CN117389036A - 基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，包括如下步骤：步骤一，结合群像素空间分割复用方法和复眼方法构建面阵光学复眼柱透镜阵列；步骤二，结合像素分割耦合原理以及像素空间分割复用方法，设计面阵群像素分割光学透镜结构；步骤三，利用矩形光学凸透镜结构对面阵光学复眼柱透镜阵列进行像素空间分割复用；步骤四，结合像素空间分割复用后的结果，评估所述光学透镜结构的像素空间分割复用性能。所述方法能够突破像元与像素的约束条件，将为实现高性能面阵成像、像素空间分割复用技术的发展提供方法基础和理论支撑。

Description

基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉、光学与光电子学领域，尤其涉及一种基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法。

背景技术

复眼是昆虫的主要视觉器官，通常由数百到数千个小型透镜组成，每个透镜与一个感光细胞或像素相关联，这些小型透镜紧密排列在昆虫的眼睛表面，每个透镜都可以看到不同方向的景象，利用复眼结构能够实现广角成像，同时保持较高的分辨率。复眼技术涉及将每个小透镜的成像信息分割和重新组合，以实现像素空间的分割和复用。

面阵群像素空间分割复用方法属于计算机视觉领域的一种前沿技术，计算机视觉技术根据像素的分布、颜色等信息，将目标像素转化为数字化信号，通过对数字化信号的采集、处理、存储等一系列操作，来读取对目标像素区域所感兴趣的信息并进行显示。随着智能显示、液晶技术的发展，计算机视觉技术在工业领域的应用也愈发广泛。

作为计算机视觉领域的一个重要技术分支，面阵群像素空间分割复用技术的发展尤为迅速，而该技术取得突破性进展的关键在于能否找到阵列探测器像元与像素的映射关系。阵列探测器像元与像素的映射关系决定着面阵成像显示的分辨率和成像效率等关键性能指标，传统面阵成像的像元与像素是一对一的映射关系，单像元的利用效率一定会，无法突破小规模阵列探测器像元获取大规模像素数据，进而限制了面阵成像技术的发展。

为了解决这一问题，结合MIMO(多入多出)思想，改善了面阵探测器像元与像素一对一的映射关系，实现多对多的空间映射，虽然提高了像元的空间利用率，但仍然无法有效地提高阵列探测器单像元利用率，面阵成像技术发展问题也没有解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够突破像元与像素的约束条件，将为实现高性能面阵成像、像素空间分割复用技术的发展提供方法基础和理论支撑的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，包括如下步骤：

步骤一，结合群像素空间分割复用方法和复眼方法构建面阵光学复眼柱透镜阵列；

步骤二，结合像素分割耦合原理以及像素空间分割复用方法，设计面阵群像素分割光学透镜结构，要求所述光学透镜结构能够将入光面接收到的激光光束分割为C路，对面阵群像素阵列进行空间分割，不同像素相同位置所对应的激光光束经过光学凸透镜结构之后将汇聚到同一区域，即会形成C＝p²个亚像素汇聚区域；

步骤三，利用矩形光学凸透镜结构对面阵光学复眼柱透镜阵列进行像素空间分割复用；

步骤四，结合像素空间分割复用后的结果，评估所述光学透镜结构的像素空间分割复用性能。

进一步的，该技术将光学复眼柱透镜阵列构建的面阵群像素阵列中的每一个像素都均匀细分为C＝p×p个亚像素，面阵群像素阵列共有2^K×2^K个像素，即分割后产生2^K×2^K×p²个亚像素，利用C个探测器像元对亚像素信息进行复用接收，最终共接收到C×2^K×2^K个像素信息，其中C、K、p均为正整数。面阵群像素阵列经过像素空间分割复用之后所产生的亚像素经过所设计的光学凸透镜结构之后将被探测器像元阵列所接收复用，利用C个探测器像元阵列即可获取目标2^2K个像素信息。

