CN212137840U - 镜头、三维成像模组及三维成像设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种镜头、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，透镜元件包括第一子透镜及至少两个第二子透镜，第二子透镜为非旋转对称结构，第一子透镜包括第一有效通光部，第二子透镜包括第二有效通光部，任意两个第二子透镜的第二有效通光部关于入射轴旋转对称；透镜元件中的第一有效通光部用于通过入射光束，以在镜头的像侧形成第一图像；透镜元件中的各第二有效通光部用于通过入射光束，以在镜头的像侧形成与第二有效通光部的数量相同的第二图像，第一图像与各第二图像两两相互间隔。通过一个镜头实现三维成像，极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使系统能够灵活地对狭窄空间进行三维扫描。

Description

镜头、三维成像模组及三维成像设备

技术领域

本实用新型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

传统的三维扫描系统已经广泛应用于很多领域，如AR、无人机、机器人、工业制程、医疗设备等，在这些传统的三维扫描系统中，一般通过多个镜头采集被摄物体的不同角度的图像以形成三维点云数据，然后通过计算相邻两个扫描时刻的点云的相似性进行点云匹配，即随着镜头的连续移动对不同位置所拍摄的图像数据进行拼接，最终重建出完整的物体三维模型。但是由于多个镜头的设置，这种传统的三维扫描系统存在尺寸过大，难以对狭窄空间进行三维扫描的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对如何缩小三维扫描系统的尺寸的问题，提供一种镜头、三维成像方法、装置、设备及存储介质。

一种镜头，具有入射轴，包括透镜元件，所述透镜元件包括第一子透镜及至少两个第二子透镜，所述第二子透镜为非旋转对称结构，所述第一子透镜包括第一有效通光部，所述第二子透镜包括第二有效通光部，任意两个所述第二子透镜的所述第二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第一有效通光部用于通过入射光束，以在所述镜头的像侧形成第一图像；所述透镜元件中的各所述第二有效通光部用于通过入射光束，以在所述镜头的像侧形成与所述第二有效通光部的数量相同的第二图像，所述第一图像与所述第二图像两两之间相互间隔。

在上述镜头中，非旋转对称的结构能够使所述第二子透镜于径向上的结构尺寸得到缩减，从而有利于至少两个所述二子透镜容置在一个镜头内，且可通过上述镜头获得至少两个针对被摄物的不同角度的成像图像，进而得到相应的三维点云数据。另一方面，所述镜头也可通过所述第一子透镜获得几近同步的成像图像，以辅助由所述第二子透镜获得的三维点云数据，从而获得更精确且更稳定的三维模型。以上，所述第一子透镜及所述第二子透镜均安装于所述镜头内，通过一个所述镜头即能实现对被摄物的三维成像，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使三维成像系统能够灵活高效地对狭窄空间进行三维扫描。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的所述第一子透镜和各所述第二子透镜能够拼接为一个关于光轴旋转对称的透镜。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的所述第一子透镜和各所述第二子透镜相互间隔设置。

在其中一个实施例中，所述镜头包括以下任意一种方案：

所述透镜元件包括一个所述第一子透镜和两个所述第二子透镜，所述第一子透镜设置于两个所述第二子透镜之间；

所述透镜元件包括一个所述第一子透镜和两个所述第二子透镜，所述第一子透镜和两个所述第二子透镜围绕所述入射轴设置。

在其中一个实施例中，所述透镜元件中的所述第一子透镜为中心对称结构。

在其中一个实施例中，所述镜头包括第一成像单元及至少两个第二成像单元，每一所述第一成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述第一子透镜，每一所述第二成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述第二子透镜，所述第一成像单元中的所述第一子透镜的数量等于任一所述第二成像单元中的所述第二子透镜的数量，每一所述第一子透镜包含于一个所述透镜元件，且每一所述第二子透镜包含于一个所述透镜元件。

在其中一个实施例中，所述镜头包括第一光圈和第二光圈，所述第一光圈的数量与所述透镜元件中的所述第一子透镜的数量相同，所述第二光圈的数量与所述透镜元件中的所述第二子透镜的数量相同，沿平行于所述入射轴的方向上，所述透镜元件中的所述第一子透镜与一个所述第一光圈在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠，所述透镜元件中每个所述第二子透镜与一个所述第二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，任意两个所述第二光圈关于所述入射轴旋转对称。

在其中一个实施例中，各所述第二光圈的孔径大小相等。

在其中一个实施例中，所述第一光圈的孔径大于所述第二光圈的孔径。

在其中一个实施例中，所述镜头包括镜筒，所述透镜元件设置于所述镜筒内，所述镜筒于物端开设有入光孔，所述入射轴经过所述入光孔。

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，所述三维成像模组能够通过一个镜头即实现对被摄物的三维成像，从而可有效缩减模组的横向尺寸，缩小三维成像设备中用于安装所述三维成像模组的空间，进而有利于三维成像设备对狭窄空间进行更高效灵活的三维扫描。

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，所述光源与所述镜头相对固定设置，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。通过采用上述三维成像模组，所述三维成像设备能够对狭窄空间进行更高效灵活的三维扫描。

在其中一个实施例中，所述三维成像设备包括光源，所述光源与所述镜头相对固定设置，所述光源用于照射被摄物体。

一种三维成像设备，包括上述任一项所述的镜头。通过采用上述镜头，所述三维成像设备能够对狭窄空间进行更高效灵活的三维扫描。

一种三维成像方法，应用于任意一项所述的镜头，所述三维成像方法包括如下步骤：

在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像，所述第一图像具有被摄物体的二维表面信息；

根据同一帧的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；

根据同一帧的所述第一图像和所述三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

所述三维成像方法可通过上述镜头中的所述第一子透镜获取第一图像，通过第二子透镜获取第二图像。第一图像具有被摄物体的二维表面信息，因此第一图像可作为具有二维表面信息的二维信息图像，且利用相互间隔的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的三维信息图像。以上，每一帧图像均拥有二维和三维信息，通过结合系统中的二维信息图像和三维信息图像，可有效提升每一帧三维成像的精确性。另一方面，所述第一子透镜及所述第二子透镜均安装于所述镜头内，因此通过一个所述镜头即能实现对被摄物的三维成像，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使上述三维成像方法能够灵活高效地应用于狭窄空间。

在其中一个实施例中，所述第一图像包括被摄物体的颜色、纹理、明暗程度中的至少一种信息。

在其中一个实施例中，根据同一帧的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像，包括：

所述三维信息图像由同一帧的至少两个所述第二图像重建出的三维点云形成。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

