CN109709642A - 一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，包括等厚复眼透镜层、光纤光线传导装置与图像传感器；光纤光线传导装置是由多根锥形光纤以大端对大端、小端对小端彼此紧贴密排，整体呈锥形结构，多根锥形光纤是按照沿光纤光线传导装置的径向自中心向外以直径递增的形式排列，光纤光线传导装置的大端面外凸呈半球面状，与等厚复眼透镜层的凹面耦合，小端面为平面，与图像传感器相接；等厚复眼透镜层是由多个子眼彼此紧密相连形成的密排结构，外形与光纤光线传导装置的大端面相匹配，任一子眼均是与至少一根锥形光纤形成的光纤束相对，光纤束的尺寸与对应的子眼尺寸相匹配。本发明以锥形高集成度光纤的结构形式实现高分辨率与大视场成像。

Description

一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置

技术领域

本发明涉及仿生复眼技术领域，更具体地说是一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置。

背景技术

昆虫的复眼是由众多子眼组成，不同昆虫的子眼数目有较大差别。子眼角膜位于最外层，角膜下方就是晶锥，晶锥形状类似透明的锥体。晶锥与角膜合并在一起就形成并列复眼，并列复眼中每个小子眼就可以将目标物体成像。光线经过晶锥和角膜再由晶束进行传导，不同光照强度下晶锥形状不同，通过调节晶锥形态，把光线汇聚到子眼可接收的范围内。昆虫的复眼就是一个智能的光学成像系统，由于昆虫的复眼是由曲面构成，其视场角比较大，也可以对高速运动物体进行捕捉和标定。

复眼优点很多，众多研究学者对仿生复眼大视场成像、动态物体检测等方面进行大量的研究。人工仿生复眼有平面仿生复眼结构和三维曲面复眼结构。Tanida等人制造了平面复眼系统。这种系统就是将平面微透镜阵列直接放置在大面阵的图像传感器上，微透镜阵列会对应有隔离板通道，每个透镜对应一个通道，这样做的目的就是防止光线串扰以便更好的成像。每个子眼结合大阵列面图像传感器就能成一幅图像，透镜阵列成的阵列图像经过算法处理就可以形成一幅高分辨率的图像。但是，该课题组研究的平面复眼结构视场角小。

国内有许多大学和研究机构对复眼成像领域也进行了大量的研究。如，长春光机所曾设计了一种三层结构的复眼，单层复眼的视场角是60°，三层复眼的视场角达到88°，一定程度地提高了成像系统的视场角，但仍有待进一步提高。此外，长春光机所采用的是曲面场镜阵列的形式，无法实现100％的光纤利用率。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，以锥形高集成度光纤的结构形式能够实现高分辨率与大视场成像。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，包括等厚复眼透镜层、光纤光线传导装置与图像传感器；

所述光纤光线传导装置是由多根锥形光纤以大端对大端、小端对小端彼此紧贴密排，整体呈锥形结构，所述多根锥形光纤是按照沿光纤光线传导装置的径向自中心向外以直径递增的形式排列，所述光纤光线传导装置的大端面外凸呈半球面状，与所述等厚复眼透镜层的凹面耦合，作为光信号接收端，小端面为平面，作为光信号输出端，与所述图像传感器相接；

所述等厚复眼透镜层是由多个子眼彼此紧密相连形成的密排结构，外形与所述光纤光线传导装置的大端面相匹配，任一子眼均是与至少一根锥形光纤形成的光纤束相对，所述光纤束的尺寸与对应的子眼尺寸相匹配。

本发明的结构特点也在于：

所述子眼为六边形结构，所述等厚复眼透镜层上的子眼填充比为100％。

还包括暗盒，所述暗盒盒体不透光，以盒体内腔作为暗室，所述光线光线传导装置与图像传感器内置于所述暗室中，光信号接收端露出。

单根锥形光纤以及由多根锥形光纤构成的光纤光线传导装置均是自大端至小端粗细渐变。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用等厚复眼透镜层与锥形光纤光线传导装置耦合的复眼光学镜头装置成像，这种仿生复眼成像装置的等厚复眼透镜层是由多个子眼密排形成，可以实现对光信号的捕捉，光信号的传导依靠的是与各子眼一一对应的各锥形光纤束，通过光纤光纤传导装置的多个光纤束将光信号传输至图像传感器，实现成像。不同于传统的光学成像系统，本发明的光纤光线传导装置采用由多根粗细渐变的锥形光纤密排的形式，一根根光纤密排的效果是中间光纤细且密，周围光纤粗而疏，整体为锥形，能够实现对光信号的大视场、高分辨率成像和动态捕捉，视场角度可达到63°～+63°，也即可以实现126°的视场角。同时以平面的小端面与图像传感器相连，解决了传统曲面复眼成像面与图像传感器接收面不适配的矛盾。并且，等厚复眼透镜层采用多个六边形子眼密排的结构形式，这种异形透镜密排的形式再利用光纤导光，能够实现100％的光利用率；