进一步地，所述复眼技术是一种光学和图像处理技术，通过使用多个小型透镜或光学通道，模拟昆虫复眼结构，以实现广角成像、多角度视野和其他光学优势。

进一步地，面阵复眼柱透镜阵列由2^K×2^K个柱透镜组成，柱透镜与柱透镜之间紧密排列；所述面阵光学复眼柱透镜阵列包括入光面和出光面，所述入光面和所述出光面分别设于所述面阵光学复眼柱透镜阵列的相对两侧，出光面为弧形面。

进一步地，结合像元与像素一对一、多对多的映射关系，理论分析像元与像素一对多映射关系的形成条件。

进一步地，建立科学合理的光学复眼柱透镜面阵群像素阵列，通过对面阵群像素阵列进行像素空间分割复用，有效地提高探测器像元利用率。

进一步地，步骤二所构建的面阵光学复眼柱透镜阵列入光面所接收到的光束必须为平行光。

进一步地，步骤三所述光学结构的仿真设计利用ZEMAX软件实现。

进一步地，步骤四的像素空间分割复用包括以下部分：

(1)完成光学系统的设计之后，在面阵光学复眼柱透镜阵列接收到能量近平顶的激光光束，进而在面阵复眼柱透镜阵列x维度和y维度上分别形成2^K个像素点，构成2^K×2^K面阵群像素阵列，所述的面阵群像素阵列具有2^K×2^K个像素单元，所述K为正整数。

(2)假设探测器阵列是由C个像元所构成，通过所设计的矩形凸透镜光学结构对面阵光学复眼柱透镜群像素阵列表面的2^K×2^K个像素区域进行像素空间分割，每个像素都被分割为C份，不同像素相同位置所分割出的亚像素将被同一个探测器像元所接收，即每个探测器像元可以同时接收2^2K个面阵像素信息。

进一步地，不同颜色的线条代表了面阵群像素阵列进行像素空间分割之后产生的“亚像素”，构成亚像素阵列，通过开展亚像素耦合方法的研究，实现像元与像素一对多的映射关系。

进一步地，假设面阵光学复眼柱透镜群像素阵列为2^K×2^K个像素，依次标记为C_1,1、C_1,2、…C_2,1…C₂ ^K _,2 ^K-1、C₂ ^K _,2 ^K，将每个像素都均匀细分为C＝p×p个亚像素，则面阵群像素阵列经过像素空间分割后形成了2^K×2^K×p²个亚像素，亚像素经过所设计的光学凸透镜结构之后将被探测器像元阵列所接收，不同像素相同位置所对应的亚像素将被同一探测器像元所接收，即经过光学凸透镜结构，每个探测器像元将接收到2^2K个亚像素信息。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)所述方法结合探测器像元与像素一对一、多对多的映射关系，进行亚像素耦合方法的研究，突破阵列探测器像元与像素一对一的关系，实现了像元与像素一对多的映射关系，为高性能面阵成像提供方法基础和理论支撑。

(2)所述方法以像素空间分割复用技术和光学成像理论为指导，面阵光学复眼柱透镜群像素阵列经过空间分割复用形成亚像素，再经过所设计的光学凸透镜，使得通过该光学结构的不同像素相同位置所对应的亚像素汇聚到相同的空间位置，汇聚到同一空间位置的亚像素被同一探测器像元所接收，进而实现了使用小规模探测器像元阵列即可获取超大规模的目标像素信息，有效地提高了探测器像元的利用率，形成高效的高分辨率面阵成像方法。

(3)所述犯法所公开的像素空间分割技术与以往的像素分割技术不同，以往的像素分割技术是在线阵像素阵列的基础上进行分割，本发明所述方法所公开的像素空间分割技术在线阵的基础上添加另一个维度构成面阵群像素阵列，进而利用光学透镜对面阵光学复眼柱透镜群像素阵列进行像素空间分割，极大程度上提高了探测器像元利用率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例所述方法的技术流程图；

