CN114217456B - 一种3d成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D成像系统，包括光学成像镜片和感测器，光学成像镜片采用一个或若干个衍射光学元件，或者若干个衍射光学元件与传统的聚光透镜的组合。本发明还公开了一种通过衍射光学元件构建的光学成像镜片测量物距的方法，基于RGB三原色不同模糊程度的成像计算得到不同物体的物距。本发明构建的3D立体影像具有精准度高的优点，并能够对不同物体实现测距。

Description

一种3D成像系统

技术领域

本发明涉及成像系统领域，具体是一种3D成像系统。

背景技术

传统透镜阵列具有3D立体影像功能已是习知技术，其原理如图1(a)和图1(b)所示，利用双眼视觉三角交会原理，物体通过每个传统透镜即聚光透镜1在感测器2上的成像位置有角度偏移，由此可计算出该物体的距离，并建构出3D立体图像。这种3D成像系统存在的问题是针对不同颜色实现不同颜色对焦在不同物距，因此3D立体影像重现的精准度不够理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D成像系统，以解决现有技术传统用于3D成像的聚光透镜阵列无法实现不同颜色对角在不同物距的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种3D成像系统，包括光学成像镜片和感测器，被成像物体通过所述光学成像镜片成像于所述感测器，所述光学成像镜片包括一个衍射光学元件或若干个平面分布的衍射光学元件。

进一步的，所述光学成像镜片还包括每个衍射光学元件周围环绕的若干个聚光透镜。

进一步的，每个衍射光学元件周围环绕的若干个聚光透镜呈相同形状的平面分布。

进一步的，相邻衍射光学元件共用至少一个聚光透镜，且每个衍射光学元件周围环绕的聚光透镜数量相同。

进一步的，所述衍射光学元件平面几何尺寸小于或等于所述聚光透镜的平面几何尺寸。

进一步的，所述衍射光学元件厚度小于或等于所述聚光透镜的厚度。

一种所述的3D成像系统，采用菲涅尔玻带片取代所述衍射光学元件，或者采用超透镜取代所述衍射光学元件。

一种基于3D成像系统的测距方法，利用感测器通过光学成像镜片同时感测三个不同物距的被成像物体从而成像，其中：

通过成像中最清晰的R色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到物距最近的被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的B色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到物距最远的被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的G色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到最远、最近之间的被成像物体的物距。

本发明中，采用衍射光学元件、或者菲涅尔玻带片、或者超透镜作为光学成像镜片，衍射光学元件、菲涅尔玻带片、超透镜对于光学三原色RGB中不同原色的波长焦距差异大于传统的聚光透镜阵列，致使各波长对焦物距不同，由此感测器上的成像中R、G、B各颜色有不同的清晰程度，藉此能够计算出物体的实际距离，并可针对不同颜色实现不同颜色对焦在不同物距，因此构建的3D立体影像具有精准度高的优点，并能够对不同物体实现测距。

附图说明

图1(a)是传统透镜阵列原理正视图。

图1(b)是传统透镜阵列原理俯视图。

图2是本发明中衍射光学元件正视图。

图3是本发明中衍射光学元件物距不变时成像原理图。

图4是本发明中衍射光学元件像距不变时成像原理图。

图5(a)是本发明由衍射光学元件构成的光学成像镜片结构正视图。

图5(b)是本发明由衍射光学元件构成的光学成像镜片结构俯视图。

图6是本发明衍射光学元件与聚光透镜第一种组合方式示意图。

图7是本发明衍射光学元件与聚光透镜第二种组合方式示意图。

图8是本发明衍射光学元件与聚光透镜第三种组合方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明中以衍射光学元件作为3D成像系统的光学成像镜片。如图2所示，衍射光学元件(Diffractive Optical Element，简称DOE Lens)的微结构设计是同心圆分布，离光轴中心越远则越密，具有一般透镜的功能，有焦距，能成像。与一般透镜不同的是色散大，不同波长有不同的焦距值，且差异很大，并且不同波长的焦距差异量比传统的聚光透镜大。所以各波长的成像面位置分的较开，对一般应用而言，成像有严重的色差，通常DOE Lens不会被单独拿来使用。

如图3所示，设f’r、f’g、f’b分别代表被成像物体出射光中光学三原色R、G、B的焦距，l为物距，l’为像距，f’为焦距。当物距l相同时，不同波长的三原色R、G、B的焦距f’r、f’g、f’b有不同的像距l’r、l’g、l’b，所以单一成像位置有严重的色差。依据如下的高斯成像公式可建立像距、物距和焦距的数学关系，公式如下：

