一种大视场曲面复眼立体摄像装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种大视场曲面复眼立体摄像装置。包括包括CCD相机以及设置在CCD相机上的CCD图像传感器，还包括柔性聚合物传像光纤阵列、用于固定柔性聚合物传像光纤阵列的锥形套筒和空心半球壳体。本实用新型提供了一种视场大、分辨率高、实用性高的大视场曲面复眼立体摄像装置。
【专利说明】一种大视场曲面复眼立体摄像装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学领域，涉及一种仿生复眼立体视觉装置，尤其涉及一种大视场曲面复眼立体摄像装置。
【背景技术】
[0002]自然界生物的视觉系统主要有两类:一类是单眼双目视觉系统，靠双目间的视差产生立体视觉，主要存在于人和脊椎动物身上；另一类是昆虫的复眼视觉系统，具有大视场、高时间分辨率和对运动的高灵敏度。
[0003]相对而言，单眼双目视觉系统的结构比复眼视觉系统简单，但是单眼双目视觉系统也相应的存在许多不足，例如:难以同时获得大视场和高分辨率，二维平面成像会丢失物体的立体信息，不能最大限度发挥光学系统并行处理的特点，不具备类似生物视觉的目标自动检测、判断和跟踪的能力，受衍射极限等因素的影响成像系统体积大等。
[0004]为了解决单孔径光学成像系统中存在的技术缺陷，人们研究了仿生复眼的多孔径成像系统，以期达到如下目标:(I)协调或者解决高分辨率与大视场间的矛盾，建立新型的光学成像机制；(2)充分发挥光学系统的并行处理特点，并根据多孔径视场重叠等特点，利用序列图像处理技术实现对运动目标的自动捕获、检测、判断和定位跟踪；(3)实现对目标物体或场景的高分辨率立体图像重建。
[0005]近年来，国内外学者针对多孔径仿生复眼成像系统投入了大量的研究工作，技术成果也在动目标监测、目标红外测距、立体相机、立体窥镜等领域初步得到应用。上海交通大学和西安交通大学用柔性和热塑性的材料在曲面上制作了微透镜阵列，但是由于目前的图像传感器均为平面，曲面上的微透镜阵列与平面图像传感器耦合有困难。中北大学分别制作了 PDMS (聚二甲基硅氧烷)材质的微凸透镜模、栅格模和外围包裹模，并在栅格模的空腔中插入直径80 μ m的光纤，最后加压形成曲面的微透镜阵列，依靠光纤传输图像信号到图像传感器平面上。这种方法实现了球面透镜阵列与平面图像传感器的耦合，但是光纤直径较粗，使图像的分辨率远低于图像传感器本身的分辨率。美国的一个国际合作研究团队用柔性材料制作了微透镜阵列，并在半球面上用光电二极管制作了图像传感器，在仿生复眼的研究中取得了跨越式的进步，但是这项研究目前还处于研发阶段，技术并不成熟，难以实用。
实用新型内容
[0006]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本实用新型提出了一种大视场曲面复眼立体摄像装置。有效的解决了目前仿生复眼视场小、分辨率低、实用性差等问题。
[0007]本实用新型的技术解决方案是:
[0008]一种大视场曲面复眼立体摄像装置，其特殊之处在于:包括C⑶相机以及设置在CCD相机上的CCD图像传感器，还包括柔性聚合物传像光纤阵列、用于固定柔性聚合物传像光纤阵列的锥形套筒和空心半球壳体；[0009]上述空心半球壳体与CXD图像传感器通过锥形套筒固定连接；
[0010]上述柔性聚合物传像光纤阵列设置在锥形套筒内部；
[0011]上述空心半球壳体上设置若干通孔，通孔上设置有梯度折射率透镜；
[0012]上述柔性聚合物传像光纤阵列由若干可弯曲的柔性聚合物传像光纤组成；
[0013]上述柔性聚合物传像光纤一端与梯度折射率透镜连接，另一端与CXD图像传感器相连；
[0014]上述柔性聚合物传像光纤由若干聚合物光纤组成；
[0015]上述空心半球壳体上的通孔外侧形状为圆形，内侧形状为正方形；
[0016]上述锥形套筒一端为圆形，另一端为矩形。
[0017]本实用新型的有益效果是:
