[发明专利]基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统

说明书

技术领域

本发明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，属于光学成像技术领域。

背景技术

人造仿生复眼技术有利于获得小型化、轻量化、大视场的成像系统，并且可以获得目标三维位置信息，可广泛应用于大视场监控设备、快速目标定位系统等领域，具有广阔的应用前景。因此，各类人造仿生复眼技术是相关领域研究的热点方向之一。

传统的大视场成像系统一般采用鱼眼镜头或采用多台摄像机。鱼眼镜头体积重量大，成像变形严重，不能获取目标三维位置信息；采用多台摄像机构成的大视场观察系统结构复杂、成本高、数据量大。因此，采用人造复眼技术在单一探测器上获得多个子视场图像，是一种容易小型化、轻量化、成本低、结构简单可行的方案，并且可以快速获得目标三维信息，具有非常广阔的应用前景。

近年来，日本、德国、英国和国内各个研究机构对人造复眼技术进行了研究。国内外研究人员大多采用微透镜阵列结构，每个微透镜在探测器上成一个低分辨率子图像，子图像可采用超分辨技术合成一幅高分辨率图像。2000年日本Jun Tanida等提出一种基于蜻蜓复眼结构的TOMBO(ThinObservationModuleby BoundOptics)复眼成像系统。该系统采用平板微透镜阵列，在微透镜与探测平板之间引入中间光隔离层以实现各光通道分离，类似于为每个通道加一个孔径光阑，控制成像范围。所有通道几乎同时观察目标的同一部分，每个通道可得到一个低分辨率的图像，最后通过超分辨率图像复原等方法实现目标像的超分辨重建。2004年该研究小组在TOMBO系统的基础上，又提出了复眼的彩色成像方法。

2004年DuparreJ.带领的德国研究小组基于同位复眼的设计理念，提出并制成了仿生同位复眼成像系统AACO(ArtificialAppositionCompoundEyeObjective)。该系统也是基于平板微透镜阵列，与TOMBO在结构上相似，不同之处在于微透镜阵列和光隔离层分别制作在同一玻璃基片的两侧，并与光传感阵列紧密相连。该系统的厚度仅有320μm，视场可达21°，F=2.6。此后，该小组又提出用啁啾微透镜阵列代替普通的均匀微透镜阵列，在保证成像质量的前提下，使系统尺寸进一步减小。同年还提出了基于重叠复眼设计理念的“簇眼”结构，其依然采用平面结构，但系统中引入了场镜阵列，从而获得比AACO更大的视场。以上仿生复眼采用的是平板微透镜阵列，虽然结构较曲面容易实现，但是视场也受到限制，一般约在20°左右。若需进一步扩大视场，需在微透镜阵列之后加入其它的辅助光学元件。DuparreJ.等人即利用三层平板微透镜阵列将视场扩大到70°×15°。2007年Duparre J.等把同位复眼设计理念用于曲面结构，提出球面人造复眼成像系统SACE(ShericalArtificialCompoundEye)。SACE主要由微透镜阵列，中继光学元件和传感器阵列构成，且第一次将微透镜阵列用于曲面结构，利用激光微刻技术将微透镜阵列112×112刻在一个薄弯月镜的凹槽面或者凸面，微透镜与传感器一一对应，通过中继光学元件将图像传递给传感器阵列，每个微镜对应不同的视场，构成了不同方向的多个光通道。SACE可获得比AACO更大的成像视角，视场达到38°×38°。

2006年中国科学院长春光机所应用光学国家重点实验室张红鑫等设计了一种重叠性仿生复眼结构，多个小眼公用同一个探测器阵列，多个小眼都对探测器上单个像素的亮度值有贡献。在这项研究中研究人员使用Zemax对光路进行了追迹，对系统进行了初步分析。

2010年四川大学采用与SACE类似的结构，以平凸BK7玻璃为基底，设计了球形微镜阵列系统。系统主要由平凸微镜阵列、分离层和传感器阵列组成，不仅将视场扩大到60°，而且便于系统安装。此外，系统不用附加中继光学元件，可直接成像在平面传感器上；系统引入的分离层可更好地限制成像范围，使得每个视场独立成像。

2010年中国科学院深圳先进集成技术研究所邸思等人对上述光学微透镜阵列结构进行了改进设计，提出在曲面基底上制作非均匀微透镜阵列的设计方案。透镜焦距随其所处位置的不同而变化，以确保各透镜在光探测器上均可获得良好的成像质量。光线追迹结果表明，该方案明显改善了边缘视场的成像质量。

采用微透镜阵列实现的仿生复眼成像系统中，每个透镜口径很小，有些甚至在微米量级，受光学微细加工精度和装调水平的限制，加上与之配套的探测器阵列也需特别加工，因此这种复眼系统目前还极少有实际应用。