CN102819053A - 采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用球面光锥的大视场仿生复眼视觉系统，该系统包括依次相接的曲面复眼透镜、孔径光阑、光锥以及图像探测器；所述曲面复眼透镜包括子眼和基底，所述子眼采用六边形阵列密接排布且面型为非球面，所述基底为曲面基底，所述孔径光阑为阶梯式孔径光阑，所述光锥为圆顶光锥。本发明将圆顶光锥耦合策略作为光路传导方式，一方面可将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便平面探测器接收，另一方面可将复眼透镜所成的大视场图像等比压缩为较小的像，以使其能够全部无损地成像于小尺寸探测器上，实现耦合，从而降低对探测器尺寸的技术要求。

Description

采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统

技术领域

 

本发明涉及仿生视觉与传感技术领域。

背景技术

基于仿生学的复眼视觉理论近年来发展迅速, 是集机械学、生物学、光电子学和信息学等多学科为一体的前沿领域。由于昆虫复眼视觉系统在原理上具有大视场、高探测灵敏度等特点，使其在一些军用及民用场合具有其它视觉系统无法比拟的优势（例如导弹导航、战场机器人视觉系统及智能飞行器等，人们期望整个系统的重量轻、体积小、视场大以及对运动目标更加敏感）。复眼视觉系统可同时获取来自不同方位的原始图像信息，增大了视场范围，且对于各个视场角，均为近轴光路，降低了畸变的产生；另一方面，可利用多孔径微透镜阵列形成的多通道子眼图像组合，在不增加系统器件的前提下，实现目标的空间定位。

随着制造技术和材料科学的发展，尤其是复杂形面制造水平的提高，高精度复眼器件的制造难题已被逐渐攻破，研究热点已由单纯的器件制造工艺，逐渐过渡到对复眼结构的优化，以及针对复眼图像信息的采集、合成与应用等方向。2000年，J. Tanida带领的日本研究团队提出了名为TOMBO（Thin Observation Module by Bound Optics）的复眼单色成像系统，在整体上呈现为平面结构，可实现目标的三维成像；但每组光接收器只对应一个光采集通道，光通量较低，且平面结构也使复眼的大视场特性受到很大抑制。2004年，J. Tanida团队通过加入彩色滤波器或直接选用彩色CCD，实现了复眼彩色成像；但由于仍采用原TOMBO系统架构，因此也沿袭了平面复眼结构的缺点。2004年，J. Duparre带领的德国研究团队提出并研制了人工复眼成像系统AACO（Artificial Apposition Compound Eye Objective），系统同样基于平面结构，但采用了啁啾微透镜阵列代替普通的均匀微透镜阵列，可纠正因散光和场弯曲引起的成像失真。同年，该团队提出了基于重叠型复眼设计理念的“簇眼”结构，通过各光通道光轴的不同指向，获得了比AACO系统更大的视场。2007年，J. Duparre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，利用曲面分布的微透镜阵列代替平面结构，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；但为了保证各通道图像均聚焦于平面CCD探测器，采用了传统的透镜光学系统，对成像质量的提升相对有限。2004年，加拿大York大学研究团队提出了基于复眼结构的三维位标探测器原型“蜻蜓眼”，子眼通道采用透镜-光纤束结构，实现了将球面上的子眼图像传导在平面CCD探测器上进行成像，可快速检测运动物体的速度和距离；但“蜻蜓眼”尚停留在初始验证阶段，技术复杂度高。2007年，J. Tanida团队提出了采用基于光纤视觉组件的复眼成像系统获取三维图像，并提出利用像的放大率估计系统与物的距离；但由于制作此类组件的成本较高，且难于装配，因此难以被大规模推广应用。

2006年，长春光机所的张红鑫探索了曲面复眼成像系统的特点，提出了单层曲面复眼结构和三层曲面复眼结构，并在三层曲面复眼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。2007年以来，张红鑫针对重叠型复眼光学模型又进行了大量研究，探索了基于GRIN（Graduated Refractive Index，渐变折射率介质）的复眼晶锥设计方法，并通过光路仿真验证了可行性。2006年，南京航空航天大学的黄祝新利用多CCD相机模仿复眼子眼，通过直接剪切与组合实现大视场图像的快速拼接，再利用多目体视方法实现三维测量。2010年，中国科学技术大学的张浩提出了球面复眼多通道信息融合模型，用于在复杂背景下对快速移动物体进行高精度追踪和位置测量，并将传统的复眼双目成像探测方法扩展至多通道，理论上提高了测量精度。