图2为本发明实施例所述方法中面阵光学复眼透镜阵列示意图；

图3为基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用技术示意图；

图4为对光学复眼透镜面阵群像素阵列进行标号之后的示意图；

图5为对光学复眼透镜面阵群像素阵列中的像素分割后的示意图；

图6为本发明对光学复眼透镜面阵群像素阵列中的像素分割的实例图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明立足于突破像元与像素的约束条件，解决单像元利用率较低的问题，开展小规模探测器阵列高效获取超大规模目标信息，提高探测器像元利用效率，形成有效的高分辨率面阵成像方法。

目前较为先进的像素空间分割技术是对线阵像素阵列进行空间分割复用，1×N阵列像素S被分割重组形成N×M阵列的“亚像素”，并利用1×M个探测器像元进行接收。本发明提出的面阵像素空间分割复用技术是在线阵的基础上添加一个维度构成2^K×2^K面阵像素阵列，进而利用光学透镜对复眼透镜面阵群像素阵列进行像素空间分割，实现像素与探测器像元多对一的映射关系，有效地提高了像元利用率。

如图1所示，本发明公开了一种基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，所述方法基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用技术，包括：构建面阵光学复眼柱透镜阵列、像素空间分割光学结构的设计、利用矩形凸透镜进行像素空间分割复用、评估像素分割的性能四个步骤。构建复眼柱透镜面阵群像素阵列利用2^K×2^K个光学柱透镜，激光束照射到面阵光学复眼透镜阵列入光面上形成2^K×2^K面阵群像素阵列。像素空间分割光学结构的设计步骤中，利用像素空间分割复用技术设计光学透镜结构，便于接下来对面阵群像素阵列中的像素进行空间分割复用。利用矩形凸透镜进行像素空间分割复用步骤中，所设计的光学透镜会将光学系统发射的一束激光光束分割为C路，不同像素相同位置所对应的激光光束经过凸透镜光学结构之后将汇聚到同一区域，即会形成C＝p²个亚像素汇聚区域。

进一步的，如图1所示，本发明所述基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，具体包括如下步骤：

步骤一，结合群像素空间分割复用技术和复眼技术构建复眼柱透镜面阵群像素阵列；

进一步地，所述复眼技术是一种光学和图像处理技术，通过使用多个小型透镜或光学通道，模拟昆虫复眼结构，以实现广角成像、多角度视野和其他光学优势。

步骤二，结合像素分割耦合原理以及像素空间分割复用技术，设计像素分割光学透镜结构，要求该光学结构会将光学系统发射的整束激光光束分割为C＝p×p路，不同像素相同位置所对应的激光光束经过凸透镜光学结构之后将汇聚到同一区域，即会形成C＝p²个亚像素汇聚区域；

进一步地，步骤三所述光学结构的仿真设计利用ZEMAX软件实现。

步骤三，利用矩形光学凸透镜结构对光束进行像素空间分割复用。其中，光学复眼透镜面阵群像素阵列由2^K×2^K个像素组成，如图4所示，依次标记为C_1,1、C_1,2、…C_2,1…C₂ ^K _,2 ^K-1、C₂ ^K _,2 ^K，将每个像素都均匀分为C＝p×p个亚像素，则面阵群像素阵列经过像素空间分割后形成了2^K×2^K×p²个亚像素，亚像素经过所设计的光学凸透镜结构之后将被探测器像元阵列所接收，不同像素相同位置所对应的亚像素将被同一探测器像元所接收，即经过光学凸透镜结构，每个探测器像元将接收到2^2K个亚像素信息；

具体地，步骤四的像素空间分割复用包括以下部分：

(1)完成光学系统的设计之后，在面阵光学复眼透镜阵列入光面接收到能量近平顶的平行激光光束，进而在面阵复眼透镜阵列x维度和y维度上分别形成2^K个像素点，构成2^K×2^K面阵群像素阵列，所述的面阵群像素阵列具有2^K×2^K个像素单元，所述K为正整数。

(2)假设探测器阵列是由C个像元所构成，通过所设计的矩形凸透镜光学结构对光学复眼透镜面阵群像素阵列表面的2^K×2^K个像素区域进行像素空间分割，每个像素都被分割为C份，不同像素相同位置所分割出的亚像素将被同一个探测器像元所接收，即每个探测器像元可以同时接收2^2K个面阵像素信息。

