多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，特别涉及一种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统的设计方法，属于光学成像【技术领域】。本设计方法首先建立多微面光纤面板切割方式和镜头参数与系统整体参数间的数学关系，再根据所选取的部件参数模拟系统像面上个点的通光效率。综合考虑部件参数、系统总体指标、成像质量间的关系，设计一个大视场、小型化、单传感器实现目标定位、识别的微光夜视成像观察系统，同时系统具备成本低、结构简单、可靠的特性。
【专利说明】多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，特别涉及一 种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统的设计方法，属于光学成像技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着光学成像系统的应用领域的扩大，人们对其要求也不断提高。在一些场合，比 如导弹导航、战场机器人视觉系统及智能飞行器等领域，人们期望整个系统的重量轻、体积 小、视场大W及对运动目标更加敏感，该已成为光学成像系统的研究热点和难题。近年来， 仿生光学的发展为解决多变的探测需求提供了多种选择，其中复眼成像系统具有优异的大 视场运动目标探测能力，因此有可能满足上述的应用要求。
[0003] 国际上，仿生复眼的研究成果已广泛应用于雷达系统、微型飞行器、舰艇搜索与跟 踪系统、精确末制导武器等国防科技发展中，该对全球战场环境的日益复杂化起着至关重 要的作用；同时该些成果也已经应用于夜视设备、微型复眼相机、运动机器人等国民经济领 域中。
[0004] 目前国内的仿生复眼系统主要由两类，一类如2006年，中科院长春光机所张红蠢 等提出的曲面型仿生复眼成像系统，该类仿生复眼主要由微透镜阵列、光阔阵列、变换场镜 和图像传感器构成。此种复眼系统结构上接近生物复眼，理论上能够实现大视场、对运动物 体灵敏等优点，但此系统部分组件需要精密加工工艺，现阶段国内加工水平难W保证微透 镜阵列等精密结构的精确度，导致所构建系统成像模糊。因此国内很多机构对此类型复眼 系统的研究更多的停留在模型建立、软件模拟阶段，无法具体实现加工使用。
[0005] 第二类复眼系统如2013年天津大学邹成刚等设计的采用多个图像传感器构建的 复眼系统，此类系统易于实现，且具备生物复眼的部分功能，但采用多个图像传感器使成本 上升，同时系统很难实现小型化，该与仿生复眼的初衷相违背。
[0006] 2012年北京理工大学张笑颜、刘军等设计搭建了一个基于多微面光纤光锥的多孔 径复眼系统，该系统全视场为118°并且有重叠视场，但各个微面上的像之间亮度差异很 大，每个像本身存在很大的渐晕。
[0007] 综上所述，由于受到现阶段加工工艺所限，尚未实现小型化、大视场、成像清晰的 仿生复眼系统。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是针对现有的仿生复眼系统难于加工实现和成像质量较差、像面亮 度分布不均匀等问题，提出一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法。
[0009] 为达到上述目的，本发明所述的多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方 法通过如下步骤得到：
[0010] 步骤一，将光纤面板上端面切割成9个微面。9个微面中，位于中也的顶面为边长 为a的正方形；与顶面四边共边的侧面为长方形，宽为a、与顶面夹角为目1(即切割角度）； 两个相邻侧面中间的微面为角面，角面与顶面夹角为目2(即切割角度）。9个透镜分别置 于9个光纤面板微面之前，在9个微面上成像。
[0011] 设计确定透镜焦距f'、单个透镜与对应微面形成的成像视场角S、光纤面板直 径D、切割角度目1、目2与仿生复眼成像系统性能参数之间换算关系，并计算出成像光学系 统的全视场角《，最小叠加物距L。，W及物距为L时各个相邻透镜视场间的重叠比例A:
[0012] 切割光纤面板微面时，要使得a值尽量大，满足： 0.6D
[0013] ? = 77^-^ 1 + 2cos
[0014] 顶面视场角：邸1 =arcton(^)
[001引侧面视场角：2 42 = 2
[0016] 角面视场角：2痴二 2arcmn(予;、1 -^cos;A)
[0017] 单个透镜视场角>2^1
[0018] 侧面和角面夹角
【权利要求】
1.多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，其特征在于：通过如下步骤得 到： 步骤一，将光纤面板上端面切割成9个微面；9个微面中，位于中心的顶面为边长为a 的正方形；与顶面四边共边的侧面为长方形，宽为a、与顶面夹角为β i ;两个相邻侧面中间 的微面为角面，角面与顶面夹角为β 2 ;9个透镜分别置于9个光纤面板微面之前，在9个微 面上成像； 设计确定透镜焦距P、单个透镜与对应微面形成的成像视场角I、光纤面板直径D、 切割角度β P 02与仿生复眼成像系统性能参数之间换算关系，并计算出成像光学系统的 全视场角ω，最小叠加物距L tl，以及物距为L时各个相邻透镜视场间的重叠比例A : 切割光纤面板微面时，要使得a值满足：
