专利名称：一种基于非均匀透镜阵列的类人眼图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电图像传感器技术领域，具体涉及一种基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器。
背景技术：
类人眼图像传感器是一种基于人眼视觉机理仿生的光电图像传感器。在人眼的视网膜区，视神经的感光面尺寸随着与视网膜中心距离的增大而逐步增大，即其采用非均勻采样方式。类人眼图像传感器通过对数极坐标映射模拟人眼视网膜的非均勻采样机理，使其具有目标的尺度与旋转不变性。即在对数极坐标映射图像中，成像目标的尺寸变化表现为水平/垂直移动，成像目标的旋转运动表现为垂直/水平移动，而图像中的目标尺寸并不发生变化。另一方面，类人眼图像传感器采用非均勻采样方式压缩了搜索区域，减少了冗余信息。上述特性表明具有对数极坐标映射能力的类人眼图像传感器可有效消除目标尺度与旋转变化的影响，并降低信息冗余，可极大地提高光电探测系统对运动目标的识别速度与跟踪精度，因而在航空、航天、机器人、智能监控等领域具有广泛的应用前景。目前，已有的类人眼图像传感器主要基于常规CMOS工艺实现，即通过CMOS工艺形成不同尺寸的像素，按照一定的几何布局形成与人眼视网膜类似的“视网膜区”，形成具有对数极坐标映射能力的类人眼图像传感器。该方法主要存在以下问题由于基于CMOS工艺的图像传感器需由专业设计人员采用专用软件、工艺流程实现，导致其研发的成本较高、研发周期较长；基于CMOS工艺的像素尺寸在μ m量级，难以获得较大的像素尺寸。同时，在目前技术条件下，基于CMOS工艺难以得到大面阵的非均勻采样光敏面；由于基于CMOS工艺的类人眼传感器具有独立的封装。一旦设计完成，其功能将被固化，无法再进行升级；受CMOS工艺集成性的制约，基于CMOS工艺的图像传感器无法提供更多的信号传输通道，导致多个非均勻像素共用一个信号传输通道，进而使其信号传输速率受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，通过不同口径、焦距的光学透镜构成的阵列实现非均勻采样，极大地降低了此类图像传感器的设计难度及成本；而且可实现大面阵类人眼图像传感器，且具有良好的可扩展性。该方案是这样实现的一种基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，按从上之下的顺序由非均勻透镜阵列、光电探测单元和选通输出电路构成；所述非均勻透镜阵列包括多圈的光学透镜以类人眼图像传感器的光轴为中心， 设置M个圆环，M > 2，每一圆环上均设置N个光学透镜；在同一圆环上，N个光学透镜几何尺寸相同，N个光学透镜的圆心均勻分布于圆环上，且相邻两个光学透镜之间相切；相邻两圆环上的光学透镜组成的两环带沿透镜阵列的轴向方向邻接但不重合；所有光学透镜的光轴相互平行；光电探测单元用于对经由非均勻透镜阵列聚焦的入射光进行光电转换，该光电探测单元提供的光敏面与光学透镜的光轴垂直；通过调整光学透镜在类人眼图像传感器中的轴向位置，使得各光学透镜的焦平面与所述光电探测单元的光敏面重合；选通输出电路连接光电探测单元，用于将光电探测器采集的信号输出。较佳地，所述光电探测单元采用光电探测器阵列实现；光电探测器阵列包括多圈的光电探测器，一个光电探测器对应一个光学透镜，且每个光电探测器均位于对应光学透镜的焦平面上；通过调整光学透镜在类人眼图像传感器中的轴向位置，使得所有光电探测器的光敏面在同一平面上。较佳地，所述选通输出电路包括选通开关和信号输出通道，一个选通开关对应一个光电探测器，每个光电探测器均通过对应的选通开关连接信号输出通道；一圈选通开关同时被选通或关闭。较佳地，所述多圈的光电探测器几圈为一组分成多组，一组光电探测器对应的选通开关同时被选通或关断。较佳地，将每一个圆环上光学透镜按一个方向进行编号，不同圆环上相同编号的光学透镜处于非均勻透镜阵列的同一半径上。有益效果(1)基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器成本低，易实现。常规类人眼图像传感器要求光敏面内不同位置的像素尺寸不同，实现难度较大、 成本较高。本发明通过不同口径、焦距的光学透镜构成的阵列实现非均勻采样，允许类人眼图像传感器的像素尺寸相同，因而极大地降低了此类图像传感器的设计难度及成本。(2)可实现大面阵类人眼图像传感器。本发明中的光电探测单元采用光电探测器阵列，其中每一个光电探测器的光敏元尺寸相同，仅通过提高光电探测器的数量即可提高图像传感器的分辨率，因而可以实现大面阵类人眼图像传感器。(3)基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器可实现定制，易于升级。由于本发明基于常规光电探测器实现类人眼图像传感器，其参数均可依据不同的应用需求进行定制。同时，类人眼传感器设计完成后，还可进行参数调整与升级，从而具有良好的可扩展性。(4)基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器的信号输出速率高。在本发明中，由于采用不同口径、焦距的光学透镜构成的阵列实现非均勻采样，从而为信号传输通道的设计提供了充足的空间。其信号输出通道数量、选通模式几乎不受空间限制，可极大地提高光电转换信号的输出速率。
