CN110381230A - 一种前置分光结构的双目摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种前置分光结构的双目摄像装置，包括机械壳体及位于所述机械壳体一端的前进光窗口、分光装置、第一光学传感器、第二光学传感器，其特征在于：所述分光装置位于所述前进光窗口后方；所述机械壳体内还设有第一成像镜片组和第二成像镜片组。本发明通过巧妙的设计，将分光装置前置，解决了镜头后焦空间不够的问题，可以在不改变现有镜头功能和性能的基础上完成分光结构，完成双目摄像机的设计制造。

Description

一种前置分光结构的双目摄像装置

技术领域

本发明涉及摄像机领域，尤其涉及一种前置分光结构的双目摄像装置。

背景技术

目前，市面上出现最多的摄像装置是基于单摄像头的单目摄像装置。一个镜头配一个光学传感器，工作在一固定光谱波段，形成一个基于光学的图像采集摄像机。然而，随着图像采集设备应用范围越来越广，传统的单目摄像装置局限性越来越大。于是，双目甚至多目摄像机被发明出来。这些多目摄像机具有比单目相机更优秀的性能以及更加广泛的应用范围，比如光学测量、全景相机、空间建模、高速抓拍、多光谱成像等等。

通常情况下，多目相机的镜头空间上是相互独立的，每个镜头独立成像，然后通过图形图像算法完成各种各样的功能。大多数情况下，多目相机的镜头位置造成的相互之间成像的空间差异对应用是有帮助的，比如空间测量、三维建模、全景相机等等。但是，在某些时候，由于镜头空间位置造成的图像差异是需要避免的，这个时候通常的做法是对图像进行后期拼接处理。这会造成额外的负担，甚至有些时候后期处理都无法完全将图像拼接回来。比如在近距离拍摄时，由于距离足够近，镜头的空间位置差异会形成足够大的角度差异，影响两张照片的一致性。而在微距甚至是显微拍摄的时候，双目摄像就完全无法使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效解决镜头后焦空间不够问题的前置分光结构的双目摄像装置。

为解决上述问题，本发明所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，包括机械壳体及位于所述机械壳体一端的前进光窗口、分光装置、第一光学传感器、第二光学传感器，其特征在于：所述分光装置位于所述前进光窗口后方；所述机械壳体内还设有第一成像镜片组和第二成像镜片组。

所述分光装置的后方设有所述第一成像镜片组，其侧方设有所述第二成像镜片组。

所述分光装置的后方设有分别所述第一成像镜片组和所述第二成像镜片组。

所述分光装置包括一个分光棱镜，该分光棱镜由两块直角子棱镜胶合而成。

所述分光装置包括一个分光棱镜，该分光棱镜由一块直角子棱镜与一块偏移子棱镜胶合而成。

所述第一成像镜片组与所述第一光学传感器之间、所述第二成像镜片组与所述第二光学传感器之间均设有日夜转换器。

所述日夜转换器包括长波截止滤波片。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中两个镜头的成像光线来自同一束光线的分光，只有图像亮度上的区别，而没有任何空间上的差异，两张图像的一致性能够保证。也就减少了后期图像拼接处理的工作环节。这对于需要保证图像一致性的双目应用领域极具使用价值。

2、本发明通过合理的实际分光装置，可以自由调节两张图像的亮度对比，对于双目相机的设计增大了自由度。比如，应用于双目一路抓拍一路输出视频流的双目系统，可以为抓拍镜头提供更高的分光比例，增大抓拍效果。

3、由于传统镜头普遍没有足够长的光学后焦，无法在镜头后面设计分光装置，导致分光的多目摄像机一直得不到应用。除非设计专门的镜头，这会降低镜头成像质量也会增加成本。而本发明通过巧妙的设计，将分光装置前置，解决了镜头后焦空间不够的问题，可以在不改变现有镜头功能和性能的基础上完成分光结构，完成双目摄像机的设计制造。

