渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于曲面阵列透镜仿生复眼成像装置领域，具体涉及一种渐变焦距透镜阵 列的曲面仿生复眼成像装置。
【背景技术】
[0002] 生物复眼是由聚集在一起的一簇小单眼联合所构成，通常整个复眼形成一个近似 于球面状的曲面。众多独立成像的小单眼可以将整个视场分成若干部分，每个独立的小单 眼对应一个相对固定的视场角，只负责观察整个视场中的一小部分图像，通过将所有小单 眼所得的所有图像进行拼接就形成一个完整的图像。由于生物复眼通常具有体积小、视场 角大、对运动物体高度灵敏等优点，因此基于多个小眼阵列的仿生复眼装置在天文、军事、 医学内窥镜等诸多领域具有很高的研发价值。
[0003] 早期的人工复眼大多将多个光学透镜分布在带有阵列筛孔结构的同一平面或近 似半球的曲面上，再将所有光学透镜均聚焦于同一光电图像传感器的焦平面。例如，2007年 德国的JACQUES小组在曲面基底上应用并列复眼的设计理念，提出球面仿生复眼系统，其采 用112X112的凸球面透镜阵列，视场角范围可达到31° X31°。但此类球面仿生复眼系统中， 作为单眼的每一个光学透镜均聚焦于同一个平面型光电图像传感器的焦平面，因此位于大 视场边缘的透镜处于离焦状态，其成像质量急剧下降，这导致此类球面仿生复眼系统无法 进一步扩大其视场范围。
[0004] 随着光电传感器分辨率水平的逐步提高，将多个光电传感器在更高的集成度上拼 接成一个更小的曲面结构的设想如今已成为可行现实，同时毫米级以下的微型透镜制作工 艺也得到长足进步和发展，由此产生的新型曲面复眼系统具有更高的单眼集成度，其新型 曲面复眼系统的视场角也已增大到160°，实现了真正意义上的曲面复眼成像系统。其重要 特征是，作为单眼的各个透镜的直径、曲率和焦距都是完全相同的，其彼此之间并没有显著 且规律的特征变化，它们以曲面阵列的形式分布在一个近似半球的筛孔曲面上，同时，在每 一个作为单眼透镜的光轴上均配有一个与该单眼的焦平面重合的光电图像传感器，各个图 像传感器与曲面复眼阵列中的单眼透镜一一对应，并且，其所形成的传感器阵列也整体构 成一个近似半球的曲面结构。然而，众多图像传感器的图像合成运算非常困难，实时性较 差，且分辨率损失较大。此外，该类仿生复眼的整体结构也过于复杂，其近似为球面的光电 图像传感器集成结构还具有体积和质量大、拼接和制作困难、生产周期长、维护成本高等显 著缺点，因此不能很好地适应仿生复眼系统对小型化、轻量化、分辨率高、实时性高等诸多 特性所提出的严苛要求。
[0005] 另一方面，美国Radiant Zemax公司推出的ZEMAX光学设计软件，目前已经是被光 电子领域熟知的综合性光学设计仿真软件，其将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公 差以及报表整合在一起，具有建模、分析和其他的辅助功能。将有关透镜的各个面的曲率半 径、折射率、厚度、半径等已知参数输入ZEMAX软件中，就可以利用其求解并得到该透镜理论 上的焦距参数等数据。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有半球形曲面的图像传感器阵列仿生复眼存在整体结构复杂、光学拼 接困难、运算效率低、分辨率差、制作成本高昂且不利于小型化和轻量化的诸多缺点；而另 一方面，单纯采用一个平面图像传感器作为球面仿生透镜阵列的焦平面，又将导致位于视 场边缘的透镜处于离焦状态，其成像质量急剧下降，进而造成复眼系统的视场范围受到局 限，无法拓展并满足实际需求的技术问题，本发明提供一种渐变焦距透镜阵列的曲面仿生 复眼成像装置。