综上所述，经过了多年的发展与探索，目前的复眼系统研究已向着小型化、曲面化的方向发展，愈加趋近于真实的昆虫复眼。曲面化复眼光学透镜可通过超精密加工方式实现，而探测器部分实现曲面化则存在较大难度，这是限制目前仿生复眼视场角的重要因素。受图像探测器制造工艺所限，目前的CCD/CMOS芯片均为平面式。由光学分析可知，若使曲面复眼上的所有子眼焦点均分布在同一个平面上，会导致除中央子眼外，其余所有子眼的光轴与探测器像面不垂直，从而使得像差增大。即使通过非球面优化手段，也无法保证每个子眼的聚焦效果达到理想状态。通过折转透镜虽可实现光束会聚，但带来了较大的二次畸变，抵消了复眼成像的优势。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实现大视场、低像差、结构紧凑的仿生复眼视觉系统。该系统将圆顶光锥耦合策略作为光路传导方式，一方面可将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便平面探测器接收，另一方面可将复眼透镜所成的大视场图像等比压缩为较小的像，以使其能够全部无损地成像于小尺寸探测器上，实现耦合，从而降低对探测器尺寸的技术要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，包括依次相接的曲面复眼透镜、孔径光阑、光锥以及图像探测器；所述曲面复眼透镜包括子眼和基底，所述子眼采用六边形阵列密接排布且面型为非球面，所述基底为曲面基底，所述孔径光阑为阶梯式孔径光阑，所述光锥为圆顶光锥。

所述曲面复眼透镜可采用聚甲基丙烯酸甲酯，通过单点金刚石车削或注塑进行制造，或利用玻璃加工、玻璃压铸等不同工艺予以实现，其外围采用法兰式装配。

所述曲面复眼透镜总视场角为90°。

所述孔径光阑上设有阶梯式圆孔，圆孔的中心线与复眼透镜的子眼光轴共线，圆孔靠近曲面复眼透镜的孔径较大而靠近光锥的孔径较小。

所述光锥由多束光纤熔接而成，其大端为球面小端为平面。

有益效果：本发明提出一种大视场、低像差、结构紧凑的仿生复眼视觉系统结构。它采用圆顶光锥耦合策略，将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便平面探测器接收，亦可将复眼透镜所成的大视场图像等比压缩为较小的像，以使其能够全部无损地成像于小尺寸探测器上。由此，可解决当前曲面复眼系统中，由平面探测器及曲面复眼透镜之间所产生的技术冲突，解决边缘子眼成像离焦严重的问题，可在保证像质的前提下，进一步提升系统的视场角，如图1所示。同时，由于复眼透镜基底曲率与圆顶光锥曲率一致，所有子眼距离光锥大端球面的几何尺寸理论上相等，从而大大降低了系统光学设计及优化的难度，使系统结构紧凑，成本低廉，易于实现，为研制仿生复眼仪器装备扫清技术障碍。

附图说明

图1a是常规平面探测器复眼光路聚焦图；

图1b是采用圆顶光锥策略的复眼光路聚焦图；

图2是本发明总体结构示意图；

图3是本发明中采用的曲面复眼透镜整体图；

图4是本发明中采用的曲面复眼透镜剖面图；

图5是本发明中采用的圆顶光锥图；

图6是本发明中采用的阶梯孔式光阑模型图；

图7是本发明中采用的阶梯孔式光阑剖面图；

图8a是应用本发明获得的光学鉴别率板像质评价图的原始图像；

图8b是应用本发明获得的光学鉴别率板像质评价图的经子眼成像后图像；

图9是应用本发明获得的MTF像质评价图；

图10是应用本发明获得的点列图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

以下实施例为本发明最佳实施例：

（1）系统结构组成

基于上述原理的复眼光学系统的整体架构如图2所示。系统包括依次相接的曲面复眼透镜1、孔径光阑2、圆顶光锥3、图像探测器4及相关的装配件及图像采集平台。

如图2所示，设入射光来自无穷远处，来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过曲面复眼透镜1进入视觉成像系统，经过曲面复眼透镜1上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过阶梯孔式孔径光阑2，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除，使接收器上的每个区域准确地对应于相应区域的子眼通道，不会发生串扰现象。而后，光线聚焦于圆顶光锥3的大端，即在球面表面上进行成像，由光锥将球面像无损传输至与平面图像探测器4耦合的小端，即平面端，最终在图像探测器4上实现成像。