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为本发明的示意图。

图2为本发明实施例1示意图。

图3为本发明实施例2示意图。

图4为本发明实施例3示意图。

图5为本发明实施例4示意图。

图中：001—入射光线，002—反射光线，003—透射光线，101—前进光窗口，102—机械壳体，103—分光装置，1031—直角子棱镜Ⅰ，1032—直角子棱镜Ⅱ，1033—偏移子棱镜，105—第一镜头外壳，106—第一成像镜片组，108—第二镜头外壳，109—第二成像镜片组，201—入射面，202—胶合面，203—第一出射面，204—第二出射面，205—第二全反射面，301—第一光学传感器，302—第一集成电路，303—第一焦点，304—第二光学传感器，305—第二集成电路，306—第二焦点，307—第一日夜转换装置，308—第二日夜转换装置，112—密封垫。

具体实施方式

如图1所示，一种前置分光结构的双目摄像装置，包括机械壳体102及位于机械壳体102一端的前进光窗口101、分光装置103、第一光学传感器301、第二光学传感器304。分光装置103位于前进光窗口101后方，入射光线001通过前进光窗口101直接进入分光装置103；机械壳体102内还设有第一成像镜片组106和第二成像镜片组109，用于将入射光线001被分光装置103分光处理后形成的两束子光线分别聚焦成像在第一光学传感器301和第二光学传感器304上。

实施例1 如图2所示，分光装置103的后方设有第一成像镜片组106，其侧方设有第二成像镜片组109，用于将入射光线001被分光装置103分光处理后的两束子光线分别聚焦投射在第一光学传感器301和第二光学传感器304上，两束子光线分别分别为反射光线和透射光线。

前进光窗口101采用高透光学玻璃作为入射光窗口片，表面镀增透膜，以增强透光率；镀高硬度保护膜，防止镜片表面划伤。厚度设计为1~3mm，面积大小保证能完全覆盖分光装置103的入射面201。机械壳体102内置密封垫112，机械壳体102与分光棱镜采用胶合或者固定螺母的方式紧固，达到固定、防尘、防水的要求。同时，机械壳体102往后延伸继续用于固定分光装置和光线成像镜头系统。

分光装置103采用采用标准立方分光棱镜，其工作波长为400nm~700nm包含全部可见光波段，该分光棱镜由直角子棱镜Ⅰ1031、直角子棱镜Ⅱ1032胶合而成，两块棱镜通过胶合形成一块标准立方棱镜，分光棱镜包含胶合面202。胶合面202中其中镀有合适的干涉膜，可以提供指定的反射率/透射率以满足不同的需求，尽可能提高光学效率。镀有干涉膜层的胶合面202也就是分光面，起到对由前进光窗口101入射的入射光线001进行分光的作用。由于分光装置103是标准立方分光棱镜，其入射面201，第一出射面203，第二出射面204均与分光面202呈45°夹角，因此反射光线002刚好与入射光线001呈90°被反射，并由与入射面201垂直的第二出射面204射出。而透射光线003则由与入射面201平行的第一出射面203射出，透射光线003被第一成像镜片组106会聚成像；由第二出射面204出射的反射光线002，被第二成像镜片组109会聚成像。

成像镜头采用市场上标准高清定焦光学镜头，由外壳、光圈调节螺纹、后焦螺纹、机械后焦螺纹以及光学镜片组组成，主要对可见光波段进行成像，并且第一成像镜片组106和第二成像镜片组109分别通过第一镜头外壳105和第二镜头外壳108与机械壳体102连接。

第一光学传感器301和第二光学传感器304采用与镜头相对应的彩色图像传感器及搭配的固定电路板及其相应的第一集成电路302和第二集成电路305。传感器感光面严格落在镜头的光学后焦平面，即第一焦点303和第二焦点306。系统装配误差由镜头的机械后焦来调节，可以采用自动对焦也可以采用手动对焦。

本实例中，镜头、感光器件以及整个光学系统基本满足90°对称结构。光线通过立方分光棱镜之后所分的两束光的光程也一样，整个系统保证了两个成像部分所成的像的一致性。同时，分光产生的两束光线除强度按照设计有所差别外，其它都参数都基本一致，因此两套成像系统和传感器系统也可以选择相同的配置。

