CN104254801A - 单光路变形立体成像器 - Google Patents

Abstract

提供了一种立体成像装置，该装置用沿着通过单光轴的前透镜组件和通过所述前透镜组件的所述光轴的相对的两侧的两个孔径的单光路得到的光，在单个图像传感器上创建变形立体图像对。变形元件通过在竖直方向压缩大致50％来改变立体图像对的纵横比，以使得两幅图像均能够显示在同一个传感器上，并且一个图像排列在另一个图像之上。放置在与对应的孔径接近、重叠的位置上且关于对应的孔径离轴的一对采样透镜，有利于将立体图像对中的图像引导到各自在传感器上的对应位置。提供了后透镜组件，用于在传感器上物理地形成立体图像对。该装置可以并入不同的光学系统中，包括照相机、摄像机、内窥镜以及显微镜。

Description

单光路变形立体成像器

技术领域

本发明一般地涉及立体成像。更具体地，本发明涉及改变沿单光路的不同部分产生的场景的立体图像对的纵横比。

背景技术

立体视觉现象，或称立体视象(stereopsis)，与具有双目视觉的人类和动物对在场景中感知深度的能力直接相关。这是通过人类大脑同时处理两组存在稍微不同的二维光数据时产生的知觉效果。通过未受协助的人类观测者所体验的该现象，是基于这样的事实，即观测者双眼形成的视网膜图像存在轻微不同。由人类观测者所观测到的在场景中的点对象在左视网膜中成像的图像与右视网膜上的相同场景中成像的图像相比，存在位置上的轻微不同。

最初，通过使用两个独立的照相机拍摄的图像创建立体影像。工作(特别是在视频成像领域)导向这样的系统：两个完整的成像系统永久合并为单个立体取景器。这样的取景器典型地具有提供两条光路的双光轴和成对的物镜光学子系统。它们典型地具有用于右眼视图的一个光轴以及用于左眼视图的一个光轴以在两个成像传感器上并排产生两幅完整图像，一幅用于右眼视角且一幅用于左眼视角。

在每幅图像具有典型的4:3(水平：竖直)的风景画纵横比的情况下，需要具有该纵横比的两个成像传感器，以构成对昂贵的传感器的实际资产的最佳使用。将两幅图像并排投射到单个的4:3纵横比的成像传感器上，会浪费该昂贵的传感器的很大一部分。为了在这种安排中有效地使用单个的传感器，可以开发具有纵横比8:3的专门的双倍水平宽度的成像传感器。即使大纵横比(例如16:9)的传感器，也不能容许具有商业上可接受的纵横比的两幅图像在没有图像尺寸的缩减以及随之而来的传感器表面在竖直方向的损耗的情况下被并列捕捉。

在一些实现方案中，立体系统在该种安排的传感端的附近具有单光路。这种取景器最常见会被安排为允许两幅图像在同一个传感器中在时间上交替地被捕捉。这种方法采用同步时分的布置，在一个成像器中一个时刻只允许两幅视图中的一幅被成像。读出和显示装置被安排为，以允许显示器的人眼观察器能够观测到两幅图像的明显地连续显示的速率，交替显示左右图像中的一幅或另一幅，两幅图像为用于左眼的一幅图像以及用于右眼的另一幅图像。这种系统具有板载调制器以及驱动该调制器的电子设备的额外的负担，例如这些机械斩波、光阀或“液晶”类型。对于一幅特殊图像，这种布置还将有效光等分到各传感器，对信号的光电电路的信噪比性能带来负面结果。在使用偏振或其他滤波技术的情况下，存在额外的传输损耗。

然而，其他的单光路立体系统采用在相同的传感器区域内具有两组传感元件的专门的传感器，一组感测一种特征的光，另一组感测另一种特征的光。典型地，所述特征可以是偏振或色彩。然后，双眼的图像通过基于偏振或色彩的适当的滤波器被区分。在这种装置中使用非标准传感器仍然是商业竞争中的一个问题。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种立体成像装置，所述装置使用沿着通过具有单光轴的前透镜组件的单光路得到的光，在单个图像传感器上形成变形立体图像对(anamorphic stereoscopic image pair)，该变形立体图像对包括第一图像和与所述第一图像具有不同视角的第二图像，所述装置包括：第一孔径和第二孔径，布置为接近所述前透镜组件的孔径平面，分别位于所述前透镜组件的光轴的相对的两侧，且被孔径间间隔隔开；至少一个变形元件，布置于所述单光路中；第一采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第一孔径接近并重叠；第二采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第二孔径接近并重叠；以及后透镜组件，布置于两个采样透镜和所述传感器之间，通过从所述第一采样透镜和第二采样透镜接收的光来在所述传感器上形成所述第一图像和第二图像。所述采样透镜可以被布置为引导从两个孔径接收的光，以通过所述后透镜组件在所述图像传感器的实质上不同的非重叠位置处，形成所述第一图像和第二图像。所述至少一个变形元件可以是所述两个采样透镜。在其他实施例中，所述至少一个变形元件可以是布置于所述光轴上的单个变形元件。所述第一采样透镜和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴地布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成竖直排列于彼此之上且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。在其他的实施例中，所述第一和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴地布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成彼此相邻地水平排列且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。

