CN114040185B - 一种自聚焦摄像机和立体摄像机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自聚焦摄像机和自聚焦立体摄像机。自聚焦物镜采集的影像被物镜中一个自聚焦透镜成像后，经过自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合后，通过一根自聚焦光纤向前传输到一个成像镜头组，然后在图像传感器上成像。与传统的阵列式光纤束影像传输技术不同，自聚焦光纤影像传输技术是影像在一根自聚焦光纤中以正弦曲线的传输模式传输的一种技术，自聚焦摄像机能够在微小光学成像的同时获得高清影像。公开的一种自聚焦立体摄像机是由两个相同的自聚焦摄像机、一个影像处理器和一个同屏芯片组成。一个同屏芯片实时地进行多项操作使一个关注物体的立体影像汇聚点保持在屏幕上，解决了立体影像非线性畸变、眼睛疲劳和生理不适的问题。

Description

一种自聚焦摄像机和立体摄像机

技术领域

本发明涉及一种自聚焦透镜成像技术、自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合技术、自聚焦光纤影像传输技术、自聚焦摄像机、自聚焦立体摄像机和立体影像线性空间技术。

背景技术

第四代软式电子内窥镜的物镜和图像传感器都被设置在内窥镜的头端。设置在头端的图像传感器将物镜采集的影像转换成模拟或数字信号后通过一束数据线传输到后端的影像处理器。随着医学新术式的发展，医生要求一种更细和更高解析度影像的内窥镜。但是，微小光学镜片的制造工艺和高解析度芯片尺寸的物理极限无法同时满足医生对于更细内镜和高清影像的需求。

第三代软式光纤束内窥镜和新一代的硬式内窥镜中广泛使用一种阵列式光纤束影像传输技术。但是，阵列式光纤束的解析度较低、传输效率较低，色散较大、光纤束中影像的纱窗效应都对影像质量和观看效果造成了影响。

当镜片直径小于2mm时，传统的光学镜片的研磨制作工艺遭遇到了工艺极限。现代的图像传感器技术不断地推出更小尺寸的高解析度芯片，但是仍然无法满足微小内窥镜对于高解析度影像的要求。同时满足微小光学成像和获得高解析度影像对于微小内窥镜仍然是无法同时兼得的一种奢求。

最新推出的立体医疗内窥镜技术带给医疗界一种全新的临床诊断、治疗、高效率和更好质量的方法和工具，被认为是新一代医疗内镜技术的发展方向。但是微小立体内窥镜不仅需要面对传统医疗内窥镜相同的上述问题，而且变得更复杂和更具挑战性。

目前，几乎所有的立体播放器都是一种平面屏幕立体显示技术。这种技术的核心问题之一是眼睛的焦平面与立体影像汇聚点的像平面是分离的。这与眼睛的日常观看习惯、经验和模式完全不同，也是造成眼睛观看一段时间后感觉疲劳、眩晕和生理不适的最主要的原因之一。到目前为止，这个问题的有效解决方案仍然没有被找到。

本发明提出的一种自聚焦摄像机和自聚焦立体摄像机解决了微小光学成像的同时获得高解析度影像的问题，立体影像观看过程中出现的眼睛疲劳、大脑感觉眩晕和生理不适的问题，具有操作简单、成本较低、易于制造、推广和普及的特点。

发明内容

本发明公开了一种自聚焦摄像机和自聚焦立体摄像机。首先，解决了微小光学成像的同时获得高解析度影像的技术问题；第二，解决了自聚焦物镜与一根自聚焦光纤之间耦合的技术问题；第三，解决了一根自聚焦光纤传输高清影像的技术问题；第四，解决了眼睛的焦平面与立体影像汇聚点的像平面分离的技术问题；第五，解决了立体影像中的非线性畸变和出屏的技术问题。本发明可以应用于内窥镜、自聚焦光纤影像和照明光传输、微小摄像机和微小立体摄像机的影像采集、处理、显示、及其它影像应用领域。

一个自聚焦摄像机包括一个自聚焦物镜，一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合、一个自聚焦光纤模组、一个成像镜头组和一个图像传感器(CCD或CMOS)。一个关注物体被自聚焦摄像机的自聚焦物镜中一个自聚焦透镜采集并成像后的影像经过一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合后进入一根自聚焦光纤。影像在一根自聚焦光纤中以一种正弦曲线的传输模式向前传输到一个成像镜头组，然后在一个图像传感器上成像。一个自聚焦摄像机被一个可以弯曲的自聚焦光纤模组分为前后二个部分；前面的部分是一个自聚焦物镜，后面的部分是一个成像镜头组和一个图像传感器。

自聚焦物镜是由一个镜头组和一个自聚焦透镜组成。自聚焦透镜是一个柱状透镜。自聚焦透镜的输入端面是一个平面，输出端面是一个平面或一个球面。球面形状的输出端面能够减小自聚焦透镜成像的像差，色差和提高与后面耦合的一根自聚焦光纤之间的耦合效率。自聚焦透镜的折射率在中心轴线处n(0)最大，沿着透镜半径r的方向上按照一个二次方程式n(r)＝n(0)×[1－(k²×r²)/2]逐渐变小。因为自聚焦透镜是轴对称的，所以透镜的径向折射率梯度k也是轴对称分布的。当光线在自聚焦透镜的输入端面上半径r处的入的射角Q(r)小于或等于自聚焦透镜在该半径r处的最大入射角Q(r)_max时，光线在自聚焦透镜中是以一种正弦曲线的传输模式向前传输，所有不同传输模式的光线在自聚焦透镜中的光程是相等的。因为光线进入到自聚焦透镜中的传输轨迹是正弦曲线，所以光线在自聚焦透镜半径a处时并不会接触到自聚焦透镜的外表面。自聚焦透镜将光线约束在自聚焦透镜内，与全反射无关。上述公式中，n(r)是自聚焦透镜半径r处的折射率、n(0)是自聚焦透镜中心轴线处的折射率、k是自聚焦透镜的径向折射率梯度、r是自聚焦透镜的半径。

自聚焦透镜的像距L₂＝1÷[n(0)×k]×{[n(0)×L₁×k×Cos(k×z)+Sin(k×z)]÷[n(0)×L₁×k×Sin(k×z)－Cos(k×z)]}，该公式称为自聚焦透镜的物象公式。一个自聚焦透镜将一个关注物体成像在自聚焦透镜的像平面上(位于自聚焦透镜的像距L₂处)，关注物体的像是一个实像的充分必要条件是自聚焦透镜的像距L₂≥0。当像距L₂＝0时，关注物体的像位于自聚焦透镜的输出端面上。自聚焦透镜的线性放大率M＝r₂/r₁＝1÷[Cos(k×z)－n(0)×k×L₁×Sin(k×z)]。实际上，自聚焦透镜的直径大于后面耦合的一根自聚焦光纤的直径，所以自聚焦透镜的成像应该是一个缩小的实像，M<1。自聚焦透镜的数值孔径NA＝[n(0)×a×k]÷√[1+(a²+L² ₁)×n²(0)×k²]。自聚焦透镜输入端面上半径r处的一条斜光线的有效孔径ψ＝{2n(0)×L₁×k×√[(1+n²(0)×L² ₁×k²)×a²－b]}÷[1+n²(0)×k²×L² ₁]，其中b是一个轴外物点的高度。自聚焦物镜中一个自聚焦透镜不仅需要将一个关注物体成像在自聚焦透镜的像平面上，L₂≥0，而且自聚焦物镜还需要同时满足下面两个条件；第一个条件是自聚焦物镜中的自聚焦透镜在像平面上的成像圆中的影像能够进入到后面耦合的一根自聚焦光纤的纤芯中，并满足自聚焦摄像机对耦合效率的要求；第二个条件是自聚焦物镜的视场角满足自聚焦摄像机对视场角的要求。上述公式中，L₁是物距，即一个关注物体与自聚焦透镜的输入端面之间的距离、L₂是像距，即自聚焦透镜的输出端面与自聚焦透镜的像平面之间的距离、z是自聚焦透镜的长度、λ＝2π÷g是光线在自聚焦透镜中完成一个正弦曲线周期的长度，称为波长或节距；r₁是物高、r₂是像高。

一个自聚焦光纤模组有两种不同的模型；第一种是一根自聚焦光纤。第二种是由一根自聚焦光纤和两个完全相同的凸镜片或凹镜片组成。两个镜片分别设置在一根自聚焦光纤的输入端面和输出端面上。一根自聚焦光纤的耦合距L’_C是自聚焦光纤输入端面与光纤的耦合平面之间的距离，像距L’_X是自聚焦光纤输出端面与光纤的像平面之间的距离。一根自聚焦光纤的耦合距L’c与像距L’x相等。一根自聚焦光纤的两个头端处分别设置有两个光纤插针。自聚焦光纤头端处部分光纤的包层外表面上涂抹一层胶，然后插入光纤插针的内孔中。待胶固定后，对光纤和插针的两个共同的端面进行研磨，使得两个共同的端面都成为光滑、平整和无疵瑕的平面表面。对于第二种模型的自聚焦光纤模组，前后两个研磨后的端面上分别粘接两个完全相同的、直径大于光纤的纤芯直径但小于光纤插针外径的凸透镜片或凹透镜片。一个自聚焦光纤模组是一个对称光学系统。

自聚焦光纤或渐变式光纤(GRIN)是一种光纤纤芯的折射率在纤芯中心轴线处n(0)最大，沿着纤芯半径r方向上按照一个二次方程式n(r)＝n(0)×[1－(g²×r²)/2]逐渐变小的多模光纤。因为自聚焦光纤是轴对称的，所以纤芯的径向折射率梯度g也是轴对称分布的。公式中，n(r)是自聚焦光纤纤芯半径r处的折射率、n(0)是自聚焦光纤纤芯中心轴线处的折射率、g是自聚焦光纤的径向折射率梯度、r是自聚焦光纤的半径。不同的光纤制造商使用的材料和制造工艺不同，自聚焦光纤的径向折射梯度g是不同的。一根自聚焦光纤的长度Lf＝β×N＝(2π÷g)×N。其中，β＝2π÷g是光线在自聚焦光纤中完成一个正弦曲线周期的长度，称为波长或节距；N是一个正整数。