实施例2 如图3所示，分光装置103的后方设有分别第一成像镜片组106和第二成像镜片组109，用于将入射光线001被分光装置103分光处理后的两束子光线分别聚焦投射在第一光学传感器301和第二光学传感器304上。

分光装置103采用宽带非偏振立方分光棱镜镜，工作波长为400nm~1100nm，其结构跟实施例1相同，由直角子棱镜Ⅰ1031、直角子棱镜Ⅱ1032胶合而成，胶合面202镀功能薄膜实现分光功能。入射面201，第一出射面203，第二出射面204与实施例1中相同，由于薄膜反射光一般会产生偏振光，采用额外设计的偏振膜系，并将偏振膜分别镀在第一出射面203与第二出射面204上，抑制偏振光的产生，保证反射光和透射光的偏正性极低，经一步增加两束光的一致性。增大了工作波长范围，包含可见光和近红外波段，也是一般图像传感器工作波段。

光学镜头部分组成跟实施例1一样。包含第一成像镜片组106、第二成像镜片组109以及包含相应的第一镜头外壳105和第二镜头外壳108，与实施例1略有差异的地方在于：由于工作的光线波长范围发生变化，需要变更镜头参数，以适应更宽的成像光谱范围。同时，考虑到近红外光线对成像的影响，在第一成像镜片组106、第二成像镜片组109后面加装包含长波截止滤波片的第一日夜转换装置307和第二日夜转换装置308。日夜转换装置主要包括外壳、一片长波截止滤波片，一片与长波截止滤波片等大小的高透光学玻璃、切换装置以及驱动系统。主要作用在于，日间光照充足的情况下，过滤掉近红外光以增强色彩还原效果；夜间切掉滤波片，使红外光透过以增强图像亮度。

第一光学传感器301和第二光学传感器304采用与实施例1一样的结构，包含对应的彩色图像传感器及搭配的固定电路板和相应的集成电路，传感器感光面严格落在镜头的光学后焦平面，即第一焦点303和第二焦点306。系统装配误差由镜头的机械后焦来调节，可以采用自动对焦也可以采用手动对焦。

本例中整体结构与实施例1略有差别。继承了实施例1中的结构设计，使镜头、感光器件以及整个光学系统基本满足90°对称，光线通过立方分光棱镜之后所分的两束光的光程也一样，整个系统保证了两个成像部分所成的像的一致性。同时，采用的宽带非偏振立方分光镜将分光后的光线偏振差异降到最小，进一步保证了两个成像部分所成的像的一致性。同时增大分光结构的工作范围，增设日夜转换器结构，进一步增大了摄像机的工作光谱范围和应用领域。

实施例3 分光装置103包括一个分光棱镜，分光棱镜由一块三角形子棱镜与一块偏移子棱镜胶合而成。第一成像镜片组106、第二成像镜片组109与第一光学传感器301、第二光学传感器304之间分别设有日夜转换器。日夜转换器包括长波截至滤波片。

由于考虑到光线从镀膜面反射，必然会产生线偏振光，导致透射光和反射光分偏振成分不同，可以通过设计优化膜系结构降低这种影响却无法避免。而某些时候，偏振光是有用的。因此在本实施例中，主要是为了实现对光线的偏正分光摄像。

如图4所示，整体结构设计和组成与实施例2是相似的。唯独分光装置103采用的是宽带偏振立方分光棱镜，其工作波段为400nm~1100nm，可以将自然光中的S偏振光被转折90°反射，P偏振光则透射。结构上依旧由直角子棱镜Ⅰ1031、直角子棱镜Ⅱ1032胶合而成，胶合面202镀功能薄膜实现分光功能。镀膜面被设计为能将S偏振光反射，P偏正光投射，立方棱镜其它各表面均镀减反膜，减小反射影响。

