单孔径多重成像的光学成像测距装置制造方法及图纸

一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于构成：同光轴地依次包括成像主透镜、多重成像元件、场镜和光电探测器，该光电探测器的输出端接数字图像处理器，所述的成像主透镜与多重成像元件紧贴在一起，所述的数字图像处理器用于处理由光电探测器采样的数字图像，提取物体的深度信息的数据处理软件。本实用新型专利技术只需单次成像，即可获得完备的成像，而且系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定位和标定，测距算法简单，可快速地获得物体的深度信息。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及物体表面的深度信息，是一种用于测量视场中物体 表面的深度信息的单孔径多重成像的光学成像测距装置，即物体表面上 点到视点之间的距离。获得的距离信息可用于物体三维形貌的重建，目 标特征识别，以及自动车辆，机器人导航等。
技术介绍
普通光学成像系统的成像过程一般是三维物空间到二维像空间的映 射，成像过程中往往丢失了景物的深度信息。而获得图像的深度信息即 物体表面上各点到视点的距离在很多应用中是非常重要。常用的被动式 距离恢复方法有立体视觉方法、光学微分方法、微透镜阵列的单目立体 方法以及孔径编码层析成像方法等。立体视觉方法是通过在空间放置两 台或多台相机对同一目标物体在不同的视点进行摄像。由于视点不同， 所成的图像之间存在着视差，即同一物点的像点分布在各个相机像接收 面的不同位置上。如果能够从每幅视差图像中找到同一物点的对应像点， 然后根据三角几何就可以计算出物点的距离来。但是这种方法需要相机 的精确定位和复杂标定，并且由于在图像间寻找同一物点的像即图像的 匹配需要大量极其复杂的计算，因此限制了其应用范围。为了解决立体视觉方法中存在的内在困难，人们提出了光学微分的方法。在先技术(参见 RANGE ESTIMATION BY OPTICAL DIFFERENTIATION, Farid H and E. P. Simoncelli， J. Opt. Soc. Am. A， Vol. 15， No. 7， 1998)中提出了利用两块光学掩模板进行光学微分的距 离估计方法。光学掩模板中的其中一块掩模板的掩模函数是另一块掩模 板的掩模函数微分形式，因此不需要空间分开放置相机就能够获得景物 的视差图像，并且此方法能够解决图像的匹配困难问题，但是由于需要 两块掩模板来获取两幅图像，因此增加了系统的复杂程度。在先技术(参见OPTICAL RANGING APPARATUS, Edward H.Adelson, United States Patent, Patent Number: 5076687， Date of Patent: Dec.31,1991)中提出了一种全光相机的光学测距装置，它利用主透镜成像， 然后在光电探测器阵列之前放置一块微透镜阵列用于记录入射光的三维 结构。每一个微透镜都代表一个宏观像素，它能够记录通过主透镜后的 光线分布。通过孔径平面上不同部分即不同视点的光线成像在宏观像素 的不同子像素上，数字图像处理器按规则从单幅的复合图像中提取来自 于不同视点景物子图像，然后通过简单的立体图像配准算法就可以计算 估计出景物的深度信息。由于采用单个透镜成像，避免复杂的相机定位 和标定问题，其次通过预滤波，可以大大的减少图像间的匹配困难。但 是这种方法也存在较大的缺点，最突出的是微透镜阵列与光电探测器阵 列之间的对齐困难，对齐误差会导致较大的图像深度估计误差。另外由 于需要在透镜成像之前加散射板来预滤波，因此整个成像系统是不完备 的。另外一种不需要相机标定和立体匹配算法的三维成像方法是空间相 机的孔径编码方法。在先技术(—种基于编码孔径成像原理的三维的 三维成像方法，郎海涛，刘立人，阳庆国，光学学报，Vol. 26， No. 1， pp34-38， 2006)提出了利用孔径编码方法把相机阵列按照某种编码方式排列对景 物成像，然后利用相应的解码算法，恢复景物的三维距离信息。这种方 法需要多个相机对物体同时成像，相机阵列需要按照孔径编码方式排列， 占用了较大的空间，不利于小型化，集成化。