虽然自聚焦透镜与自聚焦光纤在材料和制造工艺方面不相同，但是两者在成像原理、光线方程和折射率分布规律方面都是相同的。所有关于自聚焦透镜的研究、折射率分布规律、光线方程、近似理论和结论对于自聚焦光纤是同样适用的。根据上述[0011]中所述的公式使用在自聚焦光纤中，自聚焦光纤的物象公式L₂＝1÷[n(0)×g]×{[n(0)×L₁×k×Cos(g×z)+Sin(k×g)]÷[n(0)×L₁×g×Sin(g×z)－Cos(g×z)]}、线性放大率M＝r₂/r₁＝1÷[Cos(g×z)－n(0)×g×L₁×Sin(g×z)]、数值孔径NA＝[n(0)×a×g]÷√[1+(a²+L² ₁)×n²(0)×g²]、自聚焦光纤输入端面上半径r处的一个斜光线的有效孔径ψ＝{2n(0)×g×L₁×√[(1+n²(0)×g²×L² ₁)×a²－b]}÷[1+n²(0)×g²×L² ₁]，其中b是一个轴外物点的高度。当一个轴外光线在自聚焦光纤输入端面上半径r处的入射角Q(r)小于或等于该半径r处的最大入射角Q(0)_max，并且光纤长度Lf＝β×N时，光线在自聚焦光纤中是以一种正弦曲线的传输模式向前传输、所有不同传输模式的光线在自聚焦光纤中的光程是相等的、光线离开自聚焦光纤输出端面时的方向与光线进入自聚焦光纤输入端面时的方向是相同的。上面所述的光线是影像，也可以是照明光或单色光中的一个或一束光线。所以，自聚焦光纤模组不仅可以应用于影像传输，而且可以应用于白色照明光或单色光传输。因为光线在自聚焦光纤中的传输轨迹是正弦曲线，所以光线在自聚焦光纤纤芯边缘处(半径r＝a处)时不会接触到自聚焦光纤纤芯的外表面。自聚焦光纤将光线约束在自聚焦光纤纤芯内，与全反射无关。因为这个特性，自聚焦光纤在弯曲时不会因为弯曲而造成光线泄漏。这是与传统的均匀折射率光纤相比最大的区别之一。

一个自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合有三种不同的设计。第一种设计是一个自聚焦透镜的像平面与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面重合。这种耦合设计是一种简单的耦合连接，但是耦合效率也是三种不同的耦合设计中最低的。第二种设计是在自聚焦透镜后面设置一个中继自聚焦透镜组。一个中继自聚焦透镜组中设置有一个或多个中继自聚焦透镜，每个中继自聚焦透镜的像距L’₂≥0，线性放大率M<1。一个中继自聚焦透镜组中，第一个中继自聚焦透镜的物平面(位于中继自聚焦透镜的物距L’₁处)与前面物镜中的一个自聚焦透镜的像平面重合。一个关注物体的像从物镜中自聚焦透镜的像平面上传递到第一个中继自聚焦透镜的像平面上，并且变成一个缩小的像。第二个中继自聚焦透镜的物平面与第一个中继自聚焦透镜的像平面(位于第一个中继自聚焦透镜的像距L’₂处)重合。第二个及后面的中继自聚焦透镜的耦合设计按照上述方式以此类推。大多数情况下，一个中继自聚焦透镜组中只设置一个中继自聚焦透镜。多个中继自聚焦透镜的设计为精密的耦合组装带来困扰。最后一个中继自聚焦透镜的像平面与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面重合。一个中继自聚焦透镜组中设置的中继自聚焦透镜的数量取决于最后一个中继自聚焦透镜的像平面上的成像圆中的影像进入后面的一根自聚焦光纤的纤芯中，并满足自聚焦摄像机对于耦合效率的要求。因为自聚焦透镜的直径大于后面的一根自聚焦光纤纤芯的直径，设置中继自聚透镜的目的是将前面的一个自聚焦透镜或中继自聚焦透镜的像平面上的像逐级地变小，提高影像进入后面耦合的一根自聚焦光纤的耦合效率。第三种设计是在一个自聚焦透镜的像平面与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面重合，并在两个平面重合处或重合处前后附近设置一个镜片。实际上，一个镜片通常被设置在自聚焦透镜的像平面的前后附近，而不是像平面精确的位置处。这种做法的目的是将镜片中的缺陷放到焦点外，而不会出现在影像中。自聚焦透镜与一个自聚焦光纤模组之间耦合的耦合效率是经过耦合后进入到光纤纤芯中的影像与耦合前的影像之比。耦合效率越高，影像进入到自聚焦光纤纤芯中的影像部分越多，影像损失越小。

根据上述[0011]中所述的一个自聚焦物镜中的自聚焦透镜将一个关注物体成像在自聚焦透镜的像平面上，而且自聚焦透镜的像距L’₂≥0，线性放大率M<1。除此之外，一个自聚焦物镜还需要同时满足下面的两个条件；第一个条件是自聚焦物镜中的自聚焦透镜在像平面上的成像圆中的影像能够进入到后面耦合的一根自聚焦光纤的纤芯中，并满足自聚焦摄像机对耦合效率的要求；第二个条件是自聚焦物镜的视场角满足自聚焦摄像机对视场角的要求。如果上述两个条件中的任何一个不满足，可以使用下面两个解决方法中的任何一个或组合；(1)对自聚焦物镜中的自聚焦透镜和自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合重新设计和修正，包括自聚焦透镜、耦合结构、耦合距L’_C和其他参数；(2)对自聚焦物镜中设置在自聚焦透镜前方的一个镜头组重新设计。镜头组是由一个镜片或多个镜片组成。

自聚焦透镜和自聚焦光纤在成像和影像传输过程中会出现像差、衰减和色散。自聚焦透镜出现像差的原因是因为在求解光线方程的过程中引入了近轴理论，获得光线方程的近似解，但是近似解偏离了光线方程的理想值。一个改善像差的有效方法是通过改进自聚焦透镜的制作工艺使折射率分布曲线的高阶项系数接近理想值。影像在光纤中出现衰减的主要原因是材料中存在着杂质或制造工艺的问题。实现影像衰减的最小化的方法是使用纯净材料和改进制作工艺。因为自聚焦透镜和光纤的折射率n(r)、分布常数k和g都是波长的函数，所以自聚焦透镜和光纤在影像成像和传输过程中存在着模式色散。影像中单色光波长从350nm到750nm不等。每一束进入自聚焦光纤的影像或照明光中不同波长的单色光到达自聚焦光纤输出端面的时间是不相同的，从而造成了模式色散。因为自聚焦摄像机使用的自聚焦光纤的长度很小，通常为数十厘米或数米，所以模式色散对影像质量的影响很小，可以忽略不计。

一个自聚焦光纤模组的后面设置一个自聚焦透镜或镜片，能够将一根自聚焦光纤中传输的一个关注物体的像传递到自聚焦透镜的像平面上或镜片中。如果设置一个自聚焦透镜，透镜的像距L’₂≥0，线性放大率M>1，自聚焦光纤的像平面(位于自聚焦光纤的像距L’_X处)与后面的自聚焦透镜的物平面重合。如果设置一个镜片，在自聚焦光纤模组的像平面处或像平面前后附近设置一个镜片。

自聚焦摄像机的头端处的自聚焦物镜空间较小，但是自聚焦光纤的后面部分的空间不仅可以容纳一对成像镜头组和一个高解析度图像传感器，而且可以容纳左右两对成像镜头组和图像传感器。一个成像镜头组是一个拥有多个光学镜片组成的镜头，镜片可以是普通球面镜片或非球面镜片。成像镜头组可以被设计成为一个可变焦镜头实现对影像的光学放大和缩小。成像镜头组将一根自聚焦光纤后面耦合的一个自聚焦透镜的像平面上的像或镜片中的像进行二次成像在一个图像传感器上。高解析度图像传感器的型号、尺寸和解析度的选择具有更大的灵活性和实用性，满足不同需求。

一个自聚焦立体摄像机是由两个相同的自聚焦摄像机，一个影像处理器和一个同屏芯片组成。一个自聚焦立体摄像机中心轴线分别与设置在中心轴线左右两边的两个自聚焦物摄像机的自聚焦物镜中心线彼此平行，并与左右两个自聚焦物镜中心线共同构成一个平面。左右两个自聚焦物镜中心线之间的距离t称为自聚焦立体摄像机的视间距。视间距t在1毫米至100毫米之间。一个自聚焦立体摄像机中左右两个自聚焦摄像机中各自的成像镜头组中心线彼此平行，并共同构成一个平面。左右两个成像镜头组中心线之间的距离称为后间距t。一个自聚焦立体摄像机的视间距t小于后间距t。左右两个自聚焦摄像机采集的一个位于自聚焦立体摄像机中心轴线上的关注物体的左右两个影像分别通过左右两个自聚焦摄像机中各自的成像镜头组后，在左右两个图像传感器上分别成像，输出左右两个独立的影像。

一个自聚焦立体摄像机中左右两个自聚焦摄像机完全相同，包括(不限于)自聚焦物镜、物镜中的镜头组、自聚焦透镜、物距、像距、视角、放大率、自聚焦透镜与一根自聚焦光纤的耦合、自聚焦光纤模组、成像镜头组中的镜片、焦距、光圈、镜片数量、透镜和镜片的材料、表面镀膜、物理尺寸、图像传感器、光学设计和结构设计。

