CN110426762A - 一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，属于仿生成像领域。包括渐变折射率透镜阵列、光圈阵列和平面图像传感器。渐变折射率透镜阵列由若干个渐变折射率透镜按照行列式排布组成。采用渐变折射率透镜阵列作为光学系统的成像单元，通过设计和优化渐变折射率透镜的光学参数(包括轴心折射率，折射率分布常数以及长度)，形成不同的成像分辨率，具有中间高分辨率、边缘低分辨率的特性，实现窝区成像功能。本发明不仅具有厚度小、体积小、成本低、加工简单等优点，而且还能实现中间高分辨率，边缘低分辨率的窝区成像。

Description

一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统
技术领域
本发明涉及一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，属于仿生成像领域。
背景技术
分辨率和实时性是成像系统的一对矛盾，传统的成像系统具有相同的分辨率，因此高分辨率意味着需要大数量像素，而处理大数量像素需要较长的处理时间，如何平衡分辨率和实时性是目前成像系统需要解决的一个重要问题。窝区成像由于其能够只对局部视场高分辨率成像、而对其他视场低分辨率成像，因此能够有效的压缩成像数据量。目前实现窝区成像的方式较多，主要方法包括空间光调制器、MEMS反射镜、不同分辨率的多通道光学系统等。复眼是昆虫的眼睛，它由若干个聚集在一起的小眼组成，每个小眼都对目标进行成像。昆虫的复眼具有大视场、小体积、对运动目标敏感等优点。并列型复眼是复眼的一种成像形式，并列型复眼的每个光学通道单独对目标成像，互不干扰。它具有结构简单、体积小、成像视场大等优点。目前人们提出了多种并列型仿生复眼的结构，包括TOMBO、APCO、eCley、oCley等系统。这些系统多采用微透镜阵列作为复眼的光学成像单元，一方面，由于微透镜阵列具有一定的焦距，图像传感器需要安装在微透镜阵列的焦距位置才能清晰成像，增加了系统的整体厚度，另一方面，而且现有的并列型仿生复眼各个光学通道具有相同的分辨率，难以实现窝区成像。
渐变折射率透镜具有不同的折射率分布的特点，具有体积小，容易加工和装配、价格低等优点，非常适合于微型光学系统，具有广泛的应用前景，而且通过优化渐变折射率的结构参数，一方面可以将工作距离降为零，即成像面为渐变折射率透镜的后端面，能够有效的减小成像距离，进而缩短系统厚度；另外一方面，可以将各个光学通道的分辨率设计为非均匀分布，使得对感兴趣的局部区域进行高分辨率成像，对不感兴趣区域进行低分辨成像，具有窝区成像的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，该方法能够实现基于渐变折射率透镜阵列的并列型仿生复眼成像，且具有结构简单、体积微小、成本低廉等优点和窝区成像的特点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于渐变折射率透镜阵列的并列型仿生复眼成像方法如下：采用渐变折射率透镜阵列作为光学系统的成像单元，通过设计和优化渐变折射率透镜的光学参数(包括轴心折射率，折射率分布常数以及长度)，使得每个渐变折射率透镜的成像面为其端面，而且每个渐变折射率透镜的焦距是不一样的，从而相对孔径和成像视场不一样，实现具有非均匀分辨率的窝区成像功能。
一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，具体步骤如下：
步骤一、采用渐变折射率透镜阵列作为光学系统的成像器件；
渐变折射率透镜的折射率nr分布为抛物线型，表示为：
其中n0为轴心折射率，A为渐变折射率透镜的折射率分布常数，r为极半径。
渐变折射率透镜的入射光线和出射光线满足式(2)：
其中，r1为入射光线在渐变折射率透镜前端面的位置，r2为出射光线在渐变折射率透镜后端面的位置，z为渐变折射率透镜的长度，为入射光线与光轴的夹角，为入射光线与光轴的夹角。
