CN105911640A - 一种全光纤仿生复眼成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤仿生复眼成像系统，特别涉及一种微结构集成光纤作为整体复跟的成像系统。这种仿生复眼由端面经过微加工的光纤制造仿生角膜、仿生视神经从而使光信号一次聚焦、传输，且可直接与光纤探测器连接。与传统工艺相比，本发明放弃了器件组合对准制作的方法，有效减少了器件对准难度大、光损耗大、不易实用化等缺点，整个系统具有不易损坏、加工方便、高集成度、高传输效率、光学特性稳定等优点。

Description

一种全光纤仿生复眼成像系统

(一)技术领域

本发明涉及仿生复眼领域，尤其是一种采用微加工过的全光纤构造的仿生复眼成像系统。

(二)背景技术

昆虫及甲壳类节肢动物的复眼由许多结构和功能都相同的小眼组成，虽然小眼分辨率不高，但构成的复眼却有极高的灵敏度，例如：当一个物体在眼前闪过，人眼需要0.05s才能看清目标的模糊轮廓，而苍蝇仅需0.01s就能辨别其形状、大小。由于复眼是有很多小眼组成的，因而能准确的测算出其他目标的运动速度、距离等，从而实现对目标的跟踪。仿生复眼视场角大小通常由微透镜和基底结构决定。受制作工艺的限制，仿生复眼的结构发展可将其归纳为基底平面型(微透镜平面阵列+光隔离层)、曲面型(微透镜曲面阵列+光隔离层)、部分光纤型(微透镜阵列+光纤束)。

由于利用微光学制造技术加工微透镜平面阵列可以达到较高的精度，而且制造成本较低，因此前期研究主要以平面型复眼居多。平面型仿生复眼的研究主要以日本的Jun Tanida小组和德国JACQUES小组为代表。2000年日本Jun Tanida等提出一种基于蜻蜓复眼结构的TOMBO(Thin Observation Module by Bound Optics)复眼成像系统。该系统采用平板微透镜阵列，在微透镜与探测平板间创造性地引入了中间光隔离层以实现各光通道分离。

2004年德国的JACQUES等成功研制出了一个平面型并列复眼，所设计的平面模型由透镜阵列、感光层和小孔阵列组成。整个微透镜阵列采用平版印刷技术制造，为了确保每个透镜都有自己的视角，细孔之间的距离大小不一。

与平面型基底仿生复眼相比，曲面型基底仿生复眼有更大的视角。

2006年我国张红鑫等研究了两种曲面型光学复眼成像系统：单层曲面成像系统和三层曲面成像系统。将曲面场镜阵列引入曲面复眼成像系统，使其边缘视场的成像质量进一步提高，视场角进一步加大。

目前这些人造仿生复眼在制造过程中，需用聚合体材料在相邻两小眼之间构建光线保护透明墙，从而减少像元的重叠，以此获得较高的分辨率。而光纤作为一种导光纤维具有通信容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，它就像天然的生物视神经，因此在仿生复眼领域引起了各国学者的重视。

2007年，英国BAE系统公司提出一种可用机载平台的多孔径成像系统。该系统由球面分布的微型透镜阵列，中继光学元件(光纤面板FOFP)和CCD传感器组成微型多孔径复眼摄像组件。

2011年我国谭雪春等基于光纤耦合的光信号接收成像技术，设计了一种可应用于凝视激光雷达的新型光学复眼接收系统。该系统由16个透镜阵列构成，将单根光纤一端用机械装置固定于单个透镜的成像焦点，另一端连接在探测器上来实现光纤耦合光路精确对准。

有关涉及到本发明技术的文献和报道包括：[1]Tanida J，Kumagai T，Yamada K，et al.Thinobservation module by bound optics(TOM-BO)：concept and experimental verification[J].Appl Opt，2001，40(10)：1806-1813.[2]Tanida J，Kumagai T，Yamada K，et al.Observation module by boundoptics(TOMBO)：an optoelectronic image capturing system[C].SPIE，2000，4089：1030-1036.[3]JACQUES Duparré，PETER Dannberg.Micro-optically fabricated artificial appositioncompound eye[J].SPIE，2004，5301：25-33.[4]PAUL Tudela，ANDREAS Brückner，JACQUESDuparré，et al.An image restoration approach for artificial compound eyes[J].SPIE，2008，6812，DOI：10.1117/12.765328[5]张红鑫，卢振武，王瑞庭，等.曲面复眼成像系统的研究[J].光学精密工程，2006，14(3)：346-349.[6]L C Laycock，V A Handererk，Multi-aperture imaging devicefor airborne platforms[C].Electro-Optical and Infrared Systems：Technology and Applications IV，SPIE，2007，6737：1-11.[7]谭雪春，武志超，梁柱.仿生复眼接收系统设计与实验[J].光学精密工程，2011，19(5)：992-997.