步骤四，结合像素空间分割复用后的结果，评估该光学结构的像素空间分割复用性能。

图2所示为本发明的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用技术中的面阵光学复眼柱透镜透镜阵列，该面阵光学复眼柱透镜阵列由2^K×2^K个光学柱透镜组成，光学系统发射的激光束照射到该面阵光学复眼柱透镜阵列的入光面上，在其表面将会均匀地形成2^K×2^K个像素区域。各个柱透镜的横截面的形状、大小均相同，各个柱透镜之间没有间隙，紧密相连。

具体地，所述面阵复眼柱透镜阵列由2^K×2^K个光学柱透镜组成，位于所述扩散膜的出光侧，用于接收由扩散膜出来的平行激光束，覆盖所述扩散膜的像素。

图3所示为本发明的一个实施例，给出了基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用技术的示意图。该具体实施例给出了8×8面阵光学柱透镜群像素阵列，这里K和p均为3，本实施例中的探测器像元数量为9，即C为9，面阵激光群像素阵列尺寸为8×8。本实施例主要包括面阵光学复眼柱透镜阵列、光学凸透镜、探测器像元阵列三个部分，其中面阵光学复眼柱透镜阵列由8×8个光学柱透镜组成，光学系统发射的激光束照射到该面阵光学复眼柱透镜阵列上，在其表面将会均匀地形成8×8个像素区域；光学凸透镜则是结合像素分割耦合原理以及像素空间分割复用技术所设计的光学结构，通过所设计的矩形凸透镜光学结构对光学柱透镜群像素阵列表面的8×8个像素区域进行像素空间分割，每个像素都被分割为9份；本实例中探测器像元阵列部分由9个相同的探测器组成，不同像素相同位置所分割出的亚像素将被同一个探测器像元所接收，即每个探测器像元可以同时接收64个面阵像素信息。

具体地，不同颜色的线条代表了面阵群像素阵列进行像素空间分割之后产生的“亚像素”，构成亚像素阵列，通过开展亚像素耦合方法的研究，实现像元与像素一对多的映射关系。

图4-图5所示为对光学复眼柱透镜面阵群像素阵列中的像素进行空间分割的示意图，假设光学复眼透镜面阵群像素阵列由2^K×2^K个像素组成，依次标记为C_1,1、C_1,2、…C_2,1…C₂ ^K _,2 ^K-1、C₂ ^K _,2 ^K，将每个像素都均匀分为C＝p×p个亚像素，则面阵群像素阵列经过像素空间分割后形成了2^K×2^K×p²个亚像素。本发明的像素空间分割技术的一个实施例如图6所示，本实例中的面阵光学复眼透镜阵列由8×8个光学柱透镜组成，即该光学复眼透镜面阵群像素阵列有64个像素单元，每个单元都被均匀细分为9份，分别标记为A_1,1、A_1,2、A_1,3、A_2,1、A_2,2、A_2,3、A_3,1、A_3,2、A_3,3，不同像素具有相同标记的亚像素将被同一探测器像元所接收，本实例中的探测器像元个数为9个，分别标号为P_1,1、P_1,2、P_1,3、P_2,1、P_2,2、P_2,3、P_3,1、P_3,2、P_3,3，所有标号为A_1,1的亚像素均被标号为P_1,1的探测器所接收，所有标号为A_1,2的亚像素均被标号为P_1,2的探测器所接收，以此类推，直到所有标号为A_3,3的亚像素均被标号为P_3,3的探测器所接收，即每个探测器像元将会接收到64个像素信息。

本实例中未明确说明的部分均可采用现有技术加以实现。

本发明以像素空间分割复用技术和光学成像理论为指导，光学复眼透镜面阵群像素阵列经过空间分割复用形成亚像素，再经过所设计的光学凸透镜，使得通过该光学结构的不同像素相同位置所对应的亚像素汇聚到相同的空间位置，汇聚到同一空间位置的亚像素被同一探测器像元所接收，进而实现了使用小规模探测器像元阵列即可获取超大规模的目标像素信息，有效地提高了探测器像元的利用率，形成高效的高分辨率面阵成像方法。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权力要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，结合群像素空间分割复用方法和复眼方法构建面阵光学复眼柱透镜阵列；

