CN103399410B - 单镜头立体分光镜成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单镜头立体分光镜成像装置，包括立体分光镜头组，显微镜或照相机或摄像机单镜头。所述立体分光镜头组中的立体分光镜由两个三棱镜组成，每一个三棱镜的一个直角面镀有涂层，将两个三棱镜镀有涂层的表面粘接在一起后成为底面平面直径为D的圆形三棱镜片。根据立体分光镜头组与照相机或摄像机的联结位置和功能不同分为前、后置式和光圈式；前、后置式是分别将立体分光镜头组放置于照相机或摄像机单镜头前部或后部；光圈式是将立体分光镜头组放置于摄像机单镜头和机身之间。本发明可以解决传统立体影像采集技术中存在的设备和***庞大，结构复杂和不易操作，而且在影像采集过程中存在着不能随意调焦，跟焦，变化光圈等技术问题。

Description

单镜头立体分光镜成像装置

技术领域

本发明涉及一种单镜头立体分光镜立体成像技术。

背景技术

目前市场立体影像采集主流技术是以双摄像机立体影像采集技术为主,设备和

***庞大，结构复杂和不易操作，而且在影像采集过程中存在着不能随意调焦，跟焦，变化光圈，等问题。当拍摄快速运动对象的体育节目时，设备不易控制，立体影像质量不高，容易引起视觉疲劳。对于采用双摄像机技术的医用立体内窥镜，因为直径较大而造成病人更多痛苦。对于光学显微镜，目前还没有立体影像采集的技术和解决方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种单镜头立体分光镜成像装置，以解决传统主流立体影像采集技术中存在的设备和***庞大，结构复杂和不易操作，而且在影像采集过程中存在着不能随意调焦，跟焦，变化光圈；当拍摄快速运动对象的体育节目时，设备不易控制，立体影像质量不高，容易引起视觉疲劳；对于采用双摄像机技术的医用立体内窥镜，因为直径较大而造成病人更多痛苦；对于光学显微镜，目前还没有立体影像采集的技术和解决方案等技术问题。同时还能够拍摄出具有自然舒适的立体深度和色像差较小的高质量立体影像。

为了实现上述发明目的，所述的单镜头立体分光镜成像装置，包括立体分光镜头组、显微镜或照相机或摄像机单镜头；所述立体分光镜头组中的立体分光镜由两个三棱镜组成，每一个三棱镜的一个直角面镀有涂层，将两个三棱镜镀有涂层的表面粘接在一起，经过加工和研磨后成为底面平面直径为D的圆形三棱镜片；立体分光镜中间的粘接面与底面平面相互垂直，与底面平面相交的直线和底面的一个直径重合，立体分光镜中间的粘接面中心点处与粘接面相垂直的横截面上的两个斜线与底边直线之间的两个夹角相等，夹角都为a；立体分光镜头组由一个立体分光镜和多个不同的镜头组成，在立体分光镜前方设有将来自前方影像的光变成平行光的镜片或镜头组，一个影像通过立体分光镜头组中的立体分光镜后变成为两个具有不同视角的独立影像；根据立体分光镜头组与照相机或摄像机的联结位置和功能不同分为前置式，后置式和光圈式；前置式是将立体分光镜头组放置于照相机或摄像机单镜头前部；后置式是将立体分光镜头组放置于显微镜或照相机或摄像机单镜头与机身之间，后置式在立体分光镜后方设有成像镜头组；在所述前置式和后置式中，两个具有不同视角的独立影像在同一个成像芯片上成像；光圈式是将立体分光镜头组放置于摄像机单镜头和机身之间，在光圈式立体分光镜头组中，在立体分光镜前面增加了一个对经过单镜头进来的光量进行调整改变经过立体分光镜产生的两个独立影像的大小和相对于镜头中心轴线距离的光圈；一对位于镜头中心轴线上的反光镜，将来自于光圈式立体分光镜头组的一路平行光分成两路独立的平行光，并沿着各自独立的光路通道，经过反射镜、修正放大器和成像镜头组，最后分别在各自的成像芯片上成像；对因为立体分光镜将一个影像变成两个独立影像产生的色象差进行修正，并且对修正后的影像放大的修正放大器是由一组镜头组成；在具有两个独立光路通道的成像装置中，所述的两个成像芯片被分别固定在成像芯片同步位移装置上。

