專利名稱：多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生復(fù)眼成像領(lǐng)域，具體地說是大視場成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其獨(dú)特的視場大、體積小、對運(yùn)動物體的靈敏度高等特性，使其在醫(yī)療、工業(yè)、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用擁有很大的潛力。復(fù)眼是存在于自然界中的一種小巧而精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)。不同于我們所熟知的單孔徑成像系統(tǒng)，復(fù)眼是由許多個六邊形的子眼單元組成，這些六邊形的子眼緊密的排布在一曲面上。每個子眼由角膜透鏡、晶錐、感桿束以及感光細(xì)胞構(gòu)成。由于尺寸較小，每個子眼只能對空間的某一視場區(qū)域成像，所有子眼協(xié)同工作時(shí)，方能對大視場空間進(jìn)行目標(biāo)探測。生物復(fù)眼多存在于昆蟲當(dāng)中，因此復(fù)眼整體尺寸較小，每個子眼的尺寸從幾微米到幾十微米不等，復(fù)眼所含子眼的個數(shù)也從幾百至幾萬不等。昆蟲復(fù)眼的視野非常開闊，有些昆蟲水平視野范圍可達(dá)240°，垂直視野范圍可達(dá)360°。然而，昆蟲復(fù)眼的分辨率很低，通常僅有I米左右，即使視力最強(qiáng)的蜜蜂，其視力也只有人眼的百分之一。如果在光線微弱的地方，它們的視力還要更差。但是昆蟲復(fù)眼對運(yùn)動物體的靈敏度非常高，如蜜蜂對突然出現(xiàn)的物體的反應(yīng)時(shí)間僅需O. 01秒，而人眼需要O. 05秒。此外，由于各個子眼的視場角較小，因此對空間內(nèi)各個方向的入射光，均可近似視為近軸光，成像畸變及像差相對常規(guī)的廣角成像系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)生物復(fù)眼所表現(xiàn)出的一些優(yōu)良特性，仿照生物復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，人們提出了許多種不同形式的人工復(fù)眼系統(tǒng)。研究初期，仿生復(fù)眼大都采用平面透鏡陣列的形式，包括單層以及多層結(jié)構(gòu)，這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的視場角較小，且由于構(gòu)成復(fù)眼的微透鏡尺寸較小，加工工藝難以保證微透鏡的面型參數(shù)，使得這種復(fù)眼的成像質(zhì)量較差，很少應(yīng)用在成像器件當(dāng)中，大部分應(yīng)用在照明領(lǐng)域來獲得均勻光。隨著超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，制造能力不斷提高，尺寸一致性及加工精度高，表面粗糙度小、可控性強(qiáng)，可用來實(shí)現(xiàn)高精度曲面仿生光學(xué)復(fù)眼。目前，為了實(shí)現(xiàn)大視場成像系統(tǒng)，國內(nèi)外的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究出了一些曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)，主要思路是在曲面基底上密接分布微透鏡陣列，各個子眼微透鏡均采用六邊形非球面，其焦距根據(jù)所處位置而不同。該類型復(fù)眼的視場角較平面結(jié)構(gòu)有所提高，但為了適應(yīng)常用的CCD尺寸，該類型復(fù)眼器件尺寸較小，以致各子眼通道通光量較低，僅能對高亮度物體或近景目標(biāo)敏感，且像質(zhì)較差，與真實(shí)的昆蟲復(fù)眼類似。分析其原因，主要有兩方面一方面是由于現(xiàn)階段的曲面復(fù)眼還只是由單透鏡組成的透鏡陣列，根據(jù)像差理論可知這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度較少，很難校正影響成像質(zhì)量的各種像差，因此每個微透鏡的成像范圍有限，且成像質(zhì)量不高，為了獲得較大的視場角，就需要在曲面基底上分布較多的子眼微透鏡，這樣一來又給加工帶來很大困難。另一方面，由于現(xiàn)階段的圖像傳感器均是平面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得每個微透鏡的光軸與其有一夾角，這個夾角不可避免的給微透鏡邊緣視場的像點(diǎn)帶來離焦，這對成像系統(tǒng)來說是不能接受的。綜上所述，由于受到現(xiàn)階段加工工藝、成像質(zhì)量等因素的制約，目前尚未實(shí)現(xiàn)視場