获取相邻两帧的所述三维信息图像；

对所述相邻两帧的所述三维信息图像进行特征匹配处理，得到点云匹配结果；

根据所述点云匹配结果对所述相邻两帧的所述三维信息图像进行拼接。

在其中一个实施例中，三维成像方法包括：对相邻两帧的所述三维信息图像进行迭代最近点算法处理，以对相邻帧的所述三维信息图像进行拼接。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

获取相邻两帧的所述第一图像；

对所述相邻两帧的所述第一图像进行特征匹配处理，得到二维匹配结果；

根据所述二维匹配结果对所述相邻两帧的所述第一图像进行拼接。

在其中一个实施例中，对相邻两帧的第一图像进行特征匹配处理的步骤包括以下任意一种：

对相邻两帧的所述第一图像中的相应特征进行尺度不变特征转换处理；

对相邻两帧的所述第一图像中的相应特征进行加速稳健特征处理；

对相邻两帧的所述第一图像中的相应特征进行运动中恢复结构的方法处理。

在其中一个实施例中，所述预设时间小于或等于200ms。

在其中一个实施例中，所述在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像，包括：

获取同一帧的所述第一图像和所述第二图像之间存在间隔时间，所述间隔时间满足t≤1ms，所述第一图像和所述第二图像的曝光时间均在100ms以内。

在其中一个实施例中，三维成像方法包括：对被摄物体投射第一闪光以获取所述第一图像，对被摄物体投射第二闪光以获取所述第二图像，所述第一闪光与所述第二闪光交替投射。

在其中一个实施例中，对被摄物体投射第一闪光以获取所述第一图像。

在其中一个实施例中，对被摄物体投射第二闪光以获取所述第二图像。

一种三维成像装置，包括：

获取模块，用于在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像，所述第一图像具有物体的二维表面信息；

处理模块，用于根据同一帧的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；及

确定模块，用于根据同一帧的所述第一图像和所述三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

在其中一个实施例中，所述三维成像装置还包括投影模块，所述投影模块用于在预设时间内向被摄物体投射第一闪光和第二闪光；

所述获取模块用于根据所述第一闪光获取第一图像，用于根据所述第二闪光获取第二图像。

一种三维成像设备，包括：

投射器，用于在预设时间内向物体投射第一闪光和第二闪光；

存储器，存储有计算机程序；

接收器，在预设时间内根据所述第一闪光获取第一图像，根据所述第二闪光获取第二图像，所述第一图像具有被摄物体的二维表面信息；

处理器，被配置为执行所述存储器上的计算机程序，以实现：根据同一帧的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；根据同一帧的所述第一图像和所述三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

在其中一个实施例中，所述投射器能够在预设时间内向物体依次投射第一闪光和第二闪光。

一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的三维成像方法的步骤。

上述三维成像方法、三维成像装置、三维成像设备及存储介质，利用具有被摄物体表面二维信息的第一图像和具有物体表面三维信息的三维信息图像，以确定被摄物体表面的三维模型，从而可有效提升每一帧三维成像的精确性。且进一步地，上述三维成像方法、三维成像装置、三维成像设备及存储介质也能应用于连续三维扫描，通过结合上述对第一图像和三维信息图像的拼接处理，对被摄物体的连续扫描能够得到稳定且精确连续三维模型。

附图说明

图1为本申请一实施例中包含有镜头的三维成像模组的示意图；

图2为图1中镜头的部分结构示意图；

图3为图2的镜头所对应的成像图像的分布示意图；

图4为本申请另一实施例中包含有镜头的三维成像模组的示意图；

图5为本申请另一实施例中镜头的部分结构示意图；

图6为图5的镜头所对应的成像图像的分布示意图；

图7为本申请另一实施例中镜头的部分结构示意图；

图8为本申请另一实施例中镜头的部分结构示意图；

图9为图8的镜头所对应的成像图像的分布示意图；

图10为本申请另一实施例中包含有镜头的三维成像模组的示意图；

图11为本申请一实施例提供的三维成像设备的部分结构示意图；

图12为本申请一实施例提供的三维成像方法的流程示意图；

图13为本申请另一实施例提供的三维成像方法的流程示意图；

图14为本申请一实施例提供的三维成像方法中对三维信息图像进行拼接的流程示意图；

图15为本申请一实施例提供的三维成像方法中对第一图像进行拼接的流程示意图；

图16为本申请一实施例提供的三维成像装置的结构框图；

图17为本申请另一实施例提供的三维成像装置的结构框图；

图18为本申请一实施例提供的三维成像设备的内部结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型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实用新型。但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，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。

传统的三维扫描系统已经广泛应用于很多领域，如AR、无人机、机器人、工业制程、医疗设备等，在这些传统的三维扫描系统中，一般通过多个镜头采集被摄物体的不同角度的图像以形成三维点云数据，然后通过计算相邻扫描时刻的点云的相似性进行点云匹配，即随着镜头的连续移动对不同位置所拍摄的图像数据进行拼接，最终重建出完整的物体三维模型。但是由于多个镜头的设置，这种传统的三维扫描系统存在尺寸过大，难以对狭窄空间进行三维扫描的问题。

参阅图1，本申请的一些实施例提供了一种三维成像模组20，三维成像模组包括镜头10和图像传感器210，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 Metal OxideSemiconductor，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具有正光焦度，镜头10用于将被摄物的影像信息会聚至成像面103上以形成成像图像。镜头10包括一个镜筒100和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的物端开设有入光孔1001，入光孔1001的中心轴与镜头10的入射轴101共线，也可以存在少许偏差，入射轴101为虚拟的参考轴。一些实施例中的入光孔1001的形状可以为椭圆形、长方形等。镜头10的入射轴101应垂直于感光表面，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的感光表面上形成相应数量的成像图像。特别地，当图像传感器210的数量为一个时，各成像图像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。

参考图1和图2，在图1和图2所展现的实施例中，透镜元件包括第一子透镜111及两个第二子透镜112，第一子透镜111和两个第二子透镜112两两之间在垂直于入射轴101的方向上相互间隔设置，且第一子透镜111和第二子透镜112的物侧表面均朝向入光孔。其中，第二子透镜112为非旋转对称结构，对于为非旋转对称结构的第二子透镜112而言，即在平行于入射轴101的方向上不存在对称轴，使得第二子透镜112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状态重合。