步骤二、为了缩小并列型仿生复眼成像系统的厚度，将渐变折射率透镜的后端面设置为成像面；同时为了具有窝区成像效果，需要使得每个渐变折射率透镜具有不同的焦距，因此对每个渐变折射率透镜的光学参数进行优化。
每个渐变折射率透镜具有相同的直径d，则式(2)中的出射光线在渐变折射率透镜后端面端的位置r2与光轴的距离为d/2，因此每环渐变折射率透镜的相对孔径u的表达式为：
其中，f1为最中间渐变折射率透镜的焦距、f2为次中间渐变折射率透镜的焦距、fN为最边缘渐变折射率透镜的焦距。每环渐变折射率透镜的焦距可由式(4)得到。
其中，n01、n02和n0N为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的轴心折射率，A1、A2和AN为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的折射率分布常数，z1、z2和zn为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的长度。
通过设计和优化每个渐变折射率透镜的光学参数，可以使得其相对孔径是不一样的，即成像视场是不一样的。具体通过调节轴心折射率n0，折射率分布常数A以及长度z，改变每个渐变折射率透镜的焦距，使得中间渐变折射率透镜具有小视场、长焦的特点，边缘渐变折射率透镜具有大视场、短焦的特点，同时保证相邻两个渐变折射率透镜的视场相互重叠，可实现中间高分辨率成像，边缘低分辨率成像，具有窝区成像的特点。
本发明公开的基于渐变折射率透镜阵列的并列型仿生复眼成像系统，包括：目标、渐变折射率透镜阵列、光圈阵列、平面图像传感器。渐变折射率透镜阵列由若干个渐变折射率透镜按照行列式排布组成。光圈阵列由若干个空心的方形凹槽组成。渐变折射率透镜阵列置于光圈阵列的凹槽位置。每个渐变折射率透镜和方形凹槽组成一个光学通道。每个光学通道对目标的部分小区域进行成像，成像在平面图像传感器上。渐变折射率透镜阵列的成像面和平面图像传感器重合。每个光学通道的渐变折射率透镜具有不同的光学参数，进而具有不同的焦距和相对孔径，呈现出中间渐变折射率透镜具有小视场、长焦的特点，边缘渐变折射率透镜具有大视场、短焦的特点，进而形成不同的成像分辨率，具有中间高分辨率、边缘低分辨率的特性，实现窝区成像的功能。
有益效果
(1)本发明提出的并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，利用渐变折射率透镜阵列作为光学系统的成像单元，系统具有结构简单、体积小、成本低等优点。
(2)本发明提出的并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，通过设计渐变折射率透镜的光学参数，使得成像面为渐变折射率透镜的端面，能够有效减小并列型仿生复眼成像系统的厚度。
(3)本发明提出的并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，渐变折射率透镜阵列在不同位置具有不同的光学参数，呈现出中间渐变折射率透镜具有小视场、长焦的特点，边缘渐变折射率透镜具有大视场、短焦的特点，能够对中间区域的目标高分辨成像，而对边缘区域的目标低分辨成像，实现窝区成像功能。
附图说明
图1为本发明成像系统示意图；
图2(a)为本发明成像系统组成图；
图2(b)为本发明渐变折射率透镜分布图；
图3为本发明渐变折射率透镜光线走形图；
图4(a)为本发明最中间渐变折射率透镜光线走形图；
图4(b)为本发明次中间渐变折射率透镜光线走形图；
图4(c)为本发明最边缘渐变折射率透镜光线走形图；
图5为本发明渐变折射率透镜对目标的成像视场示意图。
