CN111556308A - 镜头、三维成像模组及三维成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镜头、三维成像模组及三维成像设备。镜头具有入射轴，镜头包括透镜元件，透镜元件包括至少两个子透镜，子透镜为非旋转对称结构，每一子透镜包括有效通光部，透镜元件中的有效通光部关于入射轴旋转对称，透镜元件中的有效通光部用于通过入射光束，以在镜头的像侧形成相互分离的成像画面，成像画面的数量与透镜元件中子透镜的数量相等。在上述镜头中，非旋转对称的结构能够使子透镜于径向上的结构尺寸得到缩减，从而有利于两个或多个子透镜容置在一个镜头内，此时通过该镜头便可获得至少两个针对被摄物的不同角度的成像画面，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使系统能够更好地对狭窄空间进行三维成像。

Description

镜头、三维成像模组及三维成像设备

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别是涉及一种镜头、三维成像模组及三维成像设备。

背景技术

传统的三维立体成像一般通过在不同角度设置两个或者更多的镜头，通过在不同角度获取同一被摄物体的二维图像，进而通过对比分析不同角度之间的二维图像信息以获得三维数据。但这种传统的三维成像设备由于需要多个镜头以实现三维测量，因此设备中用于安装镜头的结构尺寸较大，在使用时存在较大的操作局限性。

发明内容

基于此，有必要针对如何以小尺寸结构获取三维成像信息的问题，提供一种镜头、三维成像模组及三维成像设备。

一种镜头，具有入射轴，包括透镜元件，所述透镜元件包括至少两个子透镜，所述子透镜为非旋转对称结构，每一所述子透镜包括有效通光部，所述透镜元件中的任意两个所述有效通光部关于所述入射轴旋转对称，所述透镜元件中的所述有效通光部能够通过入射光束，以在镜头的像侧形成相互分离的成像画面，所述成像画面的数量与所述透镜元件中所述子透镜的数量相等。

在上述镜头中，相较于一般的具有旋转对称结构的透镜而言，非旋转对称的结构能够使所述子透镜于径向上的结构尺寸得到缩减，从而能够使两个或多个所述子透镜容置在一个镜头内，此时通过该镜头便可获得至少两个针对被摄物的不同角度的成像画面，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使三维成像系统实现小尺寸设计，同时使系统能够更好地对狭窄空间进行三维成像。对各所述成像画面中的凹陷、凸起等特征进行终端分析后便可得到相应特征的深度、高度等三维信息。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的各所述子透镜由一个透镜切分而成。

在其中一个实施例中，所述镜头包括至少两个成像单元，每一所述成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述子透镜，每一所述子透镜包含于一个所述透镜元件。

在其中一个实施例中，同一所述透镜元件中的各所述子透镜在垂直于入射轴的方向上间隔设置或错位设置。

在其中一个实施例中，所述子透镜包括弧形边缘，所述子透镜的弧形边缘远离所述入射轴。

在其中一个实施例中，所述镜头满足以下任意一种方案：

所述透镜元件包括两个所述子透镜，沿平行于所述入射轴的方向上，两个所述子透镜在垂直于所述入射轴的平面上的投影形状为半圆形；

所述透镜元件包括三个所述子透镜，沿平行于所述入射轴的方向上，其中两个所述子透镜在垂直于所述入射轴的平面上的投影形状为扇形，另一个所述子透镜在垂直于所述入射轴的平面上的投影形状为半圆形；

所述透镜元件包括四个所述子透镜，沿平行于所述入射轴的方向上，四个所述子透镜在垂直于所述入射轴的平面上的投影形状为扇形。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的各所述子透镜围绕所述入射轴。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的任意两个所述子透镜关于所述入射轴旋转对称。

在其中一个实施例中，所述镜头包括光圈，所述光圈的数量与所述透镜元件中的所述子透镜的数量相同，沿平行于所述入射轴的方向上，所述透镜元件中的每个所述子透镜分别与一个所述光圈在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠。

在其中一个实施例中，任意两个所述光圈关于所述入射轴旋转对称。

在其中一个实施例中，所述镜头包括两个光圈，两个所述光圈的中心连线倾斜于两个所述子透镜的重心连线。

在其中一个实施例中，各所述光圈的孔径相同。

一种三维成像模组，包括图像传感器及上述任一项所述的镜头，所述图像传感器设置于所述镜头的像侧。

通过采用上述镜头，所述三维成像模组的横向尺寸能够得到有效缩减，从而扩展模组的使用空间，使所述三维成像模组能够对狭窄空间进行更高效灵活的三维成像。

在其中一个实施例中，所述图像传感器的数量为一个。

在其中一个实施例中，所述三维成像模组包括光源，所述光源用于照射被摄物。

一种三维成像设备，包括上述任一项所述的三维成像模组。所述三维成像设备可应用于医疗、工业制造等领域，由于所采用的上述三维成像模组的横向尺寸较小，所述三维成像设备能够对狭窄空间进行高效灵活的三维探测。例如，当所述三维成像模组设置于设备的探头中时，模组的小尺寸特性可使探头的尺寸做得更小，从而提高探头于狭窄空间中的操作灵活性。