入射轴101经过第一子透镜111，且第一子透镜111关于入射轴101中心对称。两个第二子透镜112分别设置于第一子透镜111在一个垂直于入射轴101方向的相对两侧，且两个第二子透镜112之间关于入射轴101中心对称，即其中一个第二子透镜112在绕入射轴101旋转180°后，能够与另一个第二子透镜112重叠，或者也可以存在少许偏差。存在中心对称关系的两个第二子透镜112在结构上相同，例如两个第二子透镜112的物侧面的面型相同，且像侧面的面型也相同。特别地，在该实施例中，第一子透镜111和两个第二子透镜112可由同一个透镜切分制成，即第一子透镜111和两个第二子透镜112在结构上能够拼接成一个关于光轴旋转对称的透镜。具体地，当第一子透镜111和第二子透镜112均由一个透镜切分而成时，透镜的切分路径平行于该透镜的光轴，且在切分完成后并安装至镜筒中时，第一子透镜111和第二子透镜112经切割后所形成的切面为平面且保持相互平行，切分后的第一子透镜111和第二子透镜112沿垂直于透镜光轴的方向间隔设置。上述透镜的物侧面可以为球面或非球面，像侧面可以为球面或非球面。

在该实施例中，第一子透镜111和第二子透镜112均包括弧形边缘1107，第一子透镜111和第二子透镜112的弧形边缘1107相较自身结构远离入射轴101，若上述第一子透镜111和第二子透镜112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最大有效通光区域的边缘。需注意的是，一般的透镜实际上还包括夹持部，夹持部为非通光部，但本申请的第一子透镜111、第二子透镜112及透镜的各种对称关系描述并不涉及夹持部。

进一步结合图3，第一子透镜111包括第一有效通光部1111，每个第二子透镜112分别包括一个第二有效通光部1121。第一子透镜111中的第一有效通光部1111用于通过入射光束，以在镜头10的像侧形成第一图像105，各第二子透镜112中的第二有效用光部同样用于通过入射光束，以在镜头10的像侧形成与透镜元件中的第二有效通光部1121的数量相同且相互分离的至少两个第二图像106，即入射光束经每一个第二有效通光部1121会聚后能够形成一个第二图像106。需要注意的是，经第一子透镜111形成的第一图像105与经第二子透镜112所形成的第二图像106两两之间相互间隔，互不重叠。在一些实施例中，同一透镜元件110中的第一有效通光部1111和各第二有效通光部1121两两之间相互间隔。形成第一图像105的入射光束在第一子透镜111中所经过的区域即为第一有效通光部1111，形成第二图像106的入射光束在第二子透镜112中所经过的区域即为第二有效通光部1121。在本申请的实施例中，任意两个第二有效通光部1121应尽可能关于入射轴101旋转对称，以确保所形成的各第二图像106是关于被摄物对称视角下的成像，从而有利于通过各第二图像106获得被摄物表面的精确三维数据。本申请中的旋转对称的关系包括但不限于一个部件绕旋转对称轴旋转90°、135°、180°、225°等度数后能够与另一部件重叠。

上述第一子透镜111和各第二子透镜112两两之间的间隔设置，能够将成像面103上的成像图像(第一图像105和第二图像106)分隔开来，从而能够在系统终端对各成像图像中的相应特征进行三维分析。

图像传感器210上的感光表面的形状一般为矩形，在图1的实施例中，两个第二子透镜112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，第二子透镜112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图像。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，两个第二子透镜112之间的间隔距离应小于或等于感光表面长度的四分之三，从而防止由于第二子透镜112之间的间隔距离过大而导致成像图像过于倾斜，进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图像。

可参考图2和图3，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图像。而随着将该透镜沿垂直于入射轴101的一个方向上切分为第一子透镜111和两个第二子透镜112，且使第一子透镜111与两个第二子透镜112两两之间相互间隔时，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图像，即成像面103上的原始成像图像将随着各子透镜之间的间隔距离增大而将逐渐分离出三个新的成像图像。成像图像之间的间隔方向部分取决于各子透镜之间的间隔方向。当子透镜之间的间隔距离足够大时，三个新的成像图像将彻底相互间隔，互不重叠。此时，对两个间隔排布的第二图像106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，或者对两个第二图像106进行互相关、最小二乘法等比对以获得被摄物体的三维点云等。

以双目测距方法为例，对于被摄物体上的一个凹陷或凸起的特征结构而言，凹陷及凸起在成像图像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，通过对两个第二图像106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/或两个图像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物体表面的三维信息，进而实现针对被摄物体表面的三维成像。

另一方面，可通过第一子透镜111获得彩色的第一图像105，该彩色的第一图像105为携带二维信息的图像，随后可将由第二子透镜112获得的三维信息图像与该二维图像叠加，以此获得更为准确且全面的三维成像。进一步地，当采用上述镜头10的三维成像系统需要连续移动扫描时，系统可通过对相邻两个扫描时刻的成像图像中的三维点云信息进行迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)处理，以对相邻两个扫描时刻的第二图像中的三维点云进行匹配，进而对相邻区域的成像图像进行拼接。同时，系统可通过对相邻两个扫描时刻所获得的携带二维信息的第一图像105进行尺度不变特征转换(Scale-invariantfeature transform，SIFT)、加速稳健特征(Speeded Up Robust Features，SURF)等特征算法对相邻两个扫描时刻的成像图像进行拼接。以此，三维成像系统可通过对相邻两个扫描时刻的二维信息图像(如彩色图像)进行特征匹配，以对相邻两个扫描时刻的二维信息图像进行拼接；同时对相邻两个扫描时刻的三维信息图像(如三维点云)进行迭代最近点处理，以对相邻两个扫描时刻的三维信息图像进行拼接。通过两种拼接方法的共同作用，可有效提高系统在连续移动时所获得的图像之间的拼接准确性，从而重建出连续完整的三维模型。

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图像出现间隔即可，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图像。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，因此也有利于缩小三维成像设备中用于安装镜头10的固定结构的尺寸，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。

在图1所展现的实施例中，每个第一子透镜111能够形成一个第一成像单元1021，每个第一成像单元1021对应一个第一图像105，即入射光束经第一成像单元1021调节后，能够在镜头10的成像面103上形成第一图像105。每个第二子透镜112能够形成一个第二成像单元1022，每个第二成像单元1022对应一个第二图像106，即入射光束经第二成像单元1022调节后，能够在镜头10的成像面103上形成一个第二图像106。入射光束经每个成像单元调节后能够在像侧对应形成数量的成像图像。

在一些实施例中，镜头10包括光圈，光圈的数量与透镜元件110中的子透镜的数量相同，且透镜元件110中的每个子透镜(第一子透镜111和第二子透镜112)在平行于入射轴101的方向上与光圈一一对应，与第一子透镜111对应的光圈为第一光圈121，与第二子透镜112对应的光圈为第二光圈122。存在对应关系的第一子透镜111和第一光圈121共同形成第一成像单元1021，存在对应关系的第二子透镜112和第二光圈122共同形成第二成像单元1022。在本申请的实施例中，任一成像单元中的子透镜和光圈均沿平行于入射轴101的方向排布。沿平行于入射轴101的方向上，同一个成像单元中的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。入射光束经每个成像单元调结后均能在成像面103上形成相应的一个成像图像，其中，每个成像单元中的光圈均能用于控制图像的景深及亮度，光圈的孔径可以是确定的，也可以是可调节的。