2、本装置的光纤高度集成、成像大视场，不需要对光路组件精准的控制，省去了机械固定时精准调整的繁琐作业，具有轻量化易于装配和批量加工的优点，耦合度高、光学信号传输稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是等厚复眼透镜层的凸面结构示意图；

图2b是等厚复眼透镜层的立体结构示意图；

图3a是光纤光线传导装置的结构示意图；

图3b是光纤光线传导装置大端面的结构示意图；

图4是单根锥形光纤的结构示意图。

图中，1等厚复眼透镜层；2子眼；3光纤光线传导装置；4锥形光纤；5光纤包层；6光纤纤芯；7图像传感器；8暗盒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图4，本实施例的视网膜型的锥形光纤4复眼成像装置包括等厚复眼透镜层1、光纤光线传导装置3与图像传感器7；

光纤光线传导装置3是由多根锥形光纤4以大端对大端、小端对小端彼此紧贴密排，整体呈锥形结构，多根锥形光纤4是按照沿光纤光线传导装置3的径向自中心向外以直径递增的形式排列，一根根锥形光纤4密排的效果是外圈锥形光纤4粗且稀疏，越趋向中心的内圈锥形光纤4细且密集，这种具有视网膜特点的结构形式利于锥形光纤4高度集成，以高效利用空间，一则可实现对光信号的高分辨率采集和动态捕捉，二则可实现大视场成像，视场角度为-63°～+63°，还可以实现较近处物体成像。

光纤光线传导装置3的大端面外凸呈半球面状，与等厚复眼透镜层1的凹面耦合，作为光信号接收端，对大视场景物光信号信息进行捕捉；小端面为平面，作为光信号输出端，与图像传感器7的成像面相适配并相接。由图像传感器7将获取到的多子眼2通道图像经图像处理系统的处理，获得高质量图像。

等厚复眼透镜层1可由如紫外光固化技术等3D打印或采用玻璃透镜研磨技术精加工制作，其厚度按需设定，是由多个子眼2彼此紧密相连形成的密排结构，外形与光纤光线传导装置3的大端面相匹配，任一子眼2均是与至少一根锥形光纤4形成的光纤束相对，光纤束的尺寸与对应的子眼2尺寸相匹配。

其中，子眼2形状可以是圆形也可以是六边形，本实施例中，优选子眼2为六边形结构，等厚复眼透镜层1上的子眼2填充比为100％，能够实现100％的光利用率，不会出现无用区域。

参见图1，本装置还包括暗盒8，暗盒8盒体不透光，以盒体内腔作为暗室，光线光线传导装置与图像传感器7内置于暗室中，光信号接收端露出。为示出暗室结构，图中暗盒8仅示出半剖结构。暗盒8将光纤光线传导装置3与图像传感器7保护在暗室中，以除去杂散光对成像质量的影响。

单根锥形光纤4可采用光纤预制棒工艺制作，如图4所示，包括光纤包层5与光纤纤芯6，与由多根锥形光纤4构成的光纤光线传导装置3均是自大端至小端粗细渐变，使光纤集成度高，且方便与较小面积的图像传感器7耦合，解决了传统曲面复眼成像面与图像传感器7接收面不适配的矛盾。为将光纤在空间高度耦合，可以拉制出不同规格的光纤，若外圈的锥形光纤4直径太大，可以采用较粗的塑料光纤。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，其特征是：包括等厚复眼透镜层、光纤光线传导装置与图像传感器；

所述光纤光线传导装置是由多根锥形光纤以大端对大端、小端对小端彼此紧贴密排，整体呈锥形结构，所述多根锥形光纤是按照沿光纤光线传导装置的径向自中心向外以直径递增的形式排列，所述光纤光线传导装置的大端面外凸呈半球面状，与所述等厚复眼透镜层的凹面耦合，作为光信号接收端，小端面为平面，作为光信号输出端，与所述图像传感器相接；

所述等厚复眼透镜层是由多个子眼彼此紧密相连形成的密排结构，外形与所述光纤光线传导装置的大端面相匹配，任一子眼均是与至少一根锥形光纤形成的光纤束相对，所述光纤束的尺寸与对应的子眼尺寸相匹配。

2.根据权利要求1所述的视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，其特征是：所述子眼为六边形结构，所述等厚复眼透镜层上的子眼填充比为100％。

3.根据权利要求1所述的视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，其特征是：还包括暗盒，所述暗盒盒体不透光，以盒体内腔作为暗室，所述光线光线传导装置与图像传感器内置于所述暗室中，光信号接收端露出。

4.根据权利要求1所述的视网膜型的锥形光纤复眼成像装置，其特征是：单根锥形光纤以及由多根锥形光纤构成的光纤光线传导装置均是自大端至小端粗细渐变。