CN103616758A - 180°大视场自由曲面复眼系统 - Google Patents

Abstract

一种180°大视场自由曲面复眼系统。包括从上到下依次排列的光阑层、复眼透镜阵列和图像探测器，其中第二层复眼透镜阵列从内到外依次排列有第一圈透镜阵列、第二圈透镜阵列、第三圈透镜阵列和第四圈透镜阵列，四圈透镜阵列为同心结构；光阑层中的光阑孔与复眼透镜阵列中的透镜一一对应。本发明旨在提高复眼的视场角，将复眼边缘小眼设计为自由曲面棱镜，通过光线在棱镜内的折转与自由曲面对像差的矫正，能有效的提高边缘小眼的成像质量，从而提高了复眼的视场角。本发明所提出的复眼结构体积小，结构紧凑，视场角大，成像质量高。

Description

180°大视场自由曲面复眼系统

技术领域

 本发明属于大视场角成像系统技术领域。

背景技术

生物复眼具有视场大、体积小、重量轻、对运动物体敏感等优点。生物复眼的诸多优点是现代光学系统发展的方向，人工仿生复眼在医疗、国防、监测等领域具有极大的应用潜力。复眼是一种非常小巧而精密的光学结构，不同于现在常用的单孔径光学系统，生物复眼由很多小眼组成，紧密排列在一起。每一个小眼由角膜、晶椎、感杆束和感光细胞构成一个独立的光学系统。每个小眼对视场范围内的特点区域成像，所有小眼的图像拼接为一幅大视场的图像。

生物复眼多存在于昆虫当中,因此复眼整体尺寸较小,每个子眼的尺寸从几微米到几十微米不等,复眼所含子眼的个数也从几百至几万不等。"昆虫复眼的视野非常开阔,有些昆虫水平视野范围可达240°,垂直视野范围可达360°然而,昆虫复眼的分辨率很低,通常仅有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；与人工大视场光学系统相比，由于复眼的感光细胞可以曲面排列，对大视场成像时光轴依然与像面垂直，在成像畸变上有明显的优势。

受生物复眼的启发，仿照生物复眼的结构，人们提出了很多不同形式的人工复眼结构。最初，仿生复眼结构大多为平面透镜阵列，由于子眼的光轴相互平行，平面结构的视场角主要取决于子眼的视场角，故平面复眼结构无法体现出复眼大视场的特点。又由于单透镜的结构较为简单，所得到的图像质量较差，很难在成像系统中得到应用，大部分应用于改善光源的均匀性。随着超精密加工与检测技术的不断发展，制造能力不断提高，加工精度高、表面粗糙度小、可控性强，一些新颖的具有复杂面型的光学结构得以制造。目前，为了实现大视场的人工复眼系统，国内外一些学者已经研制出一些曲面复眼结构，主要的设计方法为在曲面基底上排布紧密微透镜，根据子眼的具体位置，即子眼光轴与图像探测器的夹角和子眼离图像探测器的距离，来确定其具体的结构参数。经过结构改良，曲面复眼在视场角与图像质量上，较平面结构都有很大的提高。但是在曲面复眼视场角增大的同时，边缘子眼光轴与图像探测器之间的夹角也随之增大，这带来很大的离轴像差，要得到高质量图像，越来越困难。现阶段的曲面复眼也无法体现出生物复眼大视场角的特点。

在专利201210536921.0中，采用多层曲面结构，7个图像探测器实现复眼式的180°大视场成像，虽然实现了大视场成像，但是该系统结构复杂，对准精度要求高。

综上所述，由于受到现阶段复眼结构、成像质量等因素的制约，目前尚未研制出180°视场且结构简单的复眼光学系统。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在上述不足，提供一种可实现180°大视场成像，且结构简洁、小巧、像质高的人工自由曲面复眼光学系统。 

本发明提供的180°大视场自由曲面复眼系统，包括从上到下依次排列的光阑层、复眼透镜阵列和图像探测器，其中第二层复眼透镜阵列从内到外依次排列有第一圈透镜阵列、第二圈透镜阵列、第三圈透镜阵列和第四圈透镜阵列，四圈透镜阵列为同心结构。光阑层中的光阑孔与复眼透镜阵列中的小透镜一一对应；为消除视场盲区和方便后续图像处理，每圈透镜阵列间的视场存在重叠，且每圈阵列中小透镜之间的视场也在弧矢方向存在重叠。每圈透镜阵列的视场范围与每圈透镜阵列的个数见表1。

表1

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本发明的优点和积极效果：

本发明旨在提高复眼的视场角，将复眼边缘子眼设计为自由曲面棱镜，通过光线在棱镜内的折转与自由曲面对像差的矫正，能有效的提高边缘子眼的成像质量，从而提高了复眼的视场角。

