[发明专利]多层曲面复眼式180°大视场成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及仿生复眼成像领域，具体地说是大视场成像系统。 

背景技术

近年来，仿生复眼成像系统引起了研究人员的广泛关注，其独特的视场大、体积小、对运动物体的灵敏度高等特性，使其在医疗、工业、国防等领域的应用拥有很大的潜力。复眼是存在于自然界中的一种小巧而精密的光学结构。不同于我们所熟知的单孔径成像系统，复眼是由许多个六边形的子眼单元组成，这些六边形的子眼紧密的排布在一曲面上。每个子眼由角膜透镜、晶锥、感杆束以及感光细胞构成。由于尺寸较小，每个子眼只能对空间的某一视场区域成像，所有子眼协同工作时，方能对大视场空间进行目标探测。 

生物复眼多存在于昆虫当中，因此复眼整体尺寸较小，每个子眼的尺寸从几微米到几十微米不等，复眼所含子眼的个数也从几百至几万不等。昆虫复眼的视野非常开阔，有些昆虫水平视野范围可达240°，垂直视野范围可达360°。然而，昆虫复眼的分辨率很低，通常仅有1米左右，即使视力最强的蜜蜂，其视力也只有人眼的百分之一。如果在光线微弱的地方，它们的视力还要更差。但是昆虫复眼对运动物体的灵敏度非常高，如蜜蜂对突然出现的物体的反应时间仅需0.01秒，而人眼需要0.05秒。此外，由于各个子眼的视场角较小，因此对空间内各个方向的入射光，均可近似视为近轴光，成像畸变及像差相对常规的广角成像系统具有明显优势。 

根据生物复眼所表现出的一些优良特性，仿照生物复眼的结构，人们提出了许多种不同形式的人工复眼系统。研究初期，仿生复眼大都采用平面透镜阵列的形式，包括单层以及多层结构，这种复眼结构所能达到的视场角较小，且由于构成复眼的微透镜尺寸较小，加工工艺难以保证微透镜的面型参数，使得这种复眼的成像质量较差，很少应用在成像器件当中，大部分应用在照明领域来获得均匀光。随着超精密加工技术的不断发展，制造能力不断提高，尺寸一致性及加工精度高，表面粗糙度小、可控性强，可用来实现高精度曲面仿生光学复眼。目前，为了实现大视场成像系统，国内外的相关科研机构已经研究出了一些曲面复眼结构，主要思路是在曲面基底上密接分布微透镜阵列，各个子眼微透镜均采用六边形非球面，其焦距根据所处位置而不同。该类型复眼的视场角 较平面结构有所提高，但为了适应常用的CCD尺寸，该类型复眼器件尺寸较小，以致各子眼通道通光量较低，仅能对高亮度物体或近景目标敏感，且像质较差，与真实的昆虫复眼类似。分析其原因，主要有两方面：一方面是由于现阶段的曲面复眼还只是由单透镜组成的透镜阵列，根据像差理论可知这种结构的设计自由度较少，很难校正影响成像质量的各种像差，因此每个微透镜的成像范围有限，且成像质量不高，为了获得较大的视场角，就需要在曲面基底上分布较多的子眼微透镜，这样一来又给加工带来很大困难。另一方面，由于现阶段的图像传感器均是平面结构，这种结构使得每个微透镜的光轴与其有一夹角，这个夹角不可避免的给微透镜边缘视场的像点带来离焦，这对成像系统来说是不能接受的。 

综上所述，由于受到现阶段加工工艺、成像质量等因素的制约，目前尚未实现视场角达到180°范围，且整体结构紧凑、像质较高的复眼系统。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实现180°范围的大视场成像、高像质、小型化、曲面化的整体式仿生复眼视觉系统。 

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种多层曲面复眼式180°大视场成像系统，包括依次排列的第一层透镜阵列、第二层透镜阵列、第三层透镜阵列、第四层透镜阵列以及图像传感器阵列。为了降低子眼数目过多给复眼加工带来的困难，采用7个子眼通道构成复眼成像系统实现180°成像。为了尽量减少成像盲区和成像重叠率的问题，以及使全部复眼系统能够实现180°范围内的成像，每一层曲面透镜阵列的结构如图3所示，在一球面基底上，以球面顶点为中心，放置一微透镜作为中心透镜，其光轴过球面顶点以及球心，在其外以六边形结构排布六个微透镜，这六个微透镜的光轴与中心透镜的光轴夹角均为θ。 

图4为曲面复眼结构物方成像盲区以及重叠区的示意图，如图4a所示，物方视场无重叠，盲区主要分成两个部分。中心子眼视场和两个边缘子眼视场之间的盲区，称为盲区I，两个边缘子眼视场和180°视场边界之间的盲区，称为盲区II。即没有子眼通道能够对该区域成像。此时外圈子眼光轴与中心子眼光轴夹角θ和子眼视场角2α应该满足θ＝2α。盲区的存在对探测效果将产生较大影响，为此，需增大子眼通道视场角，或是降低θ，使θ＜2α，从而消除这种盲区。如图4b所示，当θ与2α达到某一值时，盲区I刚好消失，此时可以得到关于θ与2α的如下关系式