所述立体成像装置可以适用于内窥镜，此时所述前透镜组件为内窥镜前透镜组件。所述立体成像装置可以适用于显微镜，所述前透镜组件为显微镜物镜透镜组件。所述第一孔径和第二孔径可以是可变孔径，包括但不限于可变光圈，从而能够改变该装置的视场深度。孔径间的所述孔径间间隔能够被调整，从而调整该装置的立体视象。所述采样透镜可以被配置为，当所述孔径间间隔被调整时，所述采样透镜与所述孔径协同移动。

在本发明的另一个方面中，提供了一种立体成像装置，用于形成变形立体图像对，该变形立体图像对包括第一图像和与所述第一图像具有不同视角的第二图像，所述装置包括：前透镜组件，至少包括具有视场和单光轴的物镜透镜，所述前透镜组件配置为，沿着通常围绕所述光轴的单光路引导来自所述视场的光；单个成像传感器，沿着所述光轴布置于所述前透镜组件的后方；第一孔径和第二孔径，布置于接近所述前透镜组件的孔径平面的位置，分别位于所述前透镜组件的光轴的相对的两侧，且被孔径间间隔隔开；至少一个变形元件，布置于单成像路径中；第一采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第一孔径接近并重叠；第二采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第二孔径接近并重叠；以及后透镜组件，布置于所述采样透镜和所述传感器之间，其通过从所述第一采样透镜和第二采样透镜接收的光来在所述传感器上形成所述第一图像和第二图像。所述前透镜组件和所述后透镜组件能够形成双高斯透镜。

单个变形元件可以被布置在所述光轴上、位于所述前透镜组件之前、所述前透镜组件之内、所述前透镜组件和所述采样透镜之间、所述采样透镜和所述后透镜组件之间、所述后透镜组件之中、或者所述后透镜组件和所述图像传感器之间的位置。

所述成像传感器可以通过将其长轴置于水平维度而以横向方位定向，或者其可以通过将其长轴置于水平维度而以横向方位定向。

在本发明的进一步的一个方面，提供了一种用于在单个成像传感器上形成变形立体图像对的方法，所述变形立体图像对包括第一图像和第二图像，该方法包括：聚集来自前透镜组件的视场内的物体的光；沿着通常围绕所述前透镜组件的光轴的单光路引导所聚集的光；使用至少一个变形透镜来变形地放大所述光的图像内容；通过第一孔径对来自所述单光路的第一部分的光进行采样，并且通过第二孔径对来自所述单光路的第二部分的光进行采样，所述第一孔径和第二孔径布置于所述光轴的相对的两侧且接近所述前透镜组件的孔径平面的位置；以及分别使用通过所述第一孔径采样的光和通过后透镜组件采样的光，在沿着所述光轴布置的所述单个成像传感器上形成所述第一图像和第二图像。形成所述第一图像和第二图像可以是：通过布置于所述孔径和所述传感器之间的第二透镜，分别处理通过所述第一孔径采样的光和通过所述第二孔径采样的光。该方法可以进一步包括：分别通过第一采样透镜和第二采样透镜对来自所述第一孔径和第二孔径的光进行导光，以在相对于彼此的预定位置处分别形成所述第一图像和第二图像，所述第一采样透镜和第二采样透镜被布置在分别与所述第一孔径和第二孔径接近、重叠的位置并且关于所述第一孔径和第二孔径离轴。

所述导光可以包括将两个采样透镜的中心从其分别接近的孔径分别沿相反的方向离轴地移位。所述变形地放大是指，将所聚集的光的图像内容，在竖直维度上，相对地压缩大致50％；以及所述移位包括在所述传感器上竖直地上下排列所述第一图像和第二图像。所述变形地放大包括，将所聚集的光的图像内容，在水平维度上，相对地压缩大致50％；以及所述移位包括在所述传感器上彼此相邻地水平排列所述第一图像和第二图像。

该方法进一步包括从所述单个成像传感器中提取描述所述第一图像和第二图像的数据，以及将两幅图像的纵横比数字地恢复成所述变形地放大之前的属于来自视场内的物体的光的图像内容的值。

附图说明

以下详细说明结合附图使得本发明的前述内容以及其他目的、特征和有益效果变得明显，其中：

图1示出了单光路变形立体成像器；

图2为创建立体图像的方法的流程图；以及

图3示出了单光路变形立体内窥镜。

具体实施方式

现有技术中已经对成像传感器提出了保持风景画纵横比(例如4:3和16:9)的工业标准，然而该提议要求对传感器本身实施特殊修改，通常表现为特殊的微透镜阵列的形式或其他复杂的方法。这一点排除了对大量生产的工业标准的成像传感器的使用。商业的硅成像传感器的大量生产并不面向非标准设备的制造。低单位成本是基于对由于平稳地运行标准生产而具有良好收益的标准尺寸的设备的大量制造。这不仅仅是缩短了运行时间和相应地提高了设立成本从而增加了非标准设备的价格，而且降低了非常规生产中固有的收益。