另外，每个第二成像单元1022中的第二光圈122应尽可能关于镜头10的入射轴101中心对称，且各第二光圈122的孔径应相同，从而确保经每个第二成像单元1022所成的第二图像106的亮度趋于一致，进而有利于经各第二图像106所获得的三维信息的准确性。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，并控制成像图像的景深。在一些实施例中，镜头10中的各光圈与镜筒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的实施例中，第一光圈121设置于第一子透镜111的像侧，第二光圈122设置于第二子透镜112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111与第一光圈121在成像面103上的投影存在重叠，第二子透镜112与第二光圈122在成像面103上的投影存在重叠。在另一些实施例中，第一光圈121可设置于第一子透镜111的物侧，而第二光圈122也可设置于第二子透镜112的物侧，且第一子透镜111与第二子透镜112的中心连线仍垂直于入射轴101。各子透镜和各光圈关于入射轴101的对称设置有利于提升成像图像的亮度、清晰度、大小的一致性，进而有利于终端分析的准确性。

需要注意的是，由于各第二成像单元1022主要用于获取三维信息，因此各第二光圈122的孔径应保持一致，以确保第二图像106的亮度、景深等趋于一致，提高终端分析处理的准确性。而第一成像单元1021主要用于获取二维彩色成像，因此一些实施例中的第一光圈121的孔径可以比第二光圈122的孔径大，以此提高第一图像105的亮度，确保二维彩色成像的清晰度。以上，由于第一成像单元1021和第二成像单元1022所获得的成像图像的类型相互独立，因此在一些实施例中，第一子透镜111中的第一有效通光部1111的结构可以与第二子透镜112中的第二有效通光部1121的结构不同，但也可以相同。

需要注意的是，在一些实施例中，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/或像侧面，且各遮光膜上分别保留一通光区域，遮光膜可起到光圈的效果，通光区域的大小可视为是光圈孔径的大小。

另外，为防止第一子透镜111和第二子透镜112之外的入射光束也到达图像传感器210，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。

另外，在一些实施例中，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。针对工作光线的波段不同，滤光片包括可见光带通滤光片、红外带通滤光片、红外截止滤光片中的至少一种。在一些实施例中，三维成像模组20包括第一滤光片221和至少两个第二滤光片222，第一滤光片221与透镜元件110中的第一子透镜111在垂直于入射轴101的平面上的投影存在重叠，透镜元件110中每个第二子透镜112与一个第二滤光片222在垂直于入射轴101的平面上的投影存在重叠，第一滤光片221和第二滤光片222用于滤除不同波长的光线。例如在一个实施例中，当第一成像单元1021用于对可见光波段的入射光进行会聚以形成彩色成像时，第一滤光片221为红外截止滤光片，以滤除红外光。当第二成像单元1022用于对红外波段的入射光进行会聚以形成红外成像时，第二滤光片222为红外带通滤光片，以此滤除预期波段外的光线。当然，在另一些实施例中，第二图像106也可由某一特定波长下的可见光会聚而成，该波长例如可以是587.56nm、555nm，此时相应的第二滤光片222应为相应波段下的带通滤光片。第一滤光片221和第二滤光片222对光线的滤除关系可以多样，并不限于上述方案，只要确保能够消除干扰第一图像105和第二图像106的光线即可。

在一些实施例中，第一滤光片221与第二滤光片222为一体结构，以此通过减少滤光片的数量来降低滤光片在模组中的对位要求及加工复杂度。第一滤光片221与第二滤光片222之间也可间隔设置，具体设置关系可根据实际设计需求而定。

另一方面，在一些实施例中，当第二图像106由一个特定波段的光线会聚而成时，三维成像模组20中可额外设置一个光源230，以对被摄物体照射相应波段的光线。光源230与镜头10相对固定设置。例如，当特定波段为900nm的红外光时，此时的第二滤光片222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对第二图像106造成干扰。当然，也可以选择能够发射587.56nm、555nm等光线的光源230，此时的第二滤光片222也应设置为相应波段下的带通滤光片。在另一些实施例中，也可不设置滤光片，而是在第二子透镜112的物侧面及/或像侧面上设置滤光膜以实现滤光效果。以上的光源230所能发射的光线的波长及滤光片所能通过的波长仅为具体的几种示例，实际产品中的光源230及滤光片所对应的波长根据需求而定，此处不加以赘述。

在一些实施例中，三维扫描系统可先获得第一图像105，此时可通过利用光源230发射白光照射被摄物，以使三维成像模组20能够获得反射回来的彩色的第一图像105。当然，在环境光线充裕的情况下进行三维成像时，也可不设置能够发射白光的光源230。随后，通过光源230对被摄物照射特定波长的光线，以使三维成像模组20能够获得相应的第二图像106，单色光的照射能够提高系统对各第二图像106进行分析以获取三维点云的精确度。在一些实施例中，从获取第一图像105至获取第二图像106之间的时间间隔小于1ms，且每次成像时间(曝光时间)小于等于100ms，以此，可认为该第一图像105和第二图像106是在同一时刻获取的，可认为是对被摄物的同一区域及同一时刻下所获得的成像。在另一些实施例中，三维扫描系统也可同时获取第一图像105和第二图像106。在一些实施例中，光源230也可与三维成像模组20在三维成像设备中相互独立设置。

另外，在一些实施例中，当被摄物表面的问题特征非常缺乏的情况下，三维成像模组20中可设置投影元件以将特殊的光学图案投影至被摄物表面，从而提高被摄物表面的对比度，提高检测灵敏度。光学图案包括但不限于条纹、光斑、网格等。

另一方面，本申请中的各第二子透镜112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，各第二子透镜112的轴向倾斜于入射轴101，对于倾斜设置后的各第二子透镜112，第二子透镜112的物侧面相较像侧面更靠近入射轴101。在一些实施例中，第二子透镜112的轴向与镜头10的入射轴101之间的夹角为1°～20°。倾斜设置的第二子透镜112能够增大各第二图像106之间的间隔距离，即各第二子透镜112能够以更小的间隔距离便使所对应的成像图像之间形成间隔关系，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，也有利于避免成像图像之间的间隔距离过大而导致各成像图像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，在一些实施例中，与第二子透镜112对应的第二光圈122也与相应的第二子透镜112同步倾斜设置，一同倾斜设置的第二光圈122的中心轴平行于所对应的子透镜的轴向，以此确保第二图像106各处的亮度一致性。以上各第二子透镜112和第二光圈122的倾斜设置也可理解为所对应的第二成像单元1022的整体倾斜设置，且各第二成像单元1022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。需注意的是，在一些实施例中，以上第二子透镜112的轴向可理解为，当同一透镜元件中的各第二子透镜112的轴向平行于第一子透镜111的中心轴时，此时可通过平移各第二子透镜112以与第一子透镜111拼接为一个完整的透镜。

