏡。傳感器 103的像素尺寸要保證小于深度分辨率，并且傳感器103的尺寸大于第二級(jí)透鏡102的成像 范圍，使得第二級(jí)透鏡陣列的成像都在傳感器103上，從而能反映出場(chǎng)景中物體的深度信 息。通過調(diào)整各級(jí)透鏡中的透鏡的相互之間的位置，要確保在傳感器103上的成像不重疊。 但是場(chǎng)景縮小成像信息在經(jīng)過第二級(jí)透鏡102中相鄰兩個(gè)透鏡所成的像中，對(duì)應(yīng)于相同物 體部分的像素個(gè)數(shù)的比例要大于1/2。第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡102和傳感器103之間 的距離不是固定的，這三者之間的距離是否固定是由調(diào)焦方法決定的。調(diào)焦的具體方法可 以通過同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡102和傳感器103的位置，即同時(shí)改變距離L1 和距離L2來達(dá)到調(diào)焦的目的使傳感器103上的成像清晰；也可以固定第二級(jí)透鏡102和傳 感器103之間的距離L2，調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101的位置從而改變L1來調(diào)焦；也可以固定第一 級(jí)透鏡101和第二級(jí)透鏡102之間的距離L1，調(diào)節(jié)傳感器103的位置從而改變距離L2從而 得到清晰的成像；也可以固定第一級(jí)透鏡101和傳感器103之間的距離L，調(diào)節(jié)第二級(jí)透鏡
5102的位置從而改變距離L1和距離L2從而得到清晰的成像。圖2示出三級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，包括第一級(jí)透鏡、第二 級(jí)透鏡、第三級(jí)透鏡的三級(jí)透鏡系統(tǒng)以及成像后用于獲取多維視角的二維信息的傳感器等 確保系統(tǒng)正確功能的多個(gè)組件。光線通過第一級(jí)透鏡101成像之后繼續(xù)傳播經(jīng)過第二級(jí)透 鏡104成像后，再經(jīng)過第三級(jí)透鏡102最終通過傳感器103獲取物體經(jīng)過這三級(jí)透鏡101、 104和102所成像的信息。這個(gè)過程的光路圖如圖4a至圖4b所示。第一級(jí)透鏡101到第 二級(jí)透鏡104之間的距離為L(zhǎng)1，第二級(jí)透鏡104到第三級(jí)透鏡102之間的距離為L(zhǎng)2，第三 級(jí)透鏡102到傳感器103之間的距離為L(zhǎng)3。圖2示出的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中的第一 級(jí)透鏡101選擇的是一個(gè)透鏡，第二級(jí)透鏡104中的透鏡布局是2*2的網(wǎng)格形布局透鏡，第 三級(jí)透鏡102中的透鏡布局是3*3的網(wǎng)格形布局透鏡。其中各級(jí)透鏡中透鏡的布局不局限 于這種布局，可以選擇圖3a至圖3h示出的幾個(gè)各級(jí)透鏡中透鏡的對(duì)稱布局，也可以選擇其 他的對(duì)稱布局。第一級(jí)透鏡101所成實(shí)像上任意一點(diǎn)發(fā)出的光線方向都是有一定范圍的， 所以需要保證每一點(diǎn)發(fā)出的光線都能到達(dá)下一級(jí)透鏡中的每一個(gè)透鏡。傳感器103的像素 尺寸要保證小于深度分辨率，并且傳感器103尺寸大于第三級(jí)透鏡102的成像范圍，使得第 三級(jí)透鏡102的透鏡陣列的成像都在傳感器103上，從而使得傳感器103上能夠反應(yīng)出場(chǎng) 景中物體成像的信息。通過調(diào)整各級(jí)透鏡中的透鏡的相互之間的位置，確保在傳感器103 上的成像不重疊，但是物體的光線經(jīng)過各級(jí)透鏡最終在傳感器103上相鄰的兩個(gè)透鏡的像 中，對(duì)應(yīng)于相同物體部分的像素個(gè)數(shù)的比例要大于1/2。第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡104、 第三級(jí)透鏡102和傳感器103之間的距離不是固定的，這三者之間的距離是否固定是由調(diào) 焦方法決定的，具體方法可以通過同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡104、第三級(jí)透鏡 102和傳感器103的位置，即同時(shí)改變距離L1、距離L2和距離L3來達(dá)到調(diào)焦的目的使傳感器 204上的成像清晰；也可以固定第一級(jí)透鏡101到第二級(jí)透鏡104之間的距離L1和第二級(jí) 透鏡104到第三級(jí)透鏡102之間的距離L2 ；調(diào)節(jié)傳感器103的位置，改變距離L3從而獲得 清晰的成像；也可以固定第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡104和傳感器103的位置，調(diào)節(jié)第三 