三维成像装置、三维成像系统及三维成像方法与流程

本发明涉及一种三维成像装置，利用该三维成像装置构建的三维成像系统及三维成像方法。

背景技术：

三维场景因纵深信息能被视觉感受而具有立体感，人眼之所以能够感受三维场景的立体感，是由于人眼的瞳距，即两眼之间的间距，从而对同一场景在同一时刻的观察视角存在差异，该差异也称为视差，两眼观察到的两幅具有视差的图像经视觉神经中枢的融合反射及视觉心理反应便产生了三维立体感。

早期的三维成像装置采用两块图像传感器进行成像，导致其体积大，不适合在内窥镜、特种监控器等对体积受到限制的成像系统中使用。

为尽量减小三维成像装置的体积，在公布号为CN104935915A，公布日为2015年09月23日，名称为“成像装置、三维成像系统及三维成像方法”的专利文献中提供了一种减小三维成像装置体积的技术方案，其包括第一镜头、第二镜头及图像传感器；第一镜头与第二镜头用于在同时刻对同一场景进行取像，以获取存在视差的第一图像与第二图像；图像传感器的靶面被划分为第一感光区与第二感光区，第一感光区与第二感光区相互分离，即第一感光区与第二感光区为该图像传感器靶面上相互无重叠部分的两个区域，第一图像经第一镜头投射至第一感光区，第二图像经第二镜头投射至第二感光区。该成像装置由于只用了一块图像传感器，较之先前的技术方案体积相对减小且成本低。此外，其还提供一种以该成像装置构建的三维成像系统及可使用该三维成像系统进行成像的三维成像方法。

上述方案是在靶面一定的图像传感器上采用非全幅的成像方式，每幅图像的像素与全幅图像相比相差甚远。由于图像传感器获取的图像本身像素低的缘故，无论三维成像系统如何提高质量，也不能使图像的清晰度得以提高到理想的程度。

如何使三维成像装置在如同CN104935915A公布的方案同样具有体积较小优点的前提下，即只采用一块图像传感器的情形下，进一步提高图像清晰度、分辨率及成像画幅，使三维成像系统能获得更佳的三维图像显示，从而人们能在本发明提供的三维成像系统中观察到更加清晰的三维图像实景，获得更大的成像面积，是本发明要解决的首要任务。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种提高了成像清晰度的三维成像装置；

本发明的另一目的是提供一种以上述三维成像装置构建的三维成像系统；

本发明的还一目的是提供一种可使用上述三维成像系统进行三维成像的三维成像方法。

为实现上述主要目的，本发明提供的三维成像装置包括第一镜头及第二镜头，一块图像传感器，第一偏转棱镜及第二偏转棱镜，第一光阀及第二光阀。第一镜头与第二镜头以光轴线相互平行的方式并排布置，第一镜头的光轴线与第二镜头的光轴线关于图像传感器靶面的法向中心线对称设置。第一偏转棱镜设置在第一镜头与图像传感器之间，用于将第一镜头获取的图像引至图像传感器的整个靶面，第二偏转棱镜设置在第二镜头与图像传感器之间，用于将第二镜头获取的图像引至图像传感器的整个靶面。第一光阀设置在第一镜头至图像传感器之间的光路上，第二光阀设置在第二镜头至图像传感器之间的光路上。第一光阀与第二光阀交替启闭。

进一步的方案是还包括成像调焦或变焦机构，成像调焦或变焦机构包括一个成像调焦或变焦致动器，成像调焦或变焦致动器用于同时驱动第一镜头及第二镜头进行同步调焦或变焦。

为实现上述另一目的，本发明提供的三维成像系统包括三维成像装置及处理器。三维成像装置包括第一镜头及第二镜头，一块图像传感器，第一偏转棱镜及第二偏转棱镜，第一光阀及第二光阀。第一镜头与第二镜头以光轴线相互平行的方式并排布置，第一镜头的光轴线与第二镜头的轴线关于图像传感器靶面的法向中心线对称设置。第一偏转棱镜设置在第一镜头与图像传感器之间，用于将第一镜头获取的图像引至图像传感器的整个靶面，第二偏转棱镜设置在第二镜头与图像传感器之间，用于将第二镜头获取的图像引至图像传感器的整个靶面。第一光阀设置在第一镜头至图像传感器之间的光路上，第二光阀设置在第二镜头至图像传感器之间的光路上。第一光阀与第二光阀交替启闭。处理器用于控制图像扫描，控制第一光阀与第二光阀交替启闭，控制图像分离、图像合成和畸形校正。还用于将一个启闭周期内第一镜头在图像传感器上投射的二维图像与第二镜头在图像传感器上投射的二维图像合成一幅三维图像。

