CN105263016B - 一种立体光学系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体光学系统及其成像方法，包括第二、三、第四变场部分，所述第二变场部分为调焦组，第三变场部分为变焦组、第四变场部分为物镜组；第二、三和四变场部分依次安装在镜筒内形成摄像机的立体镜头，并且连同摄像机内的第一变场部分一起形成立体拍摄条件。本发明的立体镜头，是安装在普通摄像机上的一套可变焦距的多极变场光学系统，即将普通摄像机的一个焦平面设置为两个，是基于人眼的视觉原理，来获得对同一物体在同一时间不同角度进行拍摄的图像，该图像经电视机设置偏振光栅等方法，使人们的左右眼分别看到左右图像，实现了人们观看立体节目的目的。

Description

一种立体光学系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种立体光学系统以及成像方法，属于立体摄像机领域。

背景技术

目前，立体摄像技术发展很快，但普及艰难，立体片源多为电脑合成，拍摄的立体影像设备技术复杂，使得制作和普及立影像变得缓慢，而且用普通的摄像机简单的拍摄立体影像，目前虽有一些报道，但局限性很大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种立体光学系统及其成像方法，其能极方便的用于拍摄立体影像。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种立体光学系统，其镜筒垂直于水平面放置，包括第二变场部分、第三变场部分和第四变场部分，所述第二变场部分为调焦组，第三变场部分为变焦组、第四变场部分为物镜组；所述第二变场部分、第三变场部分和第四变场部分依次安装在镜筒内形成摄像机的立体镜头，并且连同摄像机内的第一变场部分一起形成立体拍摄条件；

该第一变场部分位于镜头与摄像机连接处之后，摄像机的焦平面之前，由一个分光镜组成；

该第二变场部分由至少一组可移动的第一凹凸镜片组合和一个孔径光阑，以第一变场为参照自下而上组成；

该第三变场部分由二组可变焦距的凹凸镜片组合组成，其中，一组为像面位移补偿组合镜片，另一组为变焦镜片组合，且像面位移补偿组合镜片和变焦镜片组合以第二变场为参照自下而上组成；

该第四变场部分包括第二凹凸镜组合、所述第二凹凸镜组合上方对称的设置有两个半柱面镜组合、所述两个半柱面镜组合分别设置在一个消杂光光阑内，消杂光光阑上对称的设置有两个斜方棱镜、且两个斜方棱镜与消杂光光阑接触的一侧上分别设置有一个偏振光栅，位于两个斜方棱镜的另一侧上分别设置有第三凹凸镜组合和第四凹凸镜组合。

在第四变场部分中光路从入射面射入后经过两个半柱面镜组合进行放大，且成像的放大方向为左边的光路向右放大，右边的光路向左放大；且两个半柱面镜组合、两个斜方棱镜、第三凹凸镜组合和第四凹凸镜组合分别沿着中心线OO′对称分布，且其连同偏振光栅以及消杂光光圈共同形成左右双镜头，对同一物体形成立体拍摄条件，相当于人的左右眼睛。

作为优选，所述消杂光光圈中间隔开为两个空间，且两个半柱面镜组合分别对称的设置在消杂光光圈的两个空间内。

作为优选，所述两个半柱面镜组合相对于第二凹凸镜组合的放大率为β，且β＝2；光路从入射面射入后像同比例放大一倍。

作为优选，所述第三凹凸镜组合的光轴为aa′，第四凹凸镜组合的光轴为bb′，且光轴aa′与光轴bb′之间的间距为60mm-80mm。

作为优选，所述偏振光栅的偏振方向成90°。

作为优选，所述斜方棱镜的入射光线与出射光线平行，即DⅡ＝0°。

一种立体光学系统的成像方法，包括以下步骤：

(A)将第二、三、四变场部分依次安装在镜筒里面组成立体镜头，该镜头的第二变场部分和第三变场部分分别安装在镜筒中周边带有丝扣的环形圈内，随着丝扣的转动，变场镜片同步位移，焦距，像面精度随着变化，以达到拍摄不同视场的效果；

