一种多焦点仿生复眼光学元件的制作方法

本发明涉及仿生复眼的技术领域，具体涉及一种多焦点仿生复眼光学元件。

背景技术：

成像系统在生物、工业和通讯等领域有着普遍的应用。例如在生物领域，通过数字图像的采集和计算机的显示，可用于生物的细胞、细菌以及活体组织培养等的观察和研究，同时也可以观察其他粉末、细小颗粒以及透明或者半透明物体等。因此在临床实验以及生物学、组织学、细菌学等研究工作有着重要的用途。工业领域的成像系统在检测方面起着重要的作用。当人工作业的环境相对比较危险，以及人眼视觉的精度或者效率难以满足实际要求时，可使用机器视觉来代替人眼视觉。如在工业生产过程中，需要大批量生产，此时采用人眼视觉来检查产品质量的效率和精度将会比较低下，采用机器视觉进行检测可以实现提高生产效率的目标，同时也提升了工业生产的自动化程度。

随着成像系统在不同领域的广泛应用，一些特殊应用场合，例如隐蔽侦察、导航系统、微型广角监视设备、内视镜等领域，对成像系统装置提出更高要求，希望整个系统的隐蔽性高、体积小、质量轻、视场大以及灵敏度高。由于整个系统装置的改进依托于单元器件，因此近年来，众多科学家将目光转向了系统的光电元件部分，微型化、阵列化、集成化的光学成像系统成为发展的重要方向和当今高科技发展的前沿课题。

生物界是个奇妙的世界，许多动物某些器官结构的精巧、功能的完善，令人惊叹不已。生物复眼是大自然在亿万年的进化过程中形成的特殊视觉器官，由多个子眼以曲面阵列的形式紧密排布形成，是一种理想的高集成、轻量化智能光学成像系统。其大视场、高灵敏度、微尺寸、重量轻等优点，为解决人类社会生活中的问题提出了重要启示，如果能构造一种新型的仿生复眼系统，利用光电器件代替昆虫复眼中的对应结构，将对光学系统的探测感知能力带来革命性提高，从而为隐蔽侦察、导航系统、微型广角监视设备、内视镜等装置提供新的技术手段。

仿生复眼成像系统的核心器件之一为小型化、集成化的仿生复眼光学元件。通过在曲面上阵列化、密集排布微透镜单元，仿造生物复眼，形成对大视场空间、不同方位内目标进行光学信息捕获的仿生复眼光学元件。根据仿生复眼光学元件的结构特征，利用图像处理算法，对子眼单元所成子图像进行分析，通过目标特征提取、图像配准融合、视差分析等理论计算和图像处理，实现仿生复眼结构探测空间的大视场再现、目标定位、三维重建等功能。由于复眼众多精巧的优势功能是基于仿生复眼结构中子眼微透镜单元的三维空间排布特征以及子眼微透镜所成的子图像研究和形成，因此该体积小、子眼数多、曲面密集排布的仿生复眼光学元件的构造成型以及子眼微透镜单元成像质量、成像范围、成像景深等研究极为重要。

针对微型化、轻量化、曲面排布的仿生复眼光学元件，2006年，美国伯克利大学在Science上发表的一篇文章，提出了一种仿生复眼结构的制备方法，通过将微加工技术与Sol-gel技术相结合，成功的在曲面基底上制作出了仿生的人工复眼结构，该复眼结构包含超过8000个子透镜。2013年，Nature上报道了国际团队研制出仿生复眼照相机，在曲面结构复眼的基础上，采用非平面探测器的思想，由一组弹性微型透镜阵列和一组可变形的硅基光电感应阵列组成复眼结构，将复眼的视场角增大到160°，实现了视角的极大化。但是此类微型化、轻量化的曲面仿生复眼光学元件的微透镜的焦距唯一，限制了光学成像过程中图像信息的获取，只能对单一景深处的目标物清晰成像，却严重丢失不同景深范围内目标物的信息，不利于对未知不同距离处目标物进行探测。例如，应用于内窥镜等医学探测器进行人体内病灶探测的时候，由于病灶通常分布在探测器不同方位以及不同距离处，焦距单一的仿生复眼结构只能对其物距附近的病灶进行探测，而在进行多个病灶探测时，探测灵敏性和准确性都受到了极大的限制。

2010年，美国威斯康星大学Hongrui Jiang带领的研究小组，在APL杂志上发表了文章，报导了一种新型的可调焦液体仿生复眼结构。该小组主要工作集中在材料研究上，通过引进新材料，在曲面上研制液体透镜来代替复眼结构中的硬质透镜，通过电极来调节弹性体内液体的温度，实现液体透镜的膨胀和收缩，进而调节透镜的曲率半径，实现可调焦、大景深探测功能。这使得仿生复眼光学元件的制备又推进了一大步。但是该小组研制的是一种热响应型的液体透镜，通过电极调节温度的升降来控制透镜的形状进而实现调焦，结构复杂，微透镜之间的一致性不高，响应速度慢，在捕获不同景深处目标物时，需要动态调焦，实时性差。