因而形成了对立体取景器的需要，其在采用单一工业标准的成像传感器以及简单、紧凑和健壮的光学设计的同时能够克服上述局限，从而使自己能够适应于大量制造。

根据本发明的第一方面，提供了一种单光路立体成像装置，用于在单个成像传感器上同时得到一个场景的一对立体图像。根据第一实施例，图1中示意性地示出了立体成像装置，一般地表示为100，其包括一般地沿着光轴103定位其轴线的透镜102，以及以“风景画”取向位于直线138和114定义的图像平面上的成像传感器132，其被配置为接收来自透镜102的图像。透镜102包括前透镜组件124和后透镜组件126。前透镜组件124是可操作的，从而可以将从透镜124的视场内捕捉的光引导到透镜124的孔径平面104。孔径平面104可以是透镜102的物理孔径平面或者可以是该物理孔径平面的共轭。术语“孔径平面”用来描述物理孔径平面和任何它的共轭。作为示例，前透镜组件124包括，透镜118、120和122。后透镜组件126可以类似地包括多个透镜。为了清晰起见，后透镜组件126示例性地表示为单个透镜。

孔径板108布置在接近孔径平面104的位置。孔径板108包括各布置于光轴103的一侧的第一孔径128和第二孔径130，第一孔径128和第二孔径130在水平面上被孔径间距离间隔开。本说明书中用术语“孔径间间隔”来描述两个孔径128和130的中心到中心之间的距离。在本说明书中用术语“水平”来表示的某个平面中的方位，该平面包含光轴103和孔径128到130的中心之间的连线。术语“竖直”用来描述与包含光轴103和孔径128到130的中心之间的连线的平面垂直的方向。在图1中竖直由直线138给出。

透镜102包括布置于与第一孔径128接近并重叠的位置的第一采样透镜142，该第一采样透镜142位于孔径平面104与传感器132之间。透镜102包括布置于与第二孔径130接近并重叠的位置的第二采样透镜144，该第二采样透镜144位于孔径平面104与传感器132之间，与第一采样透镜142实质上在相同的平面中，该平面垂直于光轴103。第一采样透镜142操作于通过前透镜组件124从透镜102的视场内以第一视角捕获的光。第二采样透镜144操作于通过前透镜组件124从透镜102的视场内以第二视角捕获的光。因此，第一采样透镜142对来自通常在围绕光轴103的光路的第一部分的光进行采样，而第二采样透镜144对来自相同的光路的第二部分的光进行采样。来自第一采样透镜142的光通过后透镜组件126成像到成像传感器132，以形成具有布置在透镜102的视场内的物体116的第一视角的第一图像134。来自第二采样透镜144的光通过后透镜组件126成像到成像传感器132，以形成具有物体116的第二视角的第二图像136。

在一个实施例中，变形元件110(例如透镜)，布置在前透镜组件124和孔径平面104之间。这保证了由通过孔径128和130传播的光在传感器132上产生的任何图像都是物体116的变形图像。在更惯常的实施方式中，变形元件110可以被布置在前透镜组件124之前或者在前透镜组件124之中。

在一个实施例中，变形元件110在水平方向具有与竖直方向相比大致50％的放大。这保证了由通过孔径128和130传播的光形成的任何图像都是在水平维度上压缩大致50％的。

在另一个实施例中，变形元件110在竖直方向具有与水平方向相比大致50％的放大。这保证了由通过孔径128和130传播的光形成的任何图像都是在竖直维度上压缩大致50％的。

虽然以上说明是基于透镜形式的变形元件110的，但其他折射、衍射或反射的光学元件也可以被采用，以提供对第一图像134和第二图像136的合适的变形的形变。

控制图像134和136在传感器132上不重叠的事务，是通过采样透镜142和144分别与孔径128和130离轴地移位来完成的。在图1中示出了采用具有大致50％的竖直压缩的变形元件110的实施例。为了清晰起见，采样透镜142和144离轴位移的程度在图1中被夸大显示。本说明书中的术语“离轴”用来描述相互的取向，其中，通过第一孔径128的中心的轴线与通过第一采样透镜142的中心的轴线平行，但不重合。术语“离轴位移”用来描述通过第一孔径128的中心的轴线与通过第一采样透镜142的中心的轴线之间的垂直距离。第二采样透镜144相对于第二孔径130的光轴的离轴位移的方向和大小，与第一采样透镜142相对于第一孔径130的光轴的离轴位移的方向实质上相反且大小相等。

关于图1中示出的“竖直压缩”的实施例，对采样透镜142和144的轴进行移位时，不仅可以沿着水平方向，以特别地造成图像134以及在水平方向上进行排列；还可以沿着竖直方向沿相反的方向进行移位，以造成图像134和136实质上不重叠。结果得到在竖直方向排列的立体图像对，且其可以被安排为非重叠，但实质上其沿水平对边紧邻。该布置使得对传感器的像素分布进行最佳使用。在更惯常的情况下，两幅图像134和136不限于彼此紧邻。