对于前置式立体分光镜头组，其中的立体分光镜夹角a在5–35度之间；对于后置式和光圈式立体分光镜头组，其中的立体分光镜夹角a在5–45度之间。

立体分光镜头组由一个立体分光镜和多个不同的镜头组成，将前置式立体分光镜头组放置于照相机或摄像机单镜头的前部，在立体分光镜前方增加将被拍摄对象的光变成平行光的镜头或镜头组，在立体分光镜后方增加修正因为立体分光镜产生的色像差，并将光分布成为在经过后面的单镜头之后，可以在照相机或摄像机的成像芯片上精确成像的镜头或镜头组。

立体分光镜头组由一个立体分光镜和多个不同的镜头组成，将后置式立体分光镜头组放置于显微镜或照相机或摄像机单镜头与机身之间，在立体分光镜前方增设将前方单镜头采集的影像的光变成平行光的镜头或镜头组，在立体分光镜后方增设修正因为立体分光镜产生的色像差，并且具有成像的功能，直接在照相机或摄像机的成像芯片上精确成像的镜头或镜头组。

对于前置式和后置式立体分光镜头组，来自于被拍摄对象或前面单镜头的一个影像通过立体分光镜头组中的立体分光镜后变成为两个具有不同视角的独立影像，依照左右方式排列，每一个独立影像在水平方向尺寸只有原来一个影像的一半；这两个独立影像将在照相机或摄像机的同一个成像芯片上成像，一个成像芯片上同时拥有左右两个独立影像，两个独立影像中的左边影像将在成像芯片的左边成像，右边影像将在成像芯片的右边成像。

立体分光镜头组由一个立体分光镜和多个不同的镜头组成，将光圈式立体分光镜头组放置于摄像机单镜头和机身之间，在立体分光镜前方增设将前面单镜头采集的影像的光变成平行光的镜头或镜头组，在立体分光镜前面增设一个光圈，通过调整光圈改变来自于前方单镜头的一个影像通过立体分光镜后产生的两个独立影像的大小和相对于镜头中心轴线的距离；在立体分光镜后面增设修正因为立体分光镜产生的色像差并保持平行光的镜头或镜头组。

一对与摄像机镜头中心轴线呈45度角度的反光镜设在镜头中心轴线上，将来自于光圈式立体分光镜头组的一路平行光分成两路独立的平行光，沿着各自独立的光路通道，经过一个45度角度的反射镜，进入修正放大器和成像镜头组，最后分别在各自独立的成像芯片上成像；左边影像将在左边光路通道中的成像芯片上成像，右边影像将在右边光路通道中的成像芯片上成像。

在具有两个光路通道的成像装置中的两个成像芯片，被分别固定在成像芯片同步位移装置上；同步位移装置将两个成像芯片同时向内或向外两个相反方向平移，确保了立体影像采集和重现之间的线性立体深度关系，这种线性关系对于没有变形的立体影像重现至关重要，并实现了单镜头立体成像装置的会聚拍摄方式。

本发明具有如下优点：本发明结构较为简单；在拍摄中容易实现变焦、跟焦、变换光圈、拍摄快速运动对象和显微立体影像采集、操作方便；本发明以立体分光镜头组为基础，使用单镜头显微镜或照相机或摄像机能够拍摄出具有自然舒适的立体深度和色像差较小的高质量立体影像；本发明应用范围广泛，可以应用于医用内窥镜、微创手术、工业内窥镜、光学显微镜、立体照相机和摄像机、立体监控等领域。

附图说明：

图1是立体分光镜由两个三棱镜组成

图2是立体分光镜

图3是立体分光镜头组立体成像示意图-1

图4是立体分光镜头组立体成像示意图-2

图5是平行光进入立体分光镜

图6是前置式立体分光镜头组及光路示意图

图7是前置式单镜头立体照相机和摄像机示意图

图8是后置式立体分光镜头组及光路示意图

图9是后置式单镜头立体照相机和摄像机示意图

图10是前置式和后置式单镜头立体内窥镜示意图

图11是后置式光学立体显微镜示意图

图12是光圈式立体分光镜头组及光路示意图

图13是单镜头立体摄像机示意图

图14是立体分光镜产生的两个独立影像位置示意图

图15是单镜头立体摄像机视角差原理示意图

图16是光圈式单镜头立体摄像机双光路示意图

图17是修正放大器的功能示意图

图18是双摄像机平行拍摄方式示意图

图19是双摄像机会聚拍摄方式示意图

图20是立体影像重现(播放)示意图

图21是立体影像采集示意图

图22是两个独立影像在同一个成像芯片上成像示意图

图23是两个独立影像在两个不同成像芯片上分别成像示意图

具体实施方式：

下面，对于实施本发明的方式进行说明。本实施技术方案中的每一个立体分光镜头组、光圈、修正放大器，成像镜头组和各种单镜头等都是所述的可实施技术方案中的一个例子。

使用两个三棱镜1、2，每一个三棱镜的一个直角面镀有涂层3，将两个三棱镜镀有涂层的表面粘接在一起形成粘接面4，加工和研磨后成为底面直径为D的圆形三棱镜片5，即立体分光镜，见图1和2。