[0007] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0008] 渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置，其包括光电图像传感器、玻璃球壳、 透镜阵列、筛孔状金属孔洞阵列和平面玻璃基底;所述透镜阵列中的单眼透镜包括η级，位 于阵列中心的单眼透镜计作0级单眼透镜，其单眼透镜圆面基底的中心到光电图像传感器 的垂直距离计作1〇;阵列中其它外围层级的单眼透镜子系统逐级计作1级单眼透镜、2级单 眼透镜、……η级单眼透镜，且外围各层级单眼透镜的圆面基底中心沿其视场角方向到光电 图像传感器的距离分别计作h、l 2……In;隶属于不同层级上的各级单眼透镜的圆面基底中 心沿其视场角方向到光电图像传感器的距离In随其自身所在层级的增加而逐级递减，但各 层级单眼透镜子系统的焦点均与光电图像传感器的感光端面焦平面重合;所述0级单眼透 镜位于玻璃球壳的球冠顶点，光电图像传感器位于玻璃球壳的圆腔内；平面玻璃基底覆盖 并固连在光电图像传感器的表面，筛孔状金属薄膜孔洞阵列的筛孔状金属薄膜覆盖并固连 在平面玻璃基底的表面，筛孔状金属薄膜孔洞阵列定位模板上包含多个筛孔，其每一个筛 孔均与透镜阵列上的一个单眼透镜一一对应，并位于该与其对应的单眼透镜的光轴上。
[0009] 所述外围各层级的单眼透镜子系统的焦距的变化规律满足下述式(1):
[0010]
12 式⑴中，η取自然数，R为玻璃球壳的外径，P为玻璃球壳自身的厚度，相邻两个层 级单眼透镜的视场角夹角均为Θ; In是外围层第η级的单眼透镜的中心沿其视场方向到光电 图像传感器的距离;fn是外围层第η级的单眼透镜所在的单眼透镜子系统的后焦距的长度； 1〇是位于玻璃球壳球冠顶点位置的0级单眼透镜的中心到光电图像传感器的垂直距离l n = fn+p，其作为初始已知量。 2 所述玻璃球壳外球面曲率半径是R，厚度是P;所述0级单眼透镜所在单眼透镜子系 统的后焦距该值是初始给定的已知量;CCD采用1/3英寸，放置在与0级子眼光轴垂直，且 与球壳内表面的距离由fo所确定;所述光电图像传感器采用1/3英寸的CCD光电传感器，其 感光端面到玻璃球壳球面外壁顶点的的垂直距离由1〇所确定;所述透镜阵列包括位于顶点 的0级单眼透镜和外围层级的1级单眼透镜、2级单眼透镜、……η级单眼透镜中，所述外围层 级的总数η= 17;所述与透镜阵列中的单眼透镜一一对应并匹配的筛孔状金属薄膜孔洞阵 列，其各自的单眼透镜的圆面基底圆心在光电图像传感器的感光焦平面上的极坐标位置可 表示为：
[0013] Φη= (R~lo) · tanB......(2)
[0014] 式(2)中，Ιο是Ο级单眼透镜的中心到光电图像传感器的垂直距离，θ是各单眼透镜 所对应的视场角，R为玻璃球壳外球面曲率半径。
[0015] 所述玻璃球壳外球面曲率半径R = 20mm，厚度P = 2mm;所述0级单眼透镜的后焦距 fo = 10.897mm，其在玻璃球壳外壁上的中心与光电图像传感器表面之间的距离1〇 = 12.897臟，0级单眼透镜的圆面基底圆直径^)=1臟;所述玻璃球壳材料分别为1(9玻璃;透镜 阵列中各单眼透镜的材质均为聚二甲基硅氧烷;所述筛孔状金属薄膜孔洞阵列由铬膜层通 过腐蚀法生成所需的孔洞阵列;所述外围层级的透镜的每一个独立层级η中的单眼透镜总 数k遵循公式k = 6n(n=l、2……16，n取自然数，0级除外）；所述渐变焦距透镜阵列的曲面仿 生复眼成像装置的整个视场角可以达到128° X 128°。