关于选择变形元件110具有相对的大致50％的水平放大率的情况，采样透镜142和144的轴线相对于孔径128和130的轴线分别只在水平维度移位，图像134和136从而在传感器132上水平移位以保证它们实质上不重叠并且沿其水平对边紧邻，从而实现对在传感器132上的传感器元件分布的最大使用。在更惯常的情况下，两幅图像134和136不限于彼此紧邻。如果，由于一些或其他原因，图像134和136不是完美地排列，则采样透镜142和144的竖直位移可以被少量地调整以重新排列图像。离轴地布置采样透镜的使用，避免了使用昂贵的定制的图像传感器，并且提供了对图像134和136的布置的控制。

在第一图像134和第二图像136呈现物体116的不同视角的程度上，可以采用它们以得到关于物体116的三维(3D)信息。更特殊地，控制器115可以通过图像数据输出连接117，从成像传感器中提取表示两幅图像134和136的图像数据。控制器115可以被配置为对图像进行数字处理以恢复原始纵横比，原始纵横比是按照光进入变形透镜之前，来自前端透镜组件124的视场的光的光学图像信息的内容。据此，立体图像对被以合适的形式提供给三维显示器或观察系统(图中未示出)。成像传感器132可以是单阵列成像传感器，包括但不限于电荷耦合器件(CCD)。

回到竖直压缩大致50％的实施方式，当从传感器132中提取成像数据用于进一步处理和显示时，来自传感器132的竖直轴数据的一部分与图像136相关联，来自传感器132的竖直轴数据的另一部分与图像134相关联。基于这种区分，可以从传感器132中分别提取两幅图像136和134。

一个三维成像器可实现的立体视像的程度，根本上取决于用于创建用来渲染三维视图的图像的两个视角之间的角度差。本文说明书中，作为前透镜组件124(比变形采样透镜142和144大)的使用结果，采样透镜142和144的特别使用提供了大视角差的益处，同时仍然产生一个完整的透镜系统，表示为具有短焦距的透镜102。这允许透镜102与小的低成本成像传感器一起使用。孔径128和130之间的孔径间距离，大于在以现有技术中的成像透镜安排方式使用这种小成像传感器的三维成像器中可得到的孔径间距离。结果是比现有技术中应用到相当的成像传感器中的透镜，可实现更大的立体视像。这在通常难以获得足够立体视像的照相机应用中特别重要。

在本发明的一些实施例中，孔径128和130可以是可变孔径，包括但不限于可变光圈，从而为改变透镜102的视场深度提供便利。在一些实施例中，孔径128和130可以是固定孔径。在其他实施例中，第一孔径128和第二孔径130可以被配置为允许通过改变孔径间间隔来改变成像器的立体视像。第一采样透镜142可以被配置为与第一孔径128协同移动，以及第二采样透镜144可以被配置为与第二孔径130协同移动。协同移动保证了图像134和136保持相互的位置关系与之前一致。

在一个实施例中，前透镜组件124和后透镜组件126的组合结构形成双高斯透镜。双高斯光学设计因其在保持系统中的光学像差极低方面的最佳性能而在本领域被熟知。在标准35mm照相机的大孔径透镜领域中很好地建立了双高斯透镜的使用。第一采样透镜142和第二采样透镜144的焦距可以小于在没有第一采样透镜142和第二采样透镜144情况下的前透镜组件124和后透镜组件126的组合的焦距的一半。选择这种焦距时，前透镜组件124、后透镜组件126和第一采样透142与第二采样透镜144其中之一的组合的焦距，可以小于在没有第一采样透镜142和第二采样透镜144情况下的前透镜组件124和后透镜组件126的组合的焦距。

采样透镜142和144可以各自具有正光焦度。作为示例，不具有采样透镜142和144的透镜102可以有126mm的焦距。采样透镜142和144可以各自具有44mm的焦距。基于这些选择，组合透镜102最终具有60mm的焦距。这种安排允许60mm的透镜采用适合于具有相关的较大的入射光孔的更大的126mm透镜的较大的孔径间距离。结果为通过该60mm透镜布置所能够得到比典型的60mm透镜可预期的大得多的立体视像，该典型的60mm透镜具有较宽的角度和其自然较大的视场。这结合了126mm透镜和60mm透镜在三维成像应用中的益处。

在本发明的进一步的实施例中，前透镜组件124和后透镜组件126的组合结构可以允许透镜102是变焦透镜，用于改变成像传感器132上的图像134和136的大小。在本发明其他的实施例中，进一步提供了对于前透镜组件124和后透镜组件126的可能的透镜组合。因为单光路的安排，该装置允许透镜102用作变焦透镜和低倍透镜(macrolens)中的一者或两者。与在现有技术中描述的多个系统相比，这是主要的益处。单光路安排也使得该装置紧凑，以及在一些实施例中去除反射镜的使用，使得其健壮和耐用。单光路安排也使得本发明与商业和消费者的照相机和摄像机设备兼容。