无论来自于被拍摄对象6的光还是经由前方单镜头9进入的光，一个影像10经过立体分光镜头组7中的立体分光镜5后变成两个具有不同视角的独立影像8，这是单镜头立体成像的基础，见图3和4。

立体分光镜头组7由一个立体分光镜5和多个不同的镜头组成，其中的立体分光镜5前方的镜头或镜头组将各种入射光都变成平行光，确保进入立体分光镜5的光是平行光，见图5。

前置式立体分光镜头组11，其中的立体分光镜5前方的镜头或镜头组将被拍摄对象6的光变成平行光进入立体分光镜5，立体分光镜5后方的镜头或镜头组将修正因为立体分光镜5产生的色像差，并将离开立体分光镜的光进行重新分布，使得重新分布后的光通过后面的单镜头9后，可以在照相机或摄像机12的成像芯片13上精确成像。前置式立体分光镜头组11通过连接环14与后面的单镜头9连接在一起，见图6、7和10。

后置式立体分光镜头组15通过连接环14与前面的照相机或摄像机单镜头9连接在一起。显微镜单镜头16与后置式立体分光镜头组15依靠显微镜影像套筒连接在一起，不依靠连接环14。其中的立体分光镜5前方的镜头或镜头组将前面单镜头9、16采集的影像的光变成平行光进入立体分光镜5，立体分光镜5后方的镜头或镜头组将修正因为立体分光镜5产生的色像差，并且具有成像的功能，最后在后面的照相机或摄像机12的成像芯片13上精确成像，见图8、9、10和11。

光圈式立体分光镜头组17通过连接环14与前面的摄像机单镜头9连接在一起。在其中的立体分光镜5前面设置一个光圈18，光圈18前方的镜头或镜头组将来自于前面单镜头9的影像的光变成平行光，平行光通过光圈18后进入立体分光镜5。一个影像10通过立体分光镜5后变成两个具有不同视角的独立影像8，通过调整光圈18改变这两个独立影像8的大小和相对于镜头中心轴线的距离。其中的立体分光镜5后方的镜头或镜头组将修正因为立体分光镜5产生的色像差并保持光以平行光方式离开光圈式立体分光镜头组17，见图4和12。

图13，单镜头立体摄像机19中设置有分光装置20将通过光圈式立体分光镜头组17的一路平行光分成两路独立的平行光，沿着各自独立的光路通道，经过一个45度角度的反射镜21，进入修正放大器22和成像镜头组23，最后分别在各自独立的成像芯片24、25上成像。分光装置20是由一对设在镜头中心轴线上并与轴线呈45度角度的反光镜组成。

图14，一个影像10通过光圈式立体分光镜头组17、光圈18和立体分光镜5后变成两个具有不同视角的独立影像8，原来一个影像的中心轴线(与镜头中心轴线重合)变成两个不同独立影像的中心轴线，分别位于立体分光镜中心线分隔的两个半圆中。我们认为其中的每一个独立影像的中心轴线分别位于各自半圆面积的重心处。

根据定义；r＝f/2F   (1)

其中，r–光圈半径

f–镜头焦距

F–光圈F值

计算出重心位置；

t＝4r/3pi＝2f/3F pi   (2)

其中，t–半圆重心与中心轴线距离

pi–3.141

式(2)表明：两个独立影像中心轴线随着调整光圈而改变与镜头中心轴线的距离

图15，因为L₁和L₂>>s，根据几何关系得到；

V＝s(1/L₁–1/L₂)   (3)

其中，V–单镜头立体摄像机视角差

s–单镜头立体摄像机视间距

L₁–物体A点到可调式立体分光镜头组中立体分光镜的距离

L₂–物体B点到可调式立体分光镜头组中立体分光镜的距离

d–物体A点到B点之间的距离

将式(2)代入式(3)，得出，

V＝s d/L₁ ²＝4f d/3pi F L₁ ²   (4)