附图说明

图1包括本申请一实施例中镜头于两种视角下的示意图；

图2为图1中镜头所对应的成像画面的分布示意图；

图3为本申请一实施例中三维成像模组的结构示意图；

图4为本申请另一实施例中三维成像模组的结构示意图；

图5为本申请一实施例的镜头中子透镜与光圈的配置示意图；

图6为图5的镜头所对应的成像画面的分布示意图；

图7为本申请另一实施例的镜头中子透镜与光圈的配置示意图；

图8为图7的镜头所对应的成像画面的分布示意图；

图9为本申请另一实施例的镜头中子透镜与光圈的配置示意图；

图10为本申请另一实施例中镜头的透镜元件的示意图；

图11为图10的镜头所对应的成像画面的分布示意图；

图12为本申请另一实施例中镜头的透镜元件的示意图；

图13为本申请另一实施例中镜头的透镜元件的示意图；

图14为图13的镜头所对应的成像画面的分布示意图；

图15为本申请一实施例中三维成像模组的结构示意图；

图16为本申请一实施例提供的一种三维成像设备的部分结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

传统的三维立体成像一般通过在不同角度设置两个或者更多的镜头，通过在不同角度获取同一被摄物体的二维图像，进而通过对比分析不同角度之间的二维图像信息以获得三维数据。但这种传统的三维成像设备尺寸较大，在使用时存在较大的操作局限性。

参阅图1，本申请的一些实施例提供了一种镜头10。镜头10具有正光焦度，用于将被摄物的影像信息会聚至成像面103上。镜头10包括一个镜筒100和一个具有异形结构的透镜元件110，透镜元件110安装于镜筒100内，镜筒100的物端开设有一个入光孔1001，入光孔1001的中心轴与镜头10的入射轴101共线，且镜头10的成像面103垂直于入射轴101，成像面103可以是图像传感器的感光表面。

在这些实施例中，透镜元件110包括在垂直于入射轴101的方向上相互间隔设置的两个子透镜，两个子透镜均为非旋转对称结构，即不存在任一对称轴，使得任一子透镜能够绕该对称轴旋转θ角(0＜θ＜360°)后依然能够与未旋转时的子透镜重合。两个子透镜关于入射轴101中心对称设置，存在中心对称关系的两个子透镜的结构相同，例如两个子透镜的物侧面的面型相同，且像侧面的面型也相同。沿平行于入射轴101的方向上，两个子透镜在成像面103上的投影形状为相同的半圆形，且两个子透镜在垂直于入射轴101的方向上能够通过平移拼接成一个完整的透镜。另一方面，子透镜包括弧形边缘1107，子透镜的弧形边缘1107远离入射轴101，若上述两个呈半圆形的子透镜拼接成一个完整的透镜，则两个子透镜的弧形边缘1107将作为该透镜的物侧面或像侧面的有效通光边缘。

具体地，两个子透镜可由一个完整的透镜均等切分而成，切分路径经过且平行于该透镜的光轴，两个子透镜经切割后所形成的切面为平面且保持相互平行，切分后的两个子透镜沿垂直于透镜光轴的方向间隔设置。上述完整的透镜具有正光焦度，且透镜的物侧面可以为球面或非球面，像侧面也可以为球面或非球面，从而当分隔为两个子透镜时，子透镜物侧面和像侧面也将拥有相应的面型。

在图1所展现的实施例中，每个子透镜能够形成一个成像单元，每个成像单元对应一个成像画面，入射光束经各成像单元调节后，能够在镜头10的成像面103上形成与成像单元数量相同的成像画面。其中，每一子透镜包括有效通光部1101，具体地，任一子透镜的物侧面和像侧面均包含一个有效通光部1101，同一透镜元件110中的任意两个有效通光部1101之间关于入射轴101旋转对称。对于能够通过子透镜以在成像面形成相应成像画面的入射光束，该入射光束在该子透镜中所经过的区域即为该子透镜的有效通光部1101。在一些实施例中，同一透镜元件110中的任意两个子透镜之间关于入射轴101旋转对称。另外，在一些实施例中，同一透镜元件110中的其中两个有效通光部1101关于入射轴101的旋转对称角度可以为但不限于60°、90°、120°、180°。其中，当两个有效通光部1101关于入射轴101呈180°旋转对称时，即这两个有效通光部1101关于入射轴101中心对称。