本实施例中整体结构与实施例2是一模一样的。唯一的区别在分光装置实用的标准立方棱镜的分光功能不同。本例中，不考虑分光后两束光偏振性不一样而造成的一致性差异，而是突出其不同的偏正性以达到特殊用途。比如应用到某些需要抑制偏正光的场合。

实施例4 由于考虑到正交排列的成像系统会导致结构臃肿，不利于摄像机整体结构的紧凑性。因此，对整体结构进行了调整，将成像系统由正交排列改成平行排列，结构示意图如图5所示。

首先前进光窗口101与前面三个实施例是相似的，机械壳体102，内置密封垫112，机械壳体102与分光装置103之间采用胶合或者固定螺母的方式紧固，达到固定、防尘、防水的要求。同时，机械壳体102往后延伸继续用于固定分光装置和光线成像镜头系统。不同的是，机械壳体102需要根据分光装置和镜头排列的变化做出适当的结构调整，整个机械壳体102为五边形，下半部分为长方形，用于放置镜片组，上半部分为梯形，用于放置分光棱镜103。

分光装置103采用一块横向偏移分光棱镜，由一块直角子棱镜Ⅰ1031和一块偏移子棱镜1033胶合而成，包含胶合面202，胶合面202镀功能薄膜实现分光功能。整个分光装置103包含入射面201、胶合面202、第二全反射面205、第一出射面203和第二出射面204组成。工作波长400nm~1100nm。两块棱镜通过高紧密设计和制造，保证出射的两束光线角度误差小于30弧秒。入射面和出射面均镀膜以保证透光率。

入射光线001由前进光窗口101入射，进入分光装置103。由入射面201进入，在与入射面呈45°夹角的胶合面202上分光，分成反射光线002和透射光线003两个部分。反射光线002部分呈90°被反射到与胶合面202平行的第二全反射面205上发生全反射经一步改变方向，最终从第二出射面204射出。透射光线003部分则透过胶合面202，到达第一出射面203射出。反射光线002和透射光线003的最终出射光束保持平行，但空间上却有一定的偏移。

由于出射光反射光线002和透射光线003是有一定空间位差的平行光束。因此光学成像系统的第一成像镜片组106和第二成像镜片组109可以实现如图上所示的平行排列。由于工作波长包含可见光和近红外波段，每个镜片组后面配第一日夜转换器307。

第一成像镜片组106和第二成像镜片组109各搭配第一光学传感器301和第二光学传感器304，同样平行排列在在固定电路板上。两个镜头的光学后焦焦点第一焦点303和第二焦点306落在传感器上。

本实施例中，通过采用横向偏移分光棱镜，将分光后的两束光线中的反射光方向转折到与入射光平行的方向。这样可以将后续的两个光学成像系统在空间上平行排列。这种传统的双目摄像系统排列方式可以很好的节省空间，增加系统的紧凑性，又能保证两个成像系统的成像一致性。

Claims (7)

1.一种前置分光结构的双目摄像装置，包括机械壳体（102）及位于所述机械壳体（102）一端的前进光窗口（101）、分光装置（103）、第一光学传感器（301）、第二光学传感器（304），其特征在于：所述分光装置（103）位于所述前进光窗口（101）后方；所述机械壳体（102）内还设有第一成像镜片组（106）和第二成像镜片组（109）。

2.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）的后方设有所述第一成像镜片组（106），其侧方设有所述第二成像镜片组（109）。

3.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）的后方设有分别所述第一成像镜片组（106）和所述第二成像镜片组（109）。

4.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括一个分光棱镜，该分光棱镜由两块直角子棱镜胶合而成。

5.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括一个分光棱镜，该分光棱镜由一块直角子棱镜与一块偏移子棱镜胶合而成。

6.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述第一成像镜片组（106）与所述第一光学传感器（301）之间、所述第二成像镜片组（109）与所述第二光学传感器（304）之间均设有日夜转换器。

7.如权利要求1所述的一种前置分光结构的双目摄像装置，其特征在于：所述日夜转换器包括长波截止滤波片。