当像距l’相同时，表示R、G、B三原色有不同的物距l’r、l’g、l’b，如图4所示，即RGB三色可以同时针对三个物距成像。由于DOE Lens的各波长焦距差异甚大于传统的聚光透镜，所以物距差异也甚大于传统的聚光透镜。故可以透过判断拍摄物体各颜色照片的模糊程度，计算出该物体的距离。也就是说，在不用对焦的情况下，只要透过不同颜色的照片，就可以算出画面中所有被摄物体的绝对与相对距离。

本发明中，可以以衍射光学元件3构建3D成像系统的光学成像镜片，被成像物体出射光经过光学成像镜片成像于感测器2。构成光学成像镜片的衍射光学元件3至少有一个或多个，当有多个时，多个衍射光学元件3呈平面分布，如图5(a)和图5(b)所示。在本实施例中，多个衍射光学元件3呈平面矩形阵列分布，感测器2位于衍射光学元件阵列的光路后方，用于接收通过衍射光学元件阵列的光以进行成像。

本发明中，光学成像镜片中的衍射光学元件3还可以与传统的聚光透镜1组合，具体组合时每个聚光透镜1周围分别环绕数量相同的若干个聚光透镜，衍射光学元件3的平面分布形状与每个衍射光学元件3周围环绕的聚光透镜平面分布形状可以相同，也可以不同。

如图6所示，多个衍射光学元件3呈平面矩形阵列分布，每个衍射光学元件3周围分别环绕四个同样呈矩形分布的聚光透镜1，并且横向或纵向相邻衍射光学元件3共用两个聚光透镜1。

或者如图7所示，多个衍射光学元件3呈平面阵列分布，该阵列中相邻行错开，每个衍射光学元件3周围分别环绕四个呈菱形分布的聚光透镜1，并且横向或纵向相邻衍射光学元件3共用一个聚光透镜1。

或者如图8所示，多个衍射光学元件3层平面阵列分布，每个衍射光学元件3周围分别环绕三个呈三角形分布的聚光透镜1，并且横向或纵向相邻衍射光学元件3共用一个聚光透镜1。

本发明中，聚光透镜1为圆形镜片，衍射光学元件3同样为圆形镜片，衍射光学元件3的直径小于或等于聚光透镜1的直径，衍射光学元件3的厚度小于或等于聚光透镜1的厚度。

本发明中，还可以采用菲涅尔玻带片(Fresnel zone plates)或者是超透镜(metalenses)取代所述衍射光学元件构建光学成像镜片，同样能够实现3D成像和测距。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种3D成像系统，包括光学成像镜片和感测器，一被成像物体通过所述光学成像镜片成像于所述感测器，其特征在于：所述光学成像镜片包括一个衍射光学元件或若干个平面分布的衍射光学元件，利用感测器通过光学成像镜片同时感测三个不同物距的所述一被成像物体从而成像，其中：

通过成像中最清晰的R色对应的像距，结合光学成像镜片在R色的焦距，计算得到物距最近的所述一被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的B色对应的像距，结合光学成像镜片在B色的焦距，计算得到物距最远的所述一被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的G色对应的像距，结合光学成像镜片在G色的焦距，计算得到最远、最近之间的所述一被成像物体的物距；

由此可针对不同颜色实现不同颜色对焦在不同物距，进而构建3D立体影像。

2.根据权利要求1所述的一种3D成像系统，其特征在于：所述光学成像镜片还包括每个衍射光学元件周围环绕的若干个聚光透镜。

3.根据权利要求2所述的一种3D成像系统，其特征在于：每个衍射光学元件周围环绕的若干个聚光透镜呈相同形状的平面分布。

4.根据权利要求2所述的一种3D成像系统，其特征在于：相邻衍射光学元件共用至少一个聚光透镜，且每个衍射光学元件周围环绕的聚光透镜数量相同。

5.根据权利要求2所述的一种3D成像系统，其特征在于：所述衍射光学元件平面几何尺寸小于或等于所述聚光透镜的平面几何尺寸。

6.根据权利要求2所述的一种3D成像系统，其特征在于：所述衍射光学元件厚度小于或等于所述聚光透镜的厚度。

7.一种如权利要求1所述的3D成像系统，其特征在于：采用菲涅尔玻带片取代所述衍射光学元件。

8.一种如权利要求1所述的3D成像系统，其特征在于：采用超透镜取代所述衍射光学元件。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述3D成像系统的测距方法，其特征在于：利用感测器通过光学成像镜片同时感测三个不同物距的被成像物体从而成像，其中：

通过成像中最清晰的R色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到物距最近的被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的B色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到物距最远的被成像物体的物距；

通过成像中最清晰的G色对应的像距，结合光学成像镜片的焦距，计算得到最远、最近之间的被成像物体的物距。