顶面视场角~
侧面视场角：2Φ2 = 2(^ 角面视场角：
单个透镜视场角：ξ 3 2Φ, 侧面和角面夹角
成像光学系统在侧面方向的全视场角：
成像光学系统在角面方向的全视场角：
根据以上仿生复眼成像光学系统中透镜的焦距和视场角之间的关系，在给定二者之一 的情况下，能推出另一个条件；若增加成像透镜焦距，则系统的全视场角减小； 调整成像透镜物距，使得相邻的多微面光纤面板顶面对应的透镜视场和角面对应的透 镜视场、以及侧面对应的透镜视场均产生部分重叠，设HI是顶面透镜和一个相邻角面透镜 或者侧面透镜的重叠视场，HJ是该相邻角面透镜或者侧面透镜的视场，那么视场的重叠比 例为;设L。是能产生视场重叠的最小物距； 顶面视场与侧面视场重叠的最小物距Ltl为：
顶面与侧面在距离L (L > Ltl)处的视场重叠比例Ad。为：
顶面在对角线方向的视场角：
顶面与角面在距离L处的视场重叠比例Adj:
角面的横向视场角：
侧面视场和角面视场重叠的最小物距Li ^ V 〇 = COS Θ >!< (Z0-Z1) 其中，Zc^ZpXkPXk2为中间变量，计算公式为：
Z1 = asin Θ 角面与侧面在距离L处的视场重叠比例Ajc;:
步骤二，根据步骤一中确定的多微面光纤面板各微面尺寸和切割角度，选定相应焦距 的透镜，再根据步骤一中公式计算得到包括系统全视场角、各微面视场角、相邻微面视场的 重叠比例、重叠的最小物距在内的系统参数，若计算出的系统参数不能满足仿生复眼成像 光学系统设计要求，则返回步骤一重新选定面板切割尺寸，再计算系统参数；在系统参数满 足系统设计要求的情况下，选择角面和侧面倾角较小的多微面光纤面板，系统全视场角、F 数选择满足设计要求情况下的最小数；若仍然达不到设计参数，则适当减小系统总视场，重 新计算仿生复眼成像光学系统参数； 步骤三，根据几何光学原理，推导单根光纤通光范围，再分析透镜在像面上任意一点所 成像的亮度，最终模拟出得到步骤二确定的光纤面板切割角度所对应的光纤面板内斜端面 光纤的通光范围；
定义IItl为斜端面光纤的上端面边缘椭同篇軸阳龙如初而. πα为与平面IItl夹角为α的平面，其1 β/为Πα面内斜端面光纤的上端面倾用； 在IItl平面内光线的通光范围；
IItl平面内光线的通光范围公式中的换为β ' i，能得到Π α平面内光线的通光范 围，根据几何关系推导出：
综合IItl与Πα的情况得到单根斜端面光纤内通光范围为：
其中，k等中较小者，％为空气折射率，Ill为光纤芯层折射 率，n2为皮层折射率；
步骤四，根据步骤三中得到的光纤面板切割角度所对应的通光范围，仿真得到经斜端 面光纤传导后在CCD/CMOS摄像机光敏面上的亮度分布； 以光纤面板上端面中心为原点建立空间直角坐标系，z轴垂直于上端面，透镜所在平 面与光纤面板各微面平行，距离为Γ ;均匀亮度物体经透镜成像在光纤面板上端各个微面 上，再传递到光纤面板下端面；通过光纤面板将图像传递到(XD/CMOS摄像机上； 将透镜均分为η个小单元，以各个小单元中心位置坐标代替小单元位置，将单个光纤 面板微面均分为mXm个小单元，以各个小单元中心位置坐标代替小单元位置；上端面任意 一点P上成像的光线经光线传导至下端面上点W，二者间的亮度比值由过光纤面板微面 上方的成像透镜和P点的η根光线及光纤面板共同决定，对η根光线进行大量取样，计算每 根光线在光纤面板上端面和下端面的亮度比，再对这些亮度比进行平均，模拟出物点成像 在P点的亮度与传递到P点的亮度的比值，即为P点处光纤面板对相应光束的透过率；对 微面上mXm个点分别计算每个样点的透过率，则进一步模拟出像面上的透过率分布，再综 合照度之比就模拟出均匀亮度物面经透镜和光纤面板后在(XD/CMOS上的通光效率； 步骤五，根据步骤四中的计算方法模拟步骤一、步骤二中确定的系统参数在光纤面板 各个输出面上的亮度分布，要求像面上0.7视场处渐晕> 20%，若不满足则返回步骤一和 步骤二减小端面切割角度和F数，重新仿真计算；若仍不满足则减小系统全视场，直至系统 各个视场均能获得设计要求的成像质量、系统结构参数和光学系统参数。
2.根据权利要求1所述的多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，其特征 在于：造成CCD/CMOS摄像机像面亮度分布不均匀的因素有两个：①轴外像点与轴上像点光 照度不相等，照度之比为= ②透镜相对于光纤面板上端面不同像点的空间位 置不同即成像光束角度不同，所以光纤面板上不同位置传光效率不同。
3.根据权利要求1所述的多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，其特征 在于：m彡50。
【文档编号】G02B6/08GK104375270SQ201410697553
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】裘溯, 金伟其, 石峰, 刘志刚, 倪宇, 郭晖, 米凤文, 李力, 王霞, 林青, 张笑颜, 刘军 申请人:北京理工大学