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。在一些实施例中，两个第二光圈122的中心连线平行于两个第二子透镜112的重心连线方向；在另一些实施例中，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，相应成像图像的位置也将发生改变。例如，两个第二子透镜112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第二子透镜112的重心连线方向，此时两个第二图像106不仅在感光表面的长度方向上存在间隔，也会在倾斜于长度方向的方向上存在间隔分量，即两个第二图像106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。

参考图5所展示的实施例中，除了将两个第二成像单元1022设置于第一成像单元1021的相对两侧外，也可将两个第二成像单元1022设置于第一成像单元1021的同一侧，此时第一成像单元1021与两个第二成像单元1022围绕入射轴101设置，但两个第二成像单元1022依然关于入射轴101旋转对称。

参考图6，对于图5实施例中的第一子透镜111和第二子透镜112的排布方式而言，第一图像105和第二图像106的排布方式也随着第一成像单元1021和第二成像单元1022的设置位置不同而不同。除了以上实施例所展现的各成像单元的排列方式外，第一成像单元1021和第二成像单元1022也可以以其他方式排列，且对应的第一图像105和第二图像106的排布方式也会相应不同，具体更多的排布方式此处不加以赘述。

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图像。可参考图7，在一些实施例中，能够拼接成一个完整透镜的第一子透镜111和两个第二子透镜112在垂直于入射轴101的一方向上错位设置，错位设置的两个第二子透镜与第一子透镜111保持抵接，且当将这两个第二子透镜112沿错位方向平移时，能够与第一子透镜共同拼接为一个完整的透镜。该实施例中的各子透镜的设置所对应的成像图像的排布情况可参考图6。通过错位设置，两个第二图像106之间的间隔距离将随着两个第二子透镜112之间的错位距离增大而增大，且各成像图像的分离方向部分取决于两个子透镜的错位方向，另外也取决于第二光圈122的设置位置。

进一步地，光圈与子透镜之间的位置关系也决定了成像图像之间的间隔方向及间隔距离。在一些实施例中，两个第二成像单元1022中的第二光圈122在垂直于入射轴101的方向上存在一段间隔距离，该间隔距离的大小将直接影响两个第二图像106在该方向上的间隔距离。

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、分隔关系的各成像图像。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中的第二子透镜112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，但任意两个第二子透镜112中的第二有效通光部1121应关于入射轴101旋转对称。且此时，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，且切分后的每个第二子透镜112均为非旋转对称结构。相较于多个具有完整透镜的镜头10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10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图像

具体地，可参考图8，在一些实施例，透镜元件110包括一个第一子透镜111和三个第二子透镜112，沿平行于入射轴101的方向上，第一子透镜111和第二子透镜112在成像面103上的投影形状均为扇形，四个子透镜相互间隔设置，四个子透镜关于镜头10的入射轴101旋转对称。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。在一些实施例中，第一光圈121的孔径可以与第二光圈122的孔径相同，或者也可以不同。以上进展示了三个第二成像单元1022的情况，在另一些实施例中，透镜元件中可以设置四个、五个或更多个第二子透镜112。另外，一些实施例中的第一子透镜111与第二子透镜112的结构关系也不限于上述描述，任意可通过上述原理简单推导出来的设置方式均应视为在本申请的记载范围之内，此处不加以赘述。

参考图9，在图8所展现的实施例中，四个成像单元(一个第一成像单元1021和三个第二成像单元1022)围绕入射轴101设置，且任意两个成像单元中的有效通光部关于入射轴101旋转对称，因此对应的四个成像图像(一个第一图像105及三个第二图像106)也将相应地围绕成像面103中心排布，且两两之间相互间隔。

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。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。在一些实施例中，可通过将一个完整的透镜切分以作为一个透镜元件中的第一子透镜111和第二子透镜112，不同的透镜元件可由不同结构的透镜切分而成。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。需要注意的是，除了由一个透镜切分而成外，各第一子透镜111和第二子透镜112也可以单独成型。

在本申请的实施例中，各透镜元件110中的第一子透镜111的数量相同，第二子透镜112的数量也相同，例如每个透镜元件110中均包括一个第一子透镜111和两个个第二子透镜112。透镜元件110中的第一子透镜111与其他透镜元件110中的第一子透镜111形成对应关系，存在对应关系的每组第一子透镜111构成一个第一成像单元1021，一些实施例中的第一成像单元1021还包括第一光圈121。透镜元件110中的每一个第二子透镜112均与其他透镜元件110中的各一个第二子透镜112形成对应关系，存在对应关系的每组第二子透镜112构成一个第二成像单元1022，一些实施例中的第二成像单元1022还包括第二光圈122。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。

具体可参考图10，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包括一个第一子透镜111和两个第二子透镜112，同一透镜元件中的第一子透镜111和第二子透镜112可由一个完整的透镜切分而成，子透镜的形状及相对入射轴101的分隔方向可结合参考图1所展现的实施例。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111对应，第二光圈122与各第二子透镜112对应，沿平行于入射轴101的方向上，各第一子透镜111及第一光圈121在成像面103上的投影存在重叠，属于同一第二成像单元1022的第二子透镜112及第二光圈122在成像面103上的投影存在重叠。第一光圈121可设置于最靠近像侧的第一子透镜111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111之间，又或者可设于最远离图像传感器210的第一子透镜111的物侧，第二光圈122的设置方式类似。在这些实施例中，各第二成像单元应关于入射轴101中心对称，以此确保所对应的第二图像106的亮度、景深、大小趋于一致。

入射光束在经过第一成像单元1021调节后将在成像面103上形成第一图像105，入射光束在经过第二成像单元1022调节后将在成像面103上形成第二图像106。第一图像105与第二图像106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。间隔距离第一图像105与第二图像106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，第一成像单元1021和第二成像单元1022也可以倾斜于入射轴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。

参考图11，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。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。另一方面，上述三维成像模组20能够获得被摄物同一区域的二维信息图像及三维信息图像，因此可有效提高设备在连续三维扫描时，相邻两个扫描时刻的图像拼接，提高连续扫描的效率、精确性及稳定性。

在一些实施例中，三维成像设备30包括但不限于智能手机、牙科摄像设备、工业检测设备、无人机、车载摄像设备等。

本申请的一些实施例还提供了一种三维成像方法，三维成像方法可借助以上实施例的镜头。本申请实施例中的三维成像方法能够对被摄物体进行优良的三维成像。且当对被摄物体进行连续扫描以获取连续扫描区域的整体三维模型时，能够提高系统对被摄物体连续三维扫描时所形成的三维模型的精确性。