上述子透镜之间的间隔设置能够将成像面103上的成像画面分隔开来，从而能够在系统终端对两个成像画面中的相应特征进行三维分析。

可参考图2，当镜头10中的透镜元件110为一个完整透镜时，被摄物体在经该透镜会聚后能够在镜头10的成像面103上形成一个原始成像画面104。而如上述实施例将透镜元件110分为两个相互间隔设置的子透镜时，入射光束在经过每个子透镜后将分别在成像面103上对应形成一个新的成像画面，两个新的成像画面能够体现同一被摄物区域的不同角度的成像，其中成像面103上的原始成像画面104将随着子透镜之间的间隔距离增大而将逐渐分离出两个新的成像画面。其中，当将两个子透镜沿一方向平移一段距离后能够拼接成一个完整透镜时，该距离即可称为两个子透镜的间隔距离。成像画面的分离方向部分取决于子透镜相对于入射轴101的远离方向，例如以未切分的一个整体透镜为参考，当该透镜相对于入射轴101沿一方向切分为两个间隔设置的子透镜时，则切分后的两个子透镜所对应的成像画面同样将沿该方向分离。当子透镜之间的间隔距离足够大时，两个新的成像画面将彻底相互分离，互不重叠，此时两个新的成像画面之间将出现间隔。随后，对两个间隔排布的成像画面中的凹陷、凸起等特征进行终端分析后便可得到相应特征的深度、高度等三维信息，终端分析方法包括但不限于双目测距方法等。

在上述实施例的设计中，仅需将镜头10中的子透镜沿垂直于入射轴101的方向分隔一段距离设置以使两个新的成像画面出现间隔即可，从而通过一个镜头10便可获得两个针对被摄物的不同角度的成像画面。相较于一般的具有旋转对称结构的透镜而言，非旋转对称的结构能够使子透镜于径向上的结构尺寸得到缩减，从而能够使两个或多个子透镜容置在一个镜头内。且相较于两个甚至更多镜头10数量的设计而言，上述单镜头10设计能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使三维成像系统实现小尺寸设计，因此也有利于缩小三维成像设备中用于安装镜头10的结构的尺寸，使设备能够更好地对狭窄空间进行三维成像。例如，当镜头10安装于内窥镜的探头中时，由于只需一个镜头10便可实现三维信息的获取，因此可有效减小探头的尺寸，从而提高探头于狭窄空间中的操作灵活性。

继续参考图1，在一些实施例中，镜头10包括光圈，光圈可以与镜筒100一体成型。光圈的数量与透镜元件110中的子透镜的数量相同，且同一透镜元件110中每个子透镜与光圈一一对应，其中每个子透镜与光圈共同构成一个成像单元。沿平行于入射轴101的方向上，每个子透镜与其对应的光圈在成像面103上的投影存在重叠。另外，任意两个光圈关于镜头10的入射轴101中心对称，且各光圈的孔径相同，从而确保经每个成像单元所成的成像画面的亮度趋于一致，且画面大小也趋于一致，进而有利于终端分析的准确性。除了以中心对称的方式设置外，一些实施例中的任意两个光圈也可以以其他旋转对称的方式设置，具体设置方式根据透镜元件110中的子透镜的设置方式决定。光圈也能够用于限制边缘光束，抑制由边缘光束所带来的球差，并控制成像画面的景深。在另一些实施例中，光圈与镜筒100相对独立，此时光圈能够在透镜元件110安装至镜筒100中时一并装配。在图1所展现的实施例中，两个子透镜分别为第一子透镜1111和第二子透镜1112，而两个光圈分别为第一光圈121和第二光圈122，第一光圈121设置于第一子透镜1111的像侧，第二光圈122设置于第二子透镜1112的像侧，第一光圈121和第二光圈122的中心的连线垂直于入射轴101，且沿平行于入射轴101的方向上，第一子透镜1111与第一光圈121在成像面103上的投影存在重叠，第二子透镜1112与第二光圈122在成像面103上的投影存在重叠。

结合参考图2，第一子透镜1111和第一光圈121构成第一成像单元1021，第二子透镜1112和第二光圈122构成第二成像单元1022，相应地，分离的两个成像画面分别为第一成像画面1051和第二成像画面1052，第一成像单元1021对应第一成像画面1051，第二成像单元1022对应第二成像画面1052，入射光束经过镜筒100的入光孔1001进入镜头10，且在经过第一成像单元1021调节会聚后在成像面103上形成第一成像画面1051，在经过第二成像单元1022调节会聚后在成像面103上形成第二成像画面1052。对于被摄物体上的一个凹陷或凸起的特征结构而言，凹陷及凸起在成像画面中的对应成像将出现不同的程度的弥散，且间隔设置的第一成像单元1021和第二成像单元1022能够以不同角度对特征结构进行成像，从而使镜头10同样拥有双目视觉的效果，通过对第一成像画面1051和第二成像画面1052上的同一特征进行终端分析，例如对特征成像的弥散情况及/或两个画面中的特征成像的间隔距离进行分析，从而得出特征结构的深度信息。通过借助上述实施例中的镜头10，即可利用被摄物体的二维成像信息重建出三维成像信息，进而实现针对被摄物体的三维成像。