图1为基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器的结构示意图。其中1-1为成像光学系统，1-2为非均勻透镜阵列，1-3为光电探测单元(图中采用光电探测器阵列)，1-4为光电探测器，1-5为选通输出电路，1-6为选通开关，1-7为信号输出通道。图2为非均勻光学透镜阵列的结构示意图。其中2-1为第η环第1个光学透镜，2-2为第η环第N个光学透镜，2-3为第n+i 环第1个光学透镜，2-4为第n+i环第N个光学透镜，2-5为机械结构。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明本发明提供了一种基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，如图1所示，图中下部的三层结构为本类人眼图像传感器，该传感器按从上之下的顺序由非均勻透镜阵列、 光电探测单元和选通输出电路组成。上述各部分的主要作用及结构如下(1)非均勻透镜阵列1-2非均勻透镜阵列的作用是将入射平行光聚焦至光电探测单元1-3上，从而实现非均勻采样。非均勻透镜阵列包括多圈的光学透镜，光学透镜的数量由类人眼图像传感器的分辨率决定。具体来说，其结构具体描述如下1)在与类人眼传感器光敏面相平行的平面内，以类人眼图像传感器的光轴为中心，设置M个圆环(M >幻，每一圆环上均设置N个光学透镜，N的取值与圆环半径以及光学透镜口径有关。在同一圆环上，N个光学透镜几何尺寸相同，N个光学透镜的圆心均勻分布于圆环上，且相邻两个光学透镜之间相切。所有光学透镜的光轴相互平行。如图2所示，透镜2-1为第m环第1个光学透镜，透镜2-2为第m环第N个光学透镜，透镜2_3为第m+1环第1个光学透镜，透镜2-4为第m+1环第N个光学透镜。参见图1，同一圆环上的透镜在同一平面内，但是不同圆环上的透镜并不在同一平面内，后面会详细说明。从传感器轴向方向上看，相邻两圆环上的光学透镜组成的两环带沿透镜阵列的轴向方向邻接但不重合，本实施例中，不同圆环内光学透镜沿整个透镜阵列的轴向相切，即如果将每一个圆环上光学透镜按同一方向进行1 N的编号，则不同圆环上相同编号的光学透镜处于非均勻透镜阵列的同一半径上。由于每个圆环上透镜数量相同， 但是圆环半径却不同，因此不同圆环上的透镜口径就不相同，从外圈向内，透镜口径逐渐减小。具体采用公式表达就是设距离圆心最近的圆环为第1个圆环，其上的透镜半径为rl，由于同一圆环内任意两个相邻透镜轴心之间的夹角为θ = 2 π /N,因此第1个圆环内任意两相邻透镜的中心连线距离透镜阵列圆心的距离R1 = T1ZtaniQ /2)；则透镜阵列内第i圆环的半径氏由经验公式⑴得到
权利要求
1.一种基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，该类人眼图像传感器按从上之下的顺序由非均勻透镜阵列、光电探测单元和选通输出电路构成；所述非均勻透镜阵列包括多圈的光学透镜以类人眼图像传感器的光轴为中心，设置 M个圆环，M > 2，每一圆环上均设置N个光学透镜；在同一圆环上，N个光学透镜几何尺寸相同，N个光学透镜的圆心均勻分布于圆环上，且相邻两个光学透镜之间相切；相邻两圆环上的光学透镜组成的两环带沿透镜阵列的轴向方向邻接但不重合；所有光学透镜的光轴相互平行；光电探测单元用于对经由非均勻透镜阵列聚焦的入射光进行光电转换，该光电探测单元提供的光敏面与光学透镜的光轴垂直；通过调整光学透镜在类人眼图像传感器中的轴向位置，使得各光学透镜的焦平面与所述光电探测单元的光敏面重合；选通输出电路连接光电探测单元，用于将光电探测器采集的信号输出。
2.如权利要求1所述的基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，所述光电探测单元采用光电探测器阵列实现；光电探测器阵列包括多圈的光电探测器，一个光电探测器对应一个光学透镜，且每个光电探测器均位于对应光学透镜的焦平面上；通过调整光学透镜在类人眼图像传感器中的轴向位置，使得所有光电探测器的光敏面在同一平面上。
3.如权利要求2所述的基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，所述选通输出电路包括选通开关和信号输出通道，一个选通开关对应一个光电探测器，每个光电探测器均通过对应的选通开关连接信号输出通道；一圈选通开关同时被选通或关闭。
4.如权利要求3所述的基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，所述多圈的光电探测器几圈为一组分成多组，一组光电探测器对应的选通开关同时被选通或关闭。
5.如权利要求2所述的基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，所述光电探测器阵列中各光电探测器的光敏元尺寸相同。
6.如权利要求1所述的基于非均勻透镜阵列的类人眼图像传感器，其特征在于，将每一个圆环上光学透镜按同一方向进行编号，不同圆环上相同编号的光学透镜处于非均勻透镜阵列的同一半径上。
全文摘要
本发明公开了一种基于非均匀透镜阵列的类人眼图像传感器，自上而下由非均匀透镜阵列、光电探测单元和选通输出电路构成；非均匀透镜阵列包括至少2个圆环，每一圆环上设置N个光学透镜；在同一圆环上，N个光学透镜几何尺寸相同，且相邻两个光学透镜之间相切；相邻两圆环上的光学透镜组成的两环带沿透镜阵列的轴向方向邻接但不重合；光电探测单元用于对经由非均匀透镜阵列聚焦的入射光进行光电转换，该光电探测单元提供的光敏面与光学透镜的光轴垂直；选通输出电路连接光电探测单元，用于将光电探测器采集的信号输出。使用本发明通过不同口径、焦距的光学透镜构成的阵列实现非均匀采样，极大地降低了此类图像传感器的设计难度及成本。
文档编号H04N5/335GK102510449SQ201110369779
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者宋勇, 曹杰, 樊凡, 程雪岷, 郝群 申请人:北京理工大学