其中，1-目标平面、2-感兴趣目标、3-非感兴趣目标、4-并列型仿生复眼成像系统、5-渐变折射率透镜阵列、6-光圈阵列、7-平面图像传感器、8-渐变折射率透镜、9-最中间渐变折射率透镜、10-次中间渐变折射率透镜、11-最边缘渐变折射率透镜、12-渐变折射率透镜的前端面、13-渐变折射率透镜的后端面、14-入射光线、15-出射光线、16-光轴、17-最小成像物高、18-较大成像物高、19-最大成像物高、20-最中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场、21-次中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场、22-次次中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场、23-最边缘渐变折射率透镜在目标平面的成像视场。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明的具体实施方式进行说明。
窝区成像能够较好的平衡成像系统存在的分辨率和实时性的矛盾性问题，它是通过对局部区域高分辨成像，对其他区域低分辨成像实现的。
一种并列型仿生复眼窝区成像方法和系统，具体步骤如下：
提出的并列型仿生复眼窝区成像方法，包括目标平面1、并列型仿生复眼成像系统2组成。其中在目标平面1上分布有感兴趣目标2和非感兴趣目标3，以五角星和三角形为例，其中五角星为感兴趣目标，三角形为非感兴趣目标。目标平面1上的感兴趣目标2和非感兴趣目标3都被并列型仿生复眼成像系统2成像。
并列型仿生复眼成像系统2，如图1和图2(a)所示，包括渐变折射率透镜阵列5、光圈阵列6、平面图像传感器7。光圈阵列6由若干个空心的方形凹槽组成。渐变折射率透镜阵列5置于光圈阵列6的凹槽位置。每个渐变折射率透镜和方形凹槽组成一个光学通道。每个光学通道对目标的部分小区域进行成像，成像在平面图像传感器7上。
渐变折射率透镜阵列5由若干个渐变折射率透镜8按照行列式排布组成，如图2(b)所示。每个渐变折射率透镜具有不同的光学参数，进而具有不同的焦距和相对孔径，呈现出中间渐变折射率透镜具有小视场、长焦的特点，边缘渐变折射率透镜具有大视场、短焦的特点，能够对中间区域的目标高分辨成像，而对边缘区域的目标低分辨成像，实现窝区成像功能。其中包括最中间渐变折射率透镜8，次中间渐变折射率透镜9，以及最边缘渐变折射率透镜10。
渐变折射率透镜8具有折射率径向梯度分布的特点，其折射率nr具有抛物线型分布，可表示为：
其中n0为轴心折射率，A为渐变折射率透镜8的折射率分布常数，r为极半径。
渐变折射率透镜的入射光线14和出射光线15(如图3所示)满足如下矩阵：
其中，r1为入射光线14在渐变折射率透镜的前端面12的位置，r2为出射光线15在渐变折射率透镜的后端面13的位置，z为渐变折射率透镜8的长度，为入射光线14与光轴16的夹角，为出射光线15与光轴16的夹角，节距
为了缩小并列型仿生复眼成像系统的厚度，将渐变折射率透镜的后端面13设置为成像面，并与平面图像传感器7重合。同时为了使得渐变折射率透镜阵列具有不同的焦距和相对孔径，需要对每个渐变折射率透镜的光学参数进行优化。假设，每个渐变折射率透镜8的端面直径都为d，则出射光线15在渐变折射率透镜后端面13的位置r2与光轴16的距离为d/2，因此每环渐变折射率透镜8的相对孔径u的表达式为：
其中，f1为最中间渐变折射率透镜9的焦距、f2为次中间渐变折射率透镜10的焦距、fN为最边缘渐变折射率透镜11的焦距。每环渐变折射率透镜8的焦距可表示为：
其中，n01、n02和n0N为最中间渐变折射率透镜9、次中间渐变折射率透镜10以及次中间渐变折射率透镜11的轴心折射率，A1、A2和AN为最中间渐变折射率透镜9、次中间渐变折射率透镜10以及次中间渐变折射率透镜11的折射率分布常数，z1、z2和zn为最中间渐变折射率透镜9、次中间渐变折射率透镜10以及次中间渐变折射率透镜11的长度。
通过设计每个渐变折射率透镜的光学参数，使得其焦距和相对孔径是不一样的，即成像视场是不一样的，具体通过优化每个渐变折射率透镜轴心折射率n0，折射率分布常数A以及长度z。
如图4所示，对于最中间渐变折射率透镜9，其具有对目标成像的最小成像物高17，在像面上成的像高13为d，根据物像关系，其具有最长的焦距和最小的相对孔径(成像视场)。对于次中间渐变折射率透镜10，其具有对目标成像的较大成像物高18，在像面上成的像高13保持不变(d)，根据物像关系，其具有较短的焦距和较大的相对孔径(成像视场)。依次类推，对于最边缘渐变折射率透镜11，其具有对目标成像的最大成像物高19，在像面上成的像高13保持不变(为d)，根据物像关系，其具有最短的焦距和最大的相对孔径(成像视场)。
