专利名称：多层曲面复眼式180°大视场成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿生复眼成像领域，具体地说是大视场成像系统。
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，其独特的视场大、体积小、对运动物体的灵敏度高等特性，使其在医疗、工业、国防等领域的应用拥有很大的潜力。复眼是存在于自然界中的一种小巧而精密的光学结构。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子眼单元组成，这些六边形的子眼紧密的排布在一曲面上。每个子眼由角膜透镜、晶锥、感杆束以及感光细胞构成。由于尺寸较小，每个子眼只能对空间的某一视场区域成像，所有子眼协同工作时，方能对大视场空间进行目标探测。生物复眼多存在于昆虫当中，因此复眼整体尺寸较小，每个子眼的尺寸从几微米到几十微米不等，复眼所含子眼的个数也从几百至几万不等。昆虫复眼的视野非常开阔，有些昆虫水平视野范围可达240°，垂直视野范围可达360°。然而，昆虫复眼的分辨率很低，通常仅有I米左右，即使视力最强的蜜蜂，其视力也只有人眼的百分之一。如果在光线微弱的地方，它们的视力还要更差。但是昆虫复眼对运动物体的灵敏度非常高，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。此外，由于各个子眼的视场角较小，因此对空间内各个方向的入射光，均可近似视为近轴光，成像畸变及像差相对常规的广角成像系统具有明显优势。根据生物复眼所表现出的一些优良特性，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。研究初期，仿生复眼大都采用平面透镜阵列的形式，包括单层以及多层结构，这种复眼结构所能达到的视场角较小，且由于构成复眼的微透镜尺寸较小，加工工艺难以保证微透镜的面型参数，使得这种复眼的成像质量较差，很少应用在成像器件当中，大部分应用在照明领域来获得均匀光。随着超精密加工技术的不断发展，制造能力不断提高，尺寸一致性及加工精度高，表面粗糙度小、可控性强，可用来实现高精度曲面仿生光学复眼。目前，为了实现大视场成像系统，国内外的相关科研机构已经研究出了一些曲面复眼结构，主要思路是在曲面基底上密接分布微透镜阵列，各个子眼微透镜均采用六边形非球面，其焦距根据所处位置而不同。该类型复眼的视场角较平面结构有所提高，但为了适应常用的CCD尺寸，该类型复眼器件尺寸较小，以致各子眼通道通光量较低，仅能对高亮度物体或近景目标敏感，且像质较差，与真实的昆虫复眼类似。分析其原因，主要有两方面一方面是由于现阶段的曲面复眼还只是由单透镜组成的透镜阵列，根据像差理论可知这种结构的设计自由度较少，很难校正影响成像质量的各种像差，因此每个微透镜的成像范围有限，且成像质量不高，为了获得较大的视场角，就需要在曲面基底上分布较多的子眼微透镜，这样一来又给加工带来很大困难。另一方面，由于现阶段的图像传感器均是平面结构，这种结构使得每个微透镜的光轴与其有一夹角，这个夹角不可避免的给微透镜边缘视场的像点带来离焦，这对成像系统来说是不能接受的。综上所述，由于受到现阶段加工工艺、成像质量等因素的制约，目前尚未实现视场
3角达到180°范围，且整体结构紧凑、像质较高的复眼系统。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实现180°范围的大视场 成像、高像质、小型化、曲面化的整体式仿生复眼视觉系统。为达到上述目的，本发明的技术方案如下一种多层曲面复眼式180°大视场成像系统，包括依次排列的第一层透镜阵列、第二层透镜阵列、第三层透镜阵列、第四层透镜阵列以及图像传感器阵列。为了降低子眼数目过多给复眼加工带来的困难，采用7个子眼通道构成复眼成像系统实现180°成像。为了尽量减少成像盲区和成像重叠率的问题，以及使全部复眼系统能够实现180°范围内的成像，每一层曲面透镜阵列的结构如图3所示，在一球面基底上，以球面顶点为中心，放置一微透镜作为中心透镜，其光轴过球面顶点以及球心，在其外以六边形结构排布六个微透镜，这六个微透镜的光轴与中心透镜的光轴夹角均为0。图4为曲面复眼结构物方成像盲区以及重叠区的示意图，如图4a所示，物方视场无重叠，盲区主要分成两个部分。中心子眼视场和两个边缘子眼视场之间的盲区，称为盲区I，两个边缘子眼视场和180°视场边界之间的盲区，称为盲区II。即没有子眼通道能够对该区域成像。此时外圈子眼光轴与中心子眼光轴夹角Θ和子眼视场角2 α应该满足Θ =2α。盲区的存在对探测效果将产生较大影响，为此，需增大子眼通道视场角，或是降低Θ，使θ < 2α，从而消除这种盲区。如图4b所示，当Θ与2α达到某一值时，盲区I刚好消失，此时可以得到关于Θ与2α的如下关系式
