CN102621599B - 一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜 - Google Patents

Abstract

一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜。该复眼透镜以平凹透镜为基底，在内表面密接排布六边形微透镜阵列构成；将内表面曲面顶点为中心的微透镜记为0号微透镜，与0号微透镜紧邻，由内向外依次命名为1号微透镜，2号微透镜……，直至N号微透镜，N表示从中心向外排列共有N层微透镜；0号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，各微透镜的孔径为

，此孔径为六边形微透镜内切圆直径，R为内表面球面半径，各微透镜的第一面与平凹透镜内表面重合，曲率半径r_1i=R，，各微透镜第二面的曲率半径为r_2i。本发明仿生复眼结构在提高整个复眼的视场角的同时，能够获得较好的成像质量，整个结构为单层，结构简单，利于实际加工、装配与应用。

Description

一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜

技术领域

本发明涉及一种大视场复眼成像透镜，属于仿生复眼成像领域。

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、军队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。如图3所示，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小眼单元组成，这些六边形的小眼紧密的排布在一曲面上，形状如同蜂窝。每个小眼由角膜透镜、晶锥、感杆束以及感光细胞构成。由于尺寸较小，每个小眼只能对物体的一小部分成像，所有小眼得到的像拼接在一起，就能得到一幅完整的物空间的像。

按照成像原理，复眼可分为并列型复眼和重叠型复眼两大类。并列型复眼是较为常见的一种生物复眼结构，如图4（a）所示，每个小眼单元都有独立视场范围，入射光通过角膜透镜和晶锥后向感杆束(感光系统)传播，引起复眼的视神经感应。并列型复眼结构的特点为：每个感杆束所接收的光线仅是它对应着的角膜视场范围内的光线。因此，可以将此结构形象的描述成“一对一”的关系。重叠型复眼结构常见于夜间活动的昆虫和深水区域的生物，如图4（b）所示，其成像原理为物空间的同一区域经不同小眼成像于像面的同一位置，增大了每幅图像的光强利用率，在光线较弱的场合更为实用，可以将此结构形象的描述成“多对多”的关系。但是这类复眼的分辨率较低，且结构复杂。

由于生物复眼多存在于昆虫当中，所以整个复眼的尺寸都非常的小，每个小眼的尺寸在几微米到几十微米不等，整个复眼所含小眼的个数也不尽相同，少则几百，多则上万。昆虫复眼的视野比人眼要开阔，有些昆虫水平视野范围可达240°，垂直视野范围可达360°，是人眼不可比拟的。昆虫复眼的分辨率很低，类似于人类的近视眼，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的高，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。

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。

例如Tanida J.带领的日本研究团队提出了名为TOMBO（Thin Observation Module byBound Optics）的人工复眼系统，整个复眼系统由三部分组成，分别为透镜阵列、隔离层以及光电接收阵列。虽实现了整个系统的小型化，但复眼透镜采用平面结构，视场角较小，与自然界中的复眼结构有很大的出入，失去了其本身的优越性能，即大视场的特性。

此外，Duparre J.团队首次将并列型复眼设计理念应用于曲面结构，提出了球面人造复眼成像系统，利用曲面透镜阵列代替平面透镜阵列，更加接近于自然界真实存在的复眼，提高了边缘视场的成像质量，增大了视场角。但是由于现阶段的光电探测器（CCD或CMOS）均为平面结构，这使得各透镜与光探测器所在平面的距离(即像距)并不相同。对于通常所采用的均一微透镜阵列而言，各透镜将难以同时在像平面上清晰成像。如果以视场中心清晰对焦，那么位于视场边缘的透镜由于离焦，其成像质量会大幅下降。这一现象严重制约了曲面复眼结构的发展。

