CN109698897B - 动态变焦透镜的多合一光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种动态变焦透镜的多合一光学系统，其包括：移动件；广角透镜，撷取大范围影像；第一光感应元件，转换大范围影像成第一影像信号；望远透镜，撷取局部影像；第二光感应元件，转换局部影像成第二影像信号；影像处理模组，其即时局部搜寻处理单元，电性连接于移动件；及影像整合单元，合成复合式影像；以及影像显示装置，呈现复合式画面，又人机界面，控制即时局部搜寻处理单元驱动移动件，进行即时局部搜寻。

Description

动态变焦透镜的多合一光学系统
技术领域
本发明为一种动态变焦透镜的多合一光学系统，特别为一种能在大范围即时影像内的任一位置，即时选取特定对象，进行具有高空间频宽乘积效果的局部影像侦测或识别时的动态变焦透镜的多合一光学系统。
背景技术
安控系统目前已经不再仅限于监看特定场所的维安用途，其实在数字化、网络化与新一代的IP Cam智能化发展过程中，目前也发展出整合智能监控系统的应用解决方案，发展自身的智能型影像监控系统，而要发展这些更多元的整合应用，取像功能的差异就成为系统成败关键。
除了监控系统外，一般生活的应用也都需要进行影像撷取即辨识，例如使用手机时，可以利用摄像镜头对人脸、瞳孔或着虹膜…等进行辨识。在许多辨识过程中，都是先从一个大范围中，找到局部特征，此时如何能同时应用大范围及局部影像资讯，以方便进行辨识，将是一项重要的课题。
发明内容
本发明为一种动态变焦透镜的多合一光学系统，其主要是要解决如何在大范围即时影像内的任一位置，能即时选取特定对象，进行局部影像侦测或识别的问题。
一种动态变焦透镜的多合一光学系统，其包括：移动件，形成于第一入射光路径上，其出光侧产生第一分光路径及第二分光路径；广角透镜，形成于第一分光路径上，其对至少一个目标撷取至少一个大范围影像；第一光感应元件，形成于广角透镜的出光侧，并将至少一个大范围影像转换成至少一个第一影像信号；望远透镜，形成于第二分光路径上，对至少一个目标撷取至少一个局部影像；第二光感应元件，形成于望远透镜的出光侧，并将至少一个局部影像转换成至少一个第二影像信号；影像处理模组，其包括：即时局部搜寻处理单元，电性连接于移动件；及影像整合单元，其读取至少一个第二影像信号及至少一个第一影像信号，并叠合成至少一个复合式影像；以及影像显示装置，读取至少一个复合式影像并呈现至少一个复合式画面，又影像显示装置具有人机界面，其控制即时局部搜寻处理单元驱动移动件，以对至少一个目标进行即时局部搜寻。
前述的多合一光学系统，其进一步具有第一物镜，其是设置于该第一入射光路径上，撷取该至少一个目标的至少一个第一目标影像。
前述的多合一光学系统，其中该第一光感应元件或该第二光感应元件前设有液晶透镜。
前述的多合一光学系统，其中该进一步具有第一反射元件，其是设置于该第二分光路径上。
前述的多合一光学系统，其进一步具有第二反射元件，其是设置于该第一物镜与该移动件间的该第一入射光路径上。
前述的多合一光学系统，其进一步具有第二物镜，其撷取至少一个目标的第二目标影像且形成有第二入射光路径；第三反射元件，其是设置于该第二反射元件与该移动件间的该第一入射光路径上，且该人机界面控制该第三反射元件选择性输入该第一目标影像或该第二目标影像。
前述的多合一光学系统，其中该移动件为具有可多轴高速摆动的分光元件。
前述的多合一光学系统，其中该第一光感应元件或该第二光感应元件为2D阵列的光感应元件。
前述的多合一光学系统，其中该第一光感应元件或该第二光感应元件为可见光或红外光光感应元件。
前述的多合一光学系统，其中该广角透镜或望远透镜，可以为透镜、透镜组或变焦透镜组。
前述的多合一光学系统，其中该影像整合单元进一步包括自动影像筛选单元，其是使用自动光学检查的技术，将广角透镜输入的该至少一个大范围影像进行自动筛选，筛选出该自动影像筛选单元内预设的至少一个物件，然后交由即时局部搜寻处理单元控制该移动件，使该望远透镜对所筛选出的该至少一个物件，进行局部影像的撷取。
借由本发明的实施，至少可以达成下列的进步功效：
一、可以在大范围即时影像内的任一位置，即时选取特定对象。
二、可以将大范围即时影像与选定的即时局部影像进行整合。
三、能于放大即时影像时，避免失真的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一种系统操作流程图。
图2A为本发明第一光感应元件撷取大范围景物的实施例图一。
图2B为本发明第二光感应元件借由大范围景物选定单一物件实施例图一。