Γηηηο . CL V 2 - Slll 0 Sill Qf - 2 COS Θ COS Of
Luuuy」 sin — =--(I)
Zζ,其中θ为外圈子眼光轴与中心子眼光轴夹角，2α为每个子眼的视场角，根据上式便可得到在盲区最小的情况下，子眼通道的半视场角为
r π2(1 —cos 0)…a = arctan—^=---(2)
V3 sin θ由于子眼数目较少，为了实现180°视场范围内的成像，Θ角与α角需要满足一定的关系，根据各个子眼通道的排布关系可以得到# + α = Y(3)此时，整个复眼系统的视场角可以达到180°视场的成像。由于子眼数目较少，为了达到视场角180°范围内的成像，Θ角不能过小。因为Θ过小会使每个子眼所承担的视场角很大，这样会增加子眼结构的复杂度，对于一个单透镜来说是无法实现成像的，为此，选用多层透镜结构来增加子眼系统的设计自由度，使子眼的成像性能得到提闻。每个子眼通道都是由多片透镜组成的一个复合成像系统，必要时可以在其中加入一个或多个圆形的光阑孔对进入成像系统的光束进行限制。因此在第一层透镜阵列和第二层透镜阵列之间设有光阑孔阵列，光阑孔阵列的排布方式与所有透镜阵列及图像传感器阵列的排布方式完全相同。
上述所有透镜阵列上的透镜形状可以是平凹透镜、双凸透镜、正弯月形透镜、双凹透镜、平凹透镜、或者负弯月形透镜。这几种透镜的不同组合可以使其视场角能够达到60° 70°之间，成像质量优越。复合成像系统具有透镜表面面型(曲率半径)参数，透镜厚度，及透镜间间隔以及不同材料折射率等设计参数，加上孔径光阑的精确位置所构成设
计自由度可以很好的控制所要求的焦距，F数以及视场角等设计指标。在本发明中，图像失真(畸变带来的像差)的降低主要是通过使用一旋转对称的非球面实现的，根据设计要求以及像差校正原理，所述的非球面透镜设计成一双凹透镜，并且将所设计的非球面透镜定位在全部系统中临近图像传感器的最后的透镜，即位于图像传感器的前面(第四层透镜阵列)，非球面面型方程为
权利要求
1.一种多层曲面复眼式180°大视场成像系统,其特征在于包括依次排列的第一层透镜阵列(I)、第二层透镜阵列(3)、第三层透镜阵列(4)、第四层透镜阵列(5)以及图像传感器阵列￠);每一层透镜阵列均为在一球面基底上，以球面顶点为中心，放置一微透镜作为中心透镜，其光轴过球面顶点以及球心，在其外以六边形结构排布六个微透镜，这六个微透镜的光轴与中心透镜的光轴夹角均为Θ ;上述所有透镜阵列和图像传感器阵列(6)的排布方式完全相同。
2.根据权利要求I所述多层曲面复眼式180°大视场成像系统，其特征在于在第一层透镜阵列(I)和第二层透镜阵列(3)之间设有光阑孔阵列(2)，光阑孔阵列(2)的排布方式与所有透镜阵列及图像传感器阵列(6)的排布方式完全相同。
3.根据权利要求2所述多层曲面复眼式180°大视场成像系统，其特征在于所述第一层透镜阵列(I)、第二层透镜阵列(3)、第三层透镜阵列(4)和第四层透镜阵列(5)上的透镜形状为平凹透镜、双凸透镜、正弯月形透镜、双凹透镜、平凹透镜或者负弯月形透镜。
4.根据权利要求I所述多层曲面复眼式180°大视场成像系统，其特征在于所述第四层透镜阵列(5)上的透镜为双凹透镜，其第二个面为旋转对称的非球面，非球面面型方程为其中设z轴为光轴,r为非球面上任一点到光轴的距离,记r2 = x2+y2, c为非球面顶点处的曲率(即半径的倒数)，α4、a6、Ci8等为多次项系数。其中k为二次曲面系数，k = O表示球面，k = -I表示抛物面，-Kk < O表示椭球面，k < -I表示双曲面，k > O表示扁平椭球面。
5.根据权利要求2所述多层曲面复眼式180°大视场成像系统，其特征在于所述第一层透镜阵列(I)上的透镜为平凹透镜、第二层透镜阵列(3)上的透镜为双凸透镜、第三层透镜阵列⑷上的透镜为正弯月形透镜，光阑孔阵列⑵上的光阑孔为一圆形通孔。
全文摘要
本发明公开了一种多层曲面复眼式180°大视场成像系统，该系统包括依次排列的第一层透镜阵列、第二层透镜阵列、第三层透镜阵列、第四层透镜阵列以及图像传感器阵列；每一层透镜阵列均为在一球面基底上，以球面顶点为中心，放置一微透镜作为中心透镜，其光轴过球面顶点以及球心，在其外以六边形结构排布六个微透镜，这六个微透镜的光轴与中心透镜的光轴夹角均为θ；上述所有透镜阵列和图像传感器阵列的排布方式完全相同。本发明采用多层复眼结构设计思想，通过多路CCD探测器组合的方式，接收来自不同视场的入射光，从而使该透镜在保证复眼大视场特性的同时，能够获较高像质的成像，整体结构小巧、紧凑，便于应用。
文档编号G02B27/00GK102944934SQ20121053692
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者房丰洲, 宋乐, 张红霞, 邹成刚, 范阳 申请人:南京迈得特光学有限公司