参考图12，在一些实施例中，三维成像方法包括以下步骤：

步骤S410：在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像，所述第一图像具有被摄物体的二维表面信息；

步骤S420：根据同一帧的至少两个所述第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；

步骤S430：根据同一帧的所述第一图像和所述三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

其中，第一图像可通过透镜元件中的第一子透镜获得，第二图像可通过透镜元件中的第二子透镜获得，每个第二图像与任一透镜元件中的每个第二子透镜存在一一对应关系。

对被摄物体一个最短成像周期所获得的成像可视为一帧。每一帧均包括至少一个第一图像及至少两个第二图像。其中，应避免在同一帧中获取第一图像与第二图像的总时长过长，防止由于两种成像图像获取的总时长过长而导致第一图像和第二图像无法被作为对同一被摄物体区域的成像。一般地，由于对被摄物体进行三维成像时常需要移动镜头以实现连续扫描的效果，因此每帧的成像应控制在一极短的时间内，从而确保该帧的成像图像是对被摄物体的同一区域的成像。

在一些实施例中，也可将步骤S410中的预设时间控制在200ms以内。预设时间具体可以为50ms、70ms、100ms、130ms、150ms、180ms或200ms。通过使同一帧中的第一图像和各第二图像的总获取时长控制在200ms以内，从而可进一步确保同一帧的第一图像和第二图像均是对被摄物体同一区域的成像。以上，在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像可理解为：在同一帧中，将第一个成像图像曝光开始至该帧的最后一个成像图像曝光结束的时间控制在预设时间内。其中应注意的是，同一帧的第一图像和第二图像可同时获取也可不同时获取，且两者的获取顺序任意，但同一帧中的各第二图像应同时获取，以确保步骤S420所获得的三维信息图像的准确性。

特别地，在一些实施例中，为防止获取第一图像和第二图像时相互干扰成像，例如第一图像为全波段的可见光的成像，第二图像为单色可见光成像，可在一段较短的间隔时间内分开获取第一图像和第二图像，以此避免成像时相互干扰。在一些实施例中，同一帧中获取第一图像与第二图像的间隔时间满足0＜t≤1ms，举例而言，以上间隔时间可理解为从同一帧中的第一图像曝光结束至第二图像曝光开始之间的时间间隔，第一图像与第二图像的曝光顺序可调换。此时由于间隔时间极短，同一帧的第一图像和第二图像在该极短的间隔时间内依次或同时获取，因此同一帧中的第一图像与第二图像可视为对被摄物体的同一区域的成像，从而可准确体现被摄物体的该区域的三维模型。

另一方面，在一些实施例中，将第一图像和第二图像的曝光时间均控制在100ms以内，从而也能防止成像图像因曝光时间过长而导致第一图像和第二图像无法对同一被摄物体区域的成像。

以上，三维成像方法通过上述镜头中的第一子透镜获取第一图像，通过第二子透镜获取第二图像。第一图像具有被摄物体的二维表面信息(如颜色、纹理、明暗程度等至少一种)，因此第一图像可作为具有二维表面信息的二维信息图像，且利用相互间隔的至少两个第二图像得到具有三维表面信息(如凹陷、凸起等)的三维信息图像。且每一帧图像均拥有二维和三维信息，通过结合系统中的二维信息图像和三维信息图像，例如将三维信息图像叠加至二维信息图像上，以在最终的三维模型中同时体现出被摄物体的二维信息及三维信息，从而可有效提升每一帧三维成像的精确性。另一方面，第一子透镜及第二子透镜均安装于一个镜头内，因此通过一个镜头即能实现对被摄物的三维成像，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使上述三维成像方法能够灵活高效地应用于狭窄空间。

在一些实施例中，通过对呈一定角度且相互间隔的各第二图像进行处理以获得三维信息图像的方法有多种。常见的利用双目视差原理计算各第二图像以获得被摄物体深度信息的方法可视为在本申请的记载范围之内。

具体地，在一些实施例中，可通过对同一帧的各第二图像进行图像处理，如互相关、最小二乘法等比对各第二图像，得到该帧下被摄物体相应成像区域的密集三维点云，通过三维点云即可反映物体的深度信息。因此在一些实施例中，在获取第二图像的步骤之后，步骤S420具体可以包括：根据同一帧的至少两个第二图像重建出具有三维点云信息的三维信息图像，即得到具有三维点云信息的该帧三维信息图像。根据三维点云信息即可确定物体表面的凹陷、凸起等三维形貌。

另一方面，获得第一图像和第二图像的方式有多种。在一些实施例中，可利用被摄物体反射的环境光以形成第一图像，即环境光照射至被摄物体后反射进镜头，并在经过第一子透镜的会聚后，最终在镜头像侧的图像传感器上形成第一图像。环境光一般为太阳光、灯光等白光，此时的第一图像将拥有被摄物体的颜色、纹路、明暗程度等二维信息。在另一些试实施例中，也可以利用特定光线照射被摄物体以获得第一图像。参考图13，在一些实施例中，在执行步骤S410时，三维成像方法还包括步骤S401：对被摄物体投射第一闪光，通过被摄物体反射至镜头的光线以形成第一图像。第一闪光可以为白光，也可以为单色光。当第一闪光为白光时，所形成的第一图像将携带被摄物体的颜色、纹路和明暗程度的信息；当第一闪光为单色光时，所形成的第一图像将主要携带被摄物体的纹路和明暗程度的信息。

同样地，在一些实施例中，也可利用被摄物体反射的环境光以形成第二图像，即环境光照射至被摄物体后反射进镜头，并在经过各第二子透镜的会聚后，最终形成与透镜元件中第二子透镜的数量相同的第二图像，此时可通过对至少两个第二图像进行计算分析以得到三维信息图像。需要注意的是，在一些实施例中，当第一图像和第二图像均是针对白光的成像时，第一图像和第二图像可存在重叠的曝光时间，而无需分开获取。即，当第一图像和第二图像中的一个的成像波段(允许形成相应成像图像的光线波长)包含于或相同于另一个的成像波段时，第一图像和第二图像可以同时获取，或者可以存在重叠的曝光时间，或者也可以分开获取。其中，当第一图像和第二图像中的一个的成像波段包含于另一个的成像波段时，可通过在第一图像和第二图像所对应的入射光路上设置相应的滤光片，以防止两者成像发生干扰。