图2C为本发明影像整合单元将大范围景物与选定的单一物件结合后产生的复合式影像实施例图一。
图3A为本发明第一光感应元件撷取大范围景物的实施例图二。
图3B为本发明第二光感应元件借由大范围景物选定二物件实施例图二。
图3C为本发明影像整合单元将大范围景物与选定的二物件结合后的复合式影像实施例图二。
图4A为本发明第一光感应元件撷取大范围景物的实施例图三。
图4B为本发明第二光感应元件借由大范围景物选定单一物件的局部特征实施例图三。
图4C为本发明影像整合单元将大范围景物与选定的单一物件的局部特征结合后的复合式影像实施例图三。
图5A为本发明应用于瞳孔辨识时的第一光感应元件撷取大范围人体脸部的实施例图。
图5B为本发明应用于瞳孔辨识时的第二光感应元件借由人体脸部选定瞳孔的实施例图。
图5C为本发明影像整合单元将人体脸部与选定的瞳孔结合后的复合式影像实施例图。
图6A为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第一实施例图态样一。
图6B为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第一实施例图态样二。
图7为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第二实施例图。
图8为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第三实施例图。
图9A为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第四实施例状态图一。
图9B为本发明动态变焦透镜多合一光学系统的系统架构第四实施例状态图二。
【主要元件符号说明】
100,200：动态变焦透镜多合一光学系统
300,400：动态变焦透镜多合一光学系统
110：第一物镜 120：移动件
130：广角透镜 131：第一光感应元件
132：第一成像模组 133：第一影像信号
135：液晶透镜 140：望远透镜
141：第二光感应元件 142：第二成像模组
143：第二影像信号 145：液晶透镜
160：影像处理模组 161：即时局部搜寻处理单元
162：影像整合单元 163：自动影像筛选单元
164：复合式影像 170：影像显示装置
171：人机界面 210：第一反射元件
310：第二反射元件 410：第二物镜
420：第三反射元件 Area1,Area2：目标区域
Area3：目标区域 P150：第一入射光路径
P151：第一分光路径 P152：第二分光路径
P453：第二入射光路径
具体实施方式
如图1所示，本发明为一种可结合2D与3D影像识别的全光学扫描式动态即时影像侦测辨识系统，其是利用广角透镜130即时侦测一大范围景物并成像至一广角透镜130所对应的第一光感应元件131。
当欲在此大范围即时影像内的任一位置，即时选取至少一个特定对象，进行局部影像侦测或识别时，可借由系统中的即时局部搜寻处理单元161，先于画面中快速定位框选此特定对象，然后即时局部搜寻处理单元161又再传送命令予具有多轴高速摆动的移动件120，让此特定对象影像进入至望远透镜140的光路中，并以动态光学调制方式，即时成像至望远透镜140所对应的第二光感应元件141，进而产生不失真的即时局部放大影像。
同时，可借由影像整合单元162，将第二光感应元件141所撷取局部放大的第二影像与第一光感应元件131所撷取大范围景物的第一影像，进行影像叠合处理成为复合式影像164，然后输出至影像显示装置170呈现复合式画面，影像整合单元162可以2D或3D或是同时结合2D与3D影像的方式，即时同步呈现于画面上，换言之，第二成像模组142的放大画面可插入至第一成像模组132的广角画面中，成为结合局部放大画面的大范围整体画面，借由空间频宽乘积(Space-bandwidth Product，SBP)的调制，有效地解决传统以数字影像处理方式进行局部影像放大却导致影像模糊失真的问题。
如图2A至图2C所示，在实际应用时，图2A为第一光感应元件131所撷取大范围景物的第一影像，又图2B中箭头所示为使用即时局部搜寻处理单元161控制移动件120进行局部即时搜寻，以使第二光感应元件141借由第一影像选定单一物件，图2C是借由望远透镜140将于第一影像中选定的物件以动态光学调制方式予以放大，进而在第二光感应元件141产生不失真的即时局部放大第二影像，并使用影像整合单元162将其与第一影像整合成复合式影像164，并输出至影像显示装置170上以呈现复合式画面。
