180°大視場(chǎng)自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種180°大視場(chǎng)自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)。包括從上到下依次排列的光闌層、復(fù)眼透鏡陣列和圖像探測(cè)器，其中第二層復(fù)眼透鏡陣列從內(nèi)到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結(jié)構(gòu)；光闌層中的光闌孔與復(fù)眼透鏡陣列中的透鏡一一對(duì)應(yīng)。本發(fā)明旨在提高復(fù)眼的視場(chǎng)角，將復(fù)眼邊緣小眼設(shè)計(jì)為自由曲面棱鏡，通過光線在棱鏡內(nèi)的折轉(zhuǎn)與自由曲面對(duì)像差的矯正，能有效的提高邊緣小眼的成像質(zhì)量，從而提高了復(fù)眼的視場(chǎng)角。本發(fā)明所提出的復(fù)眼結(jié)構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，視場(chǎng)角大，成像質(zhì)量高。
【專利說明】180°大視場(chǎng)自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大視場(chǎng)角成像系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]生物復(fù)眼具有視場(chǎng)大、體積小、重量輕、對(duì)運(yùn)動(dòng)物體敏感等優(yōu)點(diǎn)。生物復(fù)眼的諸多優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的方向，人工仿生復(fù)眼在醫(yī)療、國(guó)防、監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。復(fù)眼是一種非常小巧而精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)，不同于現(xiàn)在常用的單孔徑光學(xué)系統(tǒng)，生物復(fù)眼由很多小眼組成，緊密排列在一起。每一個(gè)小眼由角膜、晶椎、感桿束和感光細(xì)胞構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)。每個(gè)小眼對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)的特點(diǎn)區(qū)域成像，所有小眼的圖像拼接為一幅大視場(chǎng)的圖像。
[0003]生物復(fù)眼多存在于昆蟲當(dāng)中，因此復(fù)眼整體尺寸較小，每個(gè)子眼的尺寸從幾微米到幾十微米不等，復(fù)眼所含子眼的個(gè)數(shù)也從幾百至幾萬不等?！ɡハx復(fù)眼的視野非常開闊，有些昆蟲水平視野范圍可達(dá)240°，垂直視野范圍可達(dá)360°然而，昆蟲復(fù)眼的分辨率很低，通常僅有I米左右，即使視力最強(qiáng)的蜜蜂，其視力也只有人眼的百分之一如果在光線微弱的地方，它們的視力還要更差"，但是昆蟲復(fù)眼對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的靈敏度非常高，如蜜蜂對(duì)突然出現(xiàn)的物體的反應(yīng)時(shí)間僅需0.01秒，而人眼需要0.05秒；與人工大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)相t匕，由于復(fù)眼的感光細(xì)胞可以曲面排列，對(duì)大視場(chǎng)成像時(shí)光軸依然與像面垂直，在成像畸變上有明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0004]受生物復(fù)眼的啟發(fā)，仿照生物復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，人們提出了很多不同形式的人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)。最初，仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)大多為平面透鏡陣列，由于子眼的光軸相互平行，平面結(jié)構(gòu)的視場(chǎng)角主要取決于子眼的視場(chǎng)角，故平面復(fù)眼結(jié)構(gòu)無法體現(xiàn)出復(fù)眼大視場(chǎng)的特點(diǎn)。又由于單透鏡的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所得到的圖像質(zhì)量較差，很難在成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用，大部分應(yīng)用于改善光源的均勻性。隨著超精密加工與檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造能力不斷提高，加工精度高、表面粗糙度小、可控性強(qiáng)，一些新穎的具有復(fù)雜面型的光學(xué)結(jié)構(gòu)得以制造。目前，為了實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的人工復(fù)眼系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)研制出一些曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)，主要的設(shè)計(jì)方法為在曲面基底上排布緊密微透鏡，根據(jù)子眼的具體位置，即子眼光軸與圖像探測(cè)器的夾角和子眼離圖像探測(cè)器的距離，來確定其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)改良，曲面復(fù)眼在視場(chǎng)角與圖像質(zhì)量上，較平面結(jié)構(gòu)都有很大的提高。但是在曲面復(fù)眼視場(chǎng)角增大的同時(shí)，邊緣子眼光軸與圖像探測(cè)器之間的夾角也隨之增大，這帶來很大的離軸像差，要得到高質(zhì)量圖像，越來越困難?，F(xiàn)階段的曲面復(fù)眼也無法體現(xiàn)出生物復(fù)眼大視場(chǎng)角的特點(diǎn)。
[0005]在專利201210536921.0中，采用多層曲面結(jié)構(gòu)，7個(gè)圖像探測(cè)器實(shí)現(xiàn)復(fù)眼式的180°大視場(chǎng)成像，雖然實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)成像，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)精度要求高。
[0006]綜上所述，由于受到現(xiàn)階段復(fù)眼結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量等因素的制約，目前尚未研制出180°視場(chǎng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在上述不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)180°大視場(chǎng)成像，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、小巧、像質(zhì)高的人工自由曲面復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明提供的180°大視場(chǎng)自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)，包括從上到下依次排列的光闌層、復(fù)眼透鏡陣列和圖像探測(cè)器，其中第二層復(fù)眼透鏡陣列從內(nèi)到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結(jié)構(gòu)。光闌層中的光闌孔與復(fù)眼透鏡陣列中的小透鏡一一對(duì)應(yīng)；為消除視場(chǎng)盲區(qū)和方便后續(xù)圖像處理，每圈透鏡陣列間的視場(chǎng)存在重疊，且每圈陣列中小透鏡之間的視場(chǎng)也在弧矢方向存在重疊。每圈透鏡陣列的視場(chǎng)范圍與每圈透鏡陣列的個(gè)數(shù)見表1。
[0009]表1
【權(quán)利要求】
1.一種180°大視場(chǎng)自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)，其特征在于該復(fù)眼系統(tǒng)包括從上到下依次排列的光闌層、復(fù)眼透鏡陣列和圖像探測(cè)器，其中第二層復(fù)眼透鏡陣列從內(nèi)到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結(jié)構(gòu)；光闌層中的光闌孔與復(fù)眼透鏡陣列中的透鏡一一對(duì)應(yīng)；為消除視場(chǎng)盲區(qū)和方便后續(xù)圖像處理，每圈透鏡陣列之間的視場(chǎng)存在重疊，且每圈陣列中的小透鏡之間的視場(chǎng)也在弧矢方向存在重疊，每圈透鏡陣列的視場(chǎng)范圍與每圈透鏡陣列的個(gè)數(shù)如下表所示，子眼編子午視場(chǎng)弧矢視場(chǎng)角中心視場(chǎng)邊縷視場(chǎng)_變視場(chǎng)范圍.每圈個(gè)號(hào)角°°MIF值MIF值大小°數(shù)] 1414 >0,3>&.2<1D%-30-3019: 2424>535>C:J<5%±(26-50}15
32420>0.45>0.43<25%±(4§J&)1842424>0.45>&.5<25%±(§6-95)!S
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK103616758SQ201310569145
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】張紅霞, 范陽, 宋樂, 賈大功 申請(qǐng)人:天津大學(xué)