[0016] 本发明的有益效果是:该仿生复眼成像装置在玻璃球壳的曲面上布置由多个层级 的单眼所共同构成的透镜阵列，其位于不同层级上的单眼透镜的曲率和焦距逐级变化，但 所有的单眼透镜均聚焦于唯一的一个平面图像传感器表面，从而使得位于视场边缘的单眼 透镜依然可以有效对焦，避免了离焦状态的发生。该仿生复眼成像装置还通过筛孔状金属 孔洞阵列覆盖于图像传感器表面，并使其每一个筛孔均与一个独立的单眼透镜光路唯一对 应，从而起到分割视场的作用，进而实现各个单眼透镜图像的整体拼接并防止临近单眼透 镜的光路彼此干扰和影响。此外，仿生复眼成像装置还具有分辨率高、实时性强，容易小型 化、轻量化及等便于制造和维护诸多优点。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置结构示意图；
[0018] 图2是本发明玻璃球壳和透镜阵列的结构示意图；
[0019] 图3是本发明渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置的原理图；
[0020] 图4是本发明透镜阵列的光路及成像位置原理图；
[0021] 图5是图4中I部分的局部放大图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0023] 如图1至图5所示，本发明的渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置包括光电 图像传感器1、玻璃球壳2、透镜阵列3、筛孔状金属孔洞阵列4和平面玻璃基底5。透镜阵列3 中的单眼透镜包括η级，位于阵列中心的单眼透镜计作0级单眼透镜3-0,其单眼透镜圆面基 底的中心到光电图像传感器的垂直距离计作1〇。阵列中其它外围层级的单眼透镜子系统逐 级计作1级单眼透镜3-1、2级单眼透镜3-2……η级单眼透镜3-η，且外围各层级单眼透镜的 圆面基底中心沿其视场角方向到光电图像传感器的距离分别计作1:、1 2……In。
[0024] 隶属于不同层级上的各级单眼透镜的圆面基底中心沿其视场角方向到光电图像 传感器的距离In随其自身所在层级的增加而逐级递减，但各层级单眼透镜子系统的焦点均 与光电图像传感器1的感光焦平面重合。
[0025] 0级单眼透镜3-0位于玻璃球壳2的球冠顶点，光电图像传感器1位于玻璃球壳2的 圆腔内。平面玻璃基底5覆盖并固连在光电图像传感器1的表面，筛孔状金属薄膜孔洞阵列4 的筛孔状金属薄膜覆盖并固连在平面玻璃基底5的表面，筛孔状金属薄膜孔洞阵列定位模 板4上包含多个筛孔4-1，其每一个筛孔4-1均与透镜阵列3上的一个单眼透镜--对应，并 位于该与其对应的单眼透镜的光轴上，用于对视场的分割，防止临近单眼透镜的光路彼此 干扰和影响。
[0026] 外围各层级的单眼透镜子系统的焦距的变化规律满足下述式(1):
[0027]
[0028] 式（1)中，η取自然数，R为玻璃球壳2的外径，P为玻璃球壳2自身的厚度，相邻两个 层级单眼透镜的视场角夹角均为9。1"是外围层第η级的单眼透镜的中心沿其视场方向到光 电图像传感器的距离。f n是外围层第η级的单眼透镜所在的单眼透镜子系统的后焦距的长 度。1〇是位于玻璃球壳2球冠顶点位置的0级单眼透镜3-0的中心到光电图像传感器的垂直 距离，l n = fn+p，其作为初始已知量，该已知量同时也是各层级单眼透镜的中心沿其视场角 方向到光电图像传感器的最大距离。
[0029] 玻璃球壳2外球面曲率半径是R，厚度是PW级单眼透镜所在单眼透镜子系统的3-0 后焦距fo,该值是初始给定的已知量，以此为基础，根据公式（1)来确定其它各层级单