需要注意的是，本发明的立体成像装置100，如图1所示，在第一采样透镜142或第二采样透镜144中的任何一个与后透镜组件126之间不创建物体100的真实的图像。与在采样透镜之后形成图像并将其接力传送的系统相比，这样做减少了采样透镜安排的复杂度。立体成像装置100对来自光路的第一部分和第二部分的光同时进行采样，与许多现有技术中的单通道立体成像设备不同，该装置可以在成像传感器132上同时创建第一图像134和第二图像136。立体成像装置100还具有如下益处，即不要求任何对来自物体的光的偏振以便于操作。这意味着光的亮度大于基于偏振的系统的两倍。这种对透镜102的双高斯布置，提供了在成像传感器132的很大的区域内，具有优良像差性能的高速透镜系统。

本发明允许使用符合工业标准的成像传感器，是由于竖直压缩确保了两幅图像134和136均能够适配在一个成像传感器上；如果没有本发明，一个成像传感器只能用于两幅图像中的一幅。本发明部对传感器的形式做规定，可以应用到各种纵横比和尺寸形式的所有的成像传感器。

在本发明的实际应用中，成像传感器132可以是标准商业数字SLR(D-SLR)照相机(例如但不限于日本尼康公司生产的Nikon D50)的“黑盒子”中的传感器。这种特殊的商业D-SLR照相机包括在水平方向具有3008像素分辨率且在竖直方向具有2000像素的传感器。按照前述实施例中的透镜102装配到D50 D-SLR照相机上，这种布置能够捕获沿着竖直维度一幅布置在另一幅之上的立体图像对。理想地，两幅图实质上彼此紧邻并且不会重叠到令用户不满的程度，沿竖直维度的压缩率为大致50％。两幅图像中的每幅图像的尺寸均为3008×1000，并且两幅图像中的每幅图像的竖直维度均为其本身维度的大致一半。在从该照相机中下载该图像之后，很容易对两幅图像中的每幅图像进行重新采样成3008×2000。存在许多向用户提供这种重新采样的功能的图形软件工具，即使每幅图像在竖直维度的实际分辨率仍然是照相机固有能力的一半。沿着竖直维度的分辨率的这种牺牲，大于以容易使用的形式固有地捕获任何场景的立体图像的装置的益处所带来的补偿。

图2为在图1所示的成像传感器132上形成立体图像对的方法的流程图，该图像对包括第一图像134和第二图像136，提供了在第一透镜的视场中的物体116的两个不同的视角，第一透镜为图1所示的前透镜组件124，其沿着光轴103布置。

该方法包括：[200]通过前透镜组件124聚集来自前透镜组件124的视场中的场景的光；[210]将所聚集的光沿着通常围绕光轴103的单光路射引导到孔径平面104；[220]通过至少一个变形透镜(或者是变形元件110，或者是第一采样透镜142和第二采样透镜144)，变形地放大光的图像内容；[230]通过布置于接近孔径平面104并且在光轴103的第一侧的第一孔径128，对来自单光路的第一部分的光进行采样；[235]同时，通过布置于接近孔径平面104并且在光轴103的与第一孔径128相反的一侧的第二孔径130，来对来自单光路的第二部分的光进行采样；分别使用从单成像路径的第一部分中采样的光和从该成像路径的第二部分中采样的光，在沿着光轴103布置的成像传感器132上形成第一图像134和第二图像136。[240]通过第二透镜处理从单光路的第一部分采样的光形成第一图像134，第二透镜为图1所示的后透镜组件126，布置在光轴103上；以及[245]通过第二透镜(即后透镜组件126)处理通过第二采样透镜144从单光路的第二部分采样的光，来形成第二图像136。

该方法进一步包括：[250]分别通过采样透镜142和144对来自第一孔径128的光进行导光，以及[255]对来自第二孔径130的光进行导光，以分别在相对于彼此的预定位置处形成图像134和136，采样透镜142和144布置在分别与第一孔径128和第二孔径130接近、重叠的位置且关于第一孔径128和第二孔径130离轴。

该方法可以进一步包括以下各项中的至少一项：[260]通过改变孔径板108上的第一孔径128的大小，来改变第一图像134的视场深度；以及[265]通过改变孔径板108上的第二孔径130的大小，来改变第二图像136的视场深度。

该方法可以进一步包括，[270]通过改变在孔径板108上的第一孔径128和第二孔径130之间的孔径间间隔，来改变两幅图像134和136之间的视角差异。

该方法可以进一步包括，[280]使用控制器115经由图像数据输出连接117，从成像传感器132中提取描述第一图像134和第二图像136的数据，以及使用例如控制器115，数字地恢复图像134和136的原始纵横比。其纵横比恢复的两幅图像134和136，从而构建能够被合适的立体观看设备观看的立体图像对。