进一步的方案是其中三维成像装置还包括成像调焦或变焦机构，成像调焦或变焦机构包括一个成像调焦或变焦致动器，成像调焦或变焦致动器用于同时驱动第一镜头及第二镜头进行同步调焦或变焦。

更进一步的方案是还包括三维投影装置，三维投影装置包括投影光源、液晶片、第一投影偏光棱镜、第一投影光阀、第一投影镜头及第二投影偏光棱镜、第二投影光阀、第二投影镜头。处理器根据三维图像记载的图像信息对液晶片进行控制，从而对投影光源产生的光束进行调制，并控制第一投影光阀与第二投影光阀交替启闭，使光束对应地从第一投影镜头或第二投影镜头投射出。

再进一步的方案是三维投影装置还包括投影调焦或变焦机构。投影调焦或变焦机构包括一个投影调焦或变焦致动器，投影调焦或变焦致动器用于同时驱动第一投影镜头及第二投影镜头进行同步调焦或变焦。

为实现上述还一目的，本发明提供的三维成像方法包括成像步骤，校正步骤及合成步骤。

成像步骤：图像传感器的整幅靶面交替地接收来自第一镜头的第一图像和来自第二镜头的与第一图像存在视差的第二图像；

校正步骤：对成像步骤获得的第一图像和第二图像分别进行畸形校正；

合成步骤：将校正步骤获得的两幅二维图像合成一幅三维图像。

由以上方案可见，本发明提供的三维成像装置仍然采用一块图像传感器，与现有技术CN104935915A相比，在二维图像的成像方式上采用了降低图像帧率提高像素的思路，即现有技术采用的是相对高的图像帧率，但由于是非全幅成像，具有相对低的像素，而本发明采用的是全幅成像，其像素相对较高，有了高像素的二维图像，就有了获得高质量三维图像的基础，而相对较低的图像帧率，完成可以通过现有技术加以弥补。本发明提供的三维成像系统通过处理器及相应的软件可将成像装置获取的高像素的二维图像进行畸形校正，并合成为高质量的三维图像。

附图说明

图1是本发明三维成像装置第一实施例的结构原理图；

图2是本发明三维成像系统第一实施例的原理图；

图3是本发明三维成像系统第一实施例第一投影光源、第二投影光源及成像装置的结构示意图；

图4是本发明三维成像系统第一实施例的光路示意图；

图5是本发明三维成像系统第二实施例的立体图；

图6是图5中A局部放大图；

图7是本发明三维成像系统第二实施例中成像部的结构示意图；

图8是本发明三维成像系统第四实施例的立体图；

图9是图8中B局部放大图；

图10是本发明三维成像系统第四实施例中三个三维成像单元的相对位置关系图；

图11是本发明三维成像系统第六实施例的主视图；

图12是本发明三维成像系统第六实施例的结构示意图；

图13是本发明三维成像系统第七实施例的主视图；

图14是本发明三维成像系统第七实施例的结构示意图；

图15是本发明三维成像系统第七实施例中三维成像单元的结构示意图；

图16是本发明三维成像系统第八实施例的结构示意图；

图17是图16中C局部放大图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

三维成像装置第一实施例

参见图1，这是一幅说明本发明三维成像装置有别于现有技术的结构原理图，三维成像装置的一对镜头，即第一镜头1和第二镜头2，两者并排布置，且第一镜头1的光轴线11与第二镜头2的光轴线21相互平行。从第一镜头1射入的光线到达图像传感器7所形成的光路在图1中示为线段11、线段12和线段13，且光按这些线段上的箭头方向行进并到达图像传感器7。从第二镜头2射入的光线到达图像传感器7所形成的光路在图1中示为线段21、线段22和线段23，且光按这些线段上的箭头方向行进并到达图像传感器7。另外，图1中线段11也是第一镜头1的光轴线，线段21也是第二镜头2的光轴线，图像传感器7设置在前述两条光路的下游，其靶面的法向中心线71是两条光轴线11、光轴线21的对称中心线。第一偏转棱镜3设置在第一镜头1与图像传感器7之间，光线在进入第一偏转棱镜3后，两次反射并被引至图像传感器7的靶面，第二偏转棱镜4设置在第二镜头2与图像传感器7之间，光线在进入第二偏转棱镜4后，两次反射并被引至图像传感器7的靶面。第一光阀5设置在第一偏转棱镜3与图像传感器7之间，第二光阀6设置在第二偏转棱镜4与图像传感器7之间。第一光阀5与第二光阀6交替启闭，即图像传感器获取一帧图像的时间内第一光阀5开启，第二光阀6关闭，而获取下一帧图像的时间内第一光阀5关闭，第二光阀6开启，如此获得两帧独立的具有视差的图像。