(B)光路穿过立体镜头的第四变场部分的第三凹凸镜组合和第四凹凸镜组合，并分别形成平行光路进入两个斜方棱镜，分别经两次折射后，通过两个偏振光栅，在消杂光光阑中分别到达两个半柱面镜组合，将两幅像高同比例放大1倍的有视差的同位影像，射向第二凹凸镜组合上，并形成一幅有视差的，且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(C)图像光路接下来射入第三变场部分的变焦镜片组合和像面位移补偿组合镜片；然后，再穿过第二变场部分的孔径光阑，进入到第一凹凸镜组合，经过第二变场部分的调焦，形成一幅精确的、有视差的、且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(D)然后，图像光路再进入到摄像机内的第一变场部分，经过分光镜后，分别射向摄像机的两个焦平面，形成两幅偏振方向呈90°的有视差的同位影像，即人的左右眼睛看到的两个视场。

该立体光学系统的成像原理可以将普通摄像机的一个焦平面改为两个，项城两幅偏振方向呈90°的有视差的同位影像，即如人的左右眼睛看到的两个试场。

在步骤(B)中将两幅有视差的偏振方向呈90°的同位影像经过左右两个半柱面镜组合放大一倍，重叠于第四变场部分的第二凹凸镜组合上，是为了使光路通过变焦组和调焦组后易于操作，减少像差等制造条件。

本发明的有益效果：本发明的立体镜头，是安装在普通摄像机上的一套可变焦距的多极变场光学系统，即将普通摄像机的一个焦平面设置为两个，是基于人眼的视觉原理，来获得对同一物体在同一时间不同角度进行拍摄的图像，该图像经电视机设置偏振光栅等方法，使人们的左右眼分别看到左右图像，实现了人们观看立体节目的目的。

其将一组可变焦距的从两个不同方向拍摄的镜片组合，有别于其它已有的立体摄像机的复杂结构，克服了立体摄像方法不能在同一镜头上对不同视场随意变换焦距的缺点，简单易操作，成本低，其能方便与现有摄像器材相匹配，适应不同场景效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1.第一凹凸镜组合，2.孔径光阑，3.像面位移补偿组合镜片，4.变焦镜片组合，5.二凹凸镜组合，6.半柱面镜组合，7.消杂光光阑，8.斜方棱镜，9.偏振光栅，10.第三凹凸镜组合，11.第四凹凸镜组合，12.分光镜，13.焦平面，14.镜筒，Ⅰ.第一变场部分，Ⅱ.第二变场部分，Ⅲ.第三变场部分，Ⅳ.第四变场部分。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种立体光学系统，该光学系统的镜筒垂直于水平面放置，其包括第二变场部分Ⅱ、第三变场部分Ⅲ和第四变场部分Ⅳ，所述第二变场部分Ⅱ为调焦组，第三变场部分Ⅲ为变焦组、第四变场部分Ⅳ为物镜组；所述第二变场部分Ⅱ、第三变场部分Ⅲ和第四变场部分Ⅳ依次安装在镜筒14内形成摄像机的立体镜头，并且连同摄像机内的第一变场部分Ⅰ一起形成立体拍摄条件；该立体镜头可以为不同型号的镜头。

该第一变场部分Ⅰ位于镜头与摄像机连接处之后，摄像机的焦平面13之前，由一个分光镜12组成；

该第二变场部分Ⅱ由至少一组可移动的第一凹凸镜片组合1和一个孔径光阑2，以第一变场Ⅰ为参照自下而上组成；

该第三变场部分Ⅲ由二组可变焦距的凹凸镜片组合组成，其中，一组为像面位移补偿组合镜片3，另一组为变焦镜片组合4，且像面位移补偿组合镜片3和变焦镜片组合4以第二变场Ⅱ为参照自下而上组成；

该第四变场部分Ⅳ包括第二凹凸镜组合5、所述第二凹凸镜组合5上方对称的设置有两个半柱面镜组合6、所述两个半柱面镜组合6分别设置在一个消杂光光阑7内，消杂光光阑7上对称的设置有两个斜方棱镜8、且两个斜方棱镜8与消杂光光阑7接触的一侧上分别设置有一个偏振光栅9，位于两个斜方棱镜8的另一侧上分别设置有第三凹凸镜组合10和第四凹凸镜组合11。