汇聚法和平行法是双镜头立体摄像机通常使用的两种立体影像拍摄方法。汇聚法是一种模拟人的双眼观察世界的仿生立体拍摄方法。在初始设定时，左右两个摄像机通过向内角转动，直到左右两个摄像机中心线汇聚在一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体上。当关注物体沿着中心轴线前后移动时，左右两个摄像机通过向内角或外角方向同步转动的方式追踪移动中的关注物体，并将左右两个摄像机中心线始终汇聚在移动中的关注物体上。这个采集关注物体影像的过程与人的双眼通过转动眼球方式跟踪并聚焦在关注物体上的过程是相同的，立体效果也是相同的。汇聚法的核心是将一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体的左右两个影像始终分别成像在左右两个图像传感器的中心。平行法是一种相当于眼睛观察一个位于无穷远处的关注物体的方式采集关注物体立体影像的拍摄方法。平行法获得的影像虽然没有梯形畸变，但是存在非线性畸变和立体影像汇聚点出屏的问题。立体影像的出屏效果与眼睛观察物体的传统方式和日常经验的感受不同，造成眼睛疲劳和不舒服。

自聚焦立体摄像机使用一种同屏等效汇聚法的立体影像拍摄方法。这是一种以平行法为基础，融合了汇聚法的仿生立体拍摄方法的核心技术的立体影像拍摄方法。同屏等效汇聚法通过平移左右两个影像的方式替代了汇聚法通过向内角或外角方向上同步转动左右两个摄像机的方式。两个不同的拍摄方法获得的立体影像的立体效果是相同的。同屏等效汇聚法的最大贡献是在立体影像采集空间和立体影像播放空间之间通过一个线性传递函数建立了一种线性关系，这是立体影像线性空间理论的基础。

一个立体影像采集空间坐标系(X’,Y’,Z’)的原点(0’,0’,0’)位于自聚焦立体摄像机中左右两个自聚焦摄像机的镜头中心的连线的中点处。一个自聚焦摄像机共有三个镜头模组，前面的一个是自聚焦物镜，中间的自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合中的一个中继自聚焦透镜组或一个镜片，后面的一个是成像镜头组。所以，一个自聚焦摄像机的镜头中心是由上述三个镜头模组中心组合后的一个等效镜头中心。一个自聚焦光纤模组是一个对称光学影像传输系统，没有镜头中心。一个立体影像播放空间坐标系(X”,Y”,Z”)的原点(0”,0”,0”)位于人的双眼连线的中点处。将立体影像采集空间坐标系(X’,Y’,Z’)和立体影像播放空间坐标系(X”,Y”,Z”)放置在一起，两个坐标系的原点(0’,0’,0’)和(0”,0”,0”)重合在一起成为一个新的空间坐标系(X,Y,Z)和(0,0,0)。立体影像采集空间中的自聚焦立体摄像机的左右两个自聚焦物镜和立体影像播放空间中观众的左右两个眼睛在新坐标系中拥有共同的坐标系原点(0,0,0)。在新的坐标系中，立体影像采集空间与立体影像播放空间重合在一起。

一个自聚焦立体摄像机中左右两个自聚焦摄像机的物镜采集的一个位于自聚焦立体摄像机中心轴线上的关注物体的左右两个影像分别在左右两个自聚焦摄像机中各自的图像传感器上成像。左右两个图像传感器将成像后的影像同步地输出到一个影像处理器。但是，关注物体的左右两个影像都不在输出到影像处理器的左右两个影像的中心。影像处理器中的一个同屏芯片沿着一条位于左右两个成像镜头组中心线构成的一个平面上，并与左右两个成像镜头组中心线垂直的一条直线方向上，对左右两个影像朝向彼此相对或相反的方向上进行平移，使关注物体的左右两个影像分别位于左右两个平移后的新影像的中心。初始设定时，同屏芯片按照平移公式h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)对左右两个影像朝向彼此相对的方向上进行平移。拍摄过程中，当关注物体移动时，同屏芯片按照平移公式h＝(F×t)÷(2Z)对左右两个影像朝向彼此相对或相反的方向上同步地进行平移。左右两个影像被平移后，关注物体的左右两个影像分别位于自聚焦立体摄像机输出的左右两个影像的中心、关注物体的立体影像汇聚点位于屏幕上、关注物体的立体深度与关注物体的立体影像汇聚点的立体深度之间满足一个线性关系式、立体影像采集空间与立体影像播放空间之间成为相互线性空间关系。同屏芯片的同步反应和执行速度愈快，眼睛感觉立体影像的质量和效果就会更稳定、连续、自然和舒适。自聚焦立体摄像机的同屏芯片和影像平移技术解决了立体影像播放中眼睛的焦平面和立体影像汇聚点的像平面分离的问题，这是造成眼睛观看立体播放器中的内容一段时间后感觉疲劳、眩晕和生理不适的最主要的原因之一。上述公式中，h是左影像和右影像各自平移的距离、h_conv是初始设定时左影像和右影像各自平移的距离、T是人的双眼之间的距离或瞳距、F是自聚焦摄像机的焦距或像距、t是视间距，即左右两个自聚焦物镜中心线之间的距离、Z_conv是自聚焦立体摄像机等效会聚点的立体深度或Z坐标、Z是实景中一个关注物体的立体深度或Z坐标。

新的坐标系中，立体影像采集空间中一个关注物体的立体深度或Z坐标和立体影像播放空间中关注物体的立体影像汇聚点的立体深度或Z坐标之间的关系满足公式Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z，公式称为立体空间线性传递函数。立体空间线性传递函数的物理意义是实景中一个关注点、一条关注直线和一个关注平面与关注点、关注直线和关注平面对应的立体影像是唯一的和没有变形的。公式中，A是动态影像放大率、Z_C是关注物体的立体影像汇聚点的立体深度或Z坐标、Z_D是播放空间中平面屏幕的立体深度或Z坐标。

上述[0025]中所述的平移公式h＝(F×t)÷(2Z)＝T÷2A＝(T×w’)÷2W变形后分别得到w’＝(W×F×t)÷(T×Z)，称为等效变焦公式。上述公式中，w’是图像传感器成像表面等效变焦后的水平长度、W是立体播放器屏幕的水平长度。等效变焦公式中w’相当于因为镜头视场角的变化造成的影像在图像传感器成像表面上沿着水平方向上的变化。等效变焦公式中，W是一个不变量。当关注物体移动时，Δw’＝[(W×F×t)÷T]×(1/Z₂－1/Z₁)的视觉效果是播放屏幕中关注物体的立体影像汇聚点被拉进或推远，实际效果与一个变焦镜头在变焦过程中的影像变化效果相同。实景中一个关注物体的立体深度变大时，ΔZ>0，则Δw’<0。屏幕中影像的视觉变化效果相当于关注物体的立体影像在屏幕中变得愈来愈远、镜头组的焦距变大、视角变小、图像传感器上的成像w’变小、屏幕中关注物体的影像变得愈来愈小。反之，实景中一个关注物体的立体深度变小时ΔZ<0，则Δw’>0。屏幕中影像的视觉变化效果相当于关注物体的立体影像在屏幕中变得愈来愈近、镜头组的焦距变小、视角变大、图像传感器上的成像w’变大、屏幕中关注物体的影像变得愈来愈大。等效变焦过程中，屏幕中影像的变化方式、过程和视觉效果与人的眼睛对实景中一个关注物体的观察方式、日常经验和透视效果是一致的。

上述[0025]中所述的影像平移公式h＝(F×t)÷(2Z)＝T÷2A＝(T×w)÷2W’变形后得到W’＝[(T×w)÷(F×t)]×Z，称为等效缩放公式。公式中，w是图像传感器成像表面的水平长度，W’是立体播放器屏幕等效缩放后的水平长度。等效缩放公式中或w是一个不变量。实景中一个关注物体的立体深度变化时，ΔZ>0，则ΔW’>0。全屏播放时，则ΔW’＝W-W’<0，其中W’>W。关注物体的立体影像在屏幕中变得愈来愈远、镜头组的焦距变大、视角变小。实景中一个关注物体的立体深度变小时ΔZ<0，则ΔW’<0。全屏播放时，则ΔW’＝W-W’>0，其中W’<W。关注物体的立体影像在屏幕中变得愈来愈近、镜头组的焦距变小、视角变大。等效缩放过程中并且在全屏播放的条件下，屏幕中影像的变化方式、过程和视觉效果与人的眼睛对实景中一个关注物体的观察方式、日常经验和透视效果是一致的。

拍摄前，首先需要确定拍摄的一个主角，称为关注物体。实际上，关注物体也可以是关注物体上的一个点、一个虚拟物体或虚拟点。第二步，将自聚焦立体摄像机的中心轴线对准关注物体，并将自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)设置在位于中心轴线上的关注物体处。第三步，同屏芯片将左右两个自聚焦摄像机输出到一个影像处理器的左右两个影像沿着水平方向上朝向彼此相对的方向上平移h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)的距离。影像平移后，关注物体的左右两个影像分别位于自聚焦立体摄像机输出的左右两个影像的中心。这时，一个自聚焦立体摄像机的初始设定就完成了。

在立体影像采集空间中，一个自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)的位置决定了一个关注物体的立体影像汇聚点在立体影像播放空间中的立体深度和与屏幕之间的相对位置。当一个自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)设置在关注物体上时，关注物体(0,0,Z＝Z_conv)的左右两个影像被投射到屏幕上后，关注物体的立体影像汇聚点出现在屏幕上，左右两个影像的视差为零。根据立体空间线性传递函数Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z得到，Z_C＝Z_D和Z_conv＝(F×t)÷(2h)＝(A×F×t)÷T。结果表明，一个自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)是可以通过平移影像h或改变动态影像放大率A的方式改变。当一个自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)被设置在关注物体的前方时，关注物体(0,0,Z>Z_conv)的左右两个影像被投射到屏幕上后，关注物体的立体影像汇聚点出现在屏幕的后面，左右两个影像的视差为正，称为正视差空间。正视差空间是一个自然和舒适的立体影像的理想观看空间。当一个自聚焦立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)被设置在位于中心轴线上的关注物体的后方时，关注物体(0,0,Z<Z_conv)的左右两个影像被投射到屏幕上后,关注物体的立体影像汇会聚点出现在屏幕的前面，左右两个影像的视差为负，称为负视差空间。关注物体的立体影像在负视差空间中表现的是一种出屏的立体效果。

