阵列镜头成像系统及其用于高速运动物体清晰成像的方法

摘要

本发明公开了一种阵列镜头成像系统及其用于高速运动物体清晰成像的方法，该阵列镜头成像系统包括数据处理终端和由微透镜阵列与其下方的图像传感器阵列组成的多颗镜头，微透镜阵列的每个微透镜与图像传感器阵列中的图像传感器一一对应，数据处理终端能够控制阵列镜头中需开启镜头的排布、开启时刻、像素点的扫描采集位置及范围，且数据处理终端能够扫描采集已开启镜头的像素点，并处理合成完整图像。该方法利用阵列排布的多个镜头，逐次对高速运动物体进行捕捉，或者同时对高速运动物体的不同部分进行捕捉，可实现高速运动物体清晰成像，且该方法需要的设备少，操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及阵列镜头成像技术领域，尤其涉及一种阵列镜 头成像系统及其用于高速运动物体清晰成像的方法。

背景技术

目前，常用的图像传感器成像系统为单颗镜头，单颗镜头 包括图像传感器和用于在图像传感器上形成被摄物体影像的 微透镜，与“所见即所得”的传统成像方式不同，图像传感器 成像方式是一种计算成像，其“所得”(光场)需要经过相应 的数字处理算法才能得到“所见”(图像)。因此，单颗镜头 的图像传感器成像的过程包括通过微透镜采集光场、通过图像 传感器将光场数据转换成电信号，并通过数据处理器对电信号 进行处理得到图像。但是，在使用单颗镜头获取运动物体的图 像时，存在拍摄的图像出现模糊、失真的问题，这是因为，数 据处理器一般逐行扫描采集图像传感器的感光区上的像素点 来获取运动物体的像，而逐行扫描必然需要一定的时间，当物 体运动速度较快时，扫描期间物体位置会发生移动，导致拍摄 的图像模糊、失真，如图1所示。现有技术中，为了获得运动 物体的清晰的图像的方法是，将单颗镜头安装到机械移动装置 中，使用合适快门沿物体运动方向移动拍摄，以获得清晰的图 片；但该方法需要的设备较多，拍照操作繁琐，并且不适用于 高速运动的物体的拍摄。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种阵列镜头成像系 统及其用于高速运动物体清晰成像的方法，利用阵列排布的多 个镜头，逐次对高速运动物体进行捕捉，以补偿物体的位移， 可实现高速运动物体清晰成像；或者利用阵列排布的多个镜 头，同时对高速运动物体的不同部分进行捕捉，也可实现高速 运动物体清晰成像。且该方法需要的设备少，操作方便。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种阵列镜头成像系统，包括阵列镜头和数据处理终端， 所述阵列镜头包括微透镜阵列和图像传感器阵列，所述微透镜 阵列包括多个阵列排布的微透镜，所述图像传感器阵列包括多 个阵列排布的图像传感器，所述微透镜阵列中的微透镜与图像 传感器阵列中的图像传感器一一对应，一个所述微透镜与其对 应的图像传感器作为一颗单独成像的镜头，所述阵列镜头中各 个镜头分别与所述数据处理终端通过电路模块连接，所述数据 处理终端能够控制阵列镜头中需开启镜头的排布、开启时刻、 像素点的扫描采集位置及范围，且所述数据处理终端能够扫描 采集已开启镜头的像素点，并处理合成完整图像。

作为本发明的进一步改进，所述阵列镜头为方形阵列，由 M行和N列个镜头组成，其中，M和N为任意正整数。

作为本发明的进一步改进，所述数据处理终端包括用于对 阵列镜头中需开启镜头的排布、开启时刻、像素点的扫描采集 位置及范围进行控制的控制模块、用于对已开启镜头的像素点 进行扫描采集的采集模块、用于对扫描采集后的像素点进行合 成处理的处理模块或/和用于对合成处理前后的图像信息进行 存储的存储模块或/和用于对合成处理后的图像信息进行传输 及显示的传输显示模块。

一种阵列镜头成像系统用于高速运动物体清晰成像的方 法，包括所述阵列镜头成像系统，所述数据处理终端根据运动 物体的不同运动速度和运动方向通过软件预先设定需开启镜 头的排布、开启时刻和像素点的扫描采集位置及范围的实现方 式，使各个已开启镜头的像素点的扫描范围之和至少覆盖一张 完整图像需要的像素点；所述数据处理终端通过该软件的实际 运行控制各个已开启镜头的扫描采集顺序跟随要拍摄运动物 体的运动方向，并对各个已开启镜头扫描采集到的像素点进行 处理，合成完整图像。

作为本发明的进一步改进，运动物体逐次进入阵列镜头中 需开启镜头的视野，以运动物体最先进入视野的镜头对其图像 传感器的感光区上的像素点进行扫描采集的位置为起点，下一 颗或多颗镜头接着上一颗或多颗镜头已扫描采集像素点的位 置，依次往下扫描采集，直到获得一个图像传感器的感光区上 的所有像素点信息。