在第四变场部分Ⅳ中光路从入射面射入后经过两个半柱面镜组合6进行放大，且成像的放大方向为左边的光路向右放大，右边的光路向左放大；且两个半柱面镜组合6、两个斜方棱镜8、第三凹凸镜组合10和第四凹凸镜组合11分别沿着中心线OO′对称分布，且其连同偏振光栅9以及消杂光光圈7共同形成左右双镜头，对同一物体形成立体拍摄条件，相当于人的左右眼睛。

作为优选，所述消杂光光圈7中间隔开为两个空间，且两个半柱面镜组合6分别对称的设置在消杂光光圈7的两个空间内。

作为优选，所述两个半柱面镜组合6相对于第二凹凸镜组合5的放大率为β，且β＝2；光路从入射面射入后像同比例放大一倍。

作为优选，所述第三凹凸镜组合10的光轴为aa′，第四凹凸镜组合11的光轴为bb′，且光轴aa′与光轴bb′之间的间距为60mm-80mm，相当于人眼的瞳孔距离。

作为优选，所述偏振光栅9的偏振方向成90°。

作为优选，所述斜方棱镜8的入射光线与出射光线平行，且DⅡ＝0°。

同时，本发明还公开了基于该立体光学系统的成像方法，包括以下步骤：

(A)将第二、三、四变场部分依次安装在镜筒里面组成立体镜头，该镜头的第二变场部分和第三变场部分分别安装在镜筒中周边带有丝扣的环形圈内，随着丝扣的转动，变场镜片同步位移，焦距，像面精度随着变化，以达到拍摄不同视场的效果；

(B)光路穿过立体镜头的第四变场部分的第三凹凸镜组合和第四凹凸镜组合，并分别形成平行光路进入两个斜方棱镜，分别经两次折射后，通过两个偏振光栅，在消杂光光阑中分别到达两个半柱面镜组合，将两幅像高同比例放大1倍的有视差的同位影像，射向第二凹凸镜组合上，并形成一幅有视差的，且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(C)图像光路接下来射入第三变场部分的变焦镜片组合和像面位移补偿组合镜片；然后，再穿过第二变场部分的孔径光阑，进入到第一凹凸镜组合，经过第二变场部分的调焦，形成一幅精确的、有视差的、且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(D)然后，图像光路再进入到摄像机内的第一变场部分，经过分光镜后，分别射向摄像机的两个焦平面，形成两幅偏振方向呈90°的有视差的同位影像，即人的左右眼睛看到的两个视场，经设置了偏振光栅9等方法的电视机的图像还原，人们就可以看到逼真的立体影像。

该立体光学系统的成像原理可以将普通摄像机的一个焦平面改为两个，项城两幅偏振方向呈90°的有视差的同位影像，即如人的左右眼睛看到的两个试场。

在步骤(B)中将两幅有视差的偏振方向呈90°的同位影像经过左右两个半柱面镜组合放大一倍，重叠于第四变场部分的第二凹凸镜组合上，是为了使光路通过变焦组和调焦组后易于操作，减少像差等制造条件。

使用这样的一台摄像机，就相当于把原来的单镜头普通摄像机变成了一台分左右的可变焦距的双镜头立体摄像机，从左右不同视点拍摄物体，并同时成像在同一个窗口，形成两幅有视差的同位影像，达到物体的立体图像录制，这些影像通过偏振等方法还原，实现立体影像的展现。