立体光学子系统150，可以应用到多种不同的光学装置中以产生立体图像，其包括变形元件110、带有孔径128和130的孔径板108、采样透镜142和144，以及后透镜组件126。图1中特别描述的装置被配置为在其他应用中，如上所述起到照相机或摄像机的作用。在进一步的实施例中，图1中所示的前透镜组件124可以是显微镜透镜系统。所有元件保持如图1所示并保持相同的编号。立体光学子系统150保持与图1所述的实施例相同。显微镜透镜系统可以是多种单视场的显微镜系统中的任何一种。作为非限制性的示例，透镜118和120可以共同是显微镜透镜系统中的物镜透镜系统，而透镜122可以是显微镜透镜系统中的目镜透镜。在操作中，从显微镜的物镜透镜系统(包括透镜118和透镜120)的视场中聚集的光，在透镜122之前成像。可以选择透镜系统122以操控载像的光以使之适合不同的另外的光学子系统的输入要求。立体光学子系统150是这种另外的光学子系统之一。将立体光学子系统150应用到显微镜，可以作为该显微镜的固有设计的一部分，或者也可以是生产之后由用户自行添加的部分且在本领域可以被实施。

在进一步的实施例中，如图3中示意性且不按比例所示出的，图1中的前透镜组件124被单光通道内窥镜透镜系统160代替。所有其他元件保持与图1一致并保持相同的编号。内窥镜透镜系统160可以是多种单通道内窥镜系统中的任何一种。作为非限制性的示例，内窥镜透镜系统160可以包括，如图3所特别示出的，物镜透镜系统162、中继透镜系统164、以及可选的出射透镜系统166。在操作中，从内窥镜的物镜透镜系统162的视场中聚集的光，通过物镜透镜系统162成像并且如此形成的该图像由中继透镜系统164沿着内窥镜透镜系统160的长度方向接力传送。可选的出射透镜系统166可以选择以操控载像的光以使之适合不同的另外的光学子系统的输入要求。立体光学子系统150是这种另外的光学子系统之一。在这种安排方案中，出射透镜系统166可以是包括内窥镜透镜系统160的内窥镜的目镜透镜。将立体光学子系统150应用到内窥镜，可以作为该内窥镜的固有设计的一部分，或者也可以是生产之后由用户自行添加的部分且在本领域可以被实施。

在由图1的一个方面描述的另一个内窥镜的实施例中，图1的前透镜组件124可以是内窥镜的物镜透镜组件，且位于内窥镜的插入部分的探头中，同时立体光学子系统150和传感器132均可以位于插入部分接近前透镜组件124的位置。这是一种流行的被称为“杆上芯片(chip on a stick)”的内窥镜的实施方式。因此，该实施方式提供了适合并入内窥镜的插入部分的狭窄的范围内的简单的立体内窥镜。在立体光学子系统150中，任何调制器(特别是机械调制器)的缺失，都便于这种特殊的实施方式。

在另一个实施例中，变形元件110可以被布置在光轴103上、位于采样透镜142和144与后透镜组件126之间的位置。在其他实施例中，变形元件110可以被布置于后透镜组件126的内部，或者布置于透镜组件126和传感器132之间。在进一步的实施例中，变形元件110可以被省略且采样透镜142和144可以做成变形的从而用于在竖直维度以大致50％的比例压缩图像134和138。

值得指出的是，不限制本发明的范围，在上述所有的实施例中，立体成像器采用单个第一物镜透镜，该第一物镜透镜将通过至少一个变形透镜的光沿着通常围绕光轴103的单光路引导到单个传感器132上，而不对光进行调制。前透镜组件124的出射光孔被孔径128和130以及它们对应的采样透镜142和144的组合采样，而不需要反射镜、棱镜、或者其他的分光部件。在该说明书中提供的立体成像器放大地改变具有物镜透镜的视场的不同视角的两幅图像，同时最大限度地保持在水平维度的分辨率以达到相关的最大立体品质。虽然由于变形透镜的压缩，在成像传感器132上形成的图像134和136在竖直方向上失去了大致50％的分辨率，但与竖直方向上的压缩截然相反的是，在水平维度上期望的立体观看体验基于视角差。

在其他的实施例中，传感器132可以通过将其长轴置于竖直方向而被定位为纵向模式，变形透镜可以被选择以包括沿水平维度的图像142和144以适应传感器132，该传感器132在4×3传感器的情况下，将处于有效的3×4定向。这在竖直分辨率要求更高且水平分辨率的相关损失可被接受的应用场景中是很有益的。

注释

提供附图和相关的描述用于解释本发明的实施例而并不限定本发明的范围。说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意在指出结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施例中。在说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“一实施例”并不必然均涉及同一个实施例。除了上下文需要，否则如本公开所使用的术语“包括”和该术语的变形，例如“包括”、“包括有”并非意在排斥其它附加件、部件、整体件(integer)或步骤。

并且，值得注意的是，公开的实施例作为一个进程描述为流程图、流程图表、结构图表、或框图。虽然流程图可能将操作的不同步骤公开为顺序进程，但一些操作可以并行或并发。示出的步骤并非意在限制，它们也不意在指出每个描述的步骤对该方法来说都是必要的，而仅仅是示范性的。

