CN110488396B - 一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法 - Google Patents

一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，属于仿生成像领域。包括渐变折射率透镜阵列、曲面支撑基底、光圈阵列和平面图像传感器。本发明采用渐变折射率透镜作为光学成像单元，通过设计和优化渐变折射率透镜的光学参数，使得每个渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，这样的结构设计能够有效的减小离轴像差。本发明不仅具有结构简单、体积小、成本低等优点，而且通过改变渐变折射率透镜的光学参数使得每个渐变折射率透镜的焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，可实现减小并列型仿生复眼离轴像差的功能。

Description

一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法
技术领域
本发明涉及一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，属于仿生成像领域。
背景技术
并列型复眼是复眼类型中一种典型的成像方式，它由若干个分布在曲面上的小眼组成，每个小眼构成一个光学通道，每个光学通道单独对物方空间一定视场范围内的目标成像，彼此之间互不干扰。并列型复眼具有原理简单、体积小等优点。为了模拟并列型复眼的成像方式，目前人们已经研制出多种并列型仿生复眼成像系统，大部分将均匀透镜阵列分布于球面基底上，然而受限于曲面图像传感器的加工工艺，目前在仿生复眼成像系统中一般采用的是平面图像传感器，这种结构由于各个小眼到平面图像传感器距离的不同，难以保证每个小眼同时在平面图像传感器上清晰成像，即如果中心子眼视场清晰对焦，边缘视场就会出现不同程度的离焦，严重影响成像质量，从而导致出现离轴像差。
渐变折射率透镜具有与普通透镜不同的光学特性。普通透镜具有均匀的折射率分布。与普通透镜不同，渐变折射率透镜具有不均匀的折射率分布的特点，这种特点让它能够对成像系统进行更加灵活的控制，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(如仿生复眼成像系统、内窥镜、医用共焦成像系统)，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，该方法能够实现较小的离轴像差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。
本发明公开的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法如下：采用渐变折射率透镜作为光学成像单元，通过设计和优化渐变折射率透镜的光学参数，使得每个渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，这样的结构设计能够有效的减小离轴像差。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，具体步骤如下：
步骤一、将若干渐变折射率透镜按照环形方式排布在曲面支撑基底上，形成装置A；装置A、光圈阵列和平面图像传感器依次放置形成并列型仿生复眼；
步骤二、曲面支撑基底曲面半径为R，平面图像传感器到曲面支撑基底圆心的距离为L，位于装置A中心的渐变折射率透镜的光轴与主光轴重合、第一环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为α1、第二环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为α2、第n环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为αn、最外环的渐变折射率透镜与主光轴的夹角为αN。为了减小并列型仿生复眼成像系统的离轴像差，需保证每环的渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，表示为：
Figure BDA0002153497980000021
其中，f0、f1、f2、fn和fN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的焦距。n00、n01、n02、n0n和n0N分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的轴心折射率。A0、A1、A2、An和AN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的折射率分布常数；Z0、Z1、Z2、Zn和ZN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的长度。
通过调节每环渐变折射率透镜包括轴心折射率、折射率分布常数以及长度等光学参数，使得每环渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，可实现减小并列型仿生复眼离轴像差的功能。
本发明公开的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像系统由目标和并列型仿生复眼成像系统组成。并列型仿生复眼成像系统由渐变折射率透镜阵列、曲面支撑基底、光圈阵列和平面图像传感器组成。渐变折射率透镜阵列由若干个渐变折射率透镜按照环形方式排布在曲面支撑基底上。曲面支撑基底上分布有若干个圆形小孔用于安装渐变折射率透镜。光圈阵列也由若干个圆形小孔组成，用于消除相邻两个渐变折射率透镜的光学串扰。每个渐变折射率透镜被光圈阵列的圆形小孔分为单独的光学通道。每个光学通道对目标的部分区域进行成像，成像在平面图像传感器上。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，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离。
有益效果
(1)本发明提出的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法和系统，利用渐变折射率透镜阵列作为光学成像单元，整个系统具有结构简单、体积小、成本低等优点。
(2)本发明提出的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法和系统，通过改变渐变折射率透镜的光学参数(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具有不同的焦距。
(3)本发明提出的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法和系统，渐变折射率透镜阵列在不同位置具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，可实现减小并列型仿生复眼离轴像差的功能。