作为本发明的进一步改进，运动物体同时进入阵列镜头中 需开启镜头的视野，各个需开启镜头同时对其图像传感器的感 光区上的不同像素点进行扫描采集，所有镜头扫描范围累加起 来，至少覆盖一个图像传感器的感光区上的所有像素点信息。

作为本发明的进一步改进，扫描采集每个镜头的像素点的 扫描方式为行扫描。

本发明的有益效果是：本发明提供一种阵列镜头成像系统 及其用于高速运动物体清晰成像的方法，该阵列镜头成像系统 包括数据处理终端和由微透镜阵列与其下方的图像传感器阵 列组成的多颗镜头，微透镜阵列的每个微透镜与图像传感器阵 列中的图像传感器一一对应，每颗镜头单独成像，阵列镜头中 各个镜头分别与数据处理终端通过电路模块连接，数据处理终 端能够控制阵列镜头中需开启镜头的排布、开启时刻、像素点 的扫描采集位置及范围，且数据处理终端能够扫描采集已开启 镜头的像素点，并处理合成完整图像。该阵列镜头成像系统用 于高速运动物体清晰成像时，一种方法为：利用阵列排布的多 个镜头，逐次对高速运动物体进行捕捉，即运动物体逐次进入 阵列镜头中一些镜头的视野，下一颗或多颗镜头接着上一颗或 多颗镜头已扫描采集像素点的位置，依次往下扫描采集，直到 获得一个图像传感器的感光区上的所有像素点信息。这样，利 用相邻镜头之间的位置差异，可以补偿高速运动物体在图像传 感器扫描像素信息期间的位移，实现高速运动物体清晰成像； 另一种方法为：利用阵列排布的多个镜头，同时对高速运动物 体的不同部分进行捕捉，即高速运动物体同时进入多个镜头的 光场时，各镜头分别扫描各自图像传感器的感光区上一排或某 几排像素，所有镜头扫描范围累加起来，至少覆盖一个图像传 感器的感光区上所有像素点，如一颗镜头扫描完其感光区上所 有像素点所需时间为T，那么n个镜头同时扫描，所用时间为 T/n，类似将快门速度大大提高，能拍摄出高速运动物体某一 瞬间的清晰照片。相比现有技术中将单颗镜头安装到机械移动 装置中的方法，上述方法需要的设备少，操作方便。

附图说明

图1为单颗镜头拍摄运动物体的工作原理图；

图2为本发明中阵列镜头结构示意图；

图3为本发明中阵列镜头与待拍摄运动物体相对位置示 意图；

图4为图3中A位置镜头拍摄运动物体的工作原理图；

图5为本发明阵列镜头拍摄运动物体合成处理后的图像 示意图；

结合附图做以下说明：

1——镜头            2——感光区

3——图像传感器阵列  4——像素点

5——图像            6——运动物体

7——扫描范围

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施 例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本 发明的保护范围。本发明提到的“开启镜头”，并非严格意义 上从不工作到工作的状态，而是描述开始提取图像传感器感光 区上像素点信息的动作。

一种阵列镜头成像系统，包括阵列镜头和数据处理终端， 所述阵列镜头包括微透镜阵列和图像传感器阵列，参见图2， 所述微透镜阵列包括多个阵列排布的微透镜1，所述图像传感 器阵列3包括多个阵列排布的图像传感器，单个图像传感器的 感光区2由很多像素点4组成，所述微透镜阵列中的微透镜与 图像传感器阵列中的图像传感器一一对应，一个所述微透镜与 其对应的图像传感器作为一颗单独成像的镜头，所述阵列镜头 中各个镜头分别与所述数据处理终端通过电路模块连接，所述 数据处理终端能够控制阵列镜头中需开启镜头的排布、开启时 刻、像素点的扫描采集位置及范围，且所述数据处理终端能够 扫描采集已开启镜头的像素点，并处理合成完整图像。

优选的，所述阵列镜头为方形阵列，由M行和N列个镜头 组成，其中，M和N为任意正整数。当然阵列镜头也可以根据 实际需要设计成圆形阵列等。

优选的，所述数据处理终端包括用于对阵列镜头中需开启 镜头的排布、开启时刻、像素点的扫描采集位置及范围进行控 制的控制模块、用于对已开启镜头的像素点进行扫描采集的采 集模块、用于对扫描采集后的像素点进行合成处理的处理模块 或/和用于对合成处理后的图像信息进行存储的存储模块或/ 和用于对合成处理后的图像信息进行传输及显示的传输显示 模块。控制模块结合软件可实现对阵列镜头中需开启镜头的排 布、开启时刻、像素点的扫描采集位置及范围的控制的功能， 即可事先通过软件编程设定需开启镜头的排布、设定镜头的开 启时刻、设定镜头图像传感器像素的扫描采集位置及范围。采 集模块结合软件可实现对已开启镜头的像素点进行扫描采集 的功能，处理模块结合软件可实现对扫描采集后的像素点进行 合成处理的功能，存储模块结合软件可实现对合成处理前后的 图像信息进行存储的功能，传输显示模块结合软件可实现对合 成处理后的图像信息进行传输及显示的功能。