3角達(dá)到180°范圍，且整體結(jié)構(gòu)緊湊、像質(zhì)較高的復(fù)眼系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)180°范圍的大視場 成像、高像質(zhì)、小型化、曲面化的整體式仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，包括依次排列的第一層透鏡陣列、第二層透鏡陣列、第三層透鏡陣列、第四層透鏡陣列以及圖像傳感器陣列。為了降低子眼數(shù)目過多給復(fù)眼加工帶來的困難，采用7個子眼通道構(gòu)成復(fù)眼成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)180°成像。為了盡量減少成像盲區(qū)和成像重疊率的問題，以及使全部復(fù)眼系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)180°范圍內(nèi)的成像，每一層曲面透鏡陣列的結(jié)構(gòu)如圖3所示，在一球面基底上，以球面頂點(diǎn)為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點(diǎn)以及球心，在其外以六邊形結(jié)構(gòu)排布六個微透鏡，這六個微透鏡的光軸與中心透鏡的光軸夾角均為0。圖4為曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)物方成像盲區(qū)以及重疊區(qū)的示意圖，如圖4a所示，物方視場無重疊，盲區(qū)主要分成兩個部分。中心子眼視場和兩個邊緣子眼視場之間的盲區(qū)，稱為盲區(qū)I，兩個邊緣子眼視場和180°視場邊界之間的盲區(qū)，稱為盲區(qū)II。即沒有子眼通道能夠?qū)υ搮^(qū)域成像。此時(shí)外圈子眼光軸與中心子眼光軸夾角Θ和子眼視場角2 α應(yīng)該滿足Θ =2α。盲區(qū)的存在對探測效果將產(chǎn)生較大影響，為此，需增大子眼通道視場角，或是降低Θ，使θ < 2α，從而消除這種盲區(qū)。如圖4b所示，當(dāng)Θ與2α達(dá)到某一值時(shí)，盲區(qū)I剛好消失，此時(shí)可以得到關(guān)于Θ與2α的如下關(guān)系式
Γηηηο . CL V 2 - Slll 0 Sill Qf - 2 COS Θ COS Of
Luuuy」 sin — =--(I)
Zζ,其中θ為外圈子眼光軸與中心子眼光軸夾角，2α為每個子眼的視場角，根據(jù)上式便可得到在盲區(qū)最小的情況下，子眼通道的半視場角為
r π2(1 —cos 0)…a = arctan—^=---(2)
V3 sin θ由于子眼數(shù)目較少，為了實(shí)現(xiàn)180°視場范圍內(nèi)的成像，Θ角與α角需要滿足一定的關(guān)系，根據(jù)各個子眼通道的排布關(guān)系可以得到# + α = Y(3)此時(shí)，整個復(fù)眼系統(tǒng)的視場角可以達(dá)到180°視場的成像。由于子眼數(shù)目較少，為了達(dá)到視場角180°范圍內(nèi)的成像，Θ角不能過小。因?yàn)棣ㄟ^小會使每個子眼所承擔(dān)的視場角很大，這樣會增加子眼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，對于一個單透鏡來說是無法實(shí)現(xiàn)成像的，為此，選用多層透鏡結(jié)構(gòu)來增加子眼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度，使子眼的成像性能得到提聞。每個子眼通道都是由多片透鏡組成的一個復(fù)合成像系統(tǒng)，必要時(shí)可以在其中加入一個或多個圓形的光闌孔對進(jìn)入成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行限制。因此在第一層透鏡陣列和第二層透鏡陣列之間設(shè)有光闌孔陣列，光闌孔陣列的排布方式與所有透鏡陣列及圖像傳感器陣列的排布方式完全相同。
