[发明专利]多通道大视角仿生复眼成像探测装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域。涉及一种成像装置，特别是涉及多通道大视角仿生复眼成像探测装置，主要用于飞行器前视红外探测、夜视设备以及预警卫星、雷达系统、舰艇搜索和跟踪系统、战略与战术导弹等武器精确制导系统中，此外，在大型红外望远镜、微型照相机以及指纹识别系统等民用工业中也有着广泛的应用。

背景技术

小型化的成像系统具有低能耗、大视角的优点以及在体积上的显著优势,因而越来越受到人们的青睐,其应用前景十分广阔。目前在手机、个人电脑上已经有所应用,将来甚至可能应用在诸如信用卡等更小物体上,这为成像系统的体积提出了更高的要求,希望能从小型化过渡到微型化。由于受到衍射极限等因素的影响,在传统的单孔径成像结构下,通过单纯减小各组成部分的体积来实现其小型化已经变得越来越困难。因此,近年来人们致力于以新的设计理念来实现微缩成像系统。自然界中的生物复眼由成千上万个成像单元构成，将每个成像单元定义为复眼的一个子眼，这些子眼排布在一个球面或椭球面基底上，每个子眼对不同方向物空间的成像使得复眼具有较大的视角。不同于传统的单通道成像系统，生物复眼属于多通道成像系统，通过对多通道子眼图像信息融合，可实现大视角的成像以及对目标物体的实时跟踪。目前，实现大视角成像的方式有两种：一是采用多套单孔径成像装置，分别安装在物空间的不同方位，对物空间进行成像。二是采用广角镜头对物空间进行成像。上述两种方法虽然能够实现大视角成像，但是却有安装复杂、成本高昂等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对目前大视角仿生复眼成像的安装复杂、成本高昂不足，提供一种多通道大视角仿生复眼成像探测装置，其设计原理是：采用球形阵列的方式布置子眼通道，由球面透镜阵列、中继光学元件(光纤面板FPFP)和CCD/CMOS传感器组成多通道复眼摄像组件。装置选用9个透镜，透镜的直径为5mm（透镜的直径参数可根据装置总体成像范围的要求作相应的设计更改），结构参数完全相同的非球面透镜固定在金属球壳的孔洞上。为使相同焦距的透镜能够将目标像同时成像在平面传感器上，装置采用含有小微平面的光纤面板（FOFP）作为中继元件，该光纤面板的抛光形状及抛光精度等要求，需要根据装置总体视场角度要求而变。光纤面板将角度分离的图像耦合到平面CMOS/CCD传感器上。通过数据传输，利用计算机将采集的图像实时进行数字化处理，对各方向的图像进行拼接融合，得到完整的大视野图像。

采用的技术方案是：

多通道大视角仿生复眼成像探测装置，包括多通道子眼阵列、光学纤维面板(折转元件)、CCD/CMOS光感元件及图像处理装置。所述的多通道子眼阵列为多个子眼透镜阵列，多个子眼透镜分别对各个方向进行成像，通过光学纤维面板，将角度分离的图像传输到CCD/CMOS光感元件的光感区域上，在同一片光感元件中成多角度图像，再经后期图像处理，拼接完整大视角图像，装置视场角度≥120°,构成多通道大视角仿生复眼成像探测装置。

上述的多通道大视角仿生复眼成像探测装置，其设计制作过程包括以下步骤：

a、设计单通道子眼透镜-单通道镜头选用三片分离式库克镜头作为基础，通过采用凹凸透镜的配合使用来进行球差的校正，通过使用对称结构的光学系统来降低慧差，建立优化函数来结构进行优化。左右两片镜片的材料为SK16，中间镜片的材料为F2，镜头设计尺寸直径≤20mm,其焦距为10mm.设计视场角度为42°，在三个入射角度下，光斑的大小分别为3.365um其对应入射角为0°、8.827um其对应入射角度为14.7°、7.345um其对应入射角度为21°，成像结果最大畸变量为1.44%，远远小于人眼可分辨的畸变量4%；

b、将光学纤维面板上下表面简单抛光，以下底面为基面，抛出异形光学纤维面板的形状，抛光后的异形光学纤维面板为对称结构，抛光后的外形尺寸为长6.4mm，宽4.8mm,高3mm，各倾斜表面与基面的夹角分别为136°和123°，此角度根据各子眼通道的分布位置及分布角度而确定，子眼通道到抛光后光学纤维面板的距离为透镜的焦距；

c、光线沿直线传播，光线垂直入射光学纤维面板倾斜表面会有一定的光线发生反射，为减少入射光线的能量损失，在抛光后的光学纤维面板各工作表面镀AR增透膜，减少反射光线的能量损失，使光学系统成像更清晰；

d、光学纤维面板与CCD/CMOS耦合：将抛光后的光学纤维面板与CCD/CMOS光感区域耦合连接，耦合件要满足：光学纤维面板与CCD/CMOS芯片牢封接；耦合胶均匀、无气泡产生，从而不影响光线传输；面板耦合件传输图像清晰。