CN101738729A - 基于光波的龙虾眼透镜 - Google Patents

Abstract

一种基于光波的龙虾眼透镜，属于仿生光学技术领域。现有技术将龙虾眼透镜用于x射线成像，其微通道管的宽纵比很小，呈细长状，以确保x射线以掠入射的方式接触反射壁，反射壁具有x射线反射膜，实现反射成像。在现有基于光波的光学成像技术领域也有一些扩大视场、消除像差的方案，例如广角镜头、鱼眼镜头等，结构复杂、成本高，依然存在较大像差和色差。本发明之龙虾眼透镜微通道管的宽纵比m/n符合下式要求：

。同时，反射壁镀有光波反射膜。用于光波成像，具有大视场、无色差、无轴外球差的特点。

Description

基于光波的龙虾眼透镜

技术领域

本发明涉及到一种基于光波的龙虾眼透镜，能够实现光波的大视场、无色差、无轴外球差成像，属于仿生光学技术领域。

背景技术

龙虾眼透镜由若干微通道管1构成，见图1所示，每个微通道管1都有自己的光轴，微通道管1呈正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为反射壁2，各微通道管1轴线为同一球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管1构成的龙虾眼透镜是一个球体，该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，称为球冠龙虾眼透镜。龙虾眼透镜的成像过程如下，见图1、图2所示，入射光分三种情况通过龙虾眼透镜，第一种情况是入射光a、b经反射壁2一次反射，汇集在球面焦面3的十字焦线上，在成像器件4上形成十字像。第二种情况是入射光c经相邻反射壁2两次反射，汇集在球面焦面3上的十字焦线的中心，在成像器件4上形成理想的像点。第三种情况是入射光d未经反射直接透射到球面焦面3上，在成像器件4上形成背景光。并且，龙虾眼透镜成像为实像。一个龙虾眼透镜有若干光轴，任何位置的物点与龙虾眼透镜中心O的连线都可以看做是光轴，光线最终都会汇聚到球面焦面3上，所以龙虾眼透镜只有轴上像差，具体是轴上球差，无轴外球差。由于龙虾眼透镜成像为反射式，所以无任何色差。完整的龙虾眼透镜是一个球体，所以，能够大视场成像，视场达到360°。龙虾眼透镜作为光学成像器件具有单一结构的特征，结构简单、紧凑、重量轻。

现有技术将龙虾眼透镜用于x射线成像，其微通道管的宽纵比很小，呈细长状，以确保x射线以掠入射的方式接触反射壁，反射壁具有x射线反射膜，实现反射成像。

在现有基于光波的光学成像技术领域也有一些扩大视场、消除像差的方案，例如广角镜头的视场在60～85°，超广角镜头的视场在95～120°，鱼眼镜头的视场接近230°。然而，这些方案都是多结构光学部件或光学系统，结构复杂、成本高、装校困难、重量大。虽然视场较大，但是，尽管各种像差不同程度减小，但是，依然不同程度存在。并且，随视场角的增大其像差增大，原因是透镜只有一根光轴，如果入射光的角度与光轴之间的角度越大，单色像差和色差就越大。尤其其中的鱼眼镜头结构比较复杂，并且像差极大，图像还有桶形畸变，因此，鱼眼镜头只是在摄影等领域为了展示某些视觉冲击效果才使用，在通信、预警等方面几乎无法应用。

发明内容

为了控制龙虾眼透镜的球差，实现龙虾眼透镜的光波成像，实现光波成像的大视场、高质量，需要确定适合光波的微通道管宽纵比和反射膜，为此，我们发明了本发明之基于光波的龙虾眼透镜。

本发明是这样实现的，见图3、图4所示，龙虾眼透镜微通道管1的宽纵比m/n符合下式要求：

$\frac{m}{n}=\frac{\sin \mathrm{\θ}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin (2\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}$

公式中：m是反射壁2作用孔径；n是反射壁2等腰梯形的腰长；θ是边缘微通道管1反射边缘入射光e的反射壁2与入射光波光轴的夹角；α是微通道管1四棱台锥角。同时，反射壁2镀有光波反射膜。

所述方案的技术效果在于，光波成像涉及到几何光学，在龙虾眼透镜成像过程中，会产生轴上点球差，其中包括垂轴球差，垂轴球差通过在球面焦面3上所呈现的圆形的弥散斑表现出来。如果所采用的成像器件4为CCD或者CMOS，则要求这个弥散斑小于一个像素。另外，影响龙虾眼透镜的微通道管1宽纵比的因素还有光波某一入射方向的有效口径2d和龙虾眼透镜焦距f。

龙虾眼透镜成像与其他透镜成像一样，形成一个高亮光锥5，见图5所示，高亮光锥5的界面近似为一个圆锥面，该圆锥面的顶点位于龙虾眼透镜对应光波某一入射方向的焦点F上。锥角为90°的高亮光锥5内所包含的能量是入射光波能量中参与成像部分的95％以上。即使锥角减小到60°，也包含80％以上的能量。所述的弥散斑主要分布在高亮光锥5内。

球差导致弥散斑的产生，需要通过离焦方能得到清晰的像，实现龙虾眼透镜的正常成像。离焦量的大小由入射光波的边缘入射光e决定，这个边缘光线e又由有效口径2d决定，有效口径2d又由离焦面6处的弥散斑决定，弥散斑的大小又是由离焦面6上的像素大小决定。