另外，张洪鑫等人提出了三层曲面复眼结构，主要由三层曲面透镜阵列组成，并在三层曲面透镜阵列结构中引入了曲面场镜阵列，使系统的边缘成像质量进一步提高，视场角进一步扩大，但由于整个复眼结构尺寸较小，使得这种复眼透镜结构的加工难度较大，而且采用多层透镜阵列，各层透镜阵列的精确装配准难度也很大，所以这种结构仅停留在理论设计阶段，还无法具体实现加工使用。

再者，在David Boyd Pollock的美国专利US2007/0188653Al上提到了一种复眼结构，该结构采用了拼接的思想，每个小眼为一单独的结构进行设计、加工以及装配，该结构不仅能够实现一次性捕捉大范围的影像，而且可获得成像质量较高的图像，大大降低了后期图像处理难度。但是整个系统尺寸较大，而且整个结构并非是一体的，需要对数个单眼进行精确装配，增加了整个系统的复杂度。

综上所述，迄今周知的一些仿生复眼结构，由于受到现阶段加工工艺等条件的制约，复眼本身体积小以及大视场等特性无法同时满足。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前曲面复眼结构视场角较小，成像质量差的问题，提供一种仿生复眼结构，即可增大视场角的内侧曲面复眼透镜阵列，使该透镜在保证复眼大视场特性的同时能够获得较清晰的成像，并且要使整个结构小巧、紧凑，便于应用。

本发明提供的可增大视场角的内侧曲面复眼透镜，是以平凹透镜为基底，在内表面布置密接排布的六边形微透镜阵列构成内侧曲面复眼透镜；

该复眼透镜将平凹透镜内表面曲面顶点为中心的微透镜记为0号微透镜，与0号微透镜紧邻，由内向外依次分别命名为1号微透镜，2号微透镜……，直至N号微透镜，N表示从中心向外排列共有N层微透镜；

设平凹透镜内表面为球面，球面半径为R，0号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，也为0号微透镜的光轴，以此主轴为基准轴，每个微透镜的光轴与主轴夹角为iθ，i=0,1,2…N，除0号微透镜外，第i圈微透镜个数为6i，i=1,2…N，i=0时微透镜个数为1，微透镜的总个数S为S=3N²+3N+1，各微透镜的孔径D为D=2Rsin(θ/2)，此孔径为六边形微透镜的内切圆直径。

本发明的微透镜阵列采用六边形密接排布的形式，如图2所示，常规的透镜形状为圆形，采用如图2的排列方式是使微透镜阵列最紧密，空间利用率最高，如图所示，每个微透镜的周围都有六个与之相切的微透镜，但是三个彼此相切的微透镜间仍然存在一定的间隙，这样会使此处产生一成像死角；为此，我们将圆形的微透镜改为六边形微透镜，如图1所示，以图2的圆为内切圆作其外接的正六边形，便得到图1所示的六边形密接形式，所以此孔径为六边形微透镜的内切圆直径。

由几何光学原理可知透镜的焦距f′为

$f^{\′}=\frac{\mathrm{nrR}}{(n-1)[n(r-R)+(n-1)t]}$

其中R与r分别为透镜前后表面的曲率半径，n为透镜材料的折射率，t为透镜中心厚度。

各微透镜的前表面与平凹透镜内表面重合，所以前表面的曲率半径r_1i=R，i=0,1,2…N，各微透镜后表面的曲率半径为r_2i，则

式中，n_微为微透镜材料的折射率，t_微为微透镜中心厚度，f′_微为微透镜的焦距。

本发明的设计原理：

如图1所示，本发明将以平凹透镜内表面曲面顶点为中心的透镜记为0号微透镜，以六边形密接排布的形式向外分布微透镜，分别命名为1号微透镜，2号微透镜……，这种排布方式可使透镜阵列更加紧凑，防止成像死角的产生，而且能够增大光能的利用率。由于此种排布方式具有一定的对称性，每一圈上的微透镜具有相同的参数，如图1阴影部分所示，我们取一列微透镜来进一步说明各微透镜的位置，如图2所示，平凹透镜内表面（球面）的球心为O，球面半径为R，球面顶点与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，也为0号微透镜的光轴，以此主轴为基准轴，每个微透镜的光轴与主轴夹角为iθ（i=0,1,2…N），i表示从中心向外排列第i层微透镜，θ为临边相接的两微透镜光轴间夹角。

