CN114543749A - 测量多目标景深的光学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量多目标景深的光学系统，包括扭曲光栅和变焦镜头，扭曲光栅具有扭曲的光栅条纹，该扭曲光栅的扭曲偏移量被配置为对不同景深的至少两个目标物体以不同的光栅级次聚焦在同一像平面上；变焦镜头设置在扭曲光栅的成像光路上，变焦镜头具有可调节的焦距；光学系统的整体焦距受变焦镜头焦距的变化而变化，使得位于不同景深的至少两个目标物体通过光学系统后被同时焦距在同一像平面上。本发明提出的测量多目标景深的光学系统及方法采用扭曲光栅与变焦镜头构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点。

Description

测量多目标景深的光学系统及方法

技术领域

本发明涉及计算成像技术领域，尤其是指一种测量多目标景深的光学系统及方法。

背景技术

随着计算成像领域的快速发展，近年来通过光场成像的方式获得三维信息得到了一定的关注。光场，即光在空间中辐射的场分布，其是一个高维数据，因此采集到光场数据后可以从中提取出需要的信息，例如空间中的三维信息。

目前的多目标的三维信息获取主要依靠双目或者多目机器视觉系统，其主要缺点在于结构复杂（需要多个成像系统且各个成像系统间位置需要严格满足系统几何成像关系）、运算处理速度受限（拍摄角度不同，所对应空间立体角度不同，各成像系统需要依据坐标关系进行校正）以及体积相对较大等问题。

因此，迫切需要提出一种结构简单以及信息获取快速的测量多目标景深的光学系统及方法。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种测量多目标景深的光学系统及方法，其采用扭曲光栅与变焦镜头构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，进而得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点，对于三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测等领域有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测量多目标景深的光学系统，包括：

扭曲光栅，其具有扭曲的光栅条纹，该扭曲光栅的扭曲偏移量被配置为对不同景深的至少两个目标物体以不同的光栅级次聚焦在同一像平面上；

变焦镜头，其设置在所述扭曲光栅的成像光路上，所述变焦镜头具有可调节的焦距；

所述光学系统的整体焦距受所述变焦镜头焦距的变化而变化，使得位于不同景深的至少两个目标物体通过所述光学系统后被同时聚焦在同一像平面上。

在本发明的一个实施例中，还包括数字图像采集设备，其被设置于所述光学系统的像平面上，用于在位于不同景深的至少两个目标物体同时聚焦于所述数字图像采集设备时，获得同一像平面上的至少两个目标物体的成像信息。

在本发明的一个实施例中，还包括数字图像处理设备，接收所述至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息。

在本发明的一个实施例中，所述变焦镜头包括光学镜片和微型电机，所述微型电机驱动所述光学镜片移动，以调节所述变焦镜头的焦距。

在本发明的一个实施例中，同一像平面上各级次成像的有效焦距的公式为

，其中

为第m级次的有效焦距，其决定了第m级成像位置，

为变焦镜头的焦距，

为扭曲光栅的孔径半径，

为扭曲光栅的离焦系数。

此外，本发明还提供一种测量多目标景深的方法，该方法通过如上述所述的测量多目标景深的光学系统实现，该方法包括：

对位于不同景深的至少两个目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，至少一次的调节所述变焦镜头的焦距，使得至少两个目标物体在同一像平面上聚焦成像；

由数字图像处理设备接收至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息，根据此时光学系统的整体焦距和其他目标物体对应的光栅级次，测算出至少两个目标物体之间的距离。

在本发明的一个实施例中，所述扭曲光栅的放置位置根据位于不同景深的至少两个目标物体的探测范围所决定。

在本发明的一个实施例中，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息，包括：

将至少两个目标物体所处的不同平面被聚焦时所对应的变焦镜头的焦距转化为至少两个目标物体的景深关系。

并且，本发明还提供一种如上述所述的测量多目标景深的光学系统在三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测领域的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明采用扭曲光栅与变焦镜头构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，进而得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点，对于三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测等领域有重要意义。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明测量多目标景深的光学系统的结构示意图。

图2是本发明扭曲光栅的结构示意图。

图3是本发明优选的一个示例示意图。

其中，附图标记说明如下：10、扭曲光栅；20、变焦镜头；30、数字图像采集设备；40、数字图像处理设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

请参阅图1和图2所示，本发明实施例提供一种测量多目标景深的光学系统，包括：

扭曲光栅10，其具有扭曲的光栅条纹，该扭曲光栅10的扭曲偏移量被配置为对不同景深的至少两个目标物体以不同的光栅级次聚焦在同一像平面上；

变焦镜头20，其设置在所述扭曲光栅10的成像光路上，所述变焦镜头20具有可调节的焦距；

数字图像采集设备30，其被设置于所述光学系统的像平面上，其用于在位于不同景深的至少两个目标物体同时聚焦于所述数字图像采集设备30时，获得同一像平面上的至少两个目标物体的成像信息；