例如，在一些实施例中，第一图像对应可见光区域内(400nm-780nm)的所有光线，即第一图像可以是彩色图像，而第二图像仅对应可见光区域内的700nm的红光。此时，可在第一图像所对应的入射光路上设置红外截止滤光片以滤除红外光，同时在各第二图像所对应的入射光路上设置700nm窄带通滤光片以滤除700nm外的入射光线。从而在这些实施例中，当对被摄物体投射白色闪光时，由于滤光片的存在，最终所形成的第一图像为彩色图像，第二图像为700nm下的红色图像，且两者互不干扰。当第一图像和第二图像可以由同一种闪光形成时，投射至被摄物体的闪光可以一直照射并持续到三维成像操作结束。

根据上述可知，在一些实施例中，通过一次闪光即能够同时获取第一图像和第二图像，从而可以简化三维成像的步骤。

另一方面，参考图13，在一些实施例中，三维成像方法还包括步骤S402：对被摄物体投射第二闪光。通过接收被被摄物体反射的第二闪光以获取第二图像。第二闪光可以为白光，也可以为单色光，例如某一波长的可见光或红外光。

当需要加强第二图像的成像亮度时，可通过提高第二闪光的照射亮度以实现，此时为避免第二闪光干扰第一图像，此时可将第一闪光和第二闪光交替投射，以分开获取第一图像和第二图像。例如，第一图像为彩色(400nm-780nm)成像，第二图像为红光(700nm)成像，此时可先对被摄物体投射白光以获取第一图像，当曝光结束后对被摄物体投射高亮度的700nm的红光以获取同一帧的第二图像，从而防止高亮度的红光对白光成像造成干扰。

在获取同一帧的图像时，一些实施例中的第一闪光可以和第一图像的曝光时间相同，第二闪光的投射时间可以和第二成像画的曝光时间相同，且第一闪光与第二闪光的投射间隔也在间隔时间内。当需要获取下一帧的第一图像和第二图像时，再进行新的投射周期以投射第一闪光和第二闪光。

以上，可参考图13，在一些实施例中，步骤S410包括如下步骤：

步骤S401：对被摄物体投射第一闪光；

步骤S411：获取具有被摄物体二维表面信息的第一图像；

步骤S402：对被摄物体投射第二闪光；

步骤S412：获取第二图像。

在获得第二图像后，三维成像方法包括：

步骤S421：根据同一帧的至少两个第二图像重建出具有三维点云的三维信息图像；

步骤S430：根据同一帧的第一图像和三维信息图像，以确定被摄物体于该帧的三维模型。

上述实施例中，当对应获取同一帧的第一图像和第二图像时，第一闪光和第二闪光应在预设时间内投射，且同一帧的第一图像和第二图像在预设时间内获取。

对于步骤S430，在一些实施例中，具体包括：将同一帧的第一图像中的二维表面信息与三维信息图像中的三维表面信息叠加，以确定被摄物体于该帧的三维模型。从而在叠加形成的三维模型中能够同时展现被摄物体表面的二维信息和三维信息。

另一方面，在一些实施例中，上述三维成像方法也可应用至对被摄物体的连续三维扫描过程中，可参考图14，三维成像方法还包括：

步骤S442：获取相邻两帧的三维信息图像；

步骤S444：对相邻两帧的三维信息图像进行特征匹配处理，得到点云匹配结果；

步骤S446：根据点云匹配结果对相邻两帧的三维信息图像进行拼接。

上述步骤S442，通过处理相邻两帧中每一帧的至少两个第二图像以获得该帧的三维信息图像。根据每一帧的至少两个第二图像以获得该帧的三维信息图像的步骤，具体可以为：根据同一帧的至少两个第二图像重建出具有三维点云的三维信息图像。该步骤可通过对同一帧的至少两个第二图像进行图像处理，如互相关、最小二乘法等比对各第二图像，重建出该帧下被摄物体相应成像区域的密集三维点云，即重建出具有三维点云的三维信息图像，三维信息图像中的三维点云即可反映物体的深度信息。

上述步骤S444，可通过对相邻帧的三维信息图像进行迭代最近点算法处理(Iterative Closest Point，ICP)，从而实现对相邻两帧的三维信息图像中的三维点云进行匹配，以得到点云匹配结果，进而执行步骤S446，根据点云匹配结果对相邻两帧的三维信息图像进行拼接，最终重建出被摄物体的连续三维模型。

除了利用三维信息图像中的三维信息进行拼接外，还可结合利用第一图像中的二维信息进行拼接，两种拼接处理相互辅助校正，从而可极大地提升连续三维模型的准确性和完整性。对此，可参考图15，在一些实施例中，三维成像方法还包括：

步骤S452：获取物体的相邻两帧的第一图像；

步骤S454：对相邻两帧的第一图像进行特征匹配处理，得到二维匹配结果；

步骤S456：根据二维匹配结果对相邻两帧的第一图像进行拼接。

上述步骤S454，对相邻帧的第一图像进行特征匹配处理的步骤包括以下任意一种：

对相邻帧的第一图像中的相应特征进行尺度不变特征转换处理(Scale-invariant feature transform，SIFT)；或

对相邻帧的第一图像中的相应特征进行加速稳健特征处理(Speeded Up RobustFeatures，SURF)；或

对相邻帧的第一图像中的相应特征进行运动中恢复结构的方法处理(StructureFrom Motion，SFM)。

通过以上特征匹配处理方法，对相邻帧的第一图像进行特征算法计算。如可以获得相邻帧图像中的特征点(如极值点)，获得特征点的位置、方向值(梯度值)等信息，对比相邻帧的第一图像中的相应特征点的位置、方向值(梯度值)等信息，以得到相邻帧图像的移动距离、移动方向、旋转角度等信息，进而通过这些匹配结果进行步骤S456，对相邻帧的第一图像进行拼接，以得到对应扫描区域的连续的二维信息图像。需要注意的是，对于步骤S442、S444、S446与步骤S452、S454、S456，在获得相应的第一图像和三维信息图像后，两种步骤可先后执行或同时执行。

由此根据第一图像的拼接信息及三维信息图像的拼接信息，可更稳定且精确地重建出被摄物体的连续三维模型。在一些实施例中，最终的连续三维模型可以仅是拼接后的连续的三维信息图像，而第一图像的拼接过程用于辅助校正三维信息图像的拼接。在另一些实施例中，结合第一图像和三维信息图像的拼接处理，将连续的二维信息图像和三维信息图像叠加，以获得扫描区域中的具有二维信息(颜色、纹理、明暗程度等)及三维信息(凹陷、凸起等)的三维模型。

以上，在一些环境中，物体表面的几何特征不明显，导致三维信息图像中的有效信息过少，难以在连续扫描过程中起到很好的拼接作用，而上述结合具有二维表面信息的第一图像的拼接处理，即可着重于利用二维信息的匹配处理以在二维信息层面对相邻帧的成像实现拼接，进而有效提高对几何特征不明显的物体的扫描精确性和稳定性。