实际生活中，眼睛是通过转动眼球汇聚到一个关注物体上的方式观察关注物体的。大脑将双眼分别获得的关注物体的左右两个影像融合后将关注物体的一个立体影像准确地汇聚在实景中的关注物体上。眼睛的焦点(关注物体)与关注物体的立体影像(位于关注物体处)是重合的。主流的立体显示技术和产品都是一种基于平面屏幕立体影像显示技术。左右两个具有不同视角的影像被同时投射到一个平面屏幕上时，左眼和右眼分别只能看到平面屏幕上的左影像和右影像，所以平面屏幕是眼睛的焦平面。大脑对双眼分别看到平面屏幕上的左右两个影像进行融合后就感受到一个关注物体的立体影像。按照人眼的观察经验，大脑对左右两个影像融合后的立体影像汇聚点应该出现在屏幕上，Z_C＝Z_D。但是，立体空间线性传递函数Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z表明，Z_C≠Z_D或眼睛的焦点平面与立体影像汇聚点的像平面是分离的。这是立体影像重建技术中的一个核心问题，称为Vergency-Accomodation Conflict(VAC)。这是造成眼睛观看立体播放器中的内容后感觉疲劳、晕眩和生理上不适的根本原因之一。

立体空间线性传递函数Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z表明，眼睛的焦平面和立体影像汇聚点的像平面重合(Z_C＝Z_D)的充分必要条件是[T÷(A×F×t)]×Z＝1或A＝[T÷(F×t)]×Z。将平移公式h＝T÷(2A)带入上式中，得到h＝(F×t)÷(2Z)和Δh＝[(F×t)/2]×(1/Z₂－1/Z₁)。当ΔZ>0，则Δh<0表明，当关注物体变得越远时，左右两个影像朝向彼此相反的方向上进行平移，朝向彼此相反的平移方向定义为负。反之，当ΔZ<0，则Δh>0表明，当关注物体变得越近时，左右两个影像朝向彼此相对的方向上进行平移，彼此相对的平移方向定义为正。

拍摄前，内容的立体深度设计是重要的一步。立体深度设计包括深度控制和同屏管理。深度控制是为了获得一个理想的立体深度效果。首先，确定立体摄像机等效汇聚点的位置Z_conv。一旦等效会聚点的位置被确定后，等效会聚点后面的所有物体的立体影像汇聚点Z_C出现在屏幕的后面，这是一种理想的立体表现方式。同屏管理的三种情况分别是；第一种情况：左右两个影像平移后，图像传感器输出的影像能够完全覆盖平移后的新影像，w≥(w_int+2h_conv)，其中wint是图像传感器成像表面与立体播放器屏幕中相等像素数的水平长度。当物体在立体深度Z>Z_conv的区域中移动时，影像平移方法是安全和有效的，而且这种安全性和有效性贯穿着整个立体影像拍摄过程。因为在初始设定时，影像平移h_conv在整个立体影像拍摄过程中具有最大值，h<h_conv。拍摄过程中，当物体在立体深度Z<Z_conv的区域中朝向镜头方向移动时，左右两个影像的平移距离h有超过了图像传感器成像表面的区域的可能，w≤(w_int+2h)。这时，同屏芯片开始将影像平移方法转换到等效缩放公式。第二种情况：拍摄过程中，当w≥(w_int+2h_conv)时，图像传感器输出的影像能够完全覆盖平移后的新影像。当物体在立体深度Z>Z_conv的区域中移动时，等效变焦公式是安全的。当物体在立体深度Z<Z_conv的区域中朝向镜头方向移动时，物体移动到新位置时，w’的水平长度有超过了w图像传感器成像表面的水平长度的可能，w’>w。这时，同屏芯片开始将等效变焦公式转换到等效缩放公式。第三种情况：根据上述[0028]中所述的等效缩放公式，拍摄过程中，当W≤W’时，对影像进行压缩，直到W’＝W为止。当W≥W’时，对影像进行放大，直到W’＝W为止。立体播放器屏幕在整个过程中都是全屏显示模式和效果，人的眼睛不会因为屏幕实际播放区域的不断变大和缩小的过程而感觉不适、疲劳和生理不适。同屏管理中，影像处理器中的一个同屏芯片可以反复交替式地在使用等效变焦公式和等效缩放公式中转换，确保关注物体的立体影像汇聚点出现在屏幕上。实际上，全部的同屏过程中，一直使用等效缩放公式具有过程简单，影像稳定和无需转换的优点。

一个立体摄像机的最小等效汇聚点M_min(0,0,Z’_conv)是立体摄像机的一个特性。一旦一个立体摄像机中的等效镜头焦距或像距F、视间距t、图像传感器成像表面水平长度w和立体播放器屏幕的水平长度W被确定后，立体摄像机的最小等效汇聚点M_min(0,0,Z’_conv)就被确定了。初始设定时，让等效变焦公式w＝w_conv+2h_conv＝(W×F×t)÷(T×Z’_conv)+(F×t)÷Z’_conv，公式变形后得到最小等效汇聚点的立体深度为Z’_conv＝[(F×t)×(W+T)]÷(T×w)。同样，等效变焦公式变形后得到相同的结果。

根据立体摄像机的纵向放大率(Z坐标方向)的定义M_Z＝(Z_C2－Z_C1)÷(Z₂－Z₁)。将立体空间线性传递函数Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z带入纵向放大率公式中，得到M_Z＝Z_D×[T÷(A×F×t)]。公式表明，立体摄像机的纵向放大率M_Z与左右两个摄像机中的任何一个摄像机的纵向放大率m²是不同的，但是立体摄像机的横向放大率m与左右两个摄像机的横向放大率m是相同的。立体摄像机纵向放大率公式表明，在两个相互线性立体空间中，纵向放大率M_Z与立体摄像机的深度坐标Z无关，一旦立体摄像机的等效汇聚点被确定，纵向放大率就被确定了，并且M_Z＝Z_D/Z_conv。

屏幕中，当立体摄像机的横向放大率m×A＝1，纵向放大率MZ＝Z_D×[T÷(A×F×t)]＝1时，真实场景中一个关注物体与对应的立体影像是按照1:1比例的一种立体影像重建。这种立体影像重建技术称为正交立体成像技术(Orthosterescopy)。公式变形后得到，A＝Z_D×[T÷(F×t)]。立体空间线性传递函数变形为(Z_C/Z)＝Z_D×[T÷(A×F×t)]，并让(Z_C/Z)＝Z_D×[T÷(A×F×t)]＝1，同样得到A＝Z_D×[T÷(F×t)]。成为一个正交立体的充分必要条件是A＝(Z_D×T)÷(F×t)。正交立体是一种将原始场景通过1:1的比例在立体播放空间中重建的立体视觉技术。

立体空间线性传递函数变换为(Z_C/Z)＝Z_D×[T÷(A×F×t)]，并让(Z_C/Z)＝Z_D×[T÷(A×F×t)]＝1/N，得到一个正交立体的充分必要条件的延伸，A＝Z_D×[T÷(F×t)]×N，其中N是一个正整数。公式表明，当一个正交立体可以被整体地放大N倍时，原始场景中的关注物体被同步地放大了N倍而不会产生畸变。因为使用正交立体视觉技术的同时，同屏技术是不起任何作用的，所以正交立体视觉中，观众的眼睛观看一段时间的内容后会产生疲劳、眩晕和生理不适的感觉。

影像处理器是一个设置有二个影像处理芯片ISP、一个或二个无线模块、一个触摸屏幕、一个集成和存储有多条指令由影像处理器加载并执行的一个同屏芯片、一个数据存储器和操作系统组成的装置。

左右二个图像处理芯片对左右两个自聚焦摄像机输出的左右两个影像进行处理、修正和优化。这种修正，处理和优化包括(不限于)；白平衡、色彩、增加色彩饱和度、提高锐度、亮度、对比度、降低噪点、影像边缘和细节修复、压缩和其它参数。

一个或二个无线通讯模块分别将经过图像处理芯片修正、处理、优化及同屏芯片平移或改变了动态影像放大率的影像、图片、语音和文字通过无线方式实时地输出到立体播放器、触模屏幕、远程控制中心、数据库、第三方并可以与第三方实时地进行多媒体互动和交流。

一个触摸屏幕提供了一个操作系统的人机互动的操作界面。操作方式有触屏笔、手指、鼠标和键盘。一个操作系统通过一个触摸屏幕和操作界面实现人机互动、操作指令对页面和影像进行管理、影像输入、输出、存储、加载并执行同屏芯片集成和存储的指令、通过有线或无线方式将经过修正、处理、优化、平移和改变了动态影像放大率的一个左右格式的影像或左右两个影像输出到立体播放器、触模屏幕、远程控制中心和数据库、开放接口与其他操作系统和第三方应用软件兼容、下载各种应用和APP的链接、并可以与第三方实时地进行多媒体互动和交流。

一个同屏芯片是一个集成和存储有(不限于)一个定位追踪指令、一个测量指令、一个同屏指令和一个平移指令的芯片。一个同屏芯片设置在一个影像处理器中，所有集成和存储的立体影像定位指令、追踪指令、测量指令、同屏指令和平移指令由影像处理器加载并执行。

实景中，一个关注点的空间坐标(X,Y,Z)能够通过关注点的立体影像被精确地定位取决于关注点的左右两个影像分别在左右两个影像截图中的左影像截图和右影像截图中的横坐标X_L和X_R能够被精确地定位。关注点的纵坐标Y_L和Y_R位于同一个水平线上，Y_L＝Y_R。自聚焦立体摄像机中左右两个自聚焦摄像机采集的关注点的左右两个影像在屏幕上沿着水平方向上的视差为P＝(X_R－X_L)，垂直方向上视差V＝(Y_R－Y_L)＝0。左右两个影像截图中的左影像截图和右影像截图中的左右两个坐标系原点分别位于左影像截图和右影像截图的中心。坐标符号规定为；X_L和X_R分别位于左右两个坐标系中心垂直轴线的右半部时为正，左半部时为负，坐标系中心垂直轴线上时为零。