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供 --种基于单孔径多重成像的光学成像测距装置，该装置继承了上述在先技术的一些优点而克服了它们的缺点，特点是只需单次成像，即成像完 备。系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定位和标定，测距算 法简单快速。本技术的技术解决方案是一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，特点在于其构成同光轴地依次包括成像主透镜、多重成像元件、场镜和光电探测器，该光电 探测器的输出端接数字图像处理器，所述的成像主透镜与多重成像元件 紧贴在一起，所述的数字图像处理器用于处理由光电探测器采样的数字 图像，提取物体的深度信息的数据处理软件。所述的单孔径多重成像是指利用在单个孔径范围内同时产生多幅同 一视场范围内物体的像。但单幅的像不是分开接收，而是作为一个复合 图像最后整体的被像探测器接收。本技术产生多重图像的方法是利 用微棱镜阵列的偏折分光作用或者光波调制模板阵列的波前调制作用或 者两者结合在一起共同作用。光波携带物体三维信息入射到光瞳面时， 在光瞳面的不同部分受到不同的偏折或者调制，通过每一个微棱镜或者 光波调制模板的光束和成像主透镜一起最后都独立单个成像。由于光瞳 面上各部分光束受到不同改变，因此所成的单幅图像之间存在着差异。 这种差异正是物体三维信息在多重图像中的体现。所述的场镜的作用是用来縮小光学图像；由于微棱镜阵列的分光作 用，光学图像一般分布在像面上较大区域范围内，普通的光电图像探测 器根本无法接收，因此在成像透镜与像面探测器之间的光路中需要加入 一场镜，把光学图像缩小到光电探测器有效像面探测面积的大小。所述的数字图像处理器是一个专门的数字处理芯片，内置景物深度 提取算法，对数字图像进行数据处理。计算结果存入芯片存贮单元或者 送到其他图像显示或控制单元。所述的成像主透镜由一个双凸透镜构成，所述的多重成像元件紧贴 在成像主透镜之后。所述的成像主透镜由两个平面相对的平凸透镜构成，所述的多重成 像元件放在紧贴的两个平凸透镜之间。所述的多重成像元件是微棱镜阵列，或光波调制模板阵列，或由微 棱镜阵列和光波调制模板阵列组合而成，并整体地置于成像系统的光瞳 平面上。所述的该微棱镜阵列是由多个微棱镜按照一定规律分布排列在一系列方格位置上的一维或者二维微棱镜阵列。所述的微棱镜阵列是圆形阵列，或矩形阵列。所述的微棱镜阵列是规则排列分布的，即在光瞳面上按照事先固定 的间距安排放置微棱镜，而每一单个微棱镜的顶角根据成像系统的参数 和微棱镜的位置确定，以保障每一单个微棱镜在像面上所成的单像之间 是无重叠的规则排列。所述的微棱镜阵列是按孔径编码方式排列分布的，即根据孔径编码 成像原理，按照孔径编码方式安排微棱镜的排列，每一个微棱镜之间的 间距由编码函数给定，每一单个微棱镜的顶角根据成像系统参数和微棱 镜的位置确定，以保障每一单个微棱镜在像面上所成的单像最后叠加在 一起形成孔径编码图像。所述的光波调制模板阵列是由多个波前调制元件按照规律分布排列 在一系列方格位置上的一维或者二维波前调制元件阵列，该光波调制模 板阵列整体地放在光瞳面上。本技术的技术效果本技术与上述在先技术相比，最大的特点是利用单孔径多重 成像的原理，采用在贴近光学成像系统的主透镜的位置放置一多重成像 元件，如微棱镜阵列或者光波调制模板阵列或者两者的结合，用于对同 一视场中物体的单次多重成像。多重成像过程中间接地在多重图像中记 录了物体的深度信息，解决了现有技术中的缺点，只需单次成像，即可 获得完备的成像，而且系统结构紧凑，易于装配，不需要复杂的相机定 位和标定，测距算法简单，可快速地获得物体的深度信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单孔径多重成像的光学成像测距装置，其特征在于构成：同光轴地依次包括成像主透镜（２）、多重成像元件（３）、场镜（４）和光电探测器（５），该光电探测器（５）的输出端接数字图像处理器（６），所述的成像主透镜（２）与多重成像元件（３）紧贴在一起。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阳庆国，刘立人，栾竹，刘德安，孙建锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]