級(jí)透鏡102的位置，同時(shí)改變距離L2和距離L3從而獲得清晰的成像；也可以固定第一級(jí)透 鏡101、第三級(jí)透鏡102和傳感器103的位置，調(diào)節(jié)第二級(jí)透鏡104的位置，同時(shí)改變距離L1 和距離L2從而得到清晰的成像；也可以固定第二級(jí)透鏡104、第三級(jí)透鏡102和傳感器103 的位置，調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101的位置，改變距離L1來獲得清晰的成像；也可以固定第一級(jí)透 鏡101和第二級(jí)透鏡104的位置，同時(shí)調(diào)節(jié)第三級(jí)透鏡102和傳感器103的位置，改變距離 L2和距離L3來獲得清晰的成像；也可以固定第一級(jí)透鏡101和第三級(jí)透鏡102的位置，同 時(shí)調(diào)節(jié)第二級(jí)透鏡104和傳感器103的位置，改變距離L1、距離L2和距離L3來得到清晰的 成像；也可以固定第一級(jí)透鏡101和傳感器103的位置，同時(shí)調(diào)節(jié)第二級(jí)透鏡104和第三級(jí) 透鏡102的位置，改變距離L1、距離L2和距離L3,從而獲得清晰的成像；也可以固定第二級(jí) 透鏡104和第三級(jí)透鏡102之間的位置，同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101和傳感器103的位置，改 變距離L1和距離L3,從而獲得清晰的成像；也可以固定第二級(jí)透鏡104和傳感器103的位 置，同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡101和第三級(jí)透鏡102的位置，改變距離L1、距離L2和距離L3,從 而獲得清晰的成像；也可以固定第三級(jí)透鏡102和傳感器103的位置，同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡 101和第二級(jí)透鏡104的位置，改變距離L1、距離L2和距離L3，從而獲得清晰的成像。圖1和圖2只是對(duì)二級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)和三級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)進(jìn)行了闡
6述。對(duì)于多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，可以擴(kuò)展到更多級(jí)透鏡的設(shè)計(jì)來進(jìn)行三維成像，并且原 理與圖1和圖2的成像原理一致。對(duì)于多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的調(diào)焦方法，圖1和圖2 中只是針對(duì)二級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)和三級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)進(jìn)行了具體的說明，但是 對(duì)于更多級(jí)的透鏡的三維成像系統(tǒng)來說，均可以通過調(diào)節(jié)各級(jí)透鏡和傳感器其中一個(gè)或者 幾個(gè)的位置來獲得清晰的成像。圖3a_圖3h示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中各級(jí)透鏡中的透鏡布局類型，例如圖 1中的第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡102等，圖2中的第一級(jí)透鏡101、第二級(jí)透鏡104、第三 級(jí)透鏡102等，甚至第N級(jí)透鏡都可以是圖3a-圖3h中任意一種透鏡的對(duì)稱布局。圖3a 至圖3h只列出了一些對(duì)稱布局的透鏡陣列單個(gè)的透鏡(如圖3a)、網(wǎng)格形布局透鏡(如 圖3b、圖3d、圖3e以及圖3h)、環(huán)形布局透鏡(如圖3f)和正多邊形布局透鏡(如圖3c和 圖3g)等。各級(jí)透鏡的透鏡陣列是對(duì)稱布局的，也可以是正則排布的，可以是很多形式，圖 3a至圖3h示出的只是列舉了其中的一部分，甚至100*100的網(wǎng)格形布局透鏡和200*200的 網(wǎng)格形布局透鏡也可以，其他對(duì)稱布局或正則排布也可以，這里就不再一一贅述。多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中的每個(gè)透鏡可以是單面凸透鏡(如圖9a)，也可以是 雙面凸透鏡(如圖％)，且透鏡的形狀不僅限于圖9c的圓形，還可以是其他正多邊形，如正 三角形(如圖9d)、正方形(如圖9e)、正五邊形(如圖9f)、正六邊形(如圖9g)以及正八 邊形(如圖9h)等多種正多邊形。