测量指令是根据左右两个彼此独立、相同和自聚焦物镜中心线彼此平行设置的自聚焦物镜与一个关注点之间的几何关系和同屏等效汇聚法，建立一个关注点的左右两个影像在屏幕上的视差P＝(X_R－X_L)与关注点的空间坐标(X,Y,Z)之间的关系，一个关注物体表面影像在屏幕上的面积与关注物体表面的实际面积之间的关系；

一个关注点的左右两个影像在一个左右格式的影像截图中或左右两个独立的影像截图中的视差为P＝(X_R－X_L)，则关注点的空间坐标(X,Y,Z)是；

X＝t×(X_L+T/2)÷[T－(X_R－X_L)]－t/2

Y＝Y_L÷(m×A)＝Y_R÷(m×A)

Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)]

上式中，m是镜头组的水平或垂直放大率。

实景中一个关注物体从一个已知的深度坐标Z₁变到Z₂。关注物体在深度坐标Z₁和视差P₁＝(X_R1－X_L1)是已知的，代入上述[0044]中所述的公式Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)]中，

变形后得到，A₁＝{[T－(X_R1－X_L1)]÷(F×t)}×Z₁

同屏芯片中的定位追踪和测量指令得到关注物体在深度坐标Z₂处的视差P₂＝(X_R2－X_L2)，代入上述[0044]中所述的公式Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)]中，

得到，Z₂＝(A₂×F×t)÷[T－(X_R2－X_L2)]

ΔZ＝Z₂－Z₁＝(F×t)×{A₂/[T－(X_R2－X_L2)]－A₁/[T－(X_R1－X_L1)]}

根据[0032]中所述同屏的充分必要条件A＝[T÷(F×t)]×Z，关注物体在新深度坐标Z₂时的动态影像放大率变化ΔA＝[T÷(F×t)]×ΔZ，则ΔA＝A₂－A₁＝[T÷(F×t)]×ΔZ＝T×{A₂/[T－(X_R2－X_L2)]－A₁/[T－(X_R1－X_L1)]}

变形后得到，A₂＝A₁+T×{A₂/[T－(X_R2－X_L2)]－A₁/[T－(X_R1－X_L1)]}

＝A₁×{(X_R1－X_L1)×[T－(X_R2－X_L2)]}÷{(X_R2－X_L2)×[T－(X_R1－X_L1)]}

当实景中一个关注物体从一个已知的深度坐标Z₁处移动到一个新深度坐标Z₂处时，因为Z₁是一个已知参数、根据上述[0045]中所述的公式得到A₁。同屏芯片通过定位追踪和测量指令得到关注物体在新深度坐标Z₂处的视差P₂＝(X_R2－X_L2)，按照下面的顺序分别得到A₂、Z₂、Δh和ΔA。同屏芯片使用平移影像Δh、改变动态影像放大率ΔA、等效变焦公式和等效缩放公式中的任何一种方法将关注物体的立体影像汇聚点保持在屏幕上。

自聚焦立体摄像机或周边装置上设置一个激光或红外测距仪就可以将自聚焦立体摄像机与关注物体之间的距离进行实时测量并在关注物体移动时同步地追踪关注物体。同屏芯片根据激光或红外测距器获得的信息实时地对左右两个影像进行平移、改变动态影像放大率、等效变焦公式和等效缩放公式。无论使用上述[0045]中所述的或测距仪任何一种方法，自聚焦立体摄像机对关注物体立体深度的变化反应越快，平移影像或屏幕中立体影像的缩放反应速度就越快，眼睛对于同屏效果和表现就会更加自然，舒适和健康。

到目前为止，一台健康立体电视机的定义是对内容中的主角的左右两个影像的视差设置一个上限。其中一个著名的经验公式的3％规则是，立体摄像机到前景距离的1/30是安全的，或ΔPr＝ΔP_max/W＝1/30。尽管这种经验公式使眼睛较长时间观看后不会明显地感觉疲劳，但是现代技术和观点看来经验公式过于保守，无法真实地将实景中关注物体的立体深度表现出来。本发明提出一个健康立体播放器的新定义；播放内容中主角的立体影像汇聚点始终保持在屏幕上的一种立体播放器。这个定义彻底放弃了过去一直沿用至今的经验公式，同屏技术从根本上实现了立体影像健康理念和效果。

定位追踪指令是实景中一个关注点或一条关注直线的左右两个影像中的左影像在左右两个影像截图中的左影像截图中任一个时刻的位置被定位后，定位追踪该关注点或关注直线的右影像在右影像截图中该时刻的位置。也可以是实景中一个关注点或一条关注直线的左右两个影像中的右影像在左右两个影像截图中的右影像截图中任一个时刻的位置被定位后，定位追踪该关注点或关注直线的左影像在左影像截图中该时刻的位置。

定位追踪指令包括了影像定位、影像匹配和影像追踪三个不同的过程。首先，定位过程是使用一个矩形方框将一个关注物体上的一个关注点或一条关注直线包围在其中，矩形方框的四个周边分别与左右两个影像截图中的两个坐标轴相互平行，矩形方框的中心是矩形方框的同名点。定位过程就是确定矩形方框的同名点分别在左右两个影像截图中的位置。包围一个关注点的矩形方框是一个正方形方框，关注点位于正方形方框的中心，关注点与同名点重合。包围一条关注直线的矩形方框是一个长方形方框，关注直线是长方形方框的一个对角线。关注直线的中点是长方形方框的中心，关注直线的中点与同名点重合。第二，匹配过程是一种主要以特征匹配为主，结合灰度匹配或其他匹配技术。匹配仅限于一个有限的矩形方框中的影像进行特征、灰度、对比、比较和匹配的过程。匹配的内容包括左右两个影像分别与参照物、角点、边缘点、边缘线和其他几何特征处之间的关系，矩形方框中的颜色特征、表面纹路、颜色和纹路变化模式和规律。第三，追踪过程是当一个关注点或一条关注直线在任何一个时刻的同名点被定位后，同名点随着关注点或关注直线移动到一个新的位置时，自动追踪已经被定位和被矩形方框包围的关注点或关注直线在任何一个时刻矩形方框的同名点的新位置、深度坐标、视差和与立体摄像机之间的距离。一个关注点或一条关注直线的影像移动的原因可能是关注点或关注直线的位置发生了变化或立体摄像机的位置或角度发生了变化或两者同时发生了变化。

根据关注物体表面的几何特征，一个关注物体上的一个关注点的定位过程原理是：第一步，获得一个包括关注点的左右两个影像在内的左右两个影像截图；第二步，使用触屏笔点击屏幕上关注点的左影像，确定关注点的左影像在左影像截图中的横坐标X_L；第三步，当关注点的左影像在左影像截图中的位置与一个具有几何特征的参照物影像相交时，例如，一条非水平直线，一条曲线，物体表面上的几何突变处或具有几何特征处，关注点的右影像在右影像截图中的横坐标X_R位于一条通过X_L并横跨左右两个影像截图的水平直线上，关注点的右影像在右影像截图中与相同几何特征的参照物影像的交点处。使用触屏笔点击并确定关注点的右影像在右影像截图中的横坐标X_R。一个关注点的左右两个影像在左右两个影像截图中的横坐标X_L和X_R就被确定了。

同屏指令是当一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体的深度坐标Z发生变化ΔZ时，跟据[0045]和[0046]中所述的过程和方法，当实景中一个关注物体从一个已知的深度坐标Z₁处移动到一个新深度坐标Z₂处时，同屏芯片通过定位追踪和测量指令得到关注物体在新深度坐标Z₂处的视差P₂＝(X_R2－X_L2)，分别得到动态影像放大率A₁＝{[T－(X_R1－X_L1)]÷(F×t)}×Z₁、A₂＝A₁×{(X_R1－X_L1)×[T－(X_R2－X_L2)]}÷{(X_R2－X_L2)×[T－(X_R1－X_L1)]}、动态影像放大率变化ΔA＝T×{A₂/[T－(X_R2－X_L2)]－A₁/[T－(X_R1－X_L1)]}、Z₂＝(A₂×F×t)÷[T－(X_R2－X_L2)]、平移变化Δh＝[(F×t)/2]×(1/Z₂－1/Z₁)、左右两个影像的平移方向、等效变焦公式w’＝(W×F×t)÷{T×(A₂×F×t)÷[T－(X_R2－X_L2)]}和等效缩放公式W’＝[(T×w)÷(F×t)]×{(A₂×F×t)÷[T－(X_R2－X_L2)]}。

平移指令是当一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体的深度坐标Z发生变化ΔZ时，按照同屏指令沿着一条位于左右两个成像镜头组中心线构成的一个平面上并与左右两个成像镜头组中心线垂直的一条直线方向上，按照同屏芯片确定的平移方向上对左右两个影像进行平移，平移变化为Δh＝[(F×t)/2]×(1/Z₂－1/Z₁)。初始设定时，对左右两个影像朝向彼此相对的方向上进行平移h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)。

本发明提出的一种自聚焦摄像机解决了微小光学成像的同时获得高解析度影像、微小光学变焦和立体影像播放中存在的技术问题。高度集成的微小自聚焦透镜成像、微小自聚焦透镜和一根光纤的高效率耦合装置具有影像传输效率高、操作简单、成本较低、易于推广和普及的特点。本发明可应用于内窥镜、自聚焦光纤影像和照明光传输、微小摄像机和微小立体摄像机。