一种阵列镜头成像系统用于高速运动物体清晰成像的方 法，包括所述阵列镜头成像系统，所述数据处理终端根据运动 物体的不同运动速度和运动方向通过软件预先设定需开启镜 头的排布、开启时刻和像素点4的扫描采集位置及范围的实现 方式，使各个已开启镜头的像素点的扫描范围之和至少覆盖一 张完整图像需要的像素点；所述数据处理终端通过该软件的实 际运行控制各个已开启镜头的扫描采集顺序跟随要拍摄运动 物体的运动方向，并对各个已开启镜头扫描采集到的像素点进 行处理，合成完整图像5。

作为可选的实施方法一，运动物体6逐次进入阵列镜头中 需开启镜头的视野，以运动物体最先进入视野的镜头对其图像 传感器的感光区2上的像素点进行扫描采集的位置为起点，下 一颗或多颗镜头接着上一颗或多颗镜头已扫描采集像素点的 位置，依次往下扫描采集，直到获得一个图像传感器的感光区 上的所有像素点信息。

作为可选的实施方法二，运动物体6同时进入阵列镜头中 需开启镜头的视野，各个需开启镜头同时对其图像传感器的感 光区上的不同像素点进行扫描采集，所有镜头扫描范围累加起 来，至少覆盖一个图像传感器的感光区上的所有像素点信息。

优选的，扫描采集每个镜头的像素点的扫描方式为行扫 描。

以下通过M×N的阵列镜头系统对上述可选的实施方法一 和二的工作原理进行详细说明：

实施方法一

参见图3，通过一M×N的阵列镜头对高速运动物体进行 拍摄，为便于说明，假定高速运动物体由阵列镜头的左侧向右 侧方向运动，再假定M×N的阵列镜头中第一排镜头均为需开 启的镜头，数据处理终端通过软件设置第一排镜头逐次开启， 高速运动物体6将逐次进入阵列镜头中第一排镜头的视野，第 一排镜头的图像传感器将依次扫描采集其感光区2像素点信 息。参见图4，当左侧第一颗镜头N₁₁“看到”运动物体的时刻 为t’₁(运动物体进入左侧第一颗镜头的视野)，此时开始扫描 该颗镜头的图像传感器的感光区2的最上排位置的像素点，左 侧下一颗镜头N₁₂“看到”物体时刻为t’₂，则t’₂时刻开始接 着左侧第一颗镜头N₁₁像素点的扫描位置，往下扫描，如此依 次进行，直到获得一个图像传感器感光区上的所有像素点信 息。由于相邻镜头之间有一相对位置，可以利用这一微小的位 置差异，来补偿高速运动物体在图像传感器扫描像素点信息期 间的位移。前后两颗镜头开始扫描的时间间隔依据物体的运动 的快慢确定，而每颗镜头扫描的像素点排数，参照于开启镜头 的个数确定，确保合成处理时，一张图片的所有像素点信息都 已扫描获取。数据处理终端通过软件算法合成一张清晰的图 片，如图5所示。

实施方法二

通过一M×N的阵列镜头对高速运动物体进行拍摄，为便 于说明，假定高速运动物体由阵列镜头的左侧向右侧方向运 动，高速运动物体6同时进入阵列镜头中n颗镜头的视野，再 假定M×N的阵列镜头中n颗镜头为需开启的镜头，数据处理 终端通过软件设置需开启的镜头的排布为同时看到高速运动 物体的n颗镜头，设置该n颗镜头同时开启，并设置n颗镜头 各自的扫描位置及范围，即各镜头分别扫描各自图像传感器上 一排或某几排像素，n颗镜头扫描范围累加起来，至少覆盖一 个图像传感器区域。在阵列镜头中n颗镜头“看到”运动物体 的时刻，各镜头同时对其图像传感器上不同像素点进行扫描， 如一颗图像传感器扫描完所有像素点所需时间为T，那么n颗 镜头同时扫描，所用时间为T/n，类似将快门速度大大提高， 能拍摄出高速运动物体某一瞬间的清晰照片。

其他实施例可根据物体的运动方向，开启不同镜头，以获 取准确的图片信息。

可选的，可以通过软件设置开启不同镜头的时间，匹配物 体运动的速度，最大程度上补偿物体在扫描期间引起的位移。

以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细 说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的 修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明 的保护范围之内。