在另一些实施例中，第一光圈121可设置于第一子透镜1111的物侧，而第二光圈122也可设置于第二子透镜1112的物侧，且第一子透镜1111与第二子透镜1112的中心连线仍垂直于入射轴101。子透镜和光圈关于入射轴101的对称设置有利于提升成像画面的亮度、清晰度、大小的一致性，进而有利于终端分析的准确性。

另外，为防止第一子透镜1111和第二子透镜1112之外的入射光束也到达图像传感器，因此在一些实施例中，镜头10还包括挡光板130，挡光板130连接于透镜元件110中的各子透镜之间，且挡光板130不透光。挡光板130可以是金属板或塑料板，挡光板130可垂直于入射轴101设置。挡光板130上可设置黑色涂层，以防止入射光束被挡光板130反射后在镜头10中形成杂散光。通过连接各子透镜，挡光板130也能起到增加子透镜之间的安装稳定性的作用。

参考图3，图3的实施例提供了一种三维成像模组20，三维成像模组20包括一个图像传感器210及以上实施例的镜头10，图像传感器210设置于镜头10的像侧。图像传感器210可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS元件(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)。镜头10的成像面103与图像传感器210的感光表面重叠，镜头10的入射轴101垂直于感光表面，且经过感光表面的中心。来自被摄物体的光束经镜头10会聚后能够在图像传感器210的感光表面上形成两个相互间隔的成像画面。特别地，当图像传感器210的数量为一个时，各成像画面均能够形成于该图像传感器210上，从而可有效控制模组的横向尺寸，进一步实现三维成像模组20的小尺寸设计。

图像传感器210上的感光表面的形状一般为矩形，在一些实施例中，各子透镜的分隔方向平行于感光表面的长度方向，且沿平行于该长度方向的方向上，子透镜之间的间隔距离大于或等于感光表面长度的一半，从而有利于在感光表面上形成两个分隔的成像画面。上述子透镜之间的间隔距离可理解为两个子透镜沿平行于长度方向上的最小距离。进一步地，沿平行于该长度方向的方向上，子透镜之间的间隔距离应小于或等于感光表面长度的四分之三，从而防止由于子透镜之间的间隔距离过大而引起的成像质量下降的问题。

以上，通过采用上述镜头10，三维成像模组20的横向尺寸能够得到有效缩减，从而扩展模组的使用空间，使三维成像模组20能够对狭窄空间进行更高效灵活的三维成像。需要注意的是，除了仅设置一个图像传感器210外，三维成像模组20中也可设置两个或多个图像传感器210，每个图像传感器210对应一个或两个成像画面。

另一方面，为了避免干扰光到达成像面103，三维成像模组20还包括滤光片，滤光片设于镜头10与图像传感器210之间，或者也可以设置于镜头10的物侧，如盖设于镜筒100的入光孔1001，以上均可称滤光片设于图像传感器210的物侧。针对工作光线的波段不同，滤光片可以为可见光带通滤光片或红外带通滤光片。一般地，在将二维图像重建为三维图像的方法中，对一个范围内的波段或者特定一种波段的成像均有相对应的分析方法。当三维成像模组20能够对可见光成像进行三维重建时，模组中的滤光片可以为红外截止滤光片，从而可滤除红外光，防止红外光对可见光成像造成干扰。

在一些实施例中，三维成像模组20包括光源，光源相对镜头10固定设置。光源用于照射被摄物，滤光片用于通过光源所发出的波长的光线，镜头10通过接收光源照射至被摄物并被反射回的光线，以在图像传感器210上形成相应的成像画面。具体地，在一个实施例中，当三维成像模组20需要针对一个特定波段(如900nm的红外光)进行成像时，三维成像模组20可额外设置一个红外光光源，以对被摄物体照射900nm的红外光，而此时滤光片可选择针对900nm的窄带通滤光片，从而滤除900nm波长以外的入射光束。在另一些实施例中，也可不设置滤光片，而是在子透镜的物侧面及/或像侧面上设置滤光膜以实现滤光效果。除了能够照射该波长的红外光外，一些实施例中的光源也可照射其他波长的红外光，或者也可以照射单色可见光。