（2）大视场曲面复眼透镜

本发明采用的大视场曲面复眼透镜采取图3方案进行研制。子眼部分采用六边形阵列密接排布形式，以消除子眼间盲区，降低图像信息量损失；复眼基底采用曲面基底，相对于平面复眼，可获得更大的视场角。本例中，透镜材料选用透光性与加工性较好的高分子材料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），采用单点金刚石车削方式完成制造，外围采用法兰式装配。

本发明采用的曲面复眼透镜总视场角α=90°，由于复眼透镜可布置较多子眼，故每个子眼透镜只需对一个较小角度的视场进行近轴成像。相较与传统单孔径系统，复眼系统对全视场范围均可视作近轴成像，因此仅通过单层透镜，即可获得较小的轴外像差。此外，每个子眼的表面可采用非球面面形，来降低轴上点球差，因此每个子眼透镜成像的像差均可控制在较小的范围内。如前所述，为了从光学系统上尽可能简化设计，每个子眼焦距均取相同设计值，且所有子眼的焦点分布在一个曲面上，每个子眼的光轴都与曲面上的对应像面垂直。

综合考虑轴外像差、子眼通光孔径与系统装配等，本发明中每个子眼的视场角α _e= 6°，在一个子午面内，若要达到90°的总视场角，需要的子眼个数为15。图4中，R _so、R _si、L _e分别表示基底外侧曲率半径、基底内侧曲率半径和子眼面型高度。综合考虑制造及装配工艺要求，本发明取R _so = 12.36mm，R _si = 11.36mm，L _e = 0.12mm，则每个子眼孔径为R _so× α _e× π/180°=1.3mm。为了使各子眼光轴均与圆顶光锥大端球面垂直，需保证光锥大端与复眼透镜基底同球心。因此，如设子眼透镜焦距为f ，则对于光锥大端球面曲率半径R _cs，可由式（1）表示：

R _cs =  R _so + L _e – f                          (1)

为了通过复眼系统实现目标空间位置的准确探测，各子眼通道的像不允许重叠，则子眼在光锥大端球面上的像高H _cs，可由式（2）表示： 

H _cs=  π× R _cs  /2n                           (2)

由透镜成像原则，有：

H _cs = 2 × f×tan(α _e/2)                        (3)

当α _e= 6°时，各子眼通道在光锥大端曲面上的成像，理论上是无间隙排列的。由于在后续孔径光阑的设计过程中，如要保证每一个α _e视场角内，有足够多的光线参与成像，则必有一定量的α _e之外的光线通过子眼透镜成像在相邻子眼的区域内，从而造成子眼串扰，导致成像质量降低。故式（3）中，α _e的实际取值应略大于理论值，方能保证相邻子像之间保留一定间隙，消除串扰现象。本发明最终取α _e= 3.8°，由上述三式可得R _cs =6.98mm，并圆整为7mm，则f = 5.48mm，如图4所示。

（3）圆顶光锥

光锥是由多束光纤熔接而成的、用于实现传像功能的光学器件，呈锥形结构，可在提供无畸变图像传输的同时，实现图像缩放。圆顶光锥制造的工艺流程为：首先对光纤丝进行精确排板，通过热熔形成光纤板坯，再切割成具有一定长度的圆柱形毛坯，并拉制成锥形，将毛坯一分为二并进行粗加工成型，最后将大端磨制成球面。本发明采用的圆顶光锥大端丝径6μm，合面胶层均匀，无尘，无气泡，无断丝。图5给出了成型后的圆顶光锥示意图，L _cs、R _cs、A _c、L _c分别表示光锥总宽、大端球面曲率半径、装配柱面长度和耦合变倍部分长度。本发明所采用CCD有效像面尺寸为6.4mm×4.8mm，考虑到装配等因素，令实际的小端平面尺寸略大于该值，取6.6mm×5.3mm，L _cs=13.2mm，A _c=1mm，L _c=10mm。