目前平面型(微透镜平面阵列+光隔离层)、曲面型(透镜曲面阵列+光隔离层)、部分光纤型(微透镜阵列+光纤束)仿生复眼具有一个共同的特点：在小眼仿生时都采用了微透镜阵列、微透镜阵列与传光器件相分离(需对准组合)、整个系统采用特种加工方法加工，从而增加了制造的难度。从目前的研究结果来看，制作的仿生复眼从微透镜阵列到传光器件成像时光损耗大，造成成像模糊；而多层曲面组合系统虽然提高了复眼分辨率，但由于仿生复眼尺寸太小，增加了系统组合的难度，不易获得实用化的复眼系统。如何设计一种易于实用化、提高能量耦合效率、成像清晰的大视场仿生复眼，是推动仿生复眼实际应用的关键技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种高集成度、高耦合光功率的全光纤仿生复眼成像系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

本发明包括全光纤仿生复眼：所述全光纤仿生复眼是由一根端面经过微加工的特种光纤如多芯光纤或光子晶体光纤构成，也可由多个仿生单眼按照一定形式组合构成，每个仿生单眼由一条端面加工成微透镜的光纤构成。光纤端面的微透镜就像仿生复眼的“角膜”，光纤就像仿生复眼的“视神经”，因此外界物体反射光经光纤端面的微透镜会聚后会在光纤中传输，最后由感光元件进行成像，从而构成一个完整的仿生复眼成像系统。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的透镜可以利用光纤研磨技术，也可采用激光微刻或其它加工技术进行制作，如化学刻蚀法、化学沉积法或其他各种先进加工技术，但制作位置为光纤端面。

2、所述的光纤端面加工制成的透镜可以是圆形凸起，也可以是六边形凸起或其它形状突起。

3、所述的全光纤仿生复眼指的是微透镜与传光通道集成在一根光纤或多根光纤组合构成的传光器件。

4、所述的端面经过加工的多芯光纤或其它类似特种光纤可以一根也可以多根构造仿生复眼传光器件。

本发明具有如下优点：

(1)用端面经过加工的微结构光纤代替角膜、晶椎使光信号一次聚焦，且可直接与光电探测器连接，可极大地提高耦合光功率，提高系统的光成像能力。

(2)光纤体积小、重量轻、抗电磁干扰且传光效率高，就像天然的生物视神经。

(3)较之使用多层分离微透镜阵列、传光器件且整个系统采用特种加工方法加工的传统仿生复眼，该全光纤仿生复眼加工制作仅采用端面微加工技术，制作方法更为简易。

(4)由于仿生角膜和仿生晶椎集成在一根光纤上，不存在光学对准的问题，因此全光纤仿生复眼具有不易损坏、高集成度、高传输效率、光学特性稳定等优点。

(四)附图说明

图1为实施例1中的一种全光纤仿生复眼横截面图图

图2为实施例1中的单芯光纤剖视图

图3为实施例1中的单眼剖视图

图4为实施例2中的多芯光纤横截面图

图5为实施例2中的一根多芯光纤构造全光纤仿生复眼三维透视图

图6为实施例2中的采用CCD成像的仿生复眼系统

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明是一种全新的全光纤仿生复眼成像系统，该系统包括全光纤仿生复眼和光电探测器件。全光纤仿生复眼整体上具有多个传光纤芯的特点且光入射端面经过微加工形成至少一个微透镜。采用的光纤可以是多根端面具有微透镜结构的单芯光纤组合构造，也可以是端面经过加工的一根多芯光纤或多根该类光纤构造。图1中光纤1可以是单芯光纤也可以是多芯光纤，下面通过实施案例对本发明做更详细的描述：