图像传感器7的整个靶面在单位时间内获取的图像帧数有一半是通过第一镜头获取的，另一半是通过第二镜头获取的，两只镜头获取图像具有视差，并可合成为一幅三维图像，当连续合成的多幅三维图像依次播放时，在视觉上即形成了三维影像。

可以理解的是，作为原理图的图1只给出了镜片作为镜头的原理示意，本领域技术人员完全可以依据其掌握的现有技术制造出满足要求的镜头；也可以通过现有技术制造出满足要求的偏转棱镜和光阀，光阀采用电子光阀；图像传感器可以采用CCD或CMOS等。

三维成像装置第二实施例

本例与上例的不同处在于第一光阀5不是设置在第一偏转棱镜3与图像传感器7之间，而是设置在第一镜头1与第一偏转棱镜3之间。第二光阀6不是设置在第二偏转棱镜4与图像传感器7之间，而是设置在第二镜头2与第二偏转棱镜4之间。

三维成像装置第三实施例

本例与三维成像装置第一实施例的不同之处在于第一光阀5不是设置在第一偏转棱镜3与图像传感器7之间，而是设置在第一镜头1镜片组中的两片镜片之间。第二光阀6不是设置在第二偏转棱镜4与图像传感器7之间，而是设置在第二镜头2镜片组中的两片镜片之间。

三维成像装置第四实施例

本例与三维成像装置第一实施例的不同之处在于第一光阀5不是设置在第一偏转棱镜3与图像传感器7之间，而是设置在第一镜头1之前。第二光阀6不是设置在第二偏转棱镜4与图像传感器7之间，而是设置在第二镜头2之前。

三维成像系统第一实施例

作为本发明三维成像装置的具体应用，本发明提供三维成像系统可以是电视内窥镜、CCD视频内窥镜、COMS视频内窥镜、手机、三维投影仪、电子望远镜、监控器等军、民用设备。

参见图2，作为本例的三维成像系统是一台三维投影仪30，其由三维成像装置31、处理器32及三维投影装置33构成。三维成像装置31具有第一镜头311、第二镜头312、第一光阀313、第二光阀314、第一偏转棱镜315、第二偏转棱镜316及图像传感器317。处理器32具有图像合成模块322及控制模块323。投影装置33具有投影光源331、液晶片332、第一投影偏转棱镜333、第二投影偏转棱镜334、第一投影光阀335、第二投影光阀336、第一投影镜头337及第二投影镜头338。

三维成像装置31的构造及工作原理与前述三维成像装置第二实施例中相同。处理器采用现有技术使用的CPU，图像合成模块322在控制模块323的控制下将图像传感器传来的两幅具有视差的二维图像进行合成为一幅三维图像，控制模块323同时还肩负控制第一光阀313与第二光阀314交替启闭。控制模块323对控制投影装置33的控制主要有以下两个方面，一方面控制液晶片332显示三维图像，另一方面控制第一投影光阀335与第二投影光阀336交替启闭。

参见图3及图4，投影光源331产生的光束经液晶片332在控制模块323的调制后，由于第一投影光阀335和第二投影光阀336两样在控制模块的控制下交替启闭，得以经第一投影偏转棱镜333从第一投影镜头337投射出，和经第二投影偏转棱镜334从第二投影镜头338投射出。

在投影装置33进行投影的过程中，处理器32中的控制模块323根据图像合成模块322合成得到的三维图像所记载的图像信息控制液晶片332进行调制后，对应地从第一投影镜头337及第二投影镜头338投射至屏幕上，显现三维图像。

投影光源331为背光源，可以为LED光源，也可为激光光源。

在三维投影的过程中，第一投影镜头337及第二投影镜头338通过投影调焦或变焦机构进行同步调焦或变焦，投影调焦或变焦机构具有投影调焦或变焦致动器，投影调焦或变焦致动器的动子通过传递构件同时与第一投影镜头及第二投影镜头的调焦或变焦镜组固定连接，从而可同时驱动第一投影镜头及第二投影镜头进行同步调焦或变焦。