（4）图像探测器

本发明采用的图像探测器为平面式CCD，CCD图像传感器具有具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩还原好、低噪声等特点。该CCD为1/2英寸型，有效像面尺寸为6.4mm×4.8mm，像素分辨率为2048×1536，单个像元尺寸为3.2μm×3.2μm。

采用光锥策略，一方面可将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便平面探测器接收，另一方面可将复眼透镜所成的大视场图像等比压缩为较小的像，以使其能够全部无损地成像于小尺寸CCD上，实现耦合，从而降低了对CCD尺寸的技术要求。光锥大端采用球面，使得所有子眼焦距相同，故而面型参数也相同，从而简化设计。

（5）孔径光阑

为了避免不同子眼间的光线串扰，使每个子眼只对特定视场角α _e（本实例中为6°）范围内的物体成像。本发明在复眼透镜与光锥之间加设孔径光阑，如图6所示。孔径光阑结构采用阶梯式圆孔排布，孔的轴线与复眼透镜的子眼光轴共线。采用阶梯圆孔的方式，一方面可以避免采用大孔径通孔时导致相邻孔在内侧球面相交，另一方面可以避免采用小孔径通孔时导致的子眼通光量不足。因此，阶梯孔靠近透镜的孔径较大，以保证通光量，靠近光锥的孔径较小，避免了相邻孔相交，而且相当于提供了视场光阑和渐晕光阑，既保证α _e视场之外的光线不能通过，又阻挡边缘成像质量较低的光线。应用此方案时，对阶梯孔中大小两孔的同轴度要求较高，且由于孔径较小，从制造工艺上考虑，径深比不宜过大。本例中，取光阑外球面与复眼透镜基底内球面间隙为0.36mm，光阑内球面与光锥大端球面间隙为0.5mm。令R _do、R _do、Φ _hb、L _hb、Φ _hs、L _hs分别表示光阑外球面曲率半径、内球面曲率半径、大孔的孔径、深度以及小孔的孔径、深度。本实例中取R _do=11mm，R _do=7.5mm，Φ _hb=0.8mm，L _hb =2mm，Φ _hs =0.6mm，L _hs=0.6mm。

应用上述实施方式进行系统集成，同时对采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统进行像质评价，效果如下图所示。其中，图8给出了标准光学鉴别率板的原始图和经子眼成像后的效果图。图9和图10分别给出了子眼透镜的MTF像质评价图和点列图。由于本发明中复眼透镜中的各个子眼参数相同，因此成像效果均可由下图表示。

由上述可见，采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统结构，可克服平面探测器在曲面复眼成像中的局限性，有利于大视场、低像差、结构紧凑的仿生复眼视觉系统实现，改善了复眼视觉系统的成像像质，具有非常重要的应用价值。。

Claims (5)

1.一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，其特征在于：包括依次相接的曲面复眼透镜（1）、孔径光阑（2）、光锥（3）以及图像探测器（4）；所述曲面复眼透镜（1）包括子眼（5）和基底，所述子眼（5）采用六边形阵列密接排布且面型为非球面，所述基底为曲面基底，所述孔径光阑（2）为阶梯式孔径光阑，所述光锥（3）为圆顶光锥。

2.根据权利要求1所述一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，其特征在于：所述曲面复眼透镜（1）可采用聚甲基丙烯酸甲酯，通过单点金刚石车削或注塑进行制造，或利用玻璃加工、玻璃压铸等不同工艺予以实现，其外围采用法兰式装配。

3.根据权利要求1或2所述一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，其特征在于：所述曲面复眼透镜（1）总视场角为90°。

4.根据权利要求1所述一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，其特征在于：所述孔径光阑（2）上设有阶梯式圆孔（7），圆孔（7）的中心线与复眼透镜的子眼光轴共线，圆孔（7）靠近曲面复眼透镜（1）的孔径较大而靠近光锥（3）的孔径较小。

5.根据权利要求1所述一种采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，其特征在于：所述光锥（3）由多束光纤熔接而成，其大端为球面，小端为平面。

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