[發明專利]基于數字微鏡器件的三維成像裝置

在審

• 申請號: 201810244067.8
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108600582A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 范劍英;馬明陽;劉力源
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N13/207;H04N5/235
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于數字微鏡器件的三維成像裝置，其特征在于，包括第一物鏡(1)、第二物鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、第一數字微鏡器件(5)、第二數字微鏡器件(6)、CCD圖像傳感器(7)和殼體(8)；

調制數字微鏡器件：以第一數字微鏡器件(5)的微鏡片為+12°偏角的偏轉狀態為開狀態；以第一數字微鏡器件(5)的微鏡片為-12°偏角的偏轉狀態為關狀態；同理，以第二數字微鏡器件(6)的微鏡片為+12°偏角的偏轉狀態為開狀態；以第二數字微鏡器件(6)的微鏡片為-12°偏角的偏轉狀態為關狀態；

當第一數字微鏡器件(5)處于開狀態時第二數字微鏡器件(6)也處于開狀態，當第二數字微鏡器件(6)處于關狀態時第一數字微鏡器件(5)也處于關狀態。

2.根據權利要求1所述基于數字微鏡器件的三維成像裝置，其特征在于，所述的第一物鏡(1)和第二物鏡(2)型號相同，相對于基于數字微鏡器件的三維成像裝置中心軸對稱；所述的第一反射鏡(3)與第二反射鏡(4)型號相同，相對于基于數字微鏡器件的三維成像裝置中心軸對稱；所述的第一數字微鏡器件(5)的基面與CCD圖像傳感器(7)所在面成90°夾角；所述的第二數字微鏡器件(6)的基面與CCD圖像傳感器(7)所在面成90°夾角；所述的第一數字微鏡器件(5)與第二數字微鏡器件(6)相向安置，且相對于基于數字微鏡器件的三維成像裝置中心軸對稱。

3.一種基于基于數字微鏡器件的三維成像裝置，其特征在于，采用如權利要求1所述基于數字微鏡器件的三維成像裝置進行立體成像，包括以下步驟：

步驟一、圖像采集：

固定第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、第一數字微鏡器件(5)、第二數字微鏡器件(6)與CCD圖像傳感器(7)的位置，且使得第一數字微鏡器件(5)與第二數字微鏡器件(6)上的每個微鏡元對應于CCD圖像傳感器上的每個像素；

圖像采集分為周期T進行，每周期T包括t₁時間段和t₂時間段兩個時間階段，并且t₁時間和t₂時間是交替曝光時間；

第一時間階段t₁包括：第一數字微鏡器件(5)與第二數字微鏡器件(6)同時處于開狀態，所述的第一物鏡(1)以自水平方向逆時針旋轉45°傾角將目標物成像光線投射給所述第一反射鏡(3)，所述第一反射鏡(3)再將來自第一物鏡(1)的成像光線反射給所述的第一數字微鏡器件(5)，所述的第一數字微鏡器件(5)再將來自第一反射鏡(3)的成像光線以平行光線反射給第二數字微鏡器件(6)，所述的第二數字微鏡器件(6)將來自第一數字微鏡器件(5)的成像光線以自水平方向順時針旋轉24°傾角反射到CCD圖像傳感器(7)的感光面上，t₁時間階段完成感光成像；當t₁時間段進行完即開始進行t₂時間段，第二時間階段t₂包括：第一數字微鏡器件(5)與第二數字微鏡器件(6)同時處于關狀態，所述的第二物鏡(2)以自水平方向順時針旋轉45°傾角將目標物成像光線投射給所述第二反射鏡(4)，所述第二反射鏡(4)再將來自第二物鏡(2)的成像光線反射給所述的第二數字微鏡器件(6)，第二數字微鏡器件(6)再將來自第二反射鏡(4)的成像光線以平行光線反射給第一數字微鏡器件(5)，所述的第一數字微鏡器件(5)將來自第二數字微鏡器件(6)的成像光線以自水平方向逆時針旋轉24°傾角反射到CCD圖像傳感器(7)的感光面上，t₂時間階段完成感光成像；通過t₁時間段和t₂時間段CCD圖像傳感器(7)的感光面對圖像信息的采集，每周期T可以得到兩幀數據，t₁時間采集的數據信息為I₁，t₂時間采集的數據信息為I₂，其中，這兩幀數據包含自所述第一物鏡(1)和所述第二物鏡(2)從不同角度對目標物所采集的兩幅圖像信息；所述的殼體(8)用于固定光學元件，并對光路進行密封以避免外界干擾光進入；

步驟二、坐標計算：

本發明基于數字微鏡器件的三維成像裝置的幾何光學模型相當于兩個虛擬相機同時從所述第一物鏡和所述第二物鏡向目標物成像；

定義點P是目標物上任意一點；定義從所述第一物鏡向目標物成像的第一虛擬相機的相機坐標系為O_C1X_C1Y_C1Z_C1；定義從所述第二物鏡向目標物成像的第二虛擬相機的相機坐標系為O_C2X_C2Y_C2Z_C2；定義所述第一物鏡對目標物所成I₁的圖像坐標系為O₁X₁Y₁，定義所述第二物鏡對目標物所成I₂的圖像坐標系為O₂X₂Y₂；定義兩虛擬相機之間的距離，即基準距為B；

定義世界坐標系為O_WX_WY_WZ_W，世界坐標系與相機坐標系的變換屬于剛體變換，第一虛擬相機坐標系的X_C1軸、第二虛擬相機坐標系的X_C2軸和世界坐標系的X_W軸同向，第一虛擬相機坐標系的Y_C1軸和Z_C1軸方向是世界坐標系的Y_W軸和Z_W軸以X_W為軸旋轉-45°所得，第二虛擬相機坐標系的Y_C2軸和Z_C2軸方向是世界坐標系的Y_W軸和Z_W軸以X_W為軸旋轉45°所得；P點在世界坐標系的坐標(x_W,y_W,z_W)與在第一虛擬相機的相機坐標系坐標之間關系為：

P點在世界坐標系的坐標(x_W,y_W,z_W)與在第二虛擬相機的相機坐標系坐標之間關系為：

目標物上任意一點P，在I₁的圖像坐標為(x₁,y₁)，在I₂的圖像坐標為(x₂,y₂)，在第一虛擬相機的相機坐標系坐標為(x_C1,y_C1,z_C1)，在第二虛擬相機的相機坐標系坐標為(x_C2,y_C2,z_C2)；根據相機成像原理，P點在第一虛擬相機的相機坐標系坐標與在I₁的圖像坐標之間關系為：

P點在第二虛擬相機的相機坐標系坐標與在I₂的圖像坐標之間關系為：

將(3)和(4)改寫成矩陣形式表示：

由式(1)、(2)可得：z_C＝0.707y_W+0.707z_W

式(3)、(4)、(5)中的f為第一物鏡和第二物鏡的焦距；

整合公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，得到下面關系矩陣：

公式(6)中，f、B為已知,但計算I₁的圖像坐標(x₁,y₁)時B為0；通過最終的轉換關系來看，對于任意三維中的坐標點，的確都可以在圖像中找到一個對應點；如此根據求得目標物坐標點與世界坐標系坐標關系，便能實現了目標物的三維成像。