附图说明

图1自聚焦摄像机示意图；

图2自聚焦立体摄像机示意图；

图3光线在自聚焦光纤中传输轨迹示意图；

图4第一种模型的自聚焦光纤模组示意图；

图5第二种模型的自聚焦光纤模组示意图；

图6自聚焦透镜成像原理示意图；

图7自聚焦物镜示意图；

图8自聚焦透镜的物距与像距相对位置关系示意图；

图9-1第一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图；

图9-2第二种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图；

图9-3第三种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图；

图10-1立体影像采集空间示意图；

图10-2立体影像播放空间示意图；

图11-1汇聚法拍摄原理示意图；

图11-2平行法拍摄原理示意图；

图11-3等效汇聚法拍摄原理示意图；

图12等效汇聚法采集空间中物体视差原理示意图；

图13等效汇聚法影像平移过程原理示意图；

图14-1立体影像汇聚点位于屏幕上示意图；

图14-2立体影像汇聚点位于屏幕前方示意图；

图14-3立体影像汇聚点位于屏幕后方示意图；

图14-4眼睛焦平面与立体影像汇聚点像平面同屏原理示意图；

图15一个关注点的左右两个影像在左右两个影像截图中定位原理示意图；

具体实施方式：

本发明的具体实施方式表示本发明具体化的一个例子，与权利要求书和说明书中的内容和特定事项具有对应关系。本发明不限定实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内，能够通过对各种不同的实施方式实现具体化。所有示意图中的说明案例都是所述的多个可实施技术方案中的一个例子。

图1所示的是一个自聚焦摄像机示意图。图中所示的一个自聚焦摄像机是由一个设置在自聚焦摄像机的自聚焦物镜1、一个自聚焦光纤模组2、一个设置在后端的成像镜头组3和一个图像传感器4组成。自聚焦物镜1采集的影像通过一个可自由弯曲的自聚焦光纤模组2传输到后端的成像镜头组3，最后在图像传感器4上成像。

图2所示的是一个自聚焦立体摄像机示意图。图中所示的一个自聚焦立体摄像机是由两个相同的自聚焦摄像机组成。左右两个自聚焦摄像机的左右两个自聚焦物镜1(Left)和1(Right)采集的一个关注物体的左右两个影像分别在各自的图像处理器4(Left)和4(Right)上成像。一个图像处理器5中一个同屏芯片6对关注物体的左右两个影像实时地进行定位、追踪、测量、同步平移、改变动态影像放大率、等效变焦和等效缩放的操作。关注物体的左右两个影像分别在影像处理器输出的左右两个影像7(Left)和7(Right)的中心。

图3所示的是光线在自聚焦光纤中传输轨迹示意图。图中，一根自聚焦光纤2的输入端面上，入射光线10a和10b的入射角Qa和Qb小于最大入射角Qmax。入射光线10a和10b进入自聚焦光纤纤芯8中后以一种正弦曲线的传输模式在光纤纤芯8中向前传输。自聚焦光纤2的输出端面上，光线10a和10b从光纤输出端表面上离开光纤时的出射角Qa和Qb与光线10a和10b在输入端面上进入光纤时的入射角Qa和Qb相等，方向相同。图中的虚像表示一个离轴入射光线10c从光纤输入端面上半径r处进入自聚焦光纤纤芯8中，光线10c是以一种正弦曲线的传输模式在纤芯8中向前传输。光线10c通过自聚焦光纤8后从输出端表面上离开光纤时的出射角Qc与光线10c在输入端面上进入光纤时的入射角Qc相等，方向相同。9是自聚焦透镜或光纤的包层(Clad)。

图4所示的是第一种模型的自聚焦光纤模组和插针示意图。图中所示的一根自聚焦光纤2的前后两个头端处分别设置有两个完全相同的光纤插针12。在自聚焦光纤2头端处部分光纤的外表面上涂抹一层薄薄的胶，插入光纤插针2的内孔中。待胶固定后，对插针12和光纤2固定在一起的头端共同的外端面进行研磨，成为一个光滑和无损伤的表面。

图5所示的是第二种模型的自聚焦光纤模组和插针示意图。图中所示的一根自聚焦光纤2的前后两个头端处分别设置有两个完全相同的光纤插针12。在自聚焦光纤2头端部分光纤的外表面上涂抹一层薄薄的胶，插入光纤插针2的内孔中。待胶固定后，对插针12和光纤2固定在一起的头端共同的外端面进行研磨，成为一个光滑和无损伤的平面。研磨后的前后两个插针12和自聚焦光纤2的头端共同的外端面上分别与一个平凸镜片11粘接在一起。平凸镜片11的直径大于自聚焦光纤2纤芯8的直径，但小于光纤插针12的外径。

图6所示的是自聚焦透镜成像原理示意图。图中所示的是一个自聚焦透镜13采集一个关注物体OP的影像，关注物体的物距为L₁，高度为r₁。关注物体OP和对应的像O’Q可以通过两条轴外光线a和b确定。关注物体OP对应的像O’Q被成像在自聚焦透镜13的像平面(像距L₂处)上。像平面上像的高度为r₂。自聚焦透镜的轴向长度为L₀。

从费马原理推导出的光线方程是一个偏微分方程，求解过程非常复杂。使用几何光学中的近轴理论方法后获得了光线方程的近似解。

自聚焦透镜的物象关系式：

L₂＝1÷[n(0)×k]×{[n(0)×L₁×k×Cos(k×z)+Sin(k×z)]÷

[n(0)×L₁×k×Sin(k×z)－Cos(k×z)]} (1)

线性放大率：

M＝r₂/r₁＝1÷[Cos(k×z)－n(0)×L₁×k×Sin(k×z)]<1 (2)

像高：

r₂＝r₁÷[Cos(k×z)－n(0)×L₁×k×Sin(k×z)] (3)

焦距：

F＝1÷[n(0)×k×Sin(k×z)] (4)

主平面位置：

H＝1÷[n(0)×k]×tan(k×z÷2)] (5)

图7所示的是自聚焦物镜示意图。图中所示的一个自聚焦摄像机的自聚焦物镜是由一个镜头组14和一个自聚焦透镜13组成。9是自聚焦透镜的包层。

图8所示的是自聚焦透镜的物距与像距相对位置关系示意图。图中所示的是一个长度为L0＝0.25λ的自聚焦透镜15。透镜15的前方有三个与自聚焦透镜输入端面距离不同的物体P₁、P₂和P₃。物体P₁位于自聚焦透镜前方2倍焦距的位置处。物体P₂被确定为本次拍摄的一个关注物体，物距为L₁。物体P₃距离透镜15输入端面的距离最远。物体P₁对应的像Q₁位于自聚焦透镜后面2倍焦距的位置处。关注物体P₂对应的像Q₂位于像距为L₂的像平面上。物体P₃对应的像Q₃距离自聚焦透镜输出端面最近。

根据上述[0060]中的公式(1)，

得到，L₂＝1÷[n²(0)×k²×L₁]>0成像是一个实像

M＝1÷[n(0)×k×L₁]<1成像是一个缩小的像

公式表明，像距L₂与物距L₁之间是反比关系，物距越小，像距越大。当物距L₁→∞时，物体P₃对应的像Q₃→透镜的输出端面上。

图9-1所示的是第一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图。图9-1中，使用了上述[0062]中的一个自聚焦透镜15作为例子。自聚焦透镜15的后面设置了一根自聚焦光纤2，两者的中心轴线重合。自聚焦透镜15的像平面(位于自聚焦透镜15的像距L₂处)与后面的一根自聚焦光纤2的耦合平面(位于自聚焦光纤的耦合距L’_C处)重合。

自聚焦光纤的数值孔径：

NA＝[n(0)×a×g]÷√[1+(a²+L² ₁)×n²(0)×g²] (6)

自聚焦光纤轴外光线有效孔径：

Ψ＝{2n(0)×L₁×g×√[(1+n²(0)×g²×L² ₁)×a²－b]}÷

[1+n²(0)×g²×L² ₁]} (7)

其中，b是一个轴外物点的高度。

图9-2所示的是第二种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图。图9-2中，使用了上述[0063]中的一个自聚焦透镜15与一根自聚焦光纤2之间的耦合为例。在自聚焦透镜15和一根自聚焦光纤2之间设置了一个中继自聚焦透镜16。中继自聚焦透镜16的物平面(位于中继自聚焦透镜16的物距L’₁处)与自聚焦透镜15的像平面(位于自聚焦透镜15的像距L₂处)重合。中继自聚焦透镜16的像平面(位于中继自聚焦透镜16的像距L’₂处)与后面耦合的一根自聚焦光纤2的耦合平面(位于一根自聚焦光纤2的耦合距L’_C处)重合。增加了一个中继自聚焦透镜16后，自聚焦透镜15的像平面上的像Q被中继自聚焦透镜16传递到中继自聚焦透镜16的像平面上，像Q’。因为中继自聚焦透镜16的线性放大率M<1，中继自聚焦透镜16的像平面上的像Q’与自聚焦透镜15的像平面上的像Q相比是一个缩小的像。中继自聚焦透镜16的长度为L’₀，线性放大率M<1。

图9-3所示的是第三种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合设计示意图。图9-3中，使用了上述[0063]中一个自聚焦透镜15与一根自聚焦光纤2之间的耦合为例。在自聚焦透镜15的像平面(位于自聚焦透镜15的像距L₂处)与后面耦合的一根自聚焦光纤2的耦合平面(位于一根自聚焦光纤2的耦合距L’_C处)重合。在两个平面重合处设置一个镜片17。

图10-1所示的是一个立体影像采集空间示意图。图中，左右两个摄像机18和19同时围绕着摄像机18和19的镜头中心向内角方向转动，直到左右两台摄像机18和19的中心线会聚到实景中的一个关注物体22上时开始拍摄。关注物体的左右两个影像在左右两个图像传感器20和21的成像表面的中心上成像。这种拍摄立体影像的方法称为汇聚法。左右两个摄像机18和19的镜头中心线之间的距离为t，称为视间距。关注物体22前方的物体称为前景物23，后方的物体称为后景物24。立体影采集空间的坐标系原点(0,0,0)位于左右两个摄像机18和19的光学中心连线的中点处。

