[发明专利]用于3D宽视的透镜及3D宽视成像系统

说明书

本发明公开了一种用于3D宽视的透镜及3D宽视成像系统，其中透镜包括由透光介质制成的本体，其内外侧为同向弯曲的第一弧面、第二弧面，两弧面通过侧面连接；第一弧面被配置为对入射光线经透光介质折射后至第二弧面，以及对经第二弧面反射的入射光线经透光介质折射后向第一弧面弯曲的方向靠近光轴聚拢的进行折射/对经第二弧面反射的出射光线进行折射；第二弧面设有反射膜，被配置为对经由第一弧面折射的光线进行反射；所述第一弧面从上到下分为用于接收水平以上区域视场的上视场区和用于接收水平及以下区域的下视场区，上视场区与下视场区连接。整个成像光路仅两次折射一次反射即可实现，最大限度避免了鬼影的产生，更适合3D成像。

技术领域

本发明涉及光学器件，尤其涉及一种用于3D宽视的透镜及3D宽视成像 系统。

背景技术

随着电子技术的不断发展，市面上出现了各种电子技术产品。近两年特 别是智能设备技术的普及，如果让设备可感知周围环境的情况，其对应的机 器视觉变得尤为重要。

而现有机器视觉中的3D成像通常有两种方式，一种方式，是将发射光源、 接收传感器借助机械器件采用摆动或者旋转的方式进而扫描采集周遭的图 像、距离等信息，从而得到较大范围内成像的要求，但此种方案势必需要增 加额外的扫描/旋转机械部件，不仅结构复杂成本较高，且实时性也有限。另 一种方式则是将发射光源、接收传感器通过配置的3D宽视光学系统直接获取 较大范围内的成像。但此种结构最大挑战在于，对于3D机器人视觉而言，周 遭(参见图1，即水平环状的视觉范围FOV)的数据最为重要，而光学系统 水平线(图1中虚线所在平面)外的上、下角度(α、β)正是机器人视觉 识别场景区域的关键。然而传统光学系统，重点追求的都是光学系统中心分 辨率，但在另一种方式中，3D宽视光学系统通常都是朝上设置的，通过采用 诸如鱼眼镜头来实现大角度覆盖，其关注的水平环视成像效果对于光学系统 而言属于边缘成像的范畴，可见其在设计上传统光学设计的思路大相径庭。 这就使得传统光学系统并不能直接运用于机器视觉的3D宽视成像使用，而需 要专门设计、优化。

此外，机器视觉所用到的光学系统与传统的光学系统有本质差异，主要 在于传统光学系统的成像目标是获取投影在一个平面上的二维成像，而机器 视觉的光学系统则需要能提供包含深度信息三维的信息的成像，该成像最终 要用于测量从而建模形成3D场景信息方可使用。两种成像差异导致了传统的 光学系统，多为可见光光学系统，其可接收的光线波长范围很大，要消除光 线多径干扰(MPI)问题非常困难。此外传统光学系统中镜片较多，整个系统光 路光线的折射反射次数多，众所周知，光线进、出光学系统经历的折射反射 次数越多，就越容易造成光线的多径干扰，光线的多径干扰问题，俗称鬼影， 即成像上存在实际中不存在的物体，这对于传统的光学系统而言可能只是成 像上的不美观，但对于机器视觉的光学系统，就会导致对不存在的东西产生 误判，专业的说，即鬼影在基于飞行时间(ToF)技术的3D机器人视觉中出现， 会造成3D数据极大的误差，难以正确还原真实场景。可见，虽然都为光学系 统，但传统光学系统与机器视觉的光学系统之间存在鸿沟，无法直接进行技 术移用。

美国专利US20200389611A1，公开了一种宽视图像系统，其通过采用 鱼眼睛来达到视场覆盖。然而传统光学中，中心分辨率是重中之重，而边缘 则通常是优先被舍弃或者说妥协的地方，而机器视觉而言则刚好相反。因此 该方案即使采用了鱼眼镜，其成像效果势必受到本质的局限。此外该专利成 像需要多个透镜方可实现，光线在其中经历大量折射、反射，为鬼影增加了 基础，使其产生更为不可控。

而美国专利US9864914B2，公开了一种折反射镜扫地机，其方案为了实 现宽视的更佳效果，需要在光学系统上配置透镜组件20和反射镜30两组透 镜以实现，其中反射镜30还是非常规形状透镜，不仅生产难度较大，且两个 透镜的装配也对生产提出了很高的要求。后续产品成本高且稳定性不足，且 光线通过该光路系统需要经过多次折射、反射(专利图8可见)，对于机器视 觉而言容易产生鬼影。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种更适用于3D成像的 用于3D宽视的透镜及3D宽视成像系统。