需要注意的是，各子透镜和各光圈的设置方式并不限于上述实施例所提及的方案。可参考图4，在一些实施例中，各子透镜的轴向1102倾斜于入射轴101，对于倾斜设置后的各子透镜，子透镜的物侧面相较像侧面更靠近入射轴101。其中，当两个子透镜拼接为一个透镜时，子透镜的轴向1102即平行于该透镜的光轴。在一些实施例中，子透镜的轴向1102与镜头10的入射轴101之间的夹角为1°～20°。倾斜设置的子透镜能够增大各成像画面之间的间隔距离，即各子透镜能够以更小的间隔距离便使所对应的成像画面之间形成间隔关系，从而有利于进一步缩小镜头10的横向尺寸。另外，通过对倾斜角度的控制，也有利于避免成像画面之间的间隔距离过大而导致各成像画面上存在特征信息的区域超出图像传感器210的成像范围。同样地，与子透镜对应的光圈也与相应的子透镜同步倾斜设置，一同倾斜设置的光圈的中心轴平行于所对应的子透镜的轴向1102，以此确保成像画面各处的亮度一致性。以上各子透镜和光圈的倾斜设置也可理解为所对应的成像单元的整体倾斜设置，当各成像单元的结构相同或几近相同时，各成像单元在关于入射轴101倾斜设置后也应关于入射轴101呈旋转对称关系。

另一方面，光圈的具体设置位置可以多样，并不限于图1所展现的设置方案。可对比图1和图5，在图1所展现的实施例中，两个光圈中心的连线方向平行于两个子透镜的分隔方向；而在图5所展现的实施例中，两个光圈的中心连线倾斜于两个子透镜的重心连线。根据光圈的位置不同，相应成像画面的位置也将发生改变。具体可结合图5和图6，图6体现了图5实施例中的镜头10所对应的成像画面的排布，图6中的方框体现了图像传感器210的感光表面，子透镜之间的分隔方向平行于感光表面的长度方向，此时当光圈的中心的连线方向倾斜于两个子透镜的分隔方向时，两个成像画面在沿长度方向分离后，也会在倾斜于长度方向的方向上发生位移，即两个成像画面将沿感光表面的对角线方向间隔排布，以此可提高感光表面的利用率，且能够增大被摄物体上相同特征在成像面103上的成像间隔，进而有利于提高所重建的三维信息的精确性。

除了间隔设置的方式外，镜头10元件中的子透镜也能够通过错位设置方式以获得间隔的成像画面。可参考图7，在一些实施例中，能够拼接成一个完整透镜的两个子透镜在垂直于入射轴101的一方向上错位设置，错位设置的两个子透镜保持抵接，且当将这两个子透镜沿错位方向反向移动时，即能够两个子透镜重新拼接为一个完整的透镜。同时参考图8，通过错位设置，两个新的成像画面的分离距离将随着两个子透镜之间的错位距离增大而增大，且两个新的成像画面的分离方向部分取决于两个子透镜的错位方向。在错位设置的实施例中，当将两个子透镜沿一方向平移一段距离后能够拼接成一个完整透镜时，该距离即可称为两个子透镜的错位距离。

在本申请的实施例中，当描述同一透镜元件110中的各子透镜间隔设置或错位设置时，均可称各子透镜分离设置，即分离设置并不意味着相应的各子透镜一定为间隔设置，也可以是抵接状态下的错位设置。子透镜间的分离方向代表着子透镜间的间隔方向或错位方向。

另一方面，光圈与子透镜之间的位置关系也决定了两个新的成像画面的分离方向及分离距离。在一些实施例中，每个子透镜对应配置一个光圈以形成一个成像单元，两个光圈在垂直于入射轴101的平面上存在间隔。在这些实施例中，两个成像单元中的光圈在垂直于错位方向及入射轴101的方向上存在一间隔距离，该间隔距离的大小将直接影响两个新的成像画面在该方向上的分离距离。因此，正是因为图7实施例中第一子透镜1111与第二子透镜1112在错位方向上存在错位距离，且对应的第一光圈121与第二光圈122在垂直于错位方向的方向上存在间隔距离，因此最终在成像面103上的两个新的成像画面在平行及垂直错位方向的方向上均存在分离距离，从而展现出图8所示的沿对角线分离的情况。

在图7所展现的实施例中，沿平行于入射轴101的方向上，第一光圈121和第一子透镜1111在成像面103上的投影存在一条对称轴，第二光圈122和第二子透镜1112在成像面103上的投影也存在一条对称轴，两条对称轴可参考图7中的虚直线，两条对称轴分别经过两个光圈的投影中心。

参考图9，在另一些实施例中，第一光圈121和第二光圈122也可偏离上述相应的对称轴设置。在图9所展现的实施例中，随着第一光圈121和第二光圈122在错位方向上的进一步远离，其对应的第一成像画面1051和第二成像画面1052在该错位方向上的分离距离也将进一步增大。在这些实施例中，第一光圈121和第二光圈122保持关于入射轴101旋转对称的关系，且两者的孔径相同。

通过对透镜元件110中的子透镜实现间隔、错位设计，并通过调节光圈的设置位置，从而可灵活地获得呈预期排布、分隔关系的各成像画面。另外，子透镜之间的设置关系及光圈之间的设置关系并不限于以上实施例的描述，但凡能够通过以上设置原理获得预期的图像画面的均应包含于本申请的记载范围。