[0018]1.视场大:由于本实用新型中的柔性聚合物传像光纤的特殊作用，能够把分布于球面上各个梯度折射率透镜所成的图像传输到图像传感器上，位于球面上的梯度折射率透镜可以覆盖将近180°，甚至更大的市场角度范围，充分解决普通平行透镜阵列视场角小的问题。
[0019]2.分辨率高:本实用新型利用聚合物材料制作成柔性传像光纤，按照设计结果，传像光纤中的单根光纤直径达到5μπι，所传输图像的理论分辨率高达1001p/mm，接近目前一般的CCD或CMOS图像传感器的分辨率水平，相比现有的仿生复眼技术，具有较高的图像
分辨率。
[0020]3.实用性高:本实用新型所设计的球面仿生复眼结构借助聚合物传像光纤的柔性，实现了非平行的梯度折射率透镜阵列所成的图像到平面图像传感器表面的顺利传输，能够充分利用现有的CCD和CMOS图像传感器，大大减少了仿生复眼技术研发的成本，也有利于推动仿生复眼技术的进一步发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型结构剖面示意图；
[0022]图2是本实用新型聚合物光纤拉伸过程示意图；
[0023]图3是本实用新型空心半球壳体结构示意图；
[0024]图4是本实用新型锥形套筒结构示意图；
[0025]图5是本实用新型大视场曲面复眼成像镜头结构示意图；
[0026]其中:1-PS芯棒；2-PMMA管；3_位于拉丝塔上的电热炉；4_聚合物光纤；5_空心半球壳体；6_锥形套筒；7_梯度折射率透镜；8_柔性聚合物传像光纤；9-CCD图像传感器；10-CCD 相机。
【具体实施方式】
[0027]参见图1-5，一种大视场曲面复眼立体摄像装置，包括C⑶相机10以及设置在CXD相机10上的CCD图像传感器9，还包括柔性聚合物传像光纤阵列、用于固定柔性聚合物传像光纤阵列的锥形套筒6和空心半球壳体5 ;空心半球壳体5与CXD图像传感器9通过锥形套筒6固定连接；柔性聚合物传像光纤阵列设置在锥形套筒6内部；空心半球壳体5上设置若干通孔，通孔上设置有梯度折射率透镜7 ;柔性聚合物传像光纤阵列由若干可弯曲的柔性聚合物传像光纤8组成；柔性聚合物传像光纤8 —端与梯度折射率透镜7连接，另一端与(XD图像传感器9相连；柔性聚合物传像光纤8由若干聚合物光纤4组成；空心半球壳体5上的通孔外侧形状为圆形，内侧形状为正方形；锥形套筒6 —端为圆形，另一端为矩形。
[0028]大视场曲面复眼立体摄像装置制作方法如下:
[0029](一)集成式高分辨率聚合物传像光纤的制备:
[0030]步骤1:采用棒-管法制作聚合物光纤:将直径为16mm (或其它合适尺寸)的PS (polystyrene,聚苯乙烯)棒套入内径为16mm (或为与PS棒外径匹配的其它尺寸)、外径为20mm (或为能保证管壁厚度为PS棒直径1/8的其它尺寸)的PMMA(Polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)圆管内，同时置入内径为20mm(或为与PMMA管外径匹配的其它尺寸)的圆形模具，在真空干燥箱内抽真空并加热，真空度为-0.09MPa,温度为160°C，加热时间为3h，然后保持真空度自然冷却至室温，取出后成为光纤预制棒；预制棒在拉丝塔上加热拉伸制作光纤，拉丝温度为190°C，光纤直径控制在0.5mm,并将光纤切段，长度为50cm。
[0031]步骤2:在一个内孔边长为70mm的精密正方形框上，分别以平行的对边为支撑缠绕上丝径为0.1mm的不锈钢丝或其它高强度的纤维丝，同一组对边上缠绕的纤维丝相互平行并且与相应的边框垂直，相邻纤维丝的间距为0.6mm。这样就在正方形边框内形成筛网，每个网眼为正方形，正方形的大小正好可以穿入一根直径为0.5mm的光纤。