应当理解的是，本发明仅提供了该立体镜头的光学系统方法，为了实现该镜头不同型号的优化设计，可利用现在广泛使用的ZEMAX程序提供的评价函数来进行运算，以得到不同孔径，焦距，视场优质像面的镜头，来满足不同目的的拍摄需求，对本领域的技术人员来说，可根据上述说明加以优化改进或变换，而所有这些优化改进或变换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种立体光学系统，其镜筒(14)垂直于水平面放置，其特征在于，包括第二变场部分(Ⅱ)、第三变场部分(Ⅲ)和第四变场部分(Ⅳ)，所述第二变场部分(Ⅱ)为调焦组，第三变场部分(Ⅲ)为变焦组、第四变场部分(Ⅳ)为物镜组；所述第二变场部分(Ⅱ)、第三变场部分(Ⅲ)和第四变场部分(Ⅳ)依次安装在镜筒(14)内形成摄像机的立体镜头，并且连同摄像机内的第一变场部分(Ⅰ)一起形成立体拍摄条件；

该第一变场部分(Ⅰ)位于镜头与摄像机连接处之后，摄像机的焦平面(13)之前，由一个分光镜(12)组成；

该第二变场部分(Ⅱ)由至少一组可移动的第一凹凸镜片组合(1)和一个孔径光阑(2)，以第一变场(Ⅰ)为参照自下而上组成；

该第三变场部分(Ⅲ)由二组可变焦距的凹凸镜片组合组成，其中，一组为像面位移补偿组合镜片(3)，另一组为变焦镜片组合(4)，且像面位移补偿组合镜片(3)和变焦镜片组合(4)以第二变场(Ⅱ)为参照自下而上组成；

该第四变场部分(Ⅳ)包括第二凹凸镜组合(5)、所述第二凹凸镜组合(5)上方对称的设置有两个半柱面镜组合(6)、所述两个半柱面镜组合(6)分别设置在一个消杂光光阑(7)内，消杂光光阑(7)上对称的设置有两个斜方棱镜(8)、且两个斜方棱镜(8)与消杂光光阑(7)接触的一侧上分别设置有一个偏振光栅(9)，位于两个斜方棱镜(8)的另一侧上分别设置有第三凹凸镜组合(10)和第四凹凸镜组合(11)。

2.根据权利要求1所述的立体光学系统，其特征在于，所述消杂光光圈(7)中间隔开为两个空间，且两个半柱面镜组合(6)分别对称的设置在消杂光光圈(7)的两个空间内。

3.根据权利要求2所述的立体光学系统，其特征在于，所述两个半柱面镜组合(6)相对于第二凹凸镜组合(5)的放大率为β，且β＝2；光路从入射面射入后像同比例放大一倍。

4.根据权利要求3所述的立体光学系统，其特征在于，所述第三凹凸镜组合(10)的光轴为aa′，第四凹凸镜组合(11)的光轴为bb′，且光轴aa′与光轴bb′之间的间距为60mm-80mm。

5.根据权利要求1所述的立体光学系统，其特征在于，所述偏振光栅(9)的偏振方向成90°。

6.根据权利要求1所述的立体光学系统，其特征在于，所述斜方棱镜(8)的入射光线与出射光线平行。

7.根据权利要求1所述的立体光学系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)将第二、三、四变场部分依次安装在镜筒里面组成立体镜头，该镜头的第二变场部分和第三变场部分分别安装在镜筒中周边带有丝扣的环形圈内，随着丝扣的转动，变场镜片同步位移，焦距，像面精度随着变化，以达到拍摄不同视场的效果；

(B)光路穿过立体镜头的第四变场部分的第三凹凸镜组合和第四凹凸镜组合，并分别形成平行光路进入两个斜方棱镜，分别经两次折射后，通过两个偏振光栅，在消杂光光阑中分别到达两个半柱面镜组合，将两幅像高同比例放大1倍的有视差的同位影像，射向第二凹凸镜组合上，并形成一幅有视差的，且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(C)图像光路接下来射入第三变场部分的变焦镜片组合和像面位移补偿组合镜片；然后，再穿过第二变场部分的孔径光阑，进入到第一凹凸镜组合，经过第二变场部分的调焦，形成一幅精确的、有视差的、且偏振方向呈90°的重叠的同位影像；

(D)然后，图像光路再进入到摄像机内的第一变场部分，经过分光镜后，分别射向摄像机的两个焦平面，形成两幅偏振方向呈90°的有视差的同位影像，即人的左右眼睛看到的两个视场。