[实用新型]单孔径多重成像的光学成像测距装置

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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[1](参见RANGE ESTIMATION BY OPTICALDIFFERENTIATION，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[2](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[3](一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。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一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。

本实用新型的技术解决方案是：

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。