CN110381229A - 一种分光成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分光成像装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体的一端设有镜片组，其另一端设有用于接收第二子光线的第二图像传感器；所述壳体的内壁分别设有活动承载装置Ⅰ、活动承载装置Ⅱ和用于接收第一子光线的第一图像传感器；所述第一图像传感器上设有光线聚焦焦点Ⅰ；所述第二图像传感器上设有光线聚焦焦点Ⅱ；所述活动承载装置Ⅰ与所述活动承载装置Ⅱ之间设有平板式分光片或宽带非偏正立体分光镜或宽带偏正立体分光镜构成的分光器件，该分光器件的平面与所述第一图像传感器和所述第二图像传感器的平面夹角均为45°。本发明可提高抓拍速度且成本低廉。

Description

一种分光成像装置

技术领域

本发明涉及摄像机领域，尤其涉及一种分光成像装置。

背景技术

随着技术的发展，人工智能的进步，“机器视觉”作为人工智能的一个重要部分越来越被重视，传统的摄像机技术将会得到进一步发展。有别于传统的单目摄像机，多目相机更接近生物学原理，同时在增大可视范围、视角和一些特种领域，多目相机有着不可替代的优势，比如：多波段成像、移动侦测、光学测量、快速抓拍、三维建模等等。发展多目摄像机技术及其相关应用是一个必然趋势。

在传统多目相机技术中，通常一颗镜头对应一颗光学传感器，多个镜头对应多个传感器。在某些场合，我们需要多目的摄像机实现一些特殊的功能，比如高速连拍，这个时候对镜头的具体个数没有特别的要求，反而每个独立的镜头在空间上无法重合，总会产生空间相差，对于图像拼合来说，需要算法对图象进行识别、剪裁和拼接，不但增加了开发工作的难度，同时增加了机器的算法开销。比如：如果需要对同一个物体或者同一场合亦或是对一个运动案例进行高速连续抓拍的时候，传统的做法主要有两种。第一种就是采用性能卓越但是代价高昂的高速摄像机，这种摄像机通常配有高灵敏的高速传感器，可以实现高速连拍。另一种就是采用多目摄像机，在传感器工作频率外，通过多组镜头和传感器进行交替拍摄来实现高速抓拍；但是这种方法由于镜头存在空间位置的区别，抓拍的每张图像都是不一样的，尤其是对于近距离的拍摄，空间位差更大，需要图像算法进行后期调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高抓拍速度且成本低廉的分光成像装置。

为解决上述问题，本发明所述的一种分光成像装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体的一端设有镜片组，其另一端设有用于接收第二子光线的第二图像传感器；所述壳体的内壁分别设有活动承载装置Ⅰ、活动承载装置Ⅱ和用于接收第一子光线的第一图像传感器；所述第一图像传感器上设有光线聚焦焦点Ⅰ；所述第二图像传感器上设有光线聚焦焦点Ⅱ；所述活动承载装置Ⅰ与所述活动承载装置Ⅱ之间设有平板式分光片或宽带非偏正立体分光镜或宽带偏正立体分光镜构成的分光器件，该分光器件的平面与所述第一图像传感器和所述第二图像传感器的平面夹角均为45°。

所述镜片组沿着主光轴由物侧至像侧依序包括一个凸透镜和一个凹透镜；所述凹透镜的像侧为平面。

所述分光器件的反射平面与所述镜片组的主光轴呈夹角设置。

所述第一图像传感器位于所述分光器件侧前方。

所述第二图像传感器与所述镜片组的主光轴同轴设置，并位于所述分光器件后方。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

采用本发明后，摄像机可以实现两个传感器对同一光线进行连续交替抓拍，第一传感器抓拍完成后在处理数据的时间内，第二传感器可以同时进行抓拍，实现两个传感器交替抓拍，提升了摄像机的抓拍速度，同时成本低廉。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的另一种结构示意图。