投影调焦或变焦致动器可以采用压电致动器或音圈电机等致动器。

三维成像系统第二实施例

参见图5，作为本发明三维成像系统第二实施例的是一台内窥镜40，其具有一连接部411，连接部411的前端与插入管43的后端固定连接，后端与器械通道管412固定连接，器械通道管412的两侧布置有进水通道管414与出水通道管413，连接部411的下端部固定连接有照明光纤接口415及可拆卸地固定连接有一成像部42。

参见图6，插入管43的前端口设有输水出口433、抽水进口436、器械出口431、照明口432、第一取像镜头434及第二取像镜头435。

为了区分插入管43的前端口中各部件之间的相对位置关系，如图6所示采用不同阴影线区分各部件，第一取像镜头434及第二取像镜头435对称地布置在输水出口433的两侧近旁，抽水进口436由对称地分布于器械出口431两侧的两部分组成，照明口432围于第一取像镜头434、第二取像镜头435及输水出口433的外围。

参见图7，在成像部42的壳体内设有第一调焦镜组421、第二调焦镜组422、第一偏光棱镜423、第二偏光棱镜424、第一光阀425、第二光阀426及单片彩色的图像传感器427。

第一取像镜头434与第一调焦或变焦镜组421之间设有第一传像体，用于在二者之间进行光传输；第二取像镜头435与第二调焦或变焦镜组422之间设有第二传像体，用于在二者之间进行光传输，第一传像体与第二传像体均为一束传像光纤。

第一取像镜头434、第一传像体及第一调焦或变焦镜组421构成本例的第一镜头；第二取像镜头435、第二传像体及第二调焦或变焦镜组422构成本例的第二镜头。

第一调焦或变焦镜组421及第二调焦或变焦镜组422通过传递构件与成像调焦或变焦致动器的动子固定连接，以便采用同一个成像调焦或变焦机构驱动第一镜头及第二镜头进行同步调焦或变焦。

第一传像体，第二传像体，用于连通器械通道管412的端口与器械出口431的管路，用于连通出水通道管413的端口与抽水进口436的水管路，用于连通进水通道管414的端口与输水出口433的水管路，及穿过照明光纤接口415用于连通外部光源与照明口432的照明光纤集成于插入管43内。

三维成像系统第三实施例

作为对本发明三维成像系统第三实施例，本例也是一台内窥镜，以下仅对与上例内窥镜的不同之处进行说明。

采用柱状透镜代替传像光纤用于在第一取像镜头与第一调焦或变焦镜组之间及第二取像镜头与第二调焦或变焦镜组之间进行无损的传输图像。

当第一取像镜头与第一调焦或变焦镜组不在同一直线及第二取像镜头与第二调焦或变焦镜组不在同一直线上时，可采用棱镜与柱状透镜进行配合以改变光的传输方向。

柱状透镜或柱状透镜与棱镜的组合构成本例的第一传像体与第二传像体。

三维成像系统第四实施例

作为本发明三维成像系统第四实施例的是监控用的三维监控系统。监控系统具有三维成像装置、处理器及投影装置，其中三维成像装置为监控用三维成像装置，投影装置为三维投影装置。

参见图8至图10，监控用三维成像装置5的基体51上设有三维成像装置52、三维成像装置53及三维成像装置54。

参见图9，以三维成像装置52为例对本例中的三个三维成像单元的结构进行说明，三维成像装置52由壳体及安装于壳体内的第一镜头523、第二镜头524、图像传感器521、成像调焦或变焦机构522及设置在成像调焦或变焦机构522与图像传感器521之间的第一偏转棱镜、第二偏转棱镜、第一光阀、第二光阀组成。

成像调焦或变焦机构522具有成像调焦或变焦致动器，成像调焦或变焦致动器的动子通过传递构件同时与第一镜头523及第二镜头524的调焦或变焦镜组固定连接，从而可同时驱动第一镜头523及第二镜头524进行同步调焦或变焦。

参见图10，三维成像装置52、三维成像装置53及三维成像装置54环绕一根沿垂直于图10平面的方向布置的轴线55均匀布置，即三者的光轴的延长线相交于轴线55且相邻两根光轴之间的夹角为120度。

作为对三维成像装置的结构及工作原理进行说明，以下仅对与前述三维成像装置、三维成像系统实施例的不同之处进行说明，每个三维成像装置的横向视角均为120度以上，三个三维成像装置在同时刻获取的三幅图像可以拼接成一幅360度全景的三维图像。

为了对监控系统中的处理及投影装置进行说明，以下仅对与前述三维成像装置、三维成像系统实施例中的处理器及投影装置的不同之处进行说明。在工作过程中，处理器对三维成像装置的图像传感器获得的图像处理得到三维图像后，处理器接着将三幅三维图像拼接成一幅360度全景的三维图像。

