专利名称：一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大视场复眼成像透镜，属于仿生复眼成像领域。
背景技术：
近年来，仿生复眼成像系统引起了研究人员的广泛关注，其视场大、体积小、对运动物体的灵敏度高等特性使其在医疗、エ业、军队等领域的应用拥有很大的潜力。复眼是存在于自然界中的ー种小巧而精密的光学结构。如图3所示，不同于我们所熟知的单孔径成像系统，复眼是由许多个六边形的小眼单元组成，这些六边形的小眼紧密的排布在一曲面上，形状如同蜂窝。每个小眼由角膜透镜、晶锥、感杆束以及感光细胞构成。由于尺寸较小，每个小眼只能对物体的一小部分成像，所有小眼得到的像拼接在一起，就能得到一幅完整的物空间的像。按照成像原理，复眼可分为并列型复眼和重叠型复眼两大类。并列型复眼是较为常见的ー种生物复眼结构，如图5中(a)所示，每个小眼単元都有独立视场范围，入射光通过角膜透镜和晶锥后向感杆束(感光系统)传播，引起复眼的视神经感应。并列型复眼结构的特点为每个感杆束所接收的光线仅是它对应着的角膜视场范围内的光线。因此，可以将此结构形象的描述成“一対一”的关系。重叠型复眼结构常见于夜间活动的昆虫和深水区域的生物，如图5中(b)所示，其成像原理为物空间的同一区域经不同小眼成像于像面的同一位置，増大了每幅图像的光强利用率，在光线较弱的场合更为实用，可以将此结构形象的描述成“多对多”的关系。但是这类复眼的分辨率较低，且结构复杂。由于生物复眼多存在于昆虫当中，所以整个复眼的尺寸都非常的小，每个小眼的尺寸在几微米到几十微米不等，整个复眼所含小眼的个数也不尽相同，少则几百，多则上万。昆虫复眼的视野比人眼要开阔，有些昆虫水平视野范围可达240°，垂直视野范围可达360°，是人眼不可比拟的。昆虫复眼的分辨率很低，类似于人类的近视眼，仅有I米左右，即使视力最強的蜜蜂，其视カ也只有人眼的百分之一。如果在光线微弱的地方，它们的视カ还要更差。但是昆虫复眼对运动物体的灵敏度非常的高，如蜜蜂对突然出现的物体的反应时间仅需O. 01秒，而人眼需要O. 05秒。仿照生物复眼的结构，人们提出了许多种不同形式的人工复眼系统。例如Tanida J.带领的日本研究团队提出了名为T0MB0(Thin ObservationModule by Bound Optics)的人工复眼系统,整个复眼系统由三部分组成,分别为透镜阵列、隔离层以及光电接收阵列。虽实现了整个系统的小型化，但复眼透镜采用平面结构，视场角较小，与自然界中的复眼结构有很大的出入，失去了其本身的优越性能，即大视场的特性。此外，Duparre J.团队首次将并列型复眼设计理念应用于曲面结构，提出了球面人造复眼成像系统，利用曲面透镜阵列代替平面透镜阵列，更加接近于自然界真实存在的复眼，提高了边缘视场的成像质量，増大了视场角。但是由于现阶段的光电探测器(CCD或CMOS)均为平面结构，这使得各透镜与光探測器所在平面的距离(即像距)并不相同。对于、通常所采用的均一微透镜阵列而言，各透镜将难以同时在像平面上清晰成像。如果以视场中心清晰对焦，那么位于视场边缘的透镜由于离焦，其成像质量会大幅下降。这ー现象严重制约了曲面复眼结构的发展。另外，张洪鑫等人提出了三层曲面复眼结构，主要由三层曲面透镜阵列组成，并在三层曲面透镜阵列结构中引入了曲面场镜阵列，使系统的边缘成像质量进ー步提高，视场角进ー步扩大，但由于整个复眼结构尺寸较小，使得这种复眼透镜结构的加工难度较大，而且采用多层透镜阵列，各层透镜阵列的精确装配准难度也很大，所以这种结构仅停留在理论设计阶段，还无法具体实现加工使用。
再者，在David Boyd Pollock的美国专利US 2007/0188653A1上提到了一种复眼结构，该结构采用了拼接的思想，每个小眼为ー单独的结构进行设计、加工以及装配，该结构不仅能够实现一次性捕捉大范围的影像，而且可获得成像质量较高的图像，大大降低了后期图像处理难度。但是整个系统尺寸较大，而且整个结构并非是一体的，需要对数个単眼进行精确装配，増加了整个系统的复杂度。综上所述，迄今周知的ー些仿生复眼结构，由于受到现阶段加工エ艺等条件的制约，复眼本身体积小以及大视场等特性无法同时满足。