步骤二，结合像素分割耦合原理以及像素空间分割复用方法，设计面阵群像素分割光学透镜结构，要求所述光学透镜结构能够将入光面接收到的激光光束分割为C路，对面阵群像素阵列进行空间分割，不同像素相同位置所对应的激光光束经过光学凸透镜结构之后将汇聚到同一区域，即会形成C＝p²个亚像素汇聚区域；

步骤三，利用矩形光学凸透镜结构对面阵光学复眼柱透镜阵列进行像素空间分割复用；

步骤四，结合像素空间分割复用后的结果，评估所述光学透镜结构的像素空间分割复用性能。

2.如权利要求1所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于，所述复眼方法为一种光学和图像处理技术，通过使用多个小型透镜或光学通道，模拟昆虫复眼结构，以实现广角成像、多角度视野。

3.如权利要求1所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：所述面阵光学复眼柱透镜阵列包括2^K×2^K个柱透镜，柱透镜与柱透镜之间紧密排列；所述面阵光学复眼柱透镜阵列包括入光面和出光面，所述入光面和所述出光面分别设于所述面阵光学复眼柱透镜阵列的相对两侧，入光面所接收到的光束为平行光，出光面为弧形面。

4.如权利要求1所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：步骤二中所述光学透镜结构的仿真设计利用ZEMAX软件实现。

5.如权利要求1所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于所述步骤三进行像素空间分割复用的方法包括如下步骤：

(1)完成光学系统的设计之后，在面阵光学复眼柱透镜阵列接收到能量近平顶的激光光束，进而在面阵光学复眼柱透镜阵列x维度和y维度上分别形成2^K个像素点，构成2^K×2^K面阵群像素阵列，所述面阵群像素阵列具有2^K×2^K个像素单元，所述K为正整数；

(2)设探测器阵列是由C个像元所构成，通过所设计的矩形凸透镜光学结构对面阵光学复眼柱透镜阵列表面的2^K×2^K个像素区域进行像素空间分割，每个像素都被分割为C份，不同像素相同位置所分割出的亚像素将被同一个探测器像元所接收，即每个探测器像元可以同时接收2^2K个面阵像素信息。

6.如权利要求1所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：步骤二和步骤三所述像素空间分割复用方法，是将光学复眼柱透镜面阵群像素阵列中2^2K个像素中的每个像素都均匀细分为p×p份，每个像素进行像素空间分割之后形成p²个亚像素，即进行像素空间分割之后所产生的亚像素总数为2^2K×p，所述p为正整数。

7.如权利要求6所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：结合光学折射方法以及像素空间耦合方法，能够将光学系统发射的一束激光光束像素分割为C路，不同像素相同位置所对应的激光光束经过凸透镜光学结构之后将汇聚到同一区域，即最终会形成C＝p²个亚像素汇聚区域。

8.如权利要求7所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：每个亚像素汇聚区域都有一个探测器像元与其相对应，汇聚到同一区域的亚像素将被同一探测器像元所接收。

9.如权利要求8所述的基于复眼透镜阵列的面阵群像素空间分割复用方法，其特征在于：

设面阵光学复眼柱透镜像素阵列有2^K×2^K个像素，依次标记为C_1,1、C_1,2、…C_2,1…C₂ ^K _,2 ^K-1、C₂ ^K _,2 ^K，将每个像素都均匀分为C＝p×p个亚像素，则面阵像素阵列经过像素空间分割后形成了2^K×2^K×p²个亚像素，亚像素经过所设计的光学凸透镜结构之后将被探测器像元阵列所接收，不同像素相同位置所对应的亚像素将被同一探测器像元所接收，即经过光学凸透镜结构，每个探测器像元将接收到2^2K个亚像素信息。