那么各級(jí)透鏡的排布也可以是由多個(gè)正多邊形構(gòu)成的規(guī) 則布局，如由正三角形構(gòu)成的一種規(guī)則布局(如圖9i)、由正方形構(gòu)成的一種規(guī)則布局(如 圖9j)、由正六邊形構(gòu)成的一種規(guī)則布局(如圖9k)以及由正八邊形構(gòu)成的一種規(guī)則布局 (如圖91)等等各種由多個(gè)其他的正多邊形構(gòu)成的規(guī)則布局。多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中各級(jí)透鏡中的各個(gè)透鏡可以如圖1和圖2中所示排布 在平面上，也可以排布在曲面上，并且曲面可以是任意曲率的曲面，曲面是凹面向入射光， 或是凸面向入射光。圖8a示出了各級(jí)透鏡排布在凸曲面上的一個(gè)截面圖，圖8b示出了各 級(jí)透鏡排布在凹曲面上的一個(gè)截面圖。圖4a至圖4b示出多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)的一個(gè)具體的光路圖。多級(jí)透鏡的三 維成像系統(tǒng)的光路圖是以第一級(jí)透鏡是一個(gè)透鏡，第二級(jí)透鏡是1*3的網(wǎng)格形透鏡陣列的 二級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)為例來說明的。其中第一級(jí)透鏡101和第二級(jí)透鏡(第二級(jí)透鏡 由10201、10202及10203構(gòu)成第二級(jí)透鏡陣列)中的透鏡的個(gè)數(shù)可以是一個(gè)或者多個(gè)的對(duì) 稱布局的透鏡陣列。并且透鏡的級(jí)數(shù)也可以擴(kuò)展到多級(jí)。與主光軸的距離為P的物體經(jīng)過 焦距為f的第一級(jí)透鏡101成像，第一級(jí)透鏡101所成的實(shí)像與主光軸的距離為Q，其中在 第一級(jí)透鏡101成像的光路中，物距為U1,像距為Vl。光線繼續(xù)傳播經(jīng)過第二級(jí)透鏡中的焦 距均為g的各個(gè)透鏡，其中，將經(jīng)過第一級(jí)透鏡101所成的實(shí)像當(dāng)作物體，那么在第二級(jí)級(jí) 透鏡成像的光路中，物距為u2，像距為v2。傳感器103尺寸大于第二級(jí)透鏡成像的范圍。在 圖4b中，對(duì)于第一級(jí)透鏡101所成的像經(jīng)過中間的透鏡10202，在傳感器103上的成像到光 軸的距離為Dm。對(duì)于與中間透鏡10202相鄰的一個(gè)透鏡10201，其中心到主光軸(中間透 鏡10202)的距離為L(zhǎng)，第一級(jí)透鏡101所成的像經(jīng)過邊緣10201在傳感器103上所成的像 到這個(gè)透鏡10201光軸的距離為Ds。那么，定義物體由中間透鏡10201和其相鄰?fù)哥R10202 所成的兩個(gè)像到各自透鏡光軸的距離的差為視差(disparity)，用D表示，即D = Ds_Dm。圖5a至圖5b示出場(chǎng)景中兩個(gè)深度不同的物體在多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)中的光路圖。在場(chǎng)景中，深度不同的物體1和2經(jīng)過第一級(jí)透鏡所成的實(shí)像的像距不同，對(duì)于下一 級(jí)透鏡來說，就是物距不同，導(dǎo)致視差不同。多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)兩個(gè)深度不同的光路 圖5a至圖5b中物體1和物體2的物距分別為#和巧(2)，其中Ml(2) > U^，像距分別為V1^PvP， 其中if) <Vf)。第一級(jí)透鏡101的焦距為f，第二級(jí)透鏡中各透鏡的焦距均為g，第二級(jí)透鏡 102到第一級(jí)透鏡101成像基準(zhǔn)面的距離為t，在這兩個(gè)物體中，物體1成像在鏡頭的成像 基準(zhǔn)面上，則對(duì)于第二級(jí)透鏡的物距為= ,物體2成像在鏡頭成像基準(zhǔn)面之前(向第一
級(jí)透鏡方向偏移)，則對(duì)于第二級(jí)透鏡的物距為= t + (v - vf2))。物體1和物體2到光軸 的距離分別為P1和P2，經(jīng)過第一級(jí)透鏡成像后，物體1的像和物體2的像到光軸的距離分 別為Q1和Q2。物體1和物體2發(fā)出的光線分別按照?qǐng)D4a至圖4b中的光路圖，最終在傳感 器103上分別得到物體1和物體2的視差Da)和D(2)。那么兩個(gè)物體在兩幅圖像中的視差 的差別S D (也稱為深度分辨率)為 Γ πn(l) rj(2) LgtgL
權(quán)利要求
一種多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括多級(jí)透鏡和傳感器，所述多級(jí)透鏡為第一級(jí)透鏡、第二級(jí)透鏡、……第N 2級(jí)透鏡、第N 1級(jí)透鏡、第N級(jí)透鏡，其中在光線傳播的方向依序放置多級(jí)透鏡和傳感器，光線通過第一級(jí)透鏡成像至第N 1級(jí)透鏡用于生成多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息，多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息繼續(xù)傳播至第N級(jí)透鏡，第N級(jí)透鏡得到物體光線的多視角的場(chǎng)景二維信息，傳感器提取多視角的場(chǎng)景二維信息，再通過立體匹配，從而獲得場(chǎng)景中物體的深度信息。