[0032]步骤3:将筛网搁置在一个外边长为70mm,内边长为60mm的正方形环上,把步骤I中制备好的光纤穿入所有位于正方形环内的筛网正方形孔中，穿过长度约20mm。然后取下正方形环，用四块精密钢板夹紧穿过筛网的光纤并将其塞入孔边为50mm的聚四氟乙烯正方形管内，端部涂上环氧树脂胶黏剂，并粘接一段绳索作为牵引，待固化后取下聚四氟乙烯管，把牵引绳和粘接好的光纤端部塞入内孔边长为50mm的内抛光正方形金属管模具内，并通过拉动牵引绳使所有光纤通过筛网孔进入模具内，以保证光纤的整齐排列。之后把光纤和模具一起置入真空干燥箱，抽真空加热，真空度为-0.09MPa，加热温度为160°C，加热时间为5h，然后保持真空度自然冷却至室温，制备得到传像光纤预制棒。用步骤I中所述的类似方法拉伸传像光纤预制棒，得到横截面边长为0.5mm的集成式柔性聚合物传像光纤，单丝直径为5 μ m，理论分辨率高达1001p/mm，可弯曲使用。
[0033]步骤4:将上述传像光纤切段，长度为50mm，并将其中一端抛光，在后面的步骤中备用。
[0034](二)大视场曲面复眼成像镜头的研制
[0035]步骤1:在一个内径为15mm、外径为21mm的金属空心半球壳体上,加工出中心轴线经过球心且等夹角的多个台阶孔，其中外侧圆孔直径为0.8mm,内侧正方形孔的横截面边长为0.5mm,孔的深度均为3mm,共127个孔。
[0036]步骤2:加工一个一端为圆形，另一端为矩形，高度为12mm的锥形套筒，其中圆形端的外圆直径为21mm,内圆孔直径为19mm ;矩形端的外侧长度为9mm,宽度为5mm,内孔长度为8_，宽度为4mm。
[0037]步骤3:在空心半球壳体的台阶孔内，安装梯度折射率棒透镜，透镜的直径为
0.8mm，长度为3mm，焦距为1.5mm，远处的物体图像正好位于透镜端面上。透镜与壳体之间用快速固化胶密封粘接。[0038]步骤4:将前述的聚合物传像光纤已抛光的一端安装到半球壳体的各个台阶孔内(孔截面边长为0.5_)，端面与梯度折射率棒透镜的表面贴近，然后用快速固化胶把传像光纤与球面壳体密封粘接牢固。
[0039]步骤5:把传像光纤的另一端按照矩形排列方式整齐的固定到步骤2加工的锥形套筒内，其中套筒的圆形一端与半球壳体对接。然后在传像光纤的间隙中灌入环氧树脂胶黏剂进行密封固定。最后把套筒的矩形端与传像光纤阵列一起进行研磨抛光，得到大视场曲面复眼成像镜头。
[0040](三)曲面复眼立体摄像装置的组装
[0041]选择图像传感器有效长宽比为2:1，大小为1/2的C⑶或者CMOS摄像机，去除图像传感元表面的保护玻璃，将前述步骤中制备的曲面复眼成像透镜用透明的光敏固化胶粘接到图像传感器表面，组成曲面复眼立体摄像装置。或者采用耦合镜头将曲面复眼镜头所成的图像耦合进入摄像机的图像传感器内部。曲面复眼立体摄像装置将拍摄的视频或图像信号传输到计算机中，通过计算机的图像处理重构出立体图像。
【权利要求】
1.一种大视场曲面复眼立体摄像装置，其特征在于:包括C⑶相机以及设置在C⑶相机上的CCD图像传感器，还包括柔性聚合物传像光纤阵列、用于固定柔性聚合物传像光纤阵列的锥形套筒和空心半球壳体； 所述空心半球壳体与CCD图像传感器通过锥形套筒固定连接； 所述柔性聚合物传像光纤阵列设置在锥形套筒内部； 所述空心半球壳体上设置若干通孔，通孔上设置有梯度折射率透镜； 所述柔性聚合物传像光纤阵列由若干可弯曲的柔性聚合物传像光纤组成； 所述柔性聚合物传像光纤一端与梯度折射率透镜连接，另一端与CCD图像传感器相连； 所述柔性聚合物传像光纤由若干聚合物光纤组成。
2.根据权利要求1所述的大视场曲面复眼立体摄像装置，其特征在于:所述空心半球壳体上的通孔外侧形状为圆形，内侧形状为正方形。
3.根据权利要求1或2所述的大视场曲面复眼立体摄像装置，其特征在于:所述锥形套筒一端为圆形，另一端为矩形。
【文档编号】G03B35/00GK203691552SQ201320851394
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】孔德鹏, 贺正权, 屈恩世, 王丽莉, 李育林 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所