式(4)表明：无论拍摄对象多远(L₁>>1)，视角差都存在，就有立体深度和感觉。

图16，在光圈式立体分光镜头组17后面设置一对与摄像机镜头中心轴线呈45度角度的反光镜20，将来自于光圈式立体分光镜头组17的一路拥有两个独立影像8的平行光分成两路分别拥有其中一个独立影像的独立平行光，并沿着各自独立的光路通道，经过一个45度角度的反射镜21，修正放大器22和成像镜头组23，最后分别在各自独立的成像芯片24、25上成像。不同于前置式和后置式，光圈式的两个独立影像分别经过两个独立的光路通道，最后在两个不同的成像芯片24、25上分别成像。

图17，一旦立体分光镜5确定之后，平行光通过立体分光镜5后产生的色象差也就确定了，修正放大器22对这些确定的色象差进行修正，然后对修正后的影像26进行放大。

两台摄像机27、28拍摄立体影像采用两种不同的拍摄方式，平行方式，见图18，和会聚方式，见图19。单镜头9的垂直中线两边的左右两个半圆镜头分别相当于两台摄像机中的左摄像机镜头27和右摄像机镜头28，类似于两台摄像机27、28的平行拍摄方式。对于一些场景，摄影师更偏爱使用会聚拍摄方式。采用成像芯片平移方法，可以实现单镜头立体摄像机会聚拍摄方式的功能。

完整的立体解决方案需要同时满足立体影像采集部分和影像重现部分。每一个部分都将对最终立体影像重现产生影响。理想的立体效果是在我们观看立体影像时不会出现立体影像变形和眼球疲劳，这需要两个不同部分之间的立体深度关系为线性关系。

两台摄像机27、28采用会聚拍摄方式时，被拍摄对象6经摄像机镜头投射到成像芯片24、25上。如果我们将两台摄像机换成平行拍摄方式，为了获得同样会聚拍摄方式的效果，我们只须将被拍摄对象6在平行拍摄方式时在成像芯片24、25上的成像位置与会聚拍摄方式时在成像芯片24、25上的成像位置相同。将两个成像芯片24、25向外和相反方向平移一段距离h。

图20，影像重现部分；根据几何相似关系我们得到，

Z₁＝(Z₂)T/(T–P)   (1)

其中，Z₁-观众看到的立体深度

Z₂-观众到屏幕的距离

T-观众两眼之间的的距离(视间距)

P-左右影像在显示屏幕上的视差

图21，影像采集部分；根据几何相似关系我们得到；

d＝h–t f/Z   (2)

其中，h-每一个成像芯片向外平移的距离

t-两台摄影机镜头之间的距离

f-镜头焦距

Z-立体深度

d-左右影像在摄像机中的视差

我们定义；P＝(W/w)d＝M d   (3)

其中,W-显示屏幕宽度

w-成像芯片宽度

M-放大系数

将式(2)和(3)代入到式(1)中，得到，

Z₁＝(Z₂)Z T/[M t f–Z(M h–T)]   (4)

式(4)表明，一般情况下，立体影像采集和重现之间的立体深度关系不是线性关系，只有当M h–T＝0时，线性关系成立。

即，h＝T/M＝T w/W   (5)

结论：在单镜头立体摄像机19中，将成像芯片24、25各自向外方向平移h距离，即可在确定的屏幕29上重现自然和没有变形的立体影像。式(5)中的T和w都是确定的参数，在设定摄像机成像芯片24、25平移h距离时，根据不同的最终显示屏幕29宽度W，可以设定不同的调节档位。

图22，前置式11和后置式15只有一路光路通道，两个具有不同视角的独立影像8将在照相机或摄像机12中同一个成像芯片13上成像，一个成像芯片上同时拥有左右两个独立影像30，两个独立影像中的左边影像将在成像芯片13左边成像，右边影像将在成像芯片13右边成像。成像后的影像30经过单镜头立体分光软件处理后，以左右格式(Side-by-Side)或其它格式被传输，播放，存档和分享。

图23，对于拥有两路独立光路通道的单镜头立体摄像机19，两个具有不同视角的独立影像8将分别在两个不同的成像芯片24、25上成像。左边影像31将在左边光路通道中的成像芯片24上成像，右边影像32将在右边光路通道中的成像芯片25上成像。成像后的影像31、32以连续帧格式(Frame Sequential)，左右格式或其它格式被传输，播放，存档和分享。

本发明的实施方式表示本发明具体化的一个例子，与权利要求书中的特定事项具有对应关系。本发明不限定实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内，能够通过对各种不同的实施方式来实现具体化。

Claims (8)