鉴于仿生复眼光学元件在轻量化、小型化、大视场成像等领域所存在的极大潜力，国内外的研究小组纷纷开展了相关的研究，初步制备出了各种仿生复眼结构。有些仿生复眼结构尺寸小、重量轻，但是微透镜焦距唯一，严重限制系统对不同景深处的目标物信息的获取；有些通过研究新材料提出了一种热响应型的液体复眼透镜，使复眼透镜具备了大景深探测的潜力，但是缺点是响应速度慢、结构复杂、微透镜一致性差。因此，构造成型一种结构紧凑、一致性高、可同时实现大视场以及多景深成像功能的仿生复眼结构成为一种研究趋势。

技术实现要素：

本发明要解决技术问题是：克服现有仿生复眼结构焦距为一的不足，提供一种多焦点仿生复眼光学元件，实现仿生复眼的多景深成像功能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种多焦点仿生复眼光学元件，该元件由几百到几千个子眼单元组成，子眼单元为微尺度、多级环带透镜结构，各个环带的口径、曲率半径不同，使子眼单元具有多个焦点，可实现子眼单元对不同景深处的物体成像。

进一步的，所述的几百到几千个子眼单元排布在曲面结构上或者排布在平面结构上。

进一步的，所述的几百到几千个子眼单元口径是四边形、六边形或圆形。

进一步的，所述的几百到几千个子眼单元是按照四边形排布或者六边形排布。

进一步的，所述的多级环带透镜结构的各级环带口径尺寸根据成像需求设计，各不相同。

进一步的，所述的多级环带透镜结构的各级环带的曲率半径大小决定了子眼单元的各级环带的焦距，可以根据所需要的不同焦深设计。

本发明的有益效果在于：开发一种多焦点仿生复眼元件的方法，该元件小巧、灵活，可对不同景深处的目标进行光学信息的捕获。该元件通过与后续的探测结构以及电路装置等互联之后，可以进一步成型光、机、电一体化的复眼成像系统，为大视场成像、高精度定位提供新的技术手段。

附图说明

图1为实施例中双焦点仿生复眼元件子眼单元结构制备示意图；

图2为实施例中双焦点仿生复眼光学元件曲面排布结构示意图；

图3为实施例中双焦点仿生复眼光学元件平面排布结构示意图；

图4为实施例中仿生复眼元件子眼单元为方形口径四边形排布示意图；

图5为实施例中仿生复眼元件子眼单元为六边形口径六边形排布示意图；

图6为实施例中仿生复眼元件子眼单元为圆形口径四边形排布示意图；

图7为实施例中仿生复眼元件子眼单元为圆形口径六边形排布示意图。

图中附图标记含义为：1为内环的曲率半径，2为内环的口径，3为外环的曲率半径，4为外环的口径，5为子眼单元排布的曲面，6为子眼单元排布的平面，7为方形口径子眼单元四边形排布，8为六边形口径子眼单元六边形排布，9为圆形口径子眼单元四边形排布，10为圆形口径子眼单元六边形排布。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

具体实施例中一种多焦点仿生复眼光学元件以双焦点结构为例，其子眼单元的结构如图1所示，将子眼单元设计分为两级环带结构，其中内环的曲率半径1为62.5mm，内环的口径2为500μm，外环的曲率半径3为90mm，外环的口径4为1mm，选择材料为石英，针对可见光中心波长550nm，折射率为1.46，那么该子眼单元的焦距分别为13.6cm和19.6cm。

进一步的，将设计的子眼单元排布在曲面5上，如图2所示，可实现仿生复眼光学元件大视场多焦点的成像功能。另外可以将设计的子眼单元排布在平面6上，如图3所示。若是平面结构尺寸为5cm×5cm，则需要2500个子眼单元可在该平面结构上形成密排。

进一步的，子眼单元可以是任何形状，可以是四边形、六边形、圆形等，其排布方式可以是四边形排布、六边形排布等，仿生复眼元件子眼单元为方形口径四边形排布，如图4所示；仿生复眼元件子眼单元为六边形口径六边形排布，如图5所示；仿生复眼元件子眼单元为圆形口径四边形排布如图6所示；仿生复眼元件子眼单元为圆形口径六边形排布如图7所示。

以上所述，仅为本发明的一种实施例，并非用以限定本发明的实施范围，其他如：不同的子眼单元口径形状及大小、不同的排布方式，不同的曲面分布，亦皆在本案的范畴之中。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。