通过结合上述对第一图像和三维信息图像的拼接处理，本申请实施例中的三维成像方法在对被摄物体的连续扫描过程中能够得到稳定且精确三维模型。

特别地，在被摄物体表面的几何特征不明显的情况下，三维成像方法可主要依靠计算相邻帧的第一图像的二维信息以实现连续扫描过程中的图像拼接；而当被摄物体表面的色彩、纹理等二维信息不明显的情况下，三维成像方法可主要依靠计算相邻帧的三维信息图像以实现连续扫描过程中的图像拼接。因此，上述三维成像方法可应用于多种场景，且具有稳定可靠的连续扫描性能。且另一方面，第一子透镜和第二子透镜均安装于一个镜头内，因此通过一个镜头即能实现对被摄物的三维成像，从而能够极大地缩小三维成像系统的横向尺寸，使上述三维成像方法能够灵活高效地应用于狭窄空间。

参考图16，本申请的一些实施例还提供了一种三维成像装置600，三维成像装置600包括：

获取模块602，用于在预设时间内获取同一帧的第一图像和第二图像，第一图像具有物体的二维表面信息；

处理模块604，用于根据同一帧的至少两个第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；及

确定模块606，用于根据同一帧的第一图像和三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

参考图17，在一些实施例中，三维成像装置600还包括投影模块608，投影模块608用于在预设时间内向被摄物体投射第一闪光和第二闪光，而获取模块602用于根据第一闪光获取第一图像，用于根据第二闪光获取第二图像。

关于三维成像装置600的各模块的具体限定可以参见上文中对于三维成像方法的限定，在此不再赘述。上述三维成像装置600中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于三维成像设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于三维成像设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

例如，在一些实施例中，上述获取模块602在硬件上包括以上任一实施例所述的镜头及设于镜头像侧的图像传感器，入射光线经镜头中的第一子透镜和第二子透镜调节后分别在图像传感器的感光表面上形成第一图像和第二图像。

参考图18，本申请的一些实施例还提供了一种三维成像设备，三维成像设备包括：

投射器，用于在预设时间内向物体投射第一闪光和第二闪光；

存储器，存储有计算机程序；

接收器，在预设时间内根据第一闪光获取第一图像，根据第二闪光获取第二图像，所述第一图像具有被摄物体的二维表面信息；

处理器，被配置为执行存储器上的计算机程序，以实现：根据同一帧的至少两个第二图像得到具有三维表面信息的该帧三维信息图像；根据同一帧的第一图像和三维信息图像，确定被摄物体于该帧的三维模型。

投射器、接收器、存储器及处理器通过系统总线连接。

在一些实施例中，对投射器的限定可以参见上文中对于三维成像方法的限定，此处不加以赘述。例如在一些实施例中，投射器能够在预设时间内向物体依次投射第一闪光和第二闪光。对于投射器，在一些实施例中，投射器可以为能够投射闪光的光源，具体可以为但不限于激光光源或LED光源。

在一些实施例中，接收器包括以上任一实施例所述的镜头及设于镜头像侧的图像传感器，第一闪光经镜头中的第一子透镜调节后在图像传感器的感光面上形成第一图像，第二闪光经第二子透镜调节后在图像传感器的感光面上形成第二图像，图像传感器能够将第一图像和第二图像的信号传输至处理器。

在一些实施例中，对处理器的限定可以参见上文中对于三维成像方法的限定，此处不加以赘述。以上，存储器中存储有计算机程序，而处理器执行计算机程序时可以实现上述各方法实施例中的步骤。

本领域技术人员可以理解，图18中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的三维成像设备的限定，具体的三维成像设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

上述三维成像方法、三维成像装置600、三维成像设备及存储介质，利用具有被摄物体表面二维信息的第一图像和具有物体表面三维信息的三维信息图像，以确定被摄物体表面的三维模型，从而可有效提升每一帧三维成像的精确性。且进一步地，上述三维成像方法、三维成像装置600、三维成像设备及存储介质也能应用于连续三维扫描，通过结合上述对第一图像和三维信息图像的拼接处理，对被摄物体的连续扫描能够得到稳定且精确连续三维模型。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型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，所述透镜元件包括第一子透镜及至少两个第二子透镜，所述第二子透镜为非旋转对称结构，所述第一子透镜包括第一有效通光部，所述第二子透镜包括第二有效通光部，任意两个所述第二子透镜的所述第二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第一有效通光部用于通过入射光束，以在所述镜头的像侧形成第一图像；所述透镜元件中的各所述第二有效通光部用于通过入射光束，以在所述镜头的像侧形成与所述第二有效通光部的数量相同的第二图像，所述第一图像与所述第二图像两两之间相互间隔。

2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述透镜元件中的所述第一子透镜和各所述第二子透镜能够拼接为一个关于光轴旋转对称的透镜。

3.根据权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述透镜元件中的所述第一子透镜和各所述第二子透镜相互间隔设置。

4.根据权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，包括第一成像单元及至少两个第二成像单元，每一所述第一成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述第一子透镜，每一所述第二成像单元包括沿所述入射轴方向排布的至少两个所述第二子透镜，所述第一成像单元中的所述第一子透镜的数量等于任一所述第二成像单元中的所述第二子透镜的数量，每一所述第一子透镜包含于一个所述透镜元件，且每一所述第二子透镜包含于一个所述透镜元件。

5.根据权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，包括第一光圈和第二光圈，所述第一光圈的数量与所述透镜元件中的所述第一子透镜的数量相同，所述第二光圈的数量与所述透镜元件中的所述第二子透镜的数量相同，沿平行于所述入射轴的方向上，所述透镜元件中的所述第一子透镜与一个所述第一光圈在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠，所述透镜元件中每个所述第二子透镜与一个所述第二光圈在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠。

6.根据权利要求5所述的镜头，其特征在于，所述第一光圈的孔径大于所述第二光圈的孔径。

7.一种三维成像模组，其特征在于，包括图像传感器及权利要求1-6任意一项所述的镜头，所述图像传感器设置于所述镜头的像侧。

8.根据权利要求7所述的三维成像模组，其特征在于，包括第一滤光片和至少两个第二滤光片，所述第一滤光片与所述透镜元件中的所述第一子透镜在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠，所述透镜元件中每个所述第二子透镜与一个所述第二滤光片在垂直于所述入射轴的平面上的投影存在重叠，所述第一滤光片和所述第二滤光片用于滤除不同波长的光线。

9.一种三维成像设备，其特征在于，包括权利要求7或8所述的三维成像模组。

10.根据权利要求9所述的三维成像设备，其特征在于，还包括光源，所述光源与所述镜头相对固定设置，所述光源用于照射被摄物体。

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