进一步地，透镜元件110中的子透镜的数量除了可以是以上实施例所展现的两个外，也可是三个、四个或更多个。此时，各子透镜依然设置于一个镜筒内，且各子透镜同样可由一个透镜切分而成，且切分后的每个子透镜均为非旋转对称结构。相较于多个具有完整透镜的镜头而言，上述设计中的每个子透镜均相对于完整透镜具有更小的径向尺寸，从而可安装至一个镜头内，减小模组的横向尺寸，且入射光束通过上述子透镜后同样能够形成分离的成像画面

具体地，可参考图10，在一些实施例，透镜元件110包括四个子透镜，沿平行于入射轴101的方向上，四个子透镜在成像面103上的投影形状为扇形，四个子透镜相互间隔设置，且四个子透镜的面型一致，沿平行于入射轴101的方向上，四个子透镜在成像面103上的投影形状为扇形，四个子透镜关于镜头10的入射轴101旋转对称，一些实施例中具体可以为中心对称。以上，当将四个子透镜靠近入射轴101移动时可拼接形成一个完整的透镜。具体地，可将一个完整的透镜均等切分为四个子透镜，切分路径经过且平行于透镜的中心轴，随后将四个子透镜沿原透镜的径向平移相同的一段距离，移动后且被镜筒100固定的四个子透镜属于一个透镜元件110，该透镜元件110关于入射轴101旋转对称。

在图10所展现的实施例中，镜头10还包括四个光圈，每个光圈分别对应一个子透镜，每组呈对应关系的子透镜和光圈构成一个成像单元。即，镜头10包括四个成像单元，分别为第一成像单元1021、第二成像单元1022、第三成像单元1023及第四成像单元1024，第一成像单元1021包括第一子透镜1111和第一光圈121，第二成像单元1022包括第二子透镜1112及第二光圈122，第三成像单元1023包括第三子透镜1113及第三光圈123，第四成像单元1024包括第四子透镜1114及第四光圈124。各成像单元之间间隔设置，且关于入射轴101对称，在同一个成像单元中，子透镜和光圈在成像面103上的投影重叠。通过以上包含两个子透镜的实施例可知，各子透镜及光圈的间隔设置能够使对应的成像画面发生分离，且分离方向及距离取决于各子透镜的之间的间隔方向及间隔距离，同时也取决于各光圈的设置位置。

因此，参考图10和图11，来自镜头10景深范围内的被摄物体的光束在经过第一成像单元1021调节后，能够在成像面103上对应形成清晰的第一成像画面1051，经过第二成像单元1022后能够形成第二成像画面1052，经过第三成像单元1023后能够形成第三成像画面1053，经过第四成像单元1024后能够形成第四成像画面1054。在图10所展现的实施例中，四个成像单元分别沿径向对称地远离入射轴101，且由于入射轴101经过成像面103的中心，因此四个成像画面也将沿相应的成像单元远离入射轴101的方向远离成像面103中心，并最终形成四个分离的图像。

同样地，除了间隔设置外，相邻的子透镜之间也可通过错位设置的方式以实现成像画面的分离，从而形成四个间隔排布的成像画面。

具体可参考图12，四个子透镜中，每个子透镜均与其他两个子透镜错位设置，且四个子透镜关于入射轴101旋转对称。当将该透镜元件110绕入射轴101旋转90°、135°或180°时，依然能得到相同的结构，且所形成的成像画面不变。在该实施例中，错位设置的子透镜之间相互抵接，从而也可以增加透镜元件110在镜筒100中的稳定性。

另一方面，透镜元件110也可关于入射轴101形成不具旋转对称的结构，以此增加镜头10设计的多样性。

参考图13和图14，在一些实施例中，透镜元件110包括三个子透镜，分别为第一子透镜1111、第二子透镜1112及第三子透镜1113。沿平行于入射轴101的方向上，第一子透镜1111和第二子透镜1112在成像面103上的投影形状为相同的扇形，第三子透镜1113在成像面103上的投影形状为半圆形，其中第三子透镜1113的投影面积为第一子透镜1111和第二子透镜1112的投影面积之和。第一子透镜1111、第二子透镜1112及第三子透镜1113可由一个完整的透镜切分而成，切分路径可参考图13中的虚直线。切分后的三个子透镜相对入射轴101分别沿径向平移相同的一段距离以固定于镜筒100中，从而形成一个透镜元件110。相应地，镜头10还包括三个光圈，分别为第一光圈121、第二光圈122及第三光圈123。具体地，为保持画面的景深、亮度的一致性，一些实施例中的第一光圈121、第二光圈122及第三光圈123的孔径相同。