如图3A至图3C所示，其与上述的操作方式相同，但差别在于从原来只选定单一物件，增加为同时选定二个、二个以上、或多个的物件，因此影像整合单元162，将对选定的二物件与第一影像整合成复合式影像164，并输出至影像显示装置170上以呈现复合式画面。
如图4A至图4C所示，其与上述的操作方式相同，但差别在于从原来只选定单一物件或多个物件，变换成对单一或多个物件的局部特征进行选定，因此影像整合单元162，将对选定的单一或多个物件的局部特征与第一影像整合成复合式影像164，并输出至影像显示装置170上以呈现复合式画面。
本发明可应用于任何需要进行取像的装置，例如相机、抬头显示器、潜望镜、远距侦测、及影像观测系统…等，亦可用与手机做结合，其中可多轴高速摆动的移动件120，可与手机内原有的防手震功能元件进一步做结合，进行即时影像撷取。
如图5A至图5C所示，当本发明作为具有瞳孔识别的人脸2D辨识装置时，图5A为第一光感应元件131所撷取大范围人体脸部的第一影像，又图5B中箭头所示为使用即时局部搜寻处理单元161控制移动件120进行局部即时搜寻，以使第二光感应元件141借由第一影像选定人眼瞳孔部位，图5C是借由望远透镜140将于第一影像中选定的人眼瞳孔以动态光学调制方式予以放大，进而在第二光感应元件141产生不失真的即时局部放大人眼瞳孔，并使用影像整合单元162将其与人体脸部整合成复合式影像164，并输出至影像显示装置170上以呈现复合式画面。
【第一实施例】
如图6A所示，为一实施例的一种动态变焦透镜多合一光学系统100，其包括：移动件120；广角透镜130；第一光感应元件131；望远透镜140；第二光感应元件141；影像处理模组160；以及影像显示装置170。其中，影像处理模组160又包括：即时局部搜寻处理单元161；及影像整合单元162。此时，由广角透镜130及望远透镜140可直接撷取外部影像。
如图6B所示，图6A亦可进一步结合第一物镜110，第一物镜110是设置于第一入射光路径P150上，用以撷取至少一个目标的至少一个第一目标影像，也就是至少一个大范围影像及至少一个局部影像。此时环境中物件的影像，是借由第一物镜110进入动态变焦透镜多合一光学系统100，并于动态变焦透镜多合一光学系统100内形成有共光轴的第一入射光路径P150。
移动件120，形成于第一入射光路径P150上，移动件120为具有可多轴高速摆动的分光元件，借由被即时局部搜寻处理单元161控制而进行上、下或左、右的二维方向或多轴高速摆动，可对于物件或目标的不同区域Area1,Area2,or Area3…等进行搜寻，并透过望远透镜140成像至第二光感应元件141。
第一入射光路径P150经过移动件120后，移动件120出光侧将再产生第一分光路径P151并投射至广角透镜130及产生第二分光路径P152并投射至望远透镜140。
广角透镜130，可以为透镜、透镜组或变焦透镜组，因此可以光学方式进行大面积取像，也就是对至少一个目标撷取至少一个大范围影像。广角透镜130，形成于第一分光路径P151上。广角透镜130的出光侧进一步设有第一光感应元件131，以使影像光信号转换成影像电信号，也就是将至少一个大范围影像转换成至少一个第一影像信号133；第一光感应元件131可以为高像素2D阵列的光感应元件，例如是CMOS光感应元件。
第一光感应元件131，形成于该广角透镜130的出光侧，可针对不同光谱感应，例如可以感应可见光或感应红外光。广角透镜130及第一光感应元件131组成了第一成像模组132，第一光感应元件131主要将至少一个大范围的影像转换成至少一个第一影像信号133。
望远透镜140，可以为透镜、透镜组或变焦透镜组，因此可以光学方式进行局部放大取像，也就是对至少一个目标撷取至少一个局部影像。望远透镜140，形成于第二分光路径P152上。望远透镜140的出光侧进一步设有第二光感应元件141，以使影像光信号转换成影像电信号，也就是将至少一个局部影像转换成至少一个第二影像信号143，第二光感应元件141可以为高像素2D阵列的光感应元件，例如是CMOS光感应元件。
第二光感应元件141，形成于该望远透镜的出光侧，可针对不同光谱感应，例如可以感应可见光或感应红外光。望远透镜140及第二光感应元件141组成了第二成像模组142。第二成像模组142主要侦测大范围即时物件或目标影像内不同区域Area1,Area2,orArea3…等的即时局部影像。第二光感应元件，将至少一个局部影像转换成至少一个第二影像信号。
