[发明专利]一种远距离被动三维成像系统

说明书

本发明公开一种远距离被动三维成像系统，属于应用光学技术领域，包括镜头、放大系统、偏振片、光场调控系统和图像处理器。本发明基于频域光场调控原理，通过在空间频谱面加载变化的调制图案，从而得到一系列的投影图像，根据投影横向位置分辨目标物体纵向距离；利用重建算法将这些投影图像进行重建，从而得到原物的三维信息。本发明实现远距离的被动三维成像，并且获得高纵向分辨率的同时不降低横向分辨率；本发明解决了复用成像技术获得纵向分辨率的同时会牺牲原有的横向分辨率的问题。本发明的成像方法的摄像机工作距离远，拍摄时间较短，能够获得高纵向分辨率，同时横向分辨率未降低。

技术领域

本发明属于应用光学技术领域，具体涉及的是一种远距离被动三维成像系统。

背景技术

机器视觉技术可以让机器接收目标场景信息达到代替人工视觉的效果，被广泛应用于目标识别、地势遥感探测、数字化城市建设、无人驾驶、工业制造、生命医疗等领域。机器视觉技术可以分为二维成像与三维成像两种，其中二维成像技术通过图像中像素灰度分布反映目标光场的强度分布。但是由于深度信息的缺失，二维成像技术无法在一次成像过程中获得目标三维信息。通过技术或算法实现的三维成像技术能够实现对目标的快速三维定位，具有很大的应用前景。目前，三维成像技术主要可以分为三种技术：(1)飞行时间法(TOF)。该技术是一种利用光传播时间差记录目标深度信息的主动探测三维成像技术，这种技术可以快速准确的测量任意目标的纵向位置信息，但是实现三维成像需要多次测量，成像时间较长，需要主动照明。(2)结构光照明三维成像技术。结构光三维成像技术的基本工作原理是对目标物体进行不同方式照明、记录并反推目标的三维结构。结构光技术可以对目标进行快速高分辨率的三维成像，但是由于需要的主动激发的特殊结构的照明光束传播距离有限，这种技术纵向工作距离较小。(3)光场成像技术。该技术是一种基于全光函数，计算光线传播轨迹，反推物体三维结构的技术。这种技术可以通过连续摄像或多路复用成像的技术实现。但是连续摄像技术的图像采集时间过长，复用成像技术获得纵向分辨率的同时会牺牲原有的横向分辨率。(4)全息成像技术。该技术是一种通过光束干涉记录物体的角度信息实现三维成像的技术。但是这种技术仍需要主动照明目标物体，这限制了全息技术的工作距离。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种远距离被动三维成像系统，基于频域光场调制原理，结合光束自弯曲传播特性与无衍射特性，采用投影图像重建算法，实现远距离的被动三维成像，并且获得高纵向分辨率的同时不降低横向分辨率。本发明所采用的技术方案如下：一种远距离被动三维成像系统，包括镜头、放大系统、偏振片、光场调控系统和图像处理器，使用镜头收集远距离的目标的光场信息后，输入到所述的放大系统中，所述的放大系统由一组透镜构成，用于调整成像系统的放大率，并控制本三维成像系统的纵向分辨率，所述的光场调控系统包括两个透镜、空间光调制器和摄像机，所述的放大系统输出的光场依次经过偏振片、透镜L1、空间光调制器、透镜L2到摄像机中，由摄像机记录成像结果后，经图像处理器使用算法对目标进行三维重建，其中，所述的空间光调制器位于透镜L1和透镜L2之间，所述的空间光调制器与透镜L1的距离为透镜L1的焦距f₁，所述的空间光调制器与透镜L2的距离为透镜L2的焦距f₂；

其中，需要对所述的空间光调制器上的调制图案进行处理，产生调制图案M(f_x,f_y)，公式如下：

M(f_x,f_y)＝exp{iβ[(f_x/f_x0)³+(f_y/f_y0)³]}              (1)