多層曲面複眼式180°大視場成像系統的製作方法
2023-05-21 11:34:31 2
專利名稱：多層曲面複眼式180°大視場成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及仿生複眼成像領域，具體地說是大視場成像系統。
背景技術：
近年來，仿生複眼成像系統引起了研究人員的廣泛關注，其獨特的視場大、體積小、對運動物體的靈敏度高等特性，使其在醫療、工業、國防等領域的應用擁有很大的潛力。複眼是存在於自然界中的一種小巧而精密的光學結構。不同於我們所熟知的單孔徑成像系統，複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、感杆束以及感光細胞構成。由於尺寸較小，每個子眼只能對空間的某一視場區域成像，所有子眼協同工作時，方能對大視場空間進行目標探測。生物複眼多存在於昆蟲當中，因此複眼整體尺寸較小，每個子眼的尺寸從幾微米到幾十微米不等，複眼所含子眼的個數也從幾百至幾萬不等。昆蟲複眼的視野非常開闊，有些昆蟲水平視野範圍可達240°，垂直視野範圍可達360°。然而，昆蟲複眼的解析度很低，通常僅有I米左右，即使視力最強的蜜蜂，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。但是昆蟲複眼對運動物體的靈敏度非常高，如蜜蜂對突然出現的物體的反應時間僅需O. 01秒，而人眼需要O. 05秒。此外，由於各個子眼的視場角較小，因此對空間內各個方向的入射光，均可近似視為近軸光，成像畸變及像差相對常規的廣角成像系統具有明顯優勢。根據生物複眼所表現出的一些優良特性，仿照生物複眼的結構，人們提出了許多種不同形式的人工複眼系統。研究初期，仿生複眼大都採用平面透鏡陣列的形式，包括單層以及多層結構，這種複眼結構所能達到的視場角較小，且由於構成複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，使得這種複眼的成像質量較差，很少應用在成像器件當中，大部分應用在照明領域來獲得均勻光。隨著超精密加工技術的不斷發展，製造能力不斷提高，尺寸一致性及加工精度高，表面粗糙度小、可控性強，可用來實現高精度曲面仿生光學複眼。目前，為了實現大視場成像系統，國內外的相關科研機構已經研究出了一些曲面複眼結構，主要思路是在曲面基底上密接分布微透鏡陣列，各個子眼微透鏡均採用六邊形非球面，其焦距根據所處位置而不同。該類型複眼的視場角較平面結構有所提高，但為了適應常用的CCD尺寸，該類型複眼器件尺寸較小，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敏感，且像質較差，與真實的昆蟲複眼類似。分析其原因，主要有兩方面一方面是由於現階段的曲面複眼還只是由單透鏡組成的透鏡陣列，根據像差理論可知這種結構的設計自由度較少，很難校正影響成像質量的各種像差，因此每個微透鏡的成像範圍有限，且成像質量不高，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，由於現階段的圖像傳感器均是平面結構，這種結構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帶來離焦，這對成像系統來說是不能接受的。綜上所述，由於受到現階段加工工藝、成像質量等因素的制約，目前尚未實現視場
3角達到180°範圍，且整體結構緊湊、像質較高的複眼系統。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種可實現180°範圍的大視場 成像、高像質、小型化、曲面化的整體式仿生複眼視覺系統。為達到上述目的，本發明的技術方案如下一種多層曲面複眼式180°大視場成像系統，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。為了降低子眼數目過多給複眼加工帶來的困難，採用7個子眼通道構成複眼成像系統實現180°成像。為了儘量減少成像盲區和成像重疊率的問題，以及使全部複眼系統能夠實現180°範圍內的成像，每一層曲面透鏡陣列的結構如圖3所示，在一球面基底上，以球面頂點為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點以及球心，在其外以六邊形結構排布六個微透鏡，這六個微透鏡的光軸與中心透鏡的光軸夾角均為0。圖4為曲面複眼結構物方成像盲區以及重疊區的示意圖，如圖4a所示，物方視場無重疊，盲區主要分成兩個部分。中心子眼視場和兩個邊緣子眼視場之間的盲區，稱為盲區I，兩個邊緣子眼視場和180°視場邊界之間的盲區，稱為盲區II。即沒有子眼通道能夠對該區域成像。此時外圈子眼光軸與中心子眼光軸夾角Θ和子眼視場角2 α應該滿足Θ =2α。盲區的存在對探測效果將產生較大影響，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。如圖4b所示，當Θ與2α達到某一值時，盲區I剛好消失，此時可以得到關於Θ與2α的如下關係式