数字图像处理设备40，其用于接收所述至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息；

所述光学系统的整体焦距受所述变焦镜头20焦距的变化而变化，使得位于不同景深的至少两个目标物体通过所述光学系统后被同时聚焦在同一像平面上，其中所述变焦镜头20的焦距被调大时，所述扭曲光栅10不同光栅级次的光的焦距也被放大，使得所述光学系统对设定景深范围内的不同物体具有同时成像的能力；

对两个不同位置的目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，调节所述变焦镜头20的焦距，使得两个目标物体在同一像平面上聚焦成像，根据此时光学系统的整体焦距和另一目标物体对应的光栅级次，测算出该两个目标物体之间的距离。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，本发明采用扭曲光栅10与变焦镜头20构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，进而得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点，对于三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测等领域有重要意义。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，扭曲光栅10的扭曲偏离量

的值的大小决定了该扭曲光栅10的聚焦能力。为了保证能够对动态物体实时测距，变焦镜头20采用大焦深的设计方案，该设计方案可按照具体测量场合进行定制，如远心、广角等，目的是让设定景深范围的多个不同物体均能在同一个像平面上清晰成像，即被光学系统不同的光栅级次的光进行聚焦。对两个不同位置的目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，调节所述变焦镜头20的焦距，使得两个目标物体在同一像平面上聚焦成像，根据此时光学系统的整体焦距和另一目标物体对应的光栅级次，测算出该两个目标物体之间的距离。具体的，当选择合适的参考物体（一般为0级成像物体）进行聚焦后，通过调节变焦镜头20的焦距，可以让一定范围内的待测动态物体（其他级次成像物体）均可较为清晰成像于固体摄像器件靶面，依据变焦镜头20位置对应的焦距和数字图像处理设备40预存的关系表获得相应的距离。该测距光学系统的测距范围可依据整体光学镜头的成像素质决定，比如说对于成本较大的镜头，可以在较大的景深范围内进行测量。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，所述变焦镜头20包括光学镜片和微型电机，所述微型电机驱动所述光学镜片移动，以调节所述变焦镜头20的焦距。其中一种实现结构可以采用如下结构：变焦镜头20包括镜座和镜筒，光学镜片紧密设置在镜筒之内并可前后移动，微型电机设置在镜座上，且微型电机与光学镜片连接，通过微型电机驱动光学镜片在镜筒内前后移动，以调节该变焦镜头20的焦距，当然还可以采用其他结构，本发明实施例不以此为限制。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，同一像平面上各级次成像的有效焦距的公式为

，其中

为第m级次的有效焦距，其决定了第m级成像位置，

为变焦镜头20的焦距，

为扭曲光栅10的孔径半径，

为扭曲光栅10的离焦系数，其与扭曲光栅10的入瞳孔径以及扭曲光栅10的常数有关。由该公式可知：该测量多目标景深的光学系统具有多个不同的有效焦距，因此该系统每次成像均可对多个位于不同景深的目标物体的平面聚焦，其通过改变变焦镜头20的焦距即可获取所需探测多个目标物体的位置信息。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，位于不同景深的至少两个目标物体在成像时，其中一个目标物体能够由扭曲光栅10聚焦后再经过变焦镜头20成像在所述数字图像采集设备30上，通过至少一次的调节变焦镜头20的焦距使得另外的至少一个目标物体同时成像在所述数字图像采集设备30上，一次获得同一像平面上的至少两个目标物体的成像信息。可以参阅图3所示，作为示例地，至少两个目标物体的数量为三个，其为O₁、O₂和O₃，位于不同景深的三个目标物体O₁、O₂和O₃在成像时，选择目标物体O₂作为参考物体对应到0级光进行成像，即目标物体O₂由所述扭曲光栅10聚焦后再经过变焦镜头20成像在所述数字图像采集设备30上，通过两次调节变焦镜头20的焦距使得另外两个目标物体O₁和O₃同时成像在所述数字图像采集设备30上，一次获得同一像平面上的三个目标物体O₁、O₂和O₃的成像信息，即目标物体O₁、O₂和O₃对应的成像信息分别为I₁、I₂和I₃。其中目标物体O₁和O₃为其他级次的待测动态物体，当选择合适的目标物体O₂作为参考物体对应到0级光进行成像时，设定景深范围内的待测动态物体O₁和O₃（其他级次成像物体）均可较为清晰成像于同一像平面上。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的光学系统中，上述数字图像处理设备40中预存有变焦镜头20的焦距与物体距离的对应关系表，其对应关系表满足透镜成像公式（透镜成像公式为现有技术，本发明在这里不做赘述），因此当多个目标物体所处的不同平面被聚焦时所对应的变焦镜头20的焦距可以转化为多个目标物体之间的位置关系，即多个目标物体的景深关系。

实施例二

下面对本发明实施例二公开的一种测量多目标景深的方法进行介绍，下文描述的一种测量多目标景深的方法由上文描述的一种测量多目标景深的光学系统实现，其内容可相互对应参照。

本发明实施例二公开了一种测量多目标景深的方法，该方法通过如上述实施例一所述的测量多目标景深的光学系统实现，该方法包括：

对位于不同景深的至少两个目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，至少一次的调节所述变焦镜头20的焦距，使得至少两个目标物体在同一像平面上聚焦成像；