在上述说明中，已参照了本发明的特殊实施例来描述本发明。然而，很显然，可以在没有偏离本发明的主要精神和范围的情况下进行不同的修改或改变。相应地，说明书和附图应看作说明性的而非限制性的。值得注意的是，本发明不应该被解释为受限于这些实施例。

从上述描述可知，很显然本发明具有数个优点，一些优点已在本文中描述过，而其他优点是本发明中已述的或已主张的实施例中所固有的。另外，应当理解，在不偏离本文已述主旨的教导的情况下，可以对文中已述的设备、装置和方法进行修改。同样地，除了附加的权利要求必需的，本发明不受限于已述的实施例。

在示例性的实施例中，本发明与我们的临时申请NO.61/586,738的主旨相结合并以参考的形式合并入本文中，该临时申请的名称为“SINGLE AXIS STEREOSCOPIC IMAGING APPARATUS WITHDUAL SAMPLING LENSES”，申请日为2012年1月13日。

部件列表：

100  单轴立体成像系统

102  透镜

103  光轴

104  孔径平面

108  孔径板

110  变形件

118  透镜

120  透镜

122  透镜

124  前透镜组件

126  后透镜组件

128  第一孔径

130  第二孔径

132  成像传感器

114  图像平面

116  物体

134  第一图像

136  第二图像

138  竖直线

142  第一采样透镜

144  第二采样透镜

150  立体光学子系统

160  内窥透镜系统

162  物镜透镜系统

164  中继透镜系统

165  出射透镜系统

115  控制器

117  图像数据输出连接

[200]聚集来自透镜的视场的光

[210]沿着单光路引导光

[220]变形地放大光的图像内容

[230]通过第一采样透镜对来自单光路的第一部分中的光进行采样

[235]通过第二采样透镜对来自单光路的第二部分中的光进行采样

[240]使用第二透镜(后透镜组件126)在成像传感器上形成第一图像

[245]使用第二透镜(后透镜组件126)在成像传感器上形成第二图像

[250]使用第一离轴采样透镜对来自第一孔径的光进行导光

[255]使用第二离轴采样透镜对来自第二孔径的光进行导光

[260]通过改变第一孔径的大小来调整第一图像的视场深度

[265]通过改变第二孔径的大小来调整第二图像的视场深度

[270]改变孔径间间隔

[280]从传感器中提取描述第一图像和第二图像的数据

[290]数字地恢复第一图像和第二图像的原始纵横比

Claims (53)

1.一种立体成像装置，所述装置使用沿着通过具有单光轴的前透镜组件的单光路得到的光，在单个图像传感器上形成变形立体图像对，所述变形立体图像对包括第一图像和与所述第一图像具有不同视角的第二图像，所述装置包括：

第一孔径和第二孔径，布置成接近所述前透镜组件的孔径平面，分别位于所述前透镜组件的光轴的相对的两侧，且被孔径间间隔隔开；

至少一个变形元件，布置于所述单光路中；

第一采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第一孔径接近并重叠；

第二采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第二孔径接近并重叠；以及

后透镜组件，布置于所述采样透镜和所述传感器之间，其使用通过所述第一采样透镜和第二采样透镜接收的光来在所述传感器上形成所述第一图像和第二图像。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述采样透镜被布置为引导提供两个孔径中接收的光，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上的实质上不同的非重叠位置处，形成所述第一图像和第二图像。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴地布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成竖直地排列于彼此之上且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成彼此相邻地水平排列且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述采样透镜和所述后透镜组件之间。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述后透镜组件和所述图像传感器之间。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述后透镜组件之内。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述前透镜组件和所述采样透镜之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜还限定所述至少一个变形元件。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述前透镜组件为内窥镜前透镜组件。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述前透镜组件为显微镜物镜透镜组件。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述前透镜组件为照相机透镜组件。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一孔径和第二孔径为可变孔径。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述孔径间间隔是能够调整的。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述采样透镜被配置为，当所述孔径间间隔被调整时，与所述孔径协同移动。

16.一种立体成像装置，用于形成变形立体图像对，所述变形立体图像对包括第一图像和与所述第一图像具有不同视角的第二图像，所述装置包括：

前透镜组件，至少包括具有视场和单光轴的物镜透镜，所述前透镜组件配置为，沿着通常围绕所述光轴的单光路引导来自所述视场的光；

单个成像传感器，沿着所述光轴布置于所述前透镜组件的后方；

第一孔径和第二孔径，布置于接近所述前透镜组件的孔径平面的位置，分别位于所述前透镜组件的光轴的相对的两侧，且被孔径间间隔隔开；

至少一个变形元件，布置于单成像路径中；

第一采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第一孔径接近并重叠；

第二采样透镜，位于所述孔径平面与所述传感器之间且与所述第二孔径接近并重叠；以及

后透镜组件，布置于所述采样透镜和所述传感器之间，其通过从所述第一采样透镜和第二采样透镜接收的光来在所述传感器上形成所述第一图像和第二图像。

17.根据权利要求16所述的立体成像装置，其中，所述前透镜组件和所述后透镜组件形成双高斯透镜。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述采样透镜被布置为引导从两个孔径接收的光，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上的实质上不同的非重叠位置处形成所述第一图像和第二图像。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴地布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成竖直排列于彼此之上且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。

