[发明专利]基于数字微镜器件的三维成像装置

权利要求书

1.一种基于数字微镜器件的三维成像装置，其特征在于，包括第一物镜(1)、第二物镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第一数字微镜器件(5)、第二数字微镜器件(6)、CCD图像传感器(7)和壳体(8)；

调制数字微镜器件：以第一数字微镜器件(5)的微镜片为+12°偏角的偏转状态为开状态；以第一数字微镜器件(5)的微镜片为-12°偏角的偏转状态为关状态；同理，以第二数字微镜器件(6)的微镜片为+12°偏角的偏转状态为开状态；以第二数字微镜器件(6)的微镜片为-12°偏角的偏转状态为关状态；

当第一数字微镜器件(5)处于开状态时第二数字微镜器件(6)也处于开状态，当第二数字微镜器件(6)处于关状态时第一数字微镜器件(5)也处于关状态。

2.根据权利要求1所述基于数字微镜器件的三维成像装置，其特征在于，所述的第一物镜(1)和第二物镜(2)型号相同，相对于基于数字微镜器件的三维成像装置中心轴对称；所述的第一反射镜(3)与第二反射镜(4)型号相同，相对于基于数字微镜器件的三维成像装置中心轴对称；所述的第一数字微镜器件(5)的基面与CCD图像传感器(7)所在面成90°夹角；所述的第二数字微镜器件(6)的基面与CCD图像传感器(7)所在面成90°夹角；所述的第一数字微镜器件(5)与第二数字微镜器件(6)相向安置，且相对于基于数字微镜器件的三维成像装置中心轴对称。

3.一种基于基于数字微镜器件的三维成像装置，其特征在于，采用如权利要求1所述基于数字微镜器件的三维成像装置进行立体成像，包括以下步骤：

步骤一、图像采集：

固定第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第一数字微镜器件(5)、第二数字微镜器件(6)与CCD图像传感器(7)的位置，且使得第一数字微镜器件(5)与第二数字微镜器件(6)上的每个微镜元对应于CCD图像传感器上的每个像素；

图像采集分为周期T进行，每周期T包括t₁时间段和t₂时间段两个时间阶段，并且t₁时间和t₂时间是交替曝光时间；

第一时间阶段t₁包括：第一数字微镜器件(5)与第二数字微镜器件(6)同时处于开状态，所述的第一物镜(1)以自水平方向逆时针旋转45°倾角将目标物成像光线投射给所述第一反射镜(3)，所述第一反射镜(3)再将来自第一物镜(1)的成像光线反射给所述的第一数字微镜器件(5)，所述的第一数字微镜器件(5)再将来自第一反射镜(3)的成像光线以平行光线反射给第二数字微镜器件(6)，所述的第二数字微镜器件(6)将来自第一数字微镜器件(5)的成像光线以自水平方向顺时针旋转24°倾角反射到CCD图像传感器(7)的感光面上，t₁时间阶段完成感光成像；当t₁时间段进行完即开始进行t₂时间段，第二时间阶段t₂包括：第一数字微镜器件(5)与第二数字微镜器件(6)同时处于关状态，所述的第二物镜(2)以自水平方向顺时针旋转45°倾角将目标物成像光线投射给所述第二反射镜(4)，所述第二反射镜(4)再将来自第二物镜(2)的成像光线反射给所述的第二数字微镜器件(6)，第二数字微镜器件(6)再将来自第二反射镜(4)的成像光线以平行光线反射给第一数字微镜器件(5)，所述的第一数字微镜器件(5)将来自第二数字微镜器件(6)的成像光线以自水平方向逆时针旋转24°倾角反射到CCD图像传感器(7)的感光面上，t₂时间阶段完成感光成像；通过t₁时间段和t₂时间段CCD图像传感器(7)的感光面对图像信息的采集，每周期T可以得到两帧数据，t₁时间采集的数据信息为I₁，t₂时间采集的数据信息为I₂，其中，这两帧数据包含自所述第一物镜(1)和所述第二物镜(2)从不同角度对目标物所采集的两幅图像信息；所述的壳体(8)用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入；

步骤二、坐标计算：

本发明基于数字微镜器件的三维成像装置的几何光学模型相当于两个虚拟相机同时从所述第一物镜和所述第二物镜向目标物成像；

定义点P是目标物上任意一点；定义从所述第一物镜向目标物成像的第一虚拟相机的相机坐标系为O_C1X_C1Y_C1Z_C1；定义从所述第二物镜向目标物成像的第二虚拟相机的相机坐标系为O_C2X_C2Y_C2Z_C2；定义所述第一物镜对目标物所成I₁的图像坐标系为O₁X₁Y₁，定义所述第二物镜对目标物所成I₂的图像坐标系为O₂X₂Y₂；定义两虚拟相机之间的距离，即基准距为B；

定义世界坐标系为O_WX_WY_WZ_W，世界坐标系与相机坐标系的变换属于刚体变换，第一虚拟相机坐标系的X_C1轴、第二虚拟相机坐标系的X_C2轴和世界坐标系的X_W轴同向，第一虚拟相机坐标系的Y_C1轴和Z_C1轴方向是世界坐标系的Y_W轴和Z_W轴以X_W为轴旋转-45°所得，第二虚拟相机坐标系的Y_C2轴和Z_C2轴方向是世界坐标系的Y_W轴和Z_W轴以X_W为轴旋转45°所得；P点在世界坐标系的坐标(x_W,y_W,z_W)与在第一虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：

P点在世界坐标系的坐标(x_W,y_W,z_W)与在第二虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：

目标物上任意一点P，在I₁的图像坐标为(x₁,y₁)，在I₂的图像坐标为(x₂,y₂)，在第一虚拟相机的相机坐标系坐标为(x_C1,y_C1,z_C1)，在第二虚拟相机的相机坐标系坐标为(x_C2,y_C2,z_C2)；根据相机成像原理，P点在第一虚拟相机的相机坐标系坐标与在I₁的图像坐标之间关系为：

P点在第二虚拟相机的相机坐标系坐标与在I₂的图像坐标之间关系为：

将(3)和(4)改写成矩阵形式表示：

由式(1)、(2)可得：z_C＝0.707y_W+0.707z_W

式(3)、(4)、(5)中的f为第一物镜和第二物镜的焦距；

整合公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，得到下面关系矩阵：

公式(6)中，f、B为已知,但计算I₁的图像坐标(x₁,y₁)时B为0；通过最终的转换关系来看，对于任意三维中的坐标点，的确都可以在图像中找到一个对应点；如此根据求得目标物坐标点与世界坐标系坐标关系，便能实现了目标物的三维成像。