图中：L0—入射光线；1—第一子光线；2—第二子光线；3—活动承载装置Ⅰ；4—壳体；5—活动承载装置Ⅱ；6—第一图像传感器；7—第二图像传感器；8—光线聚焦焦点Ⅰ；9—光线聚焦焦点Ⅱ；10—镜片组；11—主光轴；12—分光器件。

具体实施方式

一种分光成像装置，包括壳体4。壳体4的一端设有镜片组10，其另一端设有用于接收第二子光线2的第二图像传感器7；壳体4的内壁分别设有活动承载装置Ⅰ3、活动承载装置Ⅱ5和用于接收第一子光线1的第一图像传感器6；第一图像传感器6上设有光线聚焦焦点Ⅰ8；第二图像传感器7上设有光线聚焦焦点Ⅱ9；活动承载装置Ⅰ3与活动承载装置Ⅱ5之间设有平板式分光片或宽带非偏正立体分光镜或宽带偏正立体分光镜构成的分光器件12，该分光器件12的平面与第一图像传感器6和第二图像传感器7的平面夹角均为45°。

其中：镜片组10沿着主光轴1由物侧至像侧依序包括一个凸透镜和一个凹透镜；凹透镜的像侧为平面。

分光器件12用于对入射光线进行分光。分光时可以按照照射强度分光，也可以按照入射光光谱分波长进行分光。将入射光线按照射强度分光可以将入射光以一定的百分比分开，分光的比例可按照实际需求进行调整。同样，若按光谱分光，则可以按需求指定分光波长。分光后，其中一部分入射光线透过分光器件12而另外一部分则被反射。分光器件12的反射平面与镜片组10的主光轴11呈夹角设置，保证入射光线至少有一路子光线沿镜头主光轴11的方向投射，另一路子光线则与镜头主光轴11呈角度被反射。

第一图像传感器6位于分光器件12侧前方。第二图像传感器7与镜片组10的主光轴11同轴设置，并位于分光器件12后方。第一图像传感器6和第二图像传感器7均包含感光芯片和承载感光芯片的电路板。两颗传感器分别对应分光器件12的透射方向和反射方向成像。

活动承载装置Ⅰ3和活动承载装置Ⅱ5用于调节分光器件12的位置和方向。

入射光线L0经过镜头被聚焦成像，在到达感光元件之前，经过分光器件12将入射光线L0进行分离，第一子光线1被反射到侧面的第一图像传感器6，第二子光线2则直接透过分光器件12，到达后方的第二图像传感器7；光线聚焦焦点Ⅰ8、光线聚焦焦点Ⅱ9落在相应的图像传感器感光面上。光线在两路传感器分别成像之后，信号被采集并分别生成图像；本方案的几何光学部分没有波段要求，针对任意波段的光线成像系统都可以实用，如短波的X射线成像、可见光成像、红外成像、热成像以及其他长波成像方式都可以，光线被分光系统按照设计要求进行分光，分别被两个传感器接收，在某些情况下，光学镜头尤其昂贵的时候，本设计方案能大大节省成本。

由于两个传感器获得的光线来自同一个镜头，因此不存在空间相差，可以很容易进行图像拼合。这样，不用考虑两个镜头的位置影响，可以交替使用传感器进行抓拍并处理图像数据，例如在第一图像传感器6进行抓拍时，第二图像传感器7正在处理数据，而当第一图像传感器6抓拍完成处理数据时，第二图像传感器7正好处理完数据可进行抓拍，这样交替进行就可以针对物体进行无差别高速抓拍。另外，根据不同的应用需求来设计分光器件12，例如可以通过镀膜控制分光器件12的透射和反射百分比，比如50%的光线透射，50%的光线反射或者30%的光线透射，70%的光线反射等等，实现分光比例的可调节，这样就可以控制两个镜头的进光量。