三维成像系统第五实施例

作为对本发明三维成像系统第五实施例的说明，以下仅对与上述三维成像系统四实施例的不同之处进行说明。

本例仅采用单个三维成像装置进行成像，且对三维成像装置的横向视角大小无特定要求。

监控用三维成像系统中的三维成像装置的数量及横向视角的范围并不局限于上述两个实施例，还可以有多种显而易见的变化。对于具有三个以上的三维成像装置，可拍摄360度全景图像的三维成像装置，相邻两个三维成像装置光轴之间的夹角随二者之间的横向视角变化而变化，只需满足能够拍摄到360度全景图像即可。

三维成像系统第六实施例

作为三维成像系统第六实施例，本例为一台移动终端设备。

参见图11，在移动终端设备6的基体61里设有处理器及在基体61前端上设有三维投影单元62。

参见图12，三维投影单元62由壳体及设于壳体内的投影光源621、液晶片622、投影调焦或变焦机构623、第一投影镜头624及第二投影镜头625组成。其中第一投影镜头624的镜片组内设置有第一光阀，第二投影镜头625的镜片组内设置有第二光阀，在液晶片622与投影调焦或变焦机构623之间还设置有第一偏转棱镜和第二偏转棱镜。

投影调焦或变焦机构623具有投影调焦或变焦致动器，投影调焦或变焦致动器的动子通过传递构件同时与第一投影镜头624及第二投影镜头625的调焦或变焦镜组固定连接，从而可同时驱动第一投影镜头624及第二投影镜头625进行同步调焦或变焦。

投影光源621为背光源，可以采用LED光，也可以采用激光。

投影调焦或变焦致动器可以为压电致动器或音圈电机等致动器。

三维成像系统第七实施例

本例也是一台移动终端设备。参见图13，在移动终端设备7的基体71的里设有处理器及在基体71背面上设有三维成像装置72。

参见图14及图15，三维成像装置72由壳体及设于壳体内的一片彩色图像传感器721、成像调焦或变焦机构722、第一镜头723及第二镜头724组成。其中在彩色图像传感器721与成像调焦或变焦机构之间还设置有第一偏转棱镜和第一光阀、第二偏转棱镜和第二光阀。

成像调焦或变焦机构722具有成像调焦或变焦致动器，成像调焦或变焦致动器的动子通过传递构件同时与第一镜头723及第二镜头724的调焦或变焦镜组固定连接，从而可同时驱动第一镜头723及第二镜头724进行同步调焦或变焦。

三维成像装置72的工作原理与上述三维成像装置实施例的工作原理相同，也可以采用这些实施例中的任意一个。

成像调焦或变焦致动器可为压电致动器或音圈电机等致动器。

三维成像系统第八实施例

本例也是一台移动终端设备，作为对本发明三维成像系统第八实施例的说明，以下仅对与三维成像系统第六实施例的不同之处进行说明。

参见图16及图17，采用DMD芯片822替代液晶片，其投影光源由发光体8211、汇聚透镜8212、色轮8213及扩束透镜8214组成。发光体8211可为LED光源或激光光源。

发光体8211产生的光束经过汇聚透镜8212、色轮8213及扩束透镜8214之后投射于DMD芯片822上，处理器根据需要投影的三维图像的图像信息控制DMD芯片822对接收到的光束进行调制并投射出一束光束，第一光阀828与第二光阀829交替开启关闭，使该一束光束分别经第一偏转棱镜826从第一投影镜头824及经第二偏转棱镜827从第二投影镜头825投射出，用于显现三维图像。

三维成像系统的结构并不局限于上述各实施例中，还有多种显而易见的变化。

上述第六实施例至第八实施例中的移动终端设备包括但并不局限于智能手机与平板电脑。

本发明主要是对三维成像系统中的三维成像装置的结构作出改进，同时对处理器中的处理模块作出相应改进，其使用范围并不局限上述各实施例中的内窥镜、监控设备及移动终端设备。

三维成像方法实施例

成像步骤，图像传感器的整幅靶面在单位时间段内交替接收来自第一镜头对一场景取像获得的第一图像，来自第二镜头对同一场景取像获得的第二图像，即某一时刻仅获取来自一只镜头的图像，该图像是全幅二维图像，下一时刻则获取来自另一只镜头的图像，该图像也是全幅二维图像，且两幅全幅二维图像具有视差；

合成步骤，在处理器的图像合成模块中，将得到的相互存在视差的两幅全幅二维图像进行处理合成一幅全幅三维图像。