由数字图像处理设备40接收至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息，根据此时光学系统的整体焦距和其他目标物体对应的光栅级次，测算出至少两个目标物体之间的距离。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的方法中，所述扭曲光栅10的放置位置根据位于不同景深的至少两个目标物体的探测范围所决定。例如可以参阅图3所示，至少两个目标物体的数量为三个，其为O₁、O₂和O₃，位于不同景深的三个目标物体O₁、O₂和O₃在成像时，选择目标物体O₂作为参考物体对应到0级光进行成像，即目标物体O₂由所述扭曲光栅10聚焦后再经过变焦镜头20成像在所述数字图像采集设备30上，通过两次调节变焦镜头20的焦距使得另外两个目标物体O₁和O₃同时成像在所述数字图像采集设备30上，一次获得同一像平面上的三个目标物体O₁、O₂和O₃的成像信息，即目标物体O₁、O₂和O₃对应的成像信息分别为I₁、I₂和I₃。其中目标物体O₁和O₃为其他级次的待测动态物体，当选择合适的目标物体O₂作为参考物体对应到0级光进行成像时，设定景深范围内的待测动态物体O₁和O₃（其他级次成像物体）均可较为清晰成像于同一像平面上。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的方法中，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息包括将至少两个目标物体所处的不同平面被聚焦时所对应的变焦镜头的焦距转化为至少两个目标物体的景深关系。

在本发明实施例公开的一种测量多目标景深的方法中，本发明采用扭曲光栅10与变焦镜头20构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，进而得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点，对于三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测等领域有重要意义。

本实施例的测量多目标景深的方法基于前述的测量多目标景深的光学系统实现，因此该方法的具体实施方式可见前文中的测量多目标景深的光学系统的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例的测量多目标景深的方法基于前述的测量多目标景深的光学系统实现，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。

实施例三

下面对本发明实施例三公开的一种测量多目标景深的光学系统的应用进行介绍，下文描述的一种测量多目标景深的光学系统已经在实施例一中进行了详细的阐述，本发明实施例在这里不做赘述。

本发明实施例三提供一种如上述实施例一所述的测量多目标景深的光学系统在三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测领域的应用。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种测量多目标景深的光学系统，其特征在于：包括：

扭曲光栅，其具有扭曲的光栅条纹，该扭曲光栅的扭曲偏移量被配置为对不同景深的至少两个目标物体以不同的光栅级次聚焦在同一像平面上；

变焦镜头，其设置在所述扭曲光栅的成像光路上，所述变焦镜头具有可调节的焦距；

数字图像采集设备，其被设置于光学系统的像平面上，用于在位于不同景深的至少两个目标物体同时聚焦于所述数字图像采集设备时，获得同一像平面上的至少两个目标物体的成像信息；

数字图像处理设备，接收所述至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息；

所述光学系统的整体焦距受所述变焦镜头焦距的变化而变化，使得位于不同景深的至少两个目标物体通过所述光学系统后被同时聚焦在同一像平面上，其中所述变焦镜头的焦距被调大时，所述扭曲光栅不同光栅级次的光的焦距也被放大，使得所述光学系统对设定景深范围内的不同物体具有同时成像的能力；

对两个不同位置的目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，调节所述变焦镜头的焦距，使得两个目标物体在同一像平面上聚焦成像，根据此时光学系统的整体焦距和另一目标物体对应的光栅级次，测算出该两个目标物体之间的距离。

2.根据权利要求1所述的测量多目标景深的光学系统，其特征在于：所述变焦镜头包括光学镜片和微型电机，所述微型电机驱动所述光学镜片移动，以调节所述变焦镜头的焦距。

3.根据权利要求1所述的测量多目标景深的光学系统，其特征在于：同一像平面上各级次成像的有效焦距的公式为

，其中

为第m级次的有效焦距，其决定了第m级成像位置，

为变焦镜头的焦距，

为扭曲光栅的孔径半径，

为扭曲光栅的离焦系数。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的测量多目标景深的光学系统在三维成像、多目标探测定位以及工件形貌检测领域的应用。

5.一种测量多目标景深的方法，其特征在于：该方法通过如权利要求1-3任一项所述的测量多目标景深的光学系统实现，该方法包括：

对位于不同景深的至少两个目标物体进行测距时，先选择其中一个目标物体作为参考物体对应到0级光进行成像，至少一次的调节所述变焦镜头的焦距，使得至少两个目标物体在同一像平面上聚焦成像；

由数字图像处理设备接收至少两个目标物体的成像信息，基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息，根据此时光学系统的整体焦距和其他目标物体对应的光栅级次，测算出至少两个目标物体之间的距离。

6.根据权利要求5所述的测量多目标景深的方法，其特征在于：所述扭曲光栅的放置位置根据位于不同景深的至少两个目标物体的探测范围所决定。

7.根据权利要求5所述的测量多目标景深的方法，其特征在于：基于所述成像信息计算得到至少两个目标物体的景深信息，包括：

将至少两个目标物体所处的不同平面被聚焦时所对应的变焦镜头的焦距转化为至少两个目标物体的景深关系。

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