图10-2所示的是一个立体影像播放空间示意图。图中，左右两个摄像机18和19采集的左右两个影像被同时投射到一个平面屏幕27上。平面屏幕27的水平长度为W。左右两个影像在屏幕上的投影28和29之间的水平距离P是左右两个影像28和29的视差。当人的左眼25和右眼26分别只能看到屏幕27上左影像和右影像的投影28和29时，大脑中将左眼25和右眼26分别看到的左右两个影像的投影28和29进行融合后就会感受到关注物体22、23和24对应的立体影像汇聚点分别出现在屏幕上30、屏幕前方31和屏幕后方32的位置处。立体影像播放集空间的坐标系原点(0,0,0)位于双眼25和26之间的连线(瞳距)的中点处。根据图中所示的几何关系得到下面关系式，

Z_C＝(Z_D×T)÷(T－P) (8)

其中，Z_C–左右两个影像汇聚点的立体深度(Z坐标)

Z_D–屏幕的立体深度(Z坐标)

T–人双眼之间的距离(瞳距)

P–视差，左右两个影像在屏幕27上的投影28和29之间的水平距离

图11-1所示的是汇聚法拍摄原理示意图。图中，左右两个摄像机18和19同时围绕着摄像机镜头中心向内角方向转动，直到左右两台摄像机18和19的中心线同时汇聚到实景中一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体22上时开始拍摄。关注物体22的左右两个影像分别在左右两个摄像机18和19中的图像传感器20和21上的成像表面的中心处成像。

图11-2所示的是平行法拍摄原理示意图。图中，左右两个摄像机18和19中心线彼此平行设置，采集一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体22的立体影像。关注物体22的左右两个影像分别在左右两个图像传感器20和21上成像，但是关注物体22的左右两个影像不在左右两个图像传感器20和21的成像表面的中心。

图11-3所示的是等效汇聚法拍摄原理示意图。图中，左右两个摄像机18和19中心线彼此平行设置，采集一个位于立体摄像机中心轴线上关注物体22的立体影像。拍摄前，将左右两个图像传感器20和21分别沿着水平方向上朝着彼此相反的方向上平移h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)的距离。关注物体22的左右两个影像就能够分别成像在左右两个图像传感器20和21的成像表面的中心。图中所示的关注物体22与一个位于中心轴线上的点M重合，M点的立体深度为Z_conv，称为立体摄像机的等效会聚点M(0,0,Z_conv)。

图12示的是等效汇聚法原理示意图。图中，一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体22的位置与立体摄像机的等效会聚点M(0,0,Z_conv)重合。拍摄前，首先将左右两个图像传感器20和21分别朝向彼此相反的方向上平移h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)的距离，使关注物体22的左右两个影像分别成像在左右两个图像传感器20和21的成像表面的中心。立体摄像机的初始状态就被设定完成。空间中任意一点处的一个物体33的左右两个影像分别成像在左右两个图像传感器20和21的成像表面上。根据图中所示的几何关系我们得到下面关系式，

d₁+h＝F×(x+t/2)÷Z (9a)

d₂－h＝F×(x－t/2)÷Z (9b)

得到，Δd＝d₂－d₁＝2h－(F×t)÷Z (10)

其中，Δd–空间中任意一个物体33在左右两个图像传感器20和21上成像后的视差

h–一个图像传感器沿着水平方向上平移的距离

t–左右两个摄像机中心线之间的距离

F–摄像机镜头的等效焦距或像距

Z–空间中任意一个物体33的立体深度(Z坐标)

Z_co_nv–立体摄像机的等效汇聚点M的立体深度(Z坐标)

根据公式(10)推得下式；

Δd＝d_max－d_min＝F×t×(1/Z_near－1/Z_far) (11)

其中：d_max–左右两个影像在左右两个图像传感器20和21上的最大视差

d_min–左右两个影像在左右两个图像传感器20和21上的最小视差

Z_near–空间中的一个物体33在最小视差时的立体深度(Z坐标)

Z_far–空间中的一个物体33在最大视差时的立体深度(Z坐标)

定义，d_rel＝Δd/w

其中：d_rel–图像传感器成像表面单位长度的视差变化

w–图像传感器成像表面的水平长度

让，P_rel＝d_rel

推得：t＝T×[Z_D÷(A×F)]×[(1/Z_cnear－1/Z_cfar)÷(1/Z_near－1/Z_far)] (12)

其中：A–初始状态时动态影像放大率W/w

W–立体播放器屏幕的水平长度

公式(12)表明，双目立体摄像机拍摄时，立体摄像机的视间距与人双眼之间的距离(瞳距)是不相等的。立体正交时，双目镜头组的视间距t与人双眼的瞳距T是不相等。

让，P＝A×Δd和公式(10)一并代入公式(8)中：

得到，Z_C＝(Z_D×T)÷(T－P)＝(Z_D×T)÷(T－A×d)

＝(Z_D×T×Z)÷[A×F×t－(2A×h－T)×Z] (13)

公式(13)表明，Z_C与Z之间不是线性关系。理想成像是立体影像采集空间中任意一点，一条直线和一个平面对应着立体影像播放空间中唯一的一个点，一条直线和一个平面对应的立体影像会聚点。理想成像的充分和必要条件是实景中一个关注物体22的立体深度Z与关注物体22的立体影像汇聚点的立体深度Z_C之间是线性关系。公式(13)表明，关注物体22的立体深度Z与关注物体22的立体影像汇聚点的立体深度Z_C之间线性关系成立的充分必要条件是，

2A×h－T＝0或h＝T÷2A

公式(13)被线性化后简化成为下式，

Z_C＝Z_D×[T÷(A×F×t)]×Z (14)

公式(14)被称为立体空间线性传递函数，实景中一个关注物体的立体深度Z与关注物体的左右两个影像汇聚点Z_C的立体深度之间满足立体空间线性传递函数公式。

图13所示的是同屏等效汇聚法影像平移原理示意图。图中，左右两个摄像机18和19采集的一个位于立体摄像机中心轴线上的关注物体22的左右两个影像分别在左右两个图像传感器成像表面20和21上成像后被输出。但是关注物体22的左右两个影像都不在输出的左右两个影像的中心。将左右两个影像沿着水平方向上，朝向彼此相对的方向上平移h＝(F×t)÷(2Z)的距离，关注物体22的左右两个影像分别位于输出的左右两个平移后的新影像的中心。

图14-1所示的是立体影像汇聚点位于屏幕上示意图。图中，人的左右眼25和26聚焦在一个关注物体22时，如果将关注物体22设置在立体摄像机的等效会聚点M(0,0,Z_conv)处，关注物体22的左右两个影像在屏幕27上的投影28和29是重合的，并且在屏幕上的投影的视差P＝0，关注物体22的立体影像汇聚点30位于屏幕27上。

图14-2所示的是立体影像汇聚点位于屏幕前方示意图。图中，如果将关注物体22设置在立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)的前方，关注物体22的左右两个影像在屏幕27上的投影28和29的位置与左右眼睛25和26的相对位置是反向交叉状态，左右两个影像的视差P<0，关注物体22的立体影像汇聚点31出现在屏幕的前方。

图14-3所示的是立体影像汇聚点位于屏幕后方示意图。图中，如果将关注物体22设置在立体摄像机的等效汇聚点M(0,0,Z_conv)的后方，关注物体22的左右两个影像在屏幕27上的投影28和29的位置与左右眼睛25和26的相对位置是正向无交叉状态，左右两个影像的视差P>0，关注物体22的立体影像汇聚点32出现在屏幕的后方。

图14-4所示的是像平面与屏幕重合的同屏原理示意图。图中，当关注物体22移动时，关注物体22与立体摄像机的等效会聚点M(0,0,Z_conv)分离，关注物体22的左右两个影像的汇聚点30离开屏幕27。一个同屏芯片通过平移左右两个影像或改变屏幕放大率的方式，使得立体摄像机的等效会聚点M(0,0,Z’_conv)的立体深度Z’_conv成为一个变量并跟随者左右两个影像的平移或放大率的改变而改变自己的位置。其效果相当于关注物体22的左右两个影像的汇聚点被重新“拉回到”屏幕27上。

图15所示的是一个关注点的左右两个影像在左右两个影像截图中的位置示意图。图中，一个关注点a的左影像34在左右两个影像截图中的左影像截图36中的横坐标为X_L，根据符号规则，X_L<0。关注点a的右影像35在左右两个影像截图中的右影像截图37中的横坐标为X_R，X_R>0。关注点a的左影像34在左影像截图36和右影像35在右影像截图37中的位置都位于同一个横跨屏幕的水平线38上。关注点a的左影像34在左影像截图36中的纵坐标Y_L与右影像35在右影像截图37中的纵坐标Y_R相等。

一个关注点a的左右两个影像34和35在左右两个影像截图36和37中的视差为P＝(X_R－X_L)，代入公式(8)中

得到；Z_C＝Z_D×T÷(T－P)＝(Z_D×T)÷[T－(X_R－X_L)] (15)

将公式(14)代入公式(15)中，简化后得到，

Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)] (16)

公式(9a)经过变换后得到，

X＝[Z×(d₁+h)÷F]－t/2 (17)

将d₁＝X_L/A，h＝T/2A和公式(16)带入公式(17)中，简化后得到，

X＝t×(X_L+T/2)÷[T－(X_R－X_L)]－t/2 (18)

一个关注点a在实景中的空间坐标a(x,y,z)是；

X＝t×(X_L+T/2)÷[T－(X_R－X_L)]－t/2 (17)

Y＝Y_L÷(m×A)＝Y_R÷(m×A) (19)

Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)] (16)。

Claims (3)

1.一种自聚焦摄像机，其特征在于，

所述的一种自聚焦摄像机包括一个自聚焦物镜，一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合，一个自聚焦光纤模组，一个成像镜头组和一个图像传感器；一个关注物体被自聚焦物镜中一个自聚焦透镜采集和成像后的影像经过一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合后进入一根自聚焦光纤，影像在自聚焦光纤中以一种正弦曲线的传输模式向前传输到一个成像镜头组，然后在一个图像传感器上成像；