由图1所示的排列方式可知，当i=0时，微透镜的个数为1个，当i≥1时，记中心透镜之外的第i圈微透镜个数为6i个，所以，微透镜的总个数S可由公式S=3N²+3N+1得到，微透镜的孔径D可由D=2Rsin(θ/2)算出，这里需要说明的是，此孔径为六边形微透镜内切圆直径，加工时以此参数作为基准进行微透镜的加工。

由于微透镜阵列是分布在曲面基底上面，而现阶段所使用的光电探测器（CCD或CMOS）均为平面结构，如图2所示，在中心透镜（0号透镜）的焦点F处放置一光电探测器（CCD或CMOS），每个微透镜的光轴与探测器均有一个交点，此交点到微透镜第一面顶点的距离即为每个微透镜的焦距长度，由图2可知不同位置的微透镜到探测器的距离是不同的，如果采用相同结构的微透镜，那么所有微透镜的焦距相同，将探测器放置在中心透镜（0号透镜）的焦平面处，中心透镜（0号透镜）清晰对焦，成像清晰，而其它微透镜由于离焦其成像质量会大幅下降。为此，我们采用结构参数不同的微透镜代替结构参数相同的透镜。根据几何知识可知，每一圈的微透镜到探测器之间的距离为

$\begin{array}{cc}{l}_i=R-\frac{R-f_0}{\cos \left(\mathrm{i\θ}\right)}& i=\mathrm{0,1,2}\·\·\·N---\left(1\right)\end{array}$

其中，f₀为中心透镜（即0号透镜）的焦距，θ为相邻透镜间夹角，R为平凹透镜内表面曲率（球面）半径。根据几何成像原理，第i圈微透镜的有效焦长f_i′应与l_i相吻合，即f_i′=l_i。

由几何光学原理可知，透镜焦距公式为

$f^{\′}=\frac{\mathrm{nrR}}{(n-1)[n(r-R)+(n-1)t]}---\left(2\right)$

其中R与r分别为透镜前后表面的曲率半径，n为透镜材料的折射率，t为透镜中心厚度。

各微透镜的前表面与平凹透镜内表面重合，所以前表面的曲率半径r_1i=R，i=0,1,2…N，各微透镜后表面的曲率半径为r_2i，则根据公式（1）（2）可以得到在不同位置微透镜后表面的曲率半径为

（3）

其中，n_微为透镜材料的折射率，t_微为微透镜厚度。

如图6（a）所示，根据几何光学原理，光线入射到平凹透镜时发生折射，平凹透镜对入射到微透镜阵列的光线角度起到了扩展的作用，实际入射到微透镜阵列上的光线角度要大于没有经过平凹透镜而直接入射到微透镜阵列上的角度。为此，我们对两种不同形式的复眼透镜进行了对比，如图6所示，（a）为本发明的复眼透镜结构示意图，是在曲面内侧分布微透镜阵列，（b）是现阶段常用的一种外侧曲面复眼结构示意图，是在曲面外侧分布微透镜阵列。两种结构的微透镜阵列排布完全相同，其中，（a）结构内侧球面的曲率半径R_a与（b）结构的外侧球面曲率半径R_b相同，且两种结构中各微透镜光轴间的夹角相同，通过模拟计算得到如表1的结果，结果显示改进的复眼结构能够使复眼结构的视场角增大近50%。