上述所有透鏡陣列上的透鏡形狀可以是平凹透鏡、雙凸透鏡、正彎月形透鏡、雙凹透鏡、平凹透鏡、或者負(fù)彎月形透鏡。這幾種透鏡的不同組合可以使其視場角能夠達(dá)到60° 70°之間，成像質(zhì)量優(yōu)越。復(fù)合成像系統(tǒng)具有透鏡表面面型(曲率半徑)參數(shù)，透鏡厚度，及透鏡間間隔以及不同材料折射率等設(shè)計(jì)參數(shù)，加上孔徑光闌的精確位置所構(gòu)成設(shè)
計(jì)自由度可以很好的控制所要求的焦距，F(xiàn)數(shù)以及視場角等設(shè)計(jì)指標(biāo)。在本發(fā)明中，圖像失真(畸變帶來的像差)的降低主要是通過使用一旋轉(zhuǎn)對稱的非球面實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及像差校正原理，所述的非球面透鏡設(shè)計(jì)成一雙凹透鏡，并且將所設(shè)計(jì)的非球面透鏡定位在全部系統(tǒng)中臨近圖像傳感器的最后的透鏡，即位于圖像傳感器的前面(第四層透鏡陣列)，非球面面型方程為
權(quán)利要求
1.一種多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng),其特征在于包括依次排列的第一層透鏡陣列(I)、第二層透鏡陣列(3)、第三層透鏡陣列(4)、第四層透鏡陣列(5)以及圖像傳感器陣列￠);每一層透鏡陣列均為在一球面基底上，以球面頂點(diǎn)為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點(diǎn)以及球心，在其外以六邊形結(jié)構(gòu)排布六個微透鏡，這六個微透鏡的光軸與中心透鏡的光軸夾角均為Θ ;上述所有透鏡陣列和圖像傳感器陣列(6)的排布方式完全相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，其特征在于在第一層透鏡陣列(I)和第二層透鏡陣列(3)之間設(shè)有光闌孔陣列(2)，光闌孔陣列(2)的排布方式與所有透鏡陣列及圖像傳感器陣列(6)的排布方式完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一層透鏡陣列(I)、第二層透鏡陣列(3)、第三層透鏡陣列(4)和第四層透鏡陣列(5)上的透鏡形狀為平凹透鏡、雙凸透鏡、正彎月形透鏡、雙凹透鏡、平凹透鏡或者負(fù)彎月形透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，其特征在于所述第四層透鏡陣列(5)上的透鏡為雙凹透鏡，其第二個面為旋轉(zhuǎn)對稱的非球面，非球面面型方程為其中設(shè)z軸為光軸,r為非球面上任一點(diǎn)到光軸的距離,記r2 = x2+y2, c為非球面頂點(diǎn)處的曲率(即半徑的倒數(shù))，α4、a6、Ci8等為多次項(xiàng)系數(shù)。其中k為二次曲面系數(shù)，k = O表示球面，k = -I表示拋物面，-Kk < O表示橢球面，k < -I表示雙曲面，k > O表示扁平橢球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一層透鏡陣列(I)上的透鏡為平凹透鏡、第二層透鏡陣列(3)上的透鏡為雙凸透鏡、第三層透鏡陣列⑷上的透鏡為正彎月形透鏡，光闌孔陣列⑵上的光闌孔為一圓形通孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層曲面復(fù)眼式180°大視場成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次排列的第一層透鏡陣列、第二層透鏡陣列、第三層透鏡陣列、第四層透鏡陣列以及圖像傳感器陣列；每一層透鏡陣列均為在一球面基底上，以球面頂點(diǎn)為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點(diǎn)以及球心，在其外以六邊形結(jié)構(gòu)排布六個微透鏡，這六個微透鏡的光軸與中心透鏡的光軸夾角均為θ；上述所有透鏡陣列和圖像傳感器陣列的排布方式完全相同。本發(fā)明采用多層復(fù)眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，通過多路CCD探測器組合的方式，接收來自不同視場的入射光，從而使該透鏡在保證復(fù)眼大視場特性的同時(shí)，能夠獲較高像質(zhì)的成像，整體結(jié)構(gòu)小巧、緊湊，便于應(yīng)用。
文檔編號G02B27/00GK102944934SQ20121053692
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者房豐洲, 宋樂, 張紅霞, 鄒成剛, 范陽 申請人:南京邁得特光學(xué)有限公司