实施案例1

用多根端面具有微透镜结构的单芯光纤构造全光纤仿生复眼

如图2所示，单芯光纤是由纤芯3和包层4构成，两个端面分别为光入射端5和光出射端6。通过对单芯光纤入射光端面5进行加工，将其加工成透镜2来实现仿生角膜的作用，而单芯光纤的纤芯3的折射率高于包层4的折射率，利用全反射原理光纤能将数值孔径内入射的光束缚在纤芯中进行传输，就像天然的生物视神经。因此外界物体反射光经光纤端面透镜2会聚后在光纤纤芯3内传输，在光纤的出射端6后接CCD或其它光电探测器可以探测出射光场成像。将多个这样的仿生单眼按图1或其它形状组合在一起就可构成全光纤仿生复眼。光纤1在本案例中是单芯光纤，也可以是多芯光纤或其它类似结构特种光纤，光纤1为多芯光纤时实施案例如下。

实施案例2

多芯光纤结构如图4所示，多芯光纤由多个折射率高的纤芯3和折射率低的包层4组成，多芯光纤的显著特点是在同一个包层4内有多个纤芯3。多芯光纤传光原理与单芯光纤相同，即利用全反射原理将数值孔径内入射的光束缚在纤芯3中进行传输。对多芯光纤光入射端面5进行微加工，将光纤入射光端面5加工成具有与纤芯3数目相对应的微透镜2构成的阵列，目标物体反射光经光纤光入射端面5上的透镜2会聚后在多芯光纤纤芯3内传输，在多芯光纤的光出射端6用CCD或其它光电探测器探测，可得到其出射光场的像。可以用一根多芯光纤制作全光纤仿生复眼，如图5所示。也可以由多根多芯光纤按图1所示组合构成全光纤仿生复眼。

以一根多芯光纤构造的全光纤仿生复眼为例，图6示出了全光纤仿生复眼成像系统的结构，目标物体7的反射光经由全光纤仿生复眼光入射端面5的透镜2会聚后进入多芯光纤纤芯3内传输，在多芯光纤出射端6出射，可以用透镜8将出射光场会聚至CCD探测器9上成像10。本发明成像也可以采用其它方式，如在多芯光纤制作时将各纤芯3从端面5分立引出，分别连接光电探测器或光谱仪进行光谱分析、图像合成等，在此不一一列举。

本发明案例2中使用多芯光纤进行说明，也可以使用其它具有类似结构的特种光纤通过端面微加工呈微透镜阵列构造全光纤仿生复眼。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所属权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全光纤仿生复眼，其特征在于该仿生复眼系统包括全光纤仿生复眼，CCD或光电探测器等光电探测装置。

2.根据权利要求1所述的全光纤仿生复眼，其特征在于至少包括一根端面经过微加工的特种光纤或多根端面经过微加工的光纤组合而成。

3.根据权利要求2所述的特种光纤，其特征在于：所述特种光纤是一根光纤内具有多个传光纤芯或传光通道的光纤，如多芯光纤或光子晶体光纤等。

4.根据权利要求2所述的多根端面经过微加工的光纤，其特征在于：所述光纤可为权利要求3所述的特种光纤，也可为在一根光纤内具有一个纤芯的光纤。

5.根据权利要求2所述的全光纤仿生复眼，其特征在于利用微加工技术在光纤端面制作凸透镜模仿生物角膜，利用光纤纤芯或者传光通道模仿生物视神经。

6.根据权利要求5所述的微加工，其特征在于：在光纤的光入射端面加工凸透镜的技术，该技术可为任何加工工艺的一种，如：可采用光纤端面研磨技术、也可采用激光微刻技术、化学刻蚀法、化学沉积法或其他各种先进加工技术。

7.根据权利要求5和6所述的凸透镜，其特征在于：通过微加工技术在光纤光入射端上加工出至少一个凸透镜或多个，且位于光纤光入射端面，与光纤浑然一体。

8.根据权利要求1所述的光电探测装置，其特征在于：位于光纤光出射端之后，能将全光纤仿生复眼出射光信号转换为电信号，用来模仿生物大脑中的视觉中枢，从而实现对探测物的探测。