2.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述多級(jí)透鏡中的每 一級(jí)透鏡的個(gè)數(shù)是一個(gè)透鏡，或是對(duì)稱布局的多個(gè)透鏡；每個(gè)透鏡是單面凸透鏡、或是雙面 凸透鏡，并且透鏡的形狀是圓形，或是正多邊形；多個(gè)透鏡排布在平面上、或排布在曲面上， 且曲面是各種曲率半徑的曲面；所述曲面是凹面向入射光，或是凸面向入射光。
3.如權(quán)利要求2所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述對(duì)稱布局的多個(gè) 透鏡是網(wǎng)格形布局透鏡、環(huán)形布局透鏡和任意正多邊形布局透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形布局透鏡為 至少一個(gè)圓環(huán)形布局透鏡或一個(gè)以上的圓環(huán)布局透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一級(jí)透鏡所成 實(shí)像上任意一點(diǎn)發(fā)出的光線都能到達(dá)下一級(jí)透鏡中每一個(gè)透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器的像素尺 寸小于視差的差別為深度分辨率；當(dāng)選擇多級(jí)透鏡為兩級(jí)透鏡時(shí)，視差的差別表示如下Lg___tgL其中，設(shè)第二級(jí)透鏡是由多個(gè)透鏡組成，L為第二級(jí)透鏡中多個(gè)透鏡中相鄰?fù)哥R的中心 之間的距離，t為第二級(jí)透鏡中的每個(gè)透鏡到第一級(jí)透鏡成像基準(zhǔn)面的距離，g為第二級(jí)透 鏡中的每個(gè)透鏡具有相同的焦距，vf)和ν 2)分別為場(chǎng)景中深度不同的兩個(gè)物體針對(duì)第一級(jí) 透鏡的像距，且vf2) <vf)。
7.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器尺寸大于 第N級(jí)透鏡中每個(gè)透鏡成像的范圍。
8.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，第N級(jí)透鏡的各透鏡的 布局在傳感器上所成的像不重疊。
9.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，物體在經(jīng)過各級(jí)透鏡 在傳感器上相鄰兩個(gè)透鏡的像中，對(duì)應(yīng)于相同物體部分的像素個(gè)數(shù)的比例要大于1/2。
10.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，三維成像系統(tǒng)的調(diào)焦 是通過調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡至第N級(jí)透鏡及傳感器其中一個(gè)或者幾個(gè)器件的位置來獲得清晰 的成像。
11.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，三維成像系統(tǒng)的調(diào)焦 是同時(shí)通過調(diào)節(jié)第一級(jí)透鏡至第N級(jí)透鏡及傳感器其中各個(gè)器件的位置來獲得清晰的成像。
全文摘要
本發(fā)明是多級(jí)透鏡的三維成像系統(tǒng)包括多級(jí)透鏡和傳感器，多級(jí)透鏡為第一級(jí)透鏡、第二級(jí)透鏡、……第N-2級(jí)透鏡、第N-1級(jí)透鏡、第N級(jí)透鏡，其中在光線傳播的方向依序放置多級(jí)透鏡和傳感器，光線通過第一級(jí)透鏡成像至第N-1級(jí)透鏡用于生成多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息，多級(jí)場(chǎng)景縮小成像信息繼續(xù)傳播至第N級(jí)透鏡，第N級(jí)透鏡得到物體光線的多視角的場(chǎng)景二維信息，傳感器提取多視角的場(chǎng)景二維信息，再通過立體匹配，從而獲得場(chǎng)景中物體的深度信息。設(shè)計(jì)傳感器像素尺寸和各級(jí)透鏡的各個(gè)透鏡的焦距，還有各級(jí)透鏡的相鄰?fù)哥R的距離，從而得到良好的深度分辨率。
文檔編號(hào)G02B27/22GK101975994SQ20101026467
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者徐波, 黃向生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所