本发明所提出的复眼结构体积小，结构紧凑，视场角大，成像质量高。 

 

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明光学透镜阵列整体结构的俯视图。

图3为第一圈透镜阵列光线追迹示意图。

图4为第二圈透镜阵列中单个小眼的光线追迹图。

图5为第三圈透镜阵列中单个小眼的光线追迹图。

图6为第四圈透镜阵列中单个小眼的光线追迹图。

图7为连接相邻两圈透镜阵列的机械结构。

图中，1光阑层、2复眼透镜阵列、3图像探测器、4第一圈透镜阵列、5第二圈透镜阵列、6第三圈透镜阵列、7第四圈透镜阵列、8机械连接结构。

 

具体实施方式

实施例1：

如图1所示为本发明180°大视场自由曲面复眼系统的整体结构，从上到下依次包括光阑层1、复眼透镜阵列2、图像探测器3。

图2为本发明复眼透镜阵列2的具体结构，包括中心第一圈透镜阵列4、第二圈透镜阵列5、第三圈透镜阵列6、第四圈透镜阵列7和每圈透镜阵列之间的机械连接结构8。其中，第一圈透镜阵列的结构为在曲面基底401上排布微小透镜402，均匀排列，403为图像探测器，共有小透镜19个。第二圈透镜阵列中的单个小透镜的光线追迹图见图4，504为图像探测器，三个有效光学面501、502和503（即图4中的501、502和503三个面）的曲面方程见式(1)，由表2可确定三个有效光学面的大小、位置和具体的曲面方程，即第二圈中的单个小透镜的结构得到确定，再以距小透镜的像面中心2.75mm处为圆心，将单个小透镜阵列15个，如图2所示即得到第二圈透镜阵列5，加工时在完整的圆环体上直接加工各个小透镜的有效光学面。第三圈透镜阵列中的单个小透镜的光线追迹图见图5，三个有效光学面601、602和603的面形及位置由式(1)、表3确定，604为图像探测器；再以距小透镜的像面中心3.75mm处为圆心，将单个小透镜阵列18个，如图2所示即得到第三圈透镜阵列6，加工时在完整的圆环体上直接加工各个小透镜的有效光学面。第四圈透镜阵列中的单个小透镜的光线追迹图见图6，三个有效光学面701、702和703的面形及位置由式(1)、表4确定，704为图像探测器；再以距小透镜的像面中心4.75mm处为圆心，将单个小透镜阵列18个，如图2所示即得到第四圈透镜阵列7，加工时在完整的圆环体上直接加工各个小透镜的有效光学面，即得到第四圈透镜阵列。机械连接结构见图7，第二、三和四圈具有内侧台肩801，第一、二和三圈具有外侧台肩802，内侧台肩801和外侧台肩802采用粘连的形式。光阑层1中的光阑孔与复眼透镜阵列2的各个小透镜一一对应；整个透镜阵列总体结构为平面结构。

 

第二、三和四圈透镜阵列中，各个小透镜有效光学面的面形为自由曲面，且只关于子午面对称，故其三个有效光学面的自由曲面方程用XY多项式表述为：

    (1)

其中z轴为光轴，r ² =x ² +y ² ，c为曲率半径，k为曲面的二次非球面常数，a _i ，b _j 为多项式系数，实施例中表2至表4给出了具体数值。式中x的奇次项系数为0。为方便后续加工，自由曲面的最高次项设置为4次，即将式(1)中，c,k及y，y ² ，y ³ ，y ⁴ ，x ² ，x ⁴ ，x ² y，x ² y ² 的系数设为变量，其它多项式系数设为0。

第二圈透镜阵列5的三个有效光学面的结构的具体参数见表2，第三圈透镜阵列6的三个有效光学面的的结构的具体参数见表3，第三圈透镜阵列7的三个有效光学面的的结构的具体参数见表4。

表2

表3

表4

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Claims (1)

1.一种180°大视场自由曲面复眼系统，其特征在于该复眼系统包括从上到下依次排列的光阑层、复眼透镜阵列和图像探测器，其中第二层复眼透镜阵列从内到外依次排列有第一圈透镜阵列、第二圈透镜阵列、第三圈透镜阵列和第四圈透镜阵列，四圈透镜阵列为同心结构；光阑层中的光阑孔与复眼透镜阵列中的透镜一一对应；为消除视场盲区和方便后续图像处理，每圈透镜阵列之间的视场存在重叠，且每圈阵列中的小透镜之间的视场也在弧矢方向存在重叠，每圈透镜阵列的视场范围与每圈透镜阵列的个数如下表所示，

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