20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜分别关于所述第一孔径和第二孔径离轴地布置，以通过所述后透镜组件，在所述图像传感器上形成彼此相邻地水平排列且实质上非重叠的所述第一图像和第二图像。

21.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述采样透镜和所述后透镜组件之间。

22.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述后透镜组件和所述图像传感器之间。

23.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述后透镜组件之中。

24.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述前透镜组件和所述采样透镜之间。

25.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述前透镜组件之前。

26.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个变形元件为单个变形透镜，其布置在所述光轴上、位于所述前透镜组件之中。

27.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一采样透镜和第二采样透镜还限定所述至少一个变形元件。

28.根据权利要求16所述的装置，其中，所述前透镜组件为内窥镜前透镜组件。

29.根据权利要求16所述的装置，其中，所述前透镜组件为显微镜物镜透镜组件。

30.根据权利要求16所述的装置，其中，所述前透镜组件为照相机透镜组件。

31.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一孔径和第二孔径为可变孔径。

32.根据权利要求16所述的装置，其中，所述孔径间间隔是能够调整的。

33.根据权利要求32所述的装置，其中，所述采样透镜被配置为，当所述孔径间间隔被调整时，与所述孔径协同移动。

34.根据权利要求16所述的装置，其中，所述成像传感器通过将其长轴置于在水平维度而以横向方位定向。

35.根据权利要求16所述的装置，其中，所述成像传感器通过将其长轴置于竖直维度而以纵向方位定向。

36.一种用于在单个成像传感器上形成变形立体图像对的方法，所述变形立体图像对包括第一图像和第二图像，该方法包括：

聚集来自视场内的物体的光；

沿着通常围绕光轴的单光路引导所聚集的光；

变形地放大所述光的图像内容；

通过第一孔径对来自所述单光路的第一部分的光进行采样，并且通过第二孔径对来自所述单光路的第二部分的光进行采样，所述第一孔径和第二孔径布置于所述光轴的相对的两侧且接近孔径平面；以及

分别使用通过所述第一孔径采样的光和通过所述第二孔径采样的光，在沿着所述光轴布置的所述单个成像传感器上形成所述第一图像和第二图像。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第一图像和第二图像的形成通过如下方式执行：通过布置于所述孔径和所述传感器之间的第二透镜，分别处理通过所述第一孔径采样的光和通过所述第二孔径采样的光。

38.根据权利要求37所述的方法，进一步包括：分别通过第一采样透镜和第二采样透镜对来自所述第一孔径和第二孔径的光进行导光，以在相对于彼此的预定位置处分别形成所述第一图像和第二图像，所述第一采样透镜和第二采样透镜被布置为分别与所述第一孔径和第二孔径接近、重叠并且关于所述第一孔径和第二孔径离轴。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述导光包括将两个采样透镜的中心从其分别接近的孔径分别沿相反的方向离轴地移位。

40.根据权利要求39所述的方法，其中：

所述变形地放大是指，将所述聚集的光的图像内容，在竖直维度上，与水平维度相比，相对地压缩大致50％；以及

所述移位包括在所述传感器上竖直地上下排列所述第一图像和第二图像。

41.根据权利要求39所述的方法，其中：

所述变形地放大包括，将所聚集的光的图像内容，在水平维度上，与竖直维度相比，相对地压缩大致50％；以及

所述移位包括在所述传感器上水平地彼此相邻排列所述第一图像和第二图像。

42.根据权利要求38所述的方法，其中，所述变形地放大由所述第一采样透镜和第二采样透镜执行。

43.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上、位于所述前透镜组件与所述前透镜组件的所述孔径平面之间。

44.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上、位于所述前透镜组件之前。

45.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上、位于所述前透镜组件之中。

46.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上且在所述采样透镜与所述后透镜组件之间。

47.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上、位于所述后透镜组件与所述图像传感器之间。

48.根据权利要求36所述的方法，其中，所述变形地放大由单个变形元件执行，所述单个变形元件布置于所述光轴上、位于所述后透镜组件之中。

49.根据权利要求36所述的方法，进一步包括：通过改变进行光采样的对应的孔径的大小，来改变对应的所述第一图像和所述第二图像中的至少一个的视场深度。

50.根据权利要求36所述的方法，进一步包括：通过改变所述第一孔径和所述第二孔径之间的孔径间间隔，来改变所述第一图像和第二图像之间的视角差。

51.根据权利要求50所述的方法，该方法进一步包括：在改变孔径间间隔的期间，分别与所述第一孔径和第二孔径协同地移动第一采样透镜和第二采样透镜的位置。

52.根据权利要求36所述的方法，进一步包括：从所述单个成像传感器中提取描述所述第一图像和第二图像的数据。

53.根据权利要求52所述的方法，进一步包括：将所述第一图像和第二图像的纵横比数字地恢复为所述变形地放大之前的属于来自视场内的物体的光的图像内容的值。