第一子透镜1111与第一光圈121形成第一成像单元1021，第二子透镜1112与第二光圈122形成第二成像单元1022，第三子透镜1113与第三光圈123形成第三成像单元1023。参考图14，来自镜头10景深范围内的被摄物体的光束在经过第一成像单元1021调节后，能够在成像面103上对应形成清晰的第一成像画面1051，经过第二成像单元1022后能够形成第二成像画面1052，经过第三成像单元1023后能够形成第三成像画面1053。参考图13，作为对比，当镜头10中设置的是常规透镜时，使常规透镜的光轴与镜头10的入射轴101共线且经过成像面103的中心，此时入射光束经镜头10所成的像为图14中所展现的位于成像面103中心的单独一个原始成像画面104。而在图13所展现的实施例中，三个成像单元分别沿径向对称地远离入射轴101，且由于入射轴101经过成像面103的中心，因此三个成像画面也将沿相应的方向远离成像面103中心，并最终形成三个分离的图像。

以上实施例主要围绕镜头10中设有一个透镜元件110的情况来描述。但进一步地，除了设置一个透镜元件110外，一些实施例中的镜头10也可设置至少两个透镜元件110，此时同样能够在成像面103上得到相应数量的成像画面。镜头10中透镜元件110的数量可以为两个、三个、四个、五个或更多个，各透镜元件110沿入射轴101的方向依次排列。在这些实施例中，镜头10依然包括一个镜筒100，各透镜元件110设置于镜筒100内。各透镜元件110中的子透镜可分别由不同的透镜切分而成，且对于拥有两个以上透镜元件110的镜头10而言，镜头10的结构可视为由一个可实际应用于产品中的透镜组均等切分而成，该透镜组包括但不限于长焦镜组、广角镜组、微距镜组等。

在本申请的实施例中，各透镜元件110中的子透镜的数量相同。透镜元件110中的每一个子透镜均与其他透镜元件110中的各一个子透镜形成对应关系，存在对应关系的每组子透镜构成一个成像单元。沿平行于入射轴101的方向上，同一个成像单元中的各子透镜在成像面103上的投影存在重叠。特别地，在一些实施例中，任一成像单元中的任意两个相邻的子透镜之间能够相互间隔设置，或者也可以形成胶合结构。

需要注意的是，在一些实施例中，至少一个透镜元件110中的各子透镜上涂覆有遮光膜，遮光膜设于子透镜的物侧面和像侧面，且在子透镜的物侧面和像侧面上分别保留一通光区域，通光区域对应的子透镜的物侧面和像侧面的区域即为相应子透镜的有效通光部1101，此时该有效通光部1101的大小能够控制成像画面的亮度及景深，且不同子透镜上的有效通光部1101之间的距离也能够起到控制成像画面分离的效果。

在另一些实施例中，也可在镜头10中设置光圈以实现上述效果，此时光圈的数量与透镜元件110中的子透镜的数量相同，且一一对应。在这些实施例中，每个成像单元均包含一个光圈。沿平行于入射轴101的方向上，同一个成像单元中的各子透镜及光圈在成像面103上的投影存在重叠。

具体可参考图15，在本申请的一个实施例中，镜头10包括五个透镜元件110，每个透镜元件110包括两个子透镜，分别为第一子透镜1111及第二子透镜1112，第一子透镜1111和第二子透镜1112由一个完整的透镜均等切分而成，子透镜的形状及相对入射轴101的分隔方向可参考图1所展现的实施例。在该实施例中，任意一个透镜元件110中的第一子透镜1111及第二子透镜1112在沿垂直于入射轴101的方向直线平移后，可重新拼接为一个完整的透镜。镜头10还包括第一光圈121和第二光圈122，第一光圈121与各第一子透镜1111对应，第二光圈122与各第二子透镜1112对应，沿平行于入射轴101的方向上，各第一子透镜1111及第一光圈121在成像面103上的投影存在重叠，各第二子透镜1112及第二光圈122在成像面103上的投影存在重叠。第一光圈121和五个第一子透镜1111共同形成第一成像单元1021，第二光圈122和五个第二子透镜1112共同形成第二成像单元1022。第一光圈121可设置于最靠近像侧的第一子透镜1111与图像传感器210之间，或者第一光圈121也可设于任意两个第一子透镜1111之间，又或者可设于最远离图像传感器210的第一子透镜1111的物侧，第二光圈122的设置方式类似。但应注意的是，在这些实施例中，第一成像单元1021和第二成像单元1022应关于入射轴101中心对称，以此确保所对应的成像画面的亮度、景深、大小趋于一致。

在图15所展现的实施例中，可通过将一个五片式透镜组沿径向整体切分为两个均等的半圆透镜组，每组半圆透镜组可作为一个成像单元。该五片式透镜组可以为微距透镜组，从而有利于在拍摄距离较短的情况下获得优良的成像，特别是可提升在狭窄空间(如口腔、肠道等)的成像清晰度，进而有利于提升短距离拍摄下的三维重建的精确性。