实施例1 如图1所示，在本方案中应用于一般光学成像系统，包含可见光和短波红外。以镜头焦距6~55mm，后焦距40mm~55mm的成像镜头为例。针对不同的拍摄需求可以选配不同焦距的镜头甚至采用变焦镜头。

分光器件12采用定制的平板式分光片，针对不同的应用需求，分光片可以采用不同的规格来调节分光比例，比如，本实施例中，平板式分光片对镜头入射光线进行分光，其中50%的光线沿镜头主光轴投射，另外50%的光线则被反射，分光片的制造技术非常成熟，可以根据实际需求进行定制。分光片被活动承载装置Ⅰ3和活动承载装置Ⅱ5固定在装置内，便于对平板式分光片进行调整，平板式分光片平面与两个传感器平面夹角均为45°，与镜头主光轴11也呈45°，保证入射光线至少有一路沿镜头主光轴11的方向投射，另一路则与镜头主光轴11呈垂直角度被反射。

第一图像传感器6和第二图像传感器7选用了两颗同样规格大小的图像传感器，也可以选配任意规格的传感器进行搭配，由于光线一部分是投射平板式分光片，一部分是被平板式分光片反射，投射部分需要穿过玻璃介质，两部分的光线的光程不同，因此焦距也有细微的差距，因此在本实施方案中，需要合理调整两个传感器的安装位置，让其分别落在相应方向的成像焦点上，才可以得到两张最清晰的图像，达到最佳的实用效果。

入射光线L0经过镜头被聚焦成像，在到达第一图像传感器6和第二图像传感器7之前，经过分光器件12，通过平板式分光片将入射光线进行分离，第一子光线1被垂直反射到侧面第一图像传感器6，第二子光线2则直接透过平板式分光片，到达后方的第二图像传感器7；光线在两路传感器分别成像之后，信号被采集并分别生成图像；本方案的几何光学部分没有波段要求，针对任意波段的光线成像系统都可以实用，如短波的X射线成像、可见光成像、红外成像、热成像以及其他长波成像方式都可以，光线按照强度被分光系统按照设计要求进行分光，分别被两个传感器接收。

实施例2 如图2所示，在本方案中应用于一般光学成像系统，包含可见光和短波红外。以镜头焦距6~55mm，后焦距40mm~55mm的成像镜头为例。针对不同的拍摄需求可以选配不同焦距的镜头甚至采用变焦镜头。

分光器件12采用宽带非偏正立体分光镜，宽带非偏正立体分光镜采用标准立方结构，可以根据需要设计成不同的规格需求，常用的宽带非偏正立体分光镜有可见光400~700nm波段，近红外700nm~1100nm波段和通讯波段1100~1620nm波段等。宽带非偏正立体分光镜被活动承载装置Ⅰ3和活动承载装置Ⅱ5固定在装置内，透射方向与镜头主光轴11平行，保证光线进入无遮挡。宽带非偏正立体分光镜的反射平面与两个传感器平面夹角均为45°，与镜头主光轴11也呈45°，保证入射光线至少有一路沿镜头主光轴11的方向投射，另一路则与镜头主光轴11呈垂直角度被反射，将入射光线按照各50%能量的比例进行分光，一部分沿镜头主光轴11透射，一部分被反射，由于这种结构中反射光和透射光光程是一模一样的，因此，具有同样的透射焦点，因此结构设计更容易和装配也更方便，成像的一致性更好，解决了实施例1中采用平板式分光片分光后光程不同的问题。

传感器同样可以任意搭配不同的图像传感器，以作不同的用途，由于投射光线和反射光线在光程上没有任何差别，因此不存在焦点距离区别，无需额外设计和调整两个传感器的位置，让其分别落在相应方向的成像焦点上，即可以得到两张清晰的图像。