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，根據上式便可得到在盲區最小的情況下，子眼通道的半視場角為
r π2(1 —cos 0)…a = arctan—^=---(2)
V3 sin θ由於子眼數目較少，為了實現180°視場範圍內的成像，Θ角與α角需要滿足一定的關係，根據各個子眼通道的排布關係可以得到# + α = Y(3)此時，整個複眼系統的視場角可以達到180°視場的成像。由於子眼數目較少，為了達到視場角180°範圍內的成像，Θ角不能過小。因為Θ過小會使每個子眼所承擔的視場角很大，這樣會增加子眼結構的複雜度，對於一個單透鏡來說是無法實現成像的，為此，選用多層透鏡結構來增加子眼系統的設計自由度，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複合成像系統，必要時可以在其中加入一個或多個圓形的光闌孔對進入成像系統的光束進行限制。因此在第一層透鏡陣列和第二層透鏡陣列之間設有光闌孔陣列，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到60° 70°之間，成像質量優越。複合成像系統具有透鏡表面面型(曲率半徑)參數，透鏡厚度，及透鏡間間隔以及不同材料折射率等設計參數，加上孔徑光闌的精確位置所構成設
計自由度可以很好的控制所要求的焦距，F數以及視場角等設計指標。在本發明中，圖像失真(畸變帶來的像差)的降低主要是通過使用一旋轉對稱的非球面實現的，根據設計要求以及像差校正原理，所述的非球面透鏡設計成一雙凹透鏡，並且將所設計的非球面透鏡定位在全部系統中臨近圖像傳感器的最後的透鏡，即位於圖像傳感器的前面(第四層透鏡陣列)，非球面面型方程為
權利要求
1.一種多層曲面複眼式180°大視場成像系統,其特徵在於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，以球面頂點為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點以及球心，在其外以六邊形結構排布六個微透鏡，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.根據權利要求I所述多層曲面複眼式180°大視場成像系統，其特徵在於在第一層透鏡陣列(I)和第二層透鏡陣列(3)之間設有光闌孔陣列(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.根據權利要求2所述多層曲面複眼式180°大視場成像系統，其特徵在於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、平凹透鏡或者負彎月形透鏡。
4.根據權利要求I所述多層曲面複眼式180°大視場成像系統，其特徵在於所述第四層透鏡陣列(5)上的透鏡為雙凹透鏡，其第二個面為旋轉對稱的非球面，非球面面型方程為其中設z軸為光軸,r為非球面上任一點到光軸的距離,記r2 = x2+y2, c為非球面頂點處的曲率(即半徑的倒數)，α4、a6、Ci8等為多次項係數。其中k為二次曲面係數，k = O表示球面，k = -I表示拋物面，-Kk < O表示橢球面，k O表示扁平橢球面。
5.根據權利要求2所述多層曲面複眼式180°大視場成像系統，其特徵在於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
本發明公開了一種多層曲面複眼式180°大視場成像系統，該系統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，以球面頂點為中心，放置一微透鏡作為中心透鏡，其光軸過球面頂點以及球心，在其外以六邊形結構排布六個微透鏡，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。本發明採用多層複眼結構設計思想，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複眼大視場特性的同時，能夠獲較高像質的成像，整體結構小巧、緊湊，便於應用。
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 優先權日2012年12月12日
發明者房豐洲, 宋樂, 張紅霞, 鄒成剛, 範陽 申請人:南京邁得特光學有限公司