可一并参考图2，入射光束在经过第一成像单元1021调节后将在成像面103上形成第一成像画面1051，入射光束在经过第二成像单元1022调节后将在成像面103上形成第二成像画面1052。第一成像画面1051与第二成像画面1052之间的间隔方向取决于第一成像单元1021与第二成像单元1022之间的间隔方向，且同时也取决于第一光圈121和第二光圈122的设置位置。间隔距离第一成像画面1051与第二成像画面1052之间的间隔距离取决于第一成像单元1021与第二成像单元1022之间的间隔距离，且同时也取决于第一光圈121和第二光圈122的设置位置。

另外，在一些实施例中，可一并参考图5所展现的实施例，第一成像单元1021和第二成像单元1022也可如的方式倾斜于入射轴101设置，即第一成像单元1021和第二成像单元1022的轴向1102倾斜于入射轴101，此时，成像单元中位于物侧的子透镜相较于位于像侧的子透镜更近入射轴101。

同样地，除了将第一子透镜1111与第二子透镜1112相对间隔设置外，也可将第一子透镜1111与第二子透镜1112错位设置，例如图7所展现的实施例，但每个透镜元件110中的第一子透镜1111和第二子透镜1112应沿一致的方向及距离移动以形成错位设置，错位设置的各第一子透镜1111和第二子透镜1112能够保持抵接。同时，可通过控制光圈的位置以进一步分离成像画面。光圈的设置形式可参考图7和图9所展现的实施例。

另一方面，每个透镜元件110除了包括两个子透镜外，也可如图10或图13所展现的实施例，即每个透镜元件110包括三个、四个或更多个子透镜，但应确保各透镜元件110中的子透镜的数量相同，且任一透镜元件110中的每一个子透镜均与其他透镜元件110中的各一个子透镜形成对应关系，具有对应关系的每组子透镜形成一个成像单元，而分离出来的成像画面的数量等于成像单元的数量。

在以上各实施例中，同一透镜元件110中的各子透镜能够由一个单独的透镜切割而成。

在另一些实施例中，可单独制备各子透镜，但应尽可能确保当各子透镜安装于镜筒100中时，同一透镜元件110中的任意两个子透镜的有效通光部应关于镜头10的入射轴101旋转对称。具体地，在一个实施例中，透镜元件110包括第一子透镜1111和第二子透镜1112，第一子透镜1111和第二子透镜1112关于入射轴101中心对称设置，此时透镜元件110每绕入射轴101转动180°即可得到相同的空间分布结构。

当然，一些实施例中的子透镜的数量不限于两个，且任意两个子透镜的整体结构也不限于关于入射轴101中心对称的情况，也可以是任意旋转对称关系或者不具对称关系，但应尽可能确保同一透镜元件110中的任意两个有效通光部1101关于入射轴101存在旋转对称关系，从而确保各子透镜所对应的成像画面的清晰度趋于一致，进而提升终端分析的精确性。

参考图16，本申请的实施例还提供了一种三维成像设备30，三维成像设备30可包括任意实施例中的三维成像模组20。三维成像设备30可应用于医疗、工业制造等领域。具体地，三维成像设备30可以为但不限于智能手机、平板电脑、牙科摄像设备、工业检测设备、无人机、车载摄像设备等。由于所采用的上述三维成像模组20的横向尺寸较小，三维成像设备30能够对狭窄空间进行高效灵活的三维探测。例如，当三维成像模组20设置于设备的探头中时，模组的小尺寸特性可使探头的尺寸做得更小，从而提高探头于狭窄空间中的操作灵活性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种镜头，具有入射轴，其特征在于，包括透镜元件，所述透镜元件包括至少两个子透镜，所述子透镜为非旋转对称结构，每一所述子透镜包括有效通光部，所述透镜元件中的任意两个所述有效通光部关于所述入射轴旋转对称，所述透镜元件中的所述有效通光部能够通过入射光束，以在镜头的像侧形成相互分离的成像画面，所述成像画面的数量与所述透镜元件中所述子透镜的数量相等。

2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述透镜元件中的各所述子透镜由一个透镜切分而成。

3.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，包括至少两个成像单元，每一所述成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述子透镜，每一所述子透镜包含于一个所述透镜元件。

4.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，同一所述透镜元件中的各所述子透镜在垂直于入射轴的方向上间隔设置或错位设置。

5.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述透镜元件中的任意两个所述子透镜关于所述入射轴旋转对称。

6.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，包括光圈，所述光圈的数量与所述透镜元件中的所述子透镜的数量相同，沿平行于所述入射轴的方向上，所述透镜元件中的每个所述子透镜分别与一个所述光圈在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠。

7.根据权利要求6所述的镜头，其特征在于，任意两个所述光圈关于所述入射轴旋转对称。

8.根据权利要求6或7所述的镜头，其特征在于，各所述光圈的孔径相同。

9.一种三维成像模组，其特征在于，包括图像传感器及权利要求1-8任一项所述的镜头，所述图像传感器设置于所述镜头的像侧。

10.一种三维成像设备，其特征在于，包括权利要求9所述的三维成像模组。

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