所述的一个自聚焦物镜包括一个镜头组和一个自聚焦透镜，自聚焦透镜是一个折射率在透镜中心轴线处最大，沿着透镜半径方向上按照一个二次方程式逐渐变小的柱状透镜，自聚焦透镜的输入端面是一个平面，输出端面是一个平面或一个球面，一个关注物体被自聚焦物镜中的一个自聚焦透镜成像在自聚焦透镜的像平面上，关注物体的像是一个实像的充分必要条件是自聚焦透镜的像距L₂≥0，自聚焦物镜还需要同时满足下面两个条件；第一个条件是自聚焦物镜中的自聚焦透镜在像平面上的成像圆中的影像能够进入到后面耦合的一根自聚焦光纤的纤芯中，并满足自聚焦摄像机对耦合效率的要求；第二个条件是自聚焦物镜的视场角满足自聚焦摄像机对视场角的要求；如果上面两个条件中的任何一个不满足，使用下面二个方法或组合；(1)对物镜中的自聚焦透镜和所述的一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合重新设计和修正；(2)对物镜中的一个镜头组重新设计和修正；其中，L₂是自聚焦透镜的像距，即自聚焦透镜的输出端面与自聚焦透镜的像平面之间的距离；

所述的一种自聚焦透镜与一根自聚焦光纤之间的耦合有三种不同的设计；第一种设计是一个自聚焦透镜的像平面，即位于自聚焦透镜的像距L₂处与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面，即位于自聚焦光纤的耦合距L’_C处重合；第二种设计是在一个自聚焦透镜后面设置一个中继自聚焦透镜组，一个中继自聚焦透镜组中设置有一个或多个中继自聚焦透镜，每个中继自聚焦透镜的像距L’₂≥0，线性放大率M<1；一个中继自聚焦透镜组中，第一个中继自聚焦透镜的物平面，即位于中继自聚焦透镜的物距L’₁处与前面的一个自聚焦透镜的像平面重合，第二个中继自聚焦透镜的物平面与第一个中继自聚焦透镜的像平面，即位于第一个中继自聚焦透镜的像距L’₂处重合，以此类推，最后一个中继自聚焦透镜的像平面与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面重合；一个中继自聚焦透镜组中设置的中继自聚焦透镜的数目取决于最后一个中继自聚焦透镜的像平面上的成像圆中的影像进入后面耦合的一根自聚焦光纤的纤芯中，并满足自聚焦摄像机对于耦合效率的要求；第三种设计是在一个自聚焦透镜的像平面与后面的一根自聚焦光纤的耦合平面重合，并在两个平面重合处或重合处前后附近设置一个镜片；其中，L’₁是第一个中继自聚焦透镜的物距，即第一个中继自聚焦透镜的输入端面与前面的一个自聚焦透镜的像平面之间的距离；L’₂是第一个中继自聚焦透镜的像距，即第一个中继自聚焦透镜的输出端面与中继自聚焦透镜的像平面之间的距离；L’_C是自聚焦光纤的耦合距，即自聚焦光纤输入端面与自聚焦光纤的耦合平面之间的距离；

所述的一个自聚焦光纤模组有两种不同的模型；第一种是一根自聚焦光纤；第二种是由一根自聚焦光纤和两个完全相同的凸镜片或凹镜片组成，两个镜片分别设置在一根自聚焦光纤的输入端面和输出端面上；一根自聚焦光纤是一种光纤纤芯的折射率在纤芯中心轴线处最大，沿着纤芯半径方向上按照一个二次方程式逐渐变小的多模光纤，当光线在自聚焦光纤的输入端面上半径r处的入射角Q(r)小于或等于自聚焦光纤在该半径r处的最大入射角Q(r)_max，并且自聚焦光纤的长度为Lf＝β×N＝(2π÷g)×N时，光线在自聚焦光纤中是以一种正弦曲线的传输模式向前传输，所有不同传输模式的光线在自聚焦光纤中的光程是相等的，光线离开自聚焦光纤输出端面时的方向与光线进入自聚焦光纤输入端面时的方向是相同的；上面所述的光线可以是影像，照明光或单色光中的一个或一束光线；上述公式中，β＝2π÷g是光线在自聚焦光纤中完成一个正弦曲线周期的长度，称为波长或节距；g是自聚焦光纤的径向折射率梯度；N是一个正整数。

2.一种自聚焦立体摄像机，其特征在于，包括如权利要求1所述的两个相同的自聚焦摄像机，一个影像处理器和一个同屏芯片组成；其特征在于，

所述的一个自聚焦立体摄像机的中心轴线分别与设置在中心轴线左右两边的两个自聚焦摄像机的自聚焦物镜中心线彼此平行，并与左右两个自聚焦物镜中心线共同构成一个平面，左右两个自聚焦摄像机采集的一个位于自聚焦立体摄像机中心轴线上的关注物体的影像分别在左右两个自聚焦摄像机中的图像传感器上成像，但是关注物体的左右两个影像都不在左右两个图像传感器输出的影像的中心；左右两个自聚焦摄像机中的成像镜头组中心线彼此平行并构成一个平面；一个所述的同屏芯片沿着一条位于左右两个成像镜头组中心线构成的平面上，并与左右两个成像镜头组中心线垂直的一条直线方向上，对左右两个影像朝向彼此相对或相反的方向上平移，使关注物体的左右两个影像分别位于平移后的左右两个新影像的中心；初始设定时，同屏芯片按照平移公式h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)对左右两个影像进行平移；拍摄过程中，当关注物体移动时，同屏芯片按照平移公式h＝(F×t)÷(2Z)对左右两个影像同步地进行平移；左右两个影像被平移后，关注物体的左右两个影像分别位于自聚焦立体摄像机输出的左右两个影像的中心，关注物体的立体影像汇聚点位于屏幕上，关注物体的立体深度与关注物体的立体影像汇聚点的立体深度之间满足一个线性关系式，立体影像采集空间与立体影像播放空间之间成为相互线性空间关系，自聚焦立体摄像机的纵向放大率M_Z＝Z_D×[T÷(A×F×t)]；一个所述的同屏芯片也可以通过改变动态影像放大率A＝[T÷(F×t)]×Z，应用等效变焦公式w’＝(W×F×t)÷(T×Z)或等效缩放公式W’＝[(T×w)÷(F×t)]×Z得到与左右两个影像平移后相同的结果；上述公式中，h是左影像和右影像各自平移的距离；h_conv是初始设定时左影像和右影像各自平移的距离；T是人的双眼之间的距离；F是成像镜头组的焦距或像距；t是视间距，即左右两个自聚焦物镜中心线之间的距离；w是图像传感器成像表面的水平长度，w’是图像传感器成像表面等效变焦后的水平长度；W是立体播放器屏幕的水平长度；W’是立体播放器屏幕等效缩放后的水平长度；A是动态影像放大率；Z_conv是自聚焦立体摄像机等效汇聚点的立体深度，Z是实景中一个关注物体的立体深度，Z_D是播放屏幕的立体深度；

所述的一个影像处理器中设置有一个集成和存储有多条指令由影像处理器加载并执行的一个同屏芯片；所述的同屏芯片是一个集成和存储有多条指令，包括一个定位追踪指令，一个测量指令，一个平移指令和一个同屏指令的芯片，同屏芯片中的上述指令由影像处理器加载并执行。

3.根据权利要求2所述的一种自聚焦立体摄像机，其特征在于，

所述的一个定位追踪指令是实景中一个关注点或一条关注直线的左影像在左右两个影像截图中的左影像截图中任一时刻的位置被定位后，定位和追踪该关注点或关注直线的右影像在右影像截图中该时刻的位置；也可以是实景中一个关注点或一条关注直线的右影像在左右两个影像截图中的右影像截图中任一时刻的位置被定位后，定位和追踪该关注点或关注直线的左影像在左影像截图中该时刻的位置；

所述的一个测量指令是根据左右两个自聚焦摄像机的自聚焦物镜中心线与一个关注点之间的几何关系和同屏等效汇聚法，建立一个关注点的左右两个影像在屏幕上的视差P＝(X_R－X_L)与关注点的空间坐标(X,Y,Z)之间的关系，一个关注物体表面影像在屏幕上的面积与关注物体表面的实际面积之间的关系；

一个关注点的左右两个影像在一个左右格式的影像截图中或左右两个独立的影像截图中的视差为P＝(X_R－X_L)，则关注点的空间坐标(X,Y,Z)是；

X＝t×(X_L+T/2)÷[T－(X_R－X_L)]－t/2

Y＝Y_L÷(m×A)＝Y_R÷(m×A)

Z＝(A×F×t)÷[T－(X_R－X_L)]

其中，X_L、X_R、Y_L和Y_R分别是一个关注点的左右两个影像在左右两个影像截图中的左影像截图和右影像截图中的横坐标和纵坐标，m是镜头组的放大率；

所述的一个同屏指令是当一个位于自聚焦立体摄像机中心轴线上的关注物体的立体深度Z发生变化ΔZ时，得到左右两个影像沿着一条位于左右两个成像镜头组中心线构成的一个平面上并与左右两个成像镜头组中心线垂直的一条直线方向上的平移距离h＝(F×t)÷(2Z)，平移变化Δh＝[(F×t)/2]×(1/Z₂－1/Z₁)和平移方向，动态影像放大率A＝[T÷(F×t)]×Z，动态影像放大率变化ΔA＝[T÷(F×t)]×ΔZ，等效变焦公式w’＝(W×F×t)÷(T×Z)，等效变焦公式变化Δw’＝[(W×F×t)÷T]×(1/Z₂－1/Z₁)，等效缩放公式W’＝[(T×w)÷(F×t)]×Z和等效缩放公式变化ΔW’＝[(T×w)÷(F×t)]×ΔZ；

所述的一个平移指令是当一个位于自聚焦立体摄像机中心轴线上的关注物体的立体深度Z发生变化ΔZ时，按照同屏指令沿着一条位于左右两个成像镜头组中心线构成的一个平面上并与左右两个成像镜头组中心线垂直的一条直线方向上，对左右两个影像朝着同屏指令确定的平移方向上各自平移h＝(F×t)÷(2Z)的距离；初始设定时，对左右两个影像朝向彼此相对的方向上平移h_conv＝(F×t)÷(2Z_conv)的距离。