即时局部搜寻处理单元161，电性连接于移动件120，其为硬件电路或软件，执行于影像处理模组160中，其可也接受使用者在人机界面171上的操作指令，在参考影像整合单元162来自广角透镜130的第一影像后，可控制移动件120进行即时局部搜寻，例如对Area1,Area2,or Area3…等区域的即时局部影像搜寻。
影像整合单元162，用以读取第二光感应元件141的至少一个局部影像信号，也就是至少一个第二影像信号143，并与读取的至少一个第一影像信号133进行影像叠合处理以成为至少一个复合式影像164，然后输出至影像显示装置170并呈现复合式画面。
影像整合单元162可以进一步包括自动影像筛选单元163，其是使用自动光学检查(Automated Optical Inspection,AOI)的技术，将广角透镜130输入的至少一个大范围影像进行自动筛选。当筛选出自动影像筛选单元内预设的至少一个物件时，然后影像整合单元162通知即时局部搜寻处理单元161控制移动件120，使望远透镜140能对所筛选出的至少一个物件，进行局部影像的撷取。
例如，当多合一光学系统100设置在交通要道上，在广角透镜130前可能有人、车辆、小动物…等影像不断进入，但此时因为自动影像筛选单元163内建人脸为筛选特征，所以当有人脸进入广角透镜130时，自动影像筛选单元163辨识到人脸的特征后，会自动传送指令给即时局部搜寻处理单元161，以控制移动件120使望远透镜140能对人脸或人脸的局部特征进行撷取，例如瞳孔或虹膜进行局部影像的撷取，然后进行后续的瞳孔或虹膜辨识。
影像显示装置170，可以是液晶显示器，其用以读取至少一个复合式影像并呈现至少一个复合式画面。影像显示装置170，除了用以显示第一影像信号133、第二影像信号143或复合式影像164外，亦可进一步具备有人机界面171，例如控制即时局部搜寻处理单元161进行运作的人机界面171。人机界面171可控制即时局部搜寻处理单元161驱动移动件120，然后对至少一个目标进行即时局部搜寻。
上述的第一光感应元件或第二光感应元件可以为2D阵列的光感应元件，又任何一个2D阵列的光感应元件前，也就是第一光感应元件131或第二光感应元件141前加入液晶透镜135,145，液晶透镜135,145透镜可根据需要，调整聚焦位置。
在整体应用上，第一成像模组132主要侦测大范围的即时影像，第二成像模组142则将第一成像模组132所侦测到大范围的即时影像，借由摆动可多轴高速摆动的移动件120，将画面中任一位置的局部影像以动态光学调制方式即时成像至第二成像模组142，借由空间频宽乘积(Space-bandwidth Product，SBP)的调制，进而产生不失真的即时放大影像，有效地解决传统以数字影像处理方式进行局部影像放大却导致影像模糊失真的问题。
此外，借由广角透镜130所成像的大范围影像不会因为移动件120的扰动而造成即时影像的扰动，因此局部放大的影像可与大范围即时影像，可借由影像整合单元162，以2D或3D或是同时结合2D与3D影像的方式，即时同步呈现于画面上，第二成像模组142的放大画面可插入至第一成像模组132的广角画面中，成为局部zoom in的整体画面。
本实施例可用于具有瞳孔识别的人脸2D辨识装置中，可在由广角透镜130所组成的第一成像模组132，进行人脸2D即时辨识的同时，又利用摆动可多轴高速摆动的移动件120，迅速将瞳孔位置借由望远透镜140所组成的第二成像模组142进行即时瞳孔或虹膜的放大，如此即可在广角时再以长镜头作细部的人脸特征成像，以作为进一步的人脸辨识或虹膜辨识。
【第二实施例】
如图7所示，第二实施例的动态变焦透镜多合一光学系统200，是将第一实施例的动态变焦透镜多合一光学系统100，在其第二分光路径P152上进一步设有第一反射元件210。
第一反射元件210可以是可多轴高速摆动性能的反光镜，第一反射元件210具有2轴的制动，借此可以使望远透镜140能借由第一反射元件210更有效率的可根据选出的标的物进行锁定与放大。
【第三实施例】
如图8所示，第三实施例的动态变焦透镜多合一光学系统300是将第二实施例的动态变焦透镜多合一光学系统200，在第一物镜与该移动件120间的其第一入射光路径P150上，进一步设有第二反射元件310。
第二反射元件310可以是可多轴高速摆动性能的反光镜，同样的第二反射元件310具有2轴的制动，借此可以使第一成像模组132及第二成像模组142能借由第二反射元件310更有效率的对标的物进行锁定与放大。
【第四实施例】
如图9A及图9B所示，第四实施例的动态变焦透镜多合一光学系统400是将第三实施例的动态变焦透镜多合一光学系统300，进一步设置具有第二物镜410，其用以撷取至少一个目标影像的第二目标影像，并形成有第二入射光路径P453，此时第一物镜110及第二物镜410若以装置于智能型手机为例，则有如手机上的一般镜头及自拍镜头。