入射光线L0经过镜头被聚焦成像，在到达第一图像传感器6和第二图像传感器7之前，经过分光器件12，通过宽带非偏正立体分光镜将入射光线进行分离，第一子光线1被垂直反射到侧面第一图像传感器6，第二子光线2则直接透过宽带非偏正立体分光镜，到达后方的第二图像传感器7；光线在两路传感器分别成像之后，信号被采集并分别生成图像；本方案的几何光学部分没有波段要求，针对任意波段的光线成像系统都可以实用，如短波的X射线成像、可见光成像、红外成像、热成像以及其他长波成像方式都可以，光线按照强度被分光系统按照设计要求进行分光，分别被两个传感器接收。

实施例3 如图2所示，以镜头焦距6~55mm，后焦距40mm~55mm的成像镜头为例。针对不同的拍摄需求可以选配不同焦距的镜头甚至采用变焦镜头。

分光器件12采用宽带偏正立体分光镜，宽带偏正立体分光镜采用标准立方结构，其功能是将混合随机偏振的入射光线分成两束互相垂直的线偏振光，其中一束线偏振光沿镜头主光轴11投射，另一束则垂直反射，在成像领域，由于大部分自然光线是圆偏振的，这种方式可以将方向完美的一分为二，而且是等比例分光，光线的偏振不影响光成像，因此对接受器来说，成像效果无影响，而对与一些依赖偏振光的特殊成像场合，本结构也能使用。

传感器同样可以任意搭配不同的图像传感器，以作不同的用途，由于宽带偏正立体分光镜也是标准立方体结构，其投射光线和反射光线在光程上没有任何差别，因此不存在焦点距离区别，无需额外设计和调整两个传感器的位置，让其分别落在相应方向的成像焦点上，即可以得到两张清晰的图像。

入射光线L0经过镜头被聚焦成像，在到达第一图像传感器6和第二图像传感器7之前，经过分光器件12，通过宽带偏正立体分光镜将入射光线进行分离，第一子光线1被垂直反射到侧面第一图像传感器6，第二子光线2则直接透过宽带偏正立体分光镜，到达后方的第二图像传感器7；光线在两路传感器分别成像之后，信号被采集并分别生成图像；本方案的几何光学部分没有波段要求，针对任意波段的光线成像系统都可以实用，如短波的X射线成像、可见光成像、红外成像、热成像以及其他长波成像方式都可以，光线按照强度被分光系统按照设计要求进行分光，分别被两个传感器接收。

Claims (5)

1.一种分光成像装置，包括壳体（4），其特征在于：所述壳体（4）的一端设有镜片组（10），其另一端设有用于接收第二子光线（2）的第二图像传感器（7）；所述壳体（4）的内壁分别设有活动承载装置Ⅰ（3）、活动承载装置Ⅱ（5）和用于接收第一子光线（1）的第一图像传感器（6）；所述第一图像传感器（6）上设有光线聚焦焦点Ⅰ（8）；所述第二图像传感器（7）上设有光线聚焦焦点Ⅱ（9）；所述活动承载装置Ⅰ（3）与所述活动承载装置Ⅱ（5）之间设有平板式分光片或宽带非偏正立体分光镜或宽带偏正立体分光镜构成的分光器件（12），该分光器件（12）的平面与所述第一图像传感器（6）和所述第二图像传感器（7）的平面夹角均为45°。

2.如权利要求1所述的一种分光成像装置，其特征在于：所述镜片组（10）沿着主光轴（11）由物侧至像侧依序包括一个凸透镜和一个凹透镜；所述凹透镜的像侧为平面。

3.如权利要求1所述的一种分光成像装置，其特征在于：所述分光器件（12）的反射平面与所述镜片组（10）的主光轴（11）呈夹角设置。

4.如权利要求1所述的一种分光成像装置，其特征在于：所述第一图像传感器（6）位于所述分光器件（12）侧前方。

5.如权利要求1所述的一种分光成像装置，其特征在于：所述第二图像传感器（7）与所述镜片组（10）的主光轴（11）同轴设置，并位于所述分光器件（12）后方。