渐变折射率透镜阵列5的每个渐变折射率透镜8具有不同的焦距和相对孔径，而由于其有具有一样的像高13，因此每个渐变折射率透镜8具有在目标平面1的不同成像视场。如图5所示，最中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场20为最小(焦距最长)，次中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场21为稍大(焦距稍短)、次次中间渐变折射率透镜在目标平面的成像视场22为较大(焦距较短)、最边缘渐变折射率透镜在目标平面的成像视场23为最大(焦距最短)。渐变折射率透镜8的成像视场相互重叠以避免存在盲区。
可以看出每个渐变折射率透镜具有不同的光学参数，使得其焦距和相对孔径(成像视场)是不一样的。呈现出中间渐变折射率透镜具有小视场、长焦的特点，边缘渐变折射率透镜具有大视场、短焦的特点，而且保证相邻两个渐变折射率透镜的视场相互重叠，能够对中间区域的目标高分辨成像，而对边缘区域的目标低分辨成像，实现窝区成像的功能。
综上所述，相比较传统的并列型复眼仿生成像系统，所述的基于渐变折射率透镜阵列的并列型复眼仿生成像系统，不仅具有厚度小、体积小、成本低、加工简单等优点，而且还能实现窝区成像，即具有中间高分辨率，边缘低分辨率的特点。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种并列型仿生复眼窝区成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、采用渐变折射率透镜阵列作为光学系统的成像器件；
渐变折射率透镜的折射率nr分布为抛物线型，表示为：
其中n0为轴心折射率，A为渐变折射率透镜的折射率分布常数，r为极半径；
渐变折射率透镜的入射光线和出射光线满足式(2)：
其中，r1为入射光线在渐变折射率透镜前端面的位置，r2为出射光线在渐变折射率透镜后端面的位置，z为渐变折射率透镜的长度，为入射光线与光轴的夹角，为入射光线与光轴的夹角；
步骤二、为了缩小并列型仿生复眼成像系统的厚度，将渐变折射率透镜的后端面设置为成像面；同时为了具有窝区成像效果，需要使得每个渐变折射率透镜具有不同的焦距，因此对每个渐变折射率透镜的光学参数进行优化，优化方法如下：
每个渐变折射率透镜具有相同的直径d，则式(2)中的出射光线在渐变折射率透镜后端面端的位置r2与光轴的距离为d/2，因此每环渐变折射率透镜的相对孔径u的表达式为：
其中，f1为最中间渐变折射率透镜的焦距、f2为次中间渐变折射率透镜的焦距、fN为最边缘渐变折射率透镜的焦距；每环渐变折射率透镜的焦距可由式(4)得到；
其中，n01、n02和n0N为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的轴心折射率，A1、A2和AN为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的折射率分布常数，z1、z2和zn为最中间渐变折射率透镜、次中间渐变折射率透镜以及次中间渐变折射率透镜的长度；
通过调节轴心折射率n0，折射率分布常数A以及长度z，改变每个渐变折射率透镜的焦距，使得相对孔径不同，即成像视场不同，达到窝区成像的目的。
2.一种并列型仿生复眼窝区成像系统，其特征在于：包括渐变折射率透镜阵列(5)、光圈阵列(6)和平面图像传感器(7)；光圈阵列(6)由若干个空心的方形凹槽构成；渐变折射率透镜阵列(5)置于光圈阵列(6)的凹槽位置；每个渐变折射率透镜和方形凹槽组成一个光学通道；每个光学通道对目标的部分小区域进行成像，成像在平面图像传感器(7)上。
3.如权利要求2所述的一种并列型仿生复眼窝区成像系统，其特征在于：所述渐变折射率透镜阵列(5)由若干个渐变折射率透镜(8)组成；每个渐变折射率透镜具有不同的光学参数，能够实现窝区成像功能。
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