又上述的架构中，第四实施例的动态变焦透镜多合一光学系统400，增加了第三反射元件420，第三反射元件420是设置于第二反射元件310与移动件120间的第一入射光路径P150上，且人机界面171可以控制第三反射元件420，选择性输入第一目标影像或第二目标影像。
第三反射元件420也用以将第二入射光反射至移动件120。同样的，第二入射光路径P453入射的光，经过移动件120，将再产生第一分光路径P151及第二分光路径P152。
为了使第一成像模组132及第二成像模组142可以被第一物镜110及第二物镜410所共用，因此第三反射元件420是可旋转的结构，也就是说，第三反射元件420可以借由旋转以选择来自第一物镜110或第二物镜410的影像信号，并使被选择的影像信号能投射至移动件120，以达到第一成像模组132及第二成像模组142被第一物镜110及第二物镜410所共用的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种动态变焦透镜的多合一光学系统，其特征在于其包括：
移动件，形成于第一入射光路径上，其出光侧产生第一分光路径及第二分光路径；
广角透镜，形成于该第一分光路径上，其对至少一个目标影像撷取至少一个大范围影像；
第一光感应元件，形成于该广角透镜的出光侧，并将该至少一个大范围影像转换成至少一个第一影像信号；
望远透镜，形成于该第二分光路径上，对该至少一个目标影像撷取至少一个局部影像；
第二光感应元件，形成于该望远透镜的出光侧，并将该至少一个局部影像转换成至少一个第二影像信号；
影像处理模组，其包括：
即时局部搜寻处理单元，电性连接于该移动件；及
影像整合单元，其读取该至少一个第二影像信号及该至少一个第一影像信号，并叠合成至少一个复合式影像；以及
影像显示装置，读取该至少一个复合式影像并呈现至少一个复合式画面，又该影像显示装置具有人机介界面，其控制该即时局部搜寻处理单元驱动该移动件，以对该至少一个目标进行即时局部搜寻。
2.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其进一步具有第一物镜，其是设置于该第一入射光路径上，撷取该至少一个目标的至少一个第一目标影像。
3.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该第一光感应元件或该第二光感应元件前设有液晶透镜。
4.根据权利要求2所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该进一步具有第一反射元件，其是设置于该第二分光路径上。
5.根据权利要求4所述的多合一光学系统，其特征在于：其进一步具有第二反射元件，其是设置于该第一物镜与该移动件间的该第一入射光路径上。
6.根据权利要求5所述的多合一光学系统，其特征在于：其进一步具有第二物镜，其撷取至少一个目标的第二目标影像且形成有第二入射光路径；第三反射元件，其是设置于该第二反射元件与该移动件间的该第一入射光路径上，且该人机界面控制该第三反射元件选择性输入该第一目标影像或该第二目标影像。
7.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该移动件为具有可多轴高速摆动的分光元件。
8.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该第一光感应元件或该第二光感应元件为2D阵列的光感应元件。
9.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该第一光感应元件或该第二光感应元件为可见光或红外光光感应元件。
10.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该广角透镜或望远透镜，可以为透镜、透镜组或变焦透镜组。
11.根据权利要求1所述的多合一光学系统，其特征在于：其中该影像整合单元进一步包括自动影像筛选单元，其是使用自动光学检查的技术，将广角透镜输入的该至少一个大范围影像进行自动筛选，筛选出该自动影像筛选单元内预设的至少一个物件，然后交由即时局部搜寻处理单元控制该移动件，使该望远透镜对所筛选出的该至少一个物件，进行局部影像的撷取。
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