1.一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，包括立体分光镜头组，显微镜或照相机或摄像机单镜头；所述立体分光镜头组中的立体分光镜由两个三棱镜组成，每一个三棱镜的一个直角面镀有涂层，将两个三棱镜镀有涂层的表面粘接在一起，经过加工和研磨后成为底面平面直径为D的圆形三棱镜片；立体分光镜中间的粘接面与底面平面相互垂直，与底面平面相交的直线和底面的一个直径重合，立体分光镜中间的粘接面中心点处与粘接面相垂直的横截面上的两个斜线与底边直线之间的两个夹角相等，夹角都为a；立体分光镜头组由一个立体分光镜和多个不同的镜头组成，在立体分光镜前方设有将来自前方影像的光变成平行光的镜片或镜头组，一个影像通过立体分光镜头组中的立体分光镜后变成为两个具有不同视角的独立影像；根据立体分光镜头组与照相机或摄像机的联结位置和功能不同分为前置式，后置式和光圈式；前置式是将立体分光镜头组放置于照相机或摄像机单镜头前部；后置式是将立体分光镜头组放置于显微镜或照相机或摄像机单镜头与机身之间，后置式在立体分光镜后方设有成像镜头组；在所述前置式和后置式中，两个具有不同视角的独立影像在同一个成像芯片上成像；光圈式是将立体分光镜头组放置于摄像机单镜头和机身之间，在光圈式立体分光镜头组中，在立体分光镜前面增加了一个对经过单镜头进来的光量进行调整改变经过立体分光镜产生的两个独立影像的大小和相对于镜头中心轴线距离的光圈；一对位于镜头中心轴线上的反光镜，将来自于光圈式立体分光镜头组的一路平行光分成两路独立的平行光，并沿着各自独立的光路通道，经过反射镜，修正放大器和成像镜头组，最后分别在各自的成像芯片上成像；对因为立体分光镜将一个影像变成两个独立影像产生的色象差进行修正，并且对修正后的影像放大的修正放大器是由一组镜头组成；在具有两个独立光路通道的成像装置中，所述的两个成像芯片被分别固定在成像芯片同步位移装置上。

2.根据权利要求1所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，对于前置式立体分光镜头组，其中的立体分光镜夹角a在5–35度之间；对于后置式和光圈式立体分光镜头组，其中的立体分光镜夹角a在5–45度之间。

3.根据权利要求1所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，对于前置式立体分光镜头组，在立体分光镜后方增加修正因为立体分光镜产生的色像差，并将光分布成为在经过后面的单镜头之后，可以在照相机或摄像机的成像芯片上精确成像的镜头或镜头组。

4.根据权利要求1所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，对于后置式立体分光镜头组，在立体分光镜后方增设修正因为立体分光镜产生的色像差，并且具有成像的功能，直接在照相机或摄像机的成像芯片上精确成像的镜头或镜头组。

5.根据权利要求1、3或4所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，对于前置式和后置式立体分光镜头组，来自于被拍摄对象或前面单镜头的一个影像通过立体分光镜头组中的立体分光镜后变成为两个具有不同视角的独立影像，依照左右方式排列，每一个独立影像在水平方向尺寸只有原来一个影像的一半；这两个独立影像将在照相机或摄像机的同一个成像芯片上成像，一个成像芯片上同时拥有左右两个独立影像，两个独立影像中的左边影像将在成像芯片的左边成像，右边影像将在成像芯片的右边成像。

6.根据权利要求1所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，对于光圈式立体分光镜头组，在立体分光镜前面增设一个光圈，通过调整光圈改变来自于前方单镜头的一个影像通过立体分光镜后产生的两个独立影像的大小和相对于镜头中心轴线的距离，在立体分光镜后面增设修正因为立体分光镜产生的色像差并保持平行光的镜头或镜头组。

7.根据权利要求1所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，一对与摄像机镜头中心轴线呈45度角度的反光镜设在镜头中心轴线上，将来自于光圈式立体分光镜头组的一路平行光分成两路独立的平行光，沿着各自独立的光路通道，经过一个45度角度的反射镜，进入修正放大器和成像镜头组，最后分别在各自独立的成像芯片上成像；左边影像将在左边光路通道中的成像芯片上成像，右边影像将在右边光路通道中的成像芯片上成像。

8.根据权利要求1或7所述的一种单镜头立体分光镜成像装置，其特征在于，

在具有两个光路通道的成像装置中的两个成像芯片，被分别固定在成像芯片同步位移装置上；同步位移装置将两个成像芯片同时向内或向外两个相反方向平移。