表1

透镜圈数i

3

4

5

6

7

8

传统外侧复眼结构视场角

24°

32°

40°

48°

56°

64°

改进的复眼结构视场角

36°

48°

61°

74°

89°

104°

本发明的优点和有益效果：

本发明所提出的仿生复眼结构在提高整个复眼的视场角的同时，能够获得较好的成像质量，整个结构为单层，结构简单，利于实际加工、装配与应用。

附图说明

图1为本发明的复眼结构三维示意图。

图2为圆形微透镜的排布示意图。

图3为本发明复眼结构的二维示意图。图中微透镜编号对应于图一阴影部分的微透镜，L表示整个结构中心位置的厚度，7为光电探测器（CCD或CMOS）。

图4为生物复眼示意图，其中8为角膜透镜，9为晶锥，10为感杆束，11为感光细胞。

图5为两种生物复眼结构的示意图，其中（a）为并列型复眼的示意图，（b）为重叠型复眼示意图。

图6为两种不同人工复眼结构的示意图，其中（a）为本发明所设计的内侧复眼结构图，（b）为传统的外侧复眼结构示意图。

下面结合附图对本发明进行具体描述。

具体实施方式

实施例

图1为所发明的复眼结构示意图，透镜基底的材料选取光学塑料PMMA(n=1.4935)，因为光学塑料非球面一般可以用单点金刚石车削和精密模压技术来制造，且与一般光学玻璃相比，光学塑料本身也具有很多优点，诸如具有较高的透光率和较小的色散，质量轻，可大批量生产等等。其内球面半径R=10.5mm，基底中心厚度L=1.5mm，相邻透镜间夹角θ=3°，每个小透镜厚度为t=0.03mm，通光孔径为D=0.275mm，即六边形微透镜内切圆直径。中心透镜的焦距f₀=5mm。因为各微透镜的第一面与平凹透镜内表面重合，所以微透镜第一面的曲率半径r_1i=R=10.5mm,根据公式（1）（2）（3）可得中心透镜向外各微透镜第二面的曲率半径分别为r₂₀=2.1mm，r₂₁=2.07mm，r₂₂=2.06mm，r₂₃=2.05mm，r₂₄=2.02mm，r₂₅=1.98mm，r₂₆=1.93mm，r₂₇=1.86mm，r₂₈=1.79mm，r₂₉=1.79mm，r₂₁₀=1.7mm。透镜总数为331个。整个复眼透镜的视场角可达到96°，而采用传统的外侧曲面复眼透镜视场角只能达到60°。可以看出，采用所发明的复眼透镜结构可以有效的提高复眼的视场角。

Claims (1)

1.一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜，其特征在于该复眼透镜以平凹透镜为基底，在内表面布置密接排布的六边形微透镜阵列构成内侧曲面复眼透镜；

该复眼透镜将平凹透镜内表面曲面顶点为中心的微透镜记为0号微透镜，与0号微透镜紧邻，由内向外依次分别命名为1号微透镜，2号微透镜……，直至N号微透镜，N表示从中心向外排列共有N层微透镜；

设平凹透镜内表面为球面，球面半径为R，0号微透镜中心与球心O的连线定义为整个复眼透镜的主轴，也为0号微透镜的光轴，以此主轴为基准轴，每个微透镜的光轴与主轴夹角为iθ，i=0,1,2…N，除0号微透镜外，第i圈微透镜个数为6i，i=1,2…N，i=0时微透镜个数为1，微透镜的总个数S为S=3N²+3N+1，各微透镜的孔径D为D=2Rsin(θ/2)，这里的孔径为六边形微透镜的内切圆直径；

由几何光学原理可知可知透镜的焦距f′为

$f^{\′}=\frac{\mathrm{nrR}}{(n-1)[n(r-R)+(n-1)t]}$

其中R与r分别为透镜前后表面的曲率半径，n为透镜材料的折射率，t为透镜中心厚度；

各微透镜的前表面与平凹透镜内表面重合，所以前表面的曲率半径r_1i=R，i=0,1,2…N，各微透镜后表面的曲率半径为r_2i，则

式中，n_微为微透镜材料的折射率，t_微为微透镜中心厚度，f′_微为微透镜的焦距。

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