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前曲面复眼结构视场角较小，成像质量差的问题，提供ー种仿生复眼结构，即可増大视场角的内侧曲面复眼透镜阵列，使该透镜在保证复眼大视场特性的同时能够获得较清晰的成像，并且要使整个结构小巧、紧凑，便于应用。本发明提供的可増大视场角的内侧曲面复眼透镜，是以平凹透镜为基底，在内表面布置密接排布的六边形微透镜阵列构成内侧曲面复眼透镜；该复眼透镜将平凹透镜内表面曲面顶点为中心的微透镜记为O号微透镜，与O号微透镜紧邻，由内向外依次分别命名为I号微透镜，2号微透镜……，直至N号微透镜，N表示从中心向外排列共有N层微透镜；设平凹透镜内表面为球面，球面半径为R，O号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，也为O号微透镜的光轴，以此主轴为基准轴，每个微透镜的光轴与主轴夹角为i Θ，i = 0，1，2丨1除0号微透镜外，第1圈微透镜个数为6i，i = 1，2…N，i = O时微透镜个数为1，微透镜的总个数S为S = 3N2+3N+1，各微透镜的孔径D为D =2Rsin( Θ /2)，此孔径为六边形微透镜的内切圆直径。本发明的微透镜阵列采用六边形密接排布的形式，如图2所示，常规的透镜形状为圆形，采用如图2的排列方式是使微透镜阵列最紧密，空间利用率最高，如图所示，每个微透镜的周围都有六个与之相切的微透镜，但是三个彼此相切的微透镜间仍然存在一定的间隙，这样会使此处产生一成像死角；为此，我们将圆形的微透镜改为六边形微透镜，如图
I所示，以图2的圆为内切圆作其外接的正六边形，便得到图I所示的六边形密接形式，所以此孔径为六边形微透镜的内切圆直径。由几何光学原理可知可知透镜的焦距f'为
,'nrR
其中R与r分别为透镜前后表面的曲率半径，η为透镜材料的折射率，t为透镜中
心厚度。各微透镜的第一面与平凹透镜内表面重合，所以第一面的曲率半径rn = R，i =
0,1, 2··· N，各微透镜第二面的曲率半径为r2i，则
权利要求
1. 一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜，其特征在于该复眼透镜以平凹透镜为基底，在内表面布置密接排布的六边形微透镜阵列构成内侧曲面复眼透镜； 该复眼透镜将平凹透镜内表面曲面顶点为中心的微透镜记为O号微透镜，与O号微透镜紧邻，由内向外依次分别命名为I号微透镜，2号微透镜......，直至N号微透镜，N表不从中心向外排列共有N层微透镜； 设平凹透镜内表面为球面，球面半径为R，0号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，也为O号微透镜的光轴，以此主轴为基准轴，每个微透镜的光轴与主轴夹角为i Θ，i = O，1，2…N，除O号微透镜外，第i圈微透镜个数为6i，i = 1，2丨11 = 0时微透镜个数为1，微透镜的总个数S为S = 3N2+3N+ 1，各微透镜的孔径D为D = 2Rsin ( Θ /2)，这里的孔径为六边形微透镜的内切圆直径； 由几何光学原理可知可知透镜的焦距Γ为
全文摘要
一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜。该复眼透镜以平凹透镜为基底，在内表面密接排布六边形微透镜阵列构成；将内表面曲面顶点为中心的微透镜记为0号微透镜，与0号微透镜紧邻，由内向外依次命名为1号微透镜，2号微透镜……，直至N号微透镜，N表示从中心向外排列共有N层微透镜；0号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，各微透镜的孔径为，此孔径为六边形微透镜内切圆直径，R为内表面球面半径，各微透镜的第一面与平凹透镜内表面重合，曲率半径r1i=R，，各微透镜第二面的曲率半径为r2i。本发明仿生复眼结构在提高整个复眼的视场角的同时，能够获得较好的成像质量，整个结构为单层，结构简单，利于实际加工、装配与应用。
文档编号G02B3/00GK102621599SQ20121008134
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者宋乐, 张孝栋, 张红霞, 房丰洲, 邹成刚 申请人:天津大学