边缘入射光e入射到龙虾眼透镜的微通道管1反射壁2上。以入射点A到龙虾眼透镜中心O的距离r为半径的球面为龙虾眼透镜的作用球面7。作用球面7与微通道管1相对的两个反射壁2的交点之间的距离称为微通道管1的作用孔径m，也称为微通道管1的宽。反射壁2等腰梯形的腰长n为微通道管1的长，n被入射点A分为p、q两部分，即n＝p+q。半径r₁＝r+p的球面为龙虾眼透镜的外球面，半径r₂＝r-q的球面为龙虾眼透镜的内球面。龙虾眼透镜焦距f＝r/2。边缘入射光e的反射光e′与高亮光锥5的后一个交点C到入射光波光轴的距离为弥散斑半径s/2，s为弥散斑直径，产生轴上球差w，s与w的关系为：

$s=2w=r\×(\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-1).$

通过离焦消除轴上球差w，离焦量也是w，离焦面6的半径l为：

$l=w+\frac{r}{2}.$

$m=2r\sin \frac{\mathrm{\α}}{2},$

$p=\frac{r\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin \mathrm{\θ}}-r,$

$q=r-\frac{r\sin \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})},$

$n=r_1-r_2=\frac{r\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin \mathrm{\θ}}-\frac{r\sin \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})},$

$\frac{m}{n}=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \mathrm{\θ}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})-{\sin }^2\mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin (2\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}.$

入射光波为平行光。当入射光波由反射壁2反射时，见图4所示，反射角θ′应当大于等于45°，否则光线会向回反射汇聚。反射角θ′的余角θ″则应当小于45°，而余角θ″等于反射壁2与入射光波光轴的夹角θ。因此，θ等于45°的微通道管1为球冠龙虾眼透镜的边缘微通道管。入射到边缘微通道管的入射光线为边缘入射光e。所述球冠的球心角为2θ。对应的有效孔径为2d。在360°范围内的每一个角度方向上，龙虾眼透镜都具有2d的有效口径，因此，球形龙虾眼透镜的视场角为360°。

附图说明

图1是龙虾眼透镜成像系统示意图。图2是入射光波通过龙虾眼透镜成像情况示意图。图3是龙虾眼透镜微通道管参数示意图，该图兼作为摘要附图。图4是入射光波边缘光线经龙虾眼透镜成像示意图。图5是通过离焦减小龙虾眼透镜成像球差示意图。

具体实施方式

本发明具体是这样实现的，见图3、图4所示，龙虾眼透镜微通道管1的宽纵比m/n符合下式要求：

$\frac{m}{n}=\frac{\sin \mathrm{\θ}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin (2\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}$

公式(1)中：m是反射壁2作用孔径；n是反射壁2等腰梯形的腰长；θ是边缘微通道管1反射边缘入射光e的反射壁2与入射光波光轴的夹角，0°＜θ≤45°；α是微通道管1四棱台锥角。0＜m/n＜0.5。在θ＝45°、α＝0°的极限情况中，m/n＝0.5，不能实现光波成像。如果m/n＞0.5，则会引起相当大的杂散光。

同时，反射壁2镀有光波反射膜，是一种高反射的反射膜系，由多层折射率高低交替的两种不同材料反射膜构成。对于可见和近红外波段成像，反射膜材料是折射率为2.3的氧化钛和折射率为1.46的氧化硅；对于紫外波段成像，反射膜材料是折射率为2.0的氧化铪和折射率为1.38的氟化镁；对于中远红外波段成像，反射膜材料是折射率为2.3的硫化锌和折射率为1.5的氟化钇。龙虾眼透镜的基体材料为金属、晶体、玻璃、塑料中的一种。采用哪一种结合反射膜材料而定。

Claims (5)

1.一种基于光波的龙虾眼透镜，由若干微通道管(1)构成，每个微通道管(1)都有自己的光轴，微通道管(1)呈正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为反射壁(2)，各微通道管(1)轴线为同一球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管(1)构成的龙虾眼透镜是一个球体，该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，其特征在于，龙虾眼透镜微通道管(1)的宽纵比m/n符合下式要求：

$\frac{m}{n}=\frac{\sin \mathrm{\θ}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin (2\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}},$

公式中：m是反射壁(2)作用孔径；n是反射壁(2)等腰梯形的腰长；θ是边缘微通道管(1)反射边缘入射光e的反射壁(2)与入射光波光轴的夹角；α是微通道管(1)四棱台锥角；同时，反射壁(2)镀有光波反射膜。

2.根据权利要求1所述的龙虾眼透镜，其特征在于，0°＜θ≤45°；0＜m/n＜0.5。

3.根据权利要求1所述的龙虾眼透镜，其特征在于，所述光波反射膜是一种高反射的反射膜系，由多层折射率高低交替的两种不同材料反射膜构成。

4.根据权利要求3所述的龙虾眼透镜，其特征在于，对于可见和近红外波段成像，反射膜材料是折射率为2.3的氧化钛和折射率为1.46的氧化硅；对于紫外波段成像，反射膜材料是折射率为2.0的氧化铪和折射率为1.38的氟化镁；对于中远红外波段成像，反射膜材料是折射率为2.3的硫化锌和折射率为1.5的氟化钇。

5.根据权利要求1所述的龙虾眼透镜，其特征在于，龙虾眼透镜的基体材料为金属、晶体、玻璃、塑料中的一种。

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