附图说明
图1为实施例成像系统示意图；
图2为实施例并列型仿生复眼成像系统示意图；(a)为实施例并列型仿生复眼成像系统的正视图；(b)为实施例并列型仿生复眼成像系统的俯视图；
图3为实施例并列型仿生复眼成像系统的结构示意图；
图4为实施例渐变折射率透镜光线走形图；
图5为实施例不同位置渐变折射率透镜光线走形图；(a)为实施例中心渐变折射率透镜光线走形图；(b)为实施例次中心渐变折射率透镜光线走形图；(c)为实施例最边缘渐变折射率透镜光线走形图。
其中，1-待成像目标、2-并列型仿生复眼成像系统、3-渐变折射率透镜阵列、4-曲面支撑基底、5-光圈阵列、6-平面图像传感器、7-曲面支撑基底的圆形凹槽、8-光圈阵列的圆形凹槽、9-渐变折射率透镜、10-主光轴、11-中心渐变折射率透镜、12-第一环渐变折射率透镜、13-第二环渐变折射率透镜、14-第n环渐变折射率透镜、15-最外环渐变折射率透镜、16-入射平行光线、17-渐变折射率透镜的前端面、18-入射倾斜光线、19-渐变折射率透镜的后端面、20-光轴。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，如图1所示，包括待成像目标1和并列型仿生复眼成像系统2。其中待成像目标1上置于并列型仿生复眼成像系统2前方。
如图2(a)和2(b)所示，所述的并列型仿生复眼成像系统2包括：渐变折射率透镜阵列3、曲面支撑基底4、光圈阵列5和平面图像传感器6。
渐变折射率透镜阵列3由若干个渐变折射率透镜7按照环形方式排布组成。曲面支撑基底4上分布有若干个曲面支撑基底的圆形凹槽7用于安装渐变折射率透镜7。光圈阵列5也由若干个光圈阵列的圆形凹槽8组成，用于消除相邻两个渐变折射率透镜的光学串扰。每个渐变折射率透镜被光圈阵列的圆形小孔独立为一个光学通道。每个光学通道对目标的部分区域进行成像，成像在平面图像传感器6上。
若干个渐变折射率透镜7按照环形方式排布在曲面支撑基底4上，用于模拟复眼的大视场成像特点。
如图3所示，曲面支撑基底4的曲面半径为R，平面图像传感器6距离曲面支撑基底4圆心距离为L，中心渐变折射率透镜11的光轴与主光轴10重合、第一环渐变折射率透镜12与主光轴10的夹角为α1、第二环渐变折射率透镜12与主光轴10的夹角为α2、第n环渐变折射率透镜13与主光轴10的夹角为αn、第N环渐变折射率透镜14与主光轴10的夹角为αN。为了减小并列型仿生复眼成像系统的离轴像差，每环渐变折射率透镜7在不同位置上具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜7的中心到平面图像传感器6的距离，可表示为：
Figure BDA0002153497980000051
其中，f0、f1、f2、fn和fN分别为中心渐变折射率透镜11、第一环渐变折射率透镜12、第二环渐变折射率透镜13、第n环渐变折射率透镜14和最外环渐变折射率透镜15的焦距。n00、n01、n02、n0n和n0N分别为中心渐变折射率透镜11、第一环渐变折射率透镜12、第二环渐变折射率透镜13、第n环渐变折射率透镜14和最外环渐变折射率透镜15的轴心折射率。A0、A1、A2、An和AN分别为中心渐变折射率透镜11、第一环渐变折射率透镜12、第二环渐变折射率透镜13、第n环渐变折射率透镜14和最外环渐变折射率透镜15的折射率分布常数，Z0、Z1、Z2、Zn和ZN分别为中心渐变折射率透镜11、第一环渐变折射率透镜12、第二环渐变折射率透镜13、第n环渐变折射率透镜14和最外环渐变折射率透镜15的长度。
渐变折射率透镜7具有折射率径向梯度分布，入射光线在渐变折射率透镜7内的传播呈现弯曲形状，如图4所示。入射平行光线16和入射倾斜光线18分别经过渐变折射率透镜的前端面17后，以弯曲方式在渐变折射率透镜7内传播，当到达渐变折射率透镜的后端面19后，成像在平面图像传感器6上，其中入射平行光线16成像在光轴20和平面图像传感器6的交点上，入射倾斜光线18成像在平面图像传感器6的其他位置。
为了能够减小并列型仿生复眼成像系统的离轴像差，在曲面支撑基底4的不同位置的渐变折射率透镜7具有不同的焦距，如图5所示。根据式(2)可知，处于曲面支撑基底4中心位置的中心渐变折射率透镜11具有最大的焦距值，随着渐变折射率透镜7的光轴和主光轴10角度的增大，渐变折射率透镜7的焦距逐渐减小。最外环渐变折射率透镜15具有最小的焦距值。渐变折射率透镜7可以通过设计和优化其轴心折射率(n0)，折射率分布常数(A)和长度(Z)得到不同的焦距值。以调整长度值为例，中心渐变折射率透镜11具有最短的长度值Z0，最外环渐变折射率透镜15具有最长的长度值ZN。
通过调节每环渐变折射率透镜包括轴心折射率、折射率分布常数以及长度等光学参数，使得每环渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，可实现减小并列型仿生复眼离轴像差的功能。
综上所述，相比较传统方法，所述的一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法和系统采用渐变折射率透镜作为成像单元，不仅具有体积小、成本低、加工简单等优点，而且还具有能够减小离轴像差的特点。
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 (2)

1.一种用于减小并列型仿生复眼离轴像差的成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将渐变折射率透镜阵列中的若干渐变折射率透镜按照环形方式排布在曲面支撑基底上，组成装置A；装置A、光圈阵列和平面图像传感器依次放置形成并列型仿生复眼成像系统；
步骤二、曲面支撑基底曲面半径为R，平面图像传感器到曲面支撑基底圆心的距离为L，位于装置A中心的渐变折射率透镜的光轴与主光轴重合、第一环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为α1、第二环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为α2、第n环渐变折射率透镜与主光轴的夹角为αn、最外环的渐变折射率透镜与主光轴的夹角为αN；为了减小并列型仿生复眼成像系统的离轴像差，需保证每环的渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，表示为：
Figure FDA0002624696270000011
其中，f0、f1、f2、fn和fN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的焦距；n00、n01、n02、n0n和n0N分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的轴心折射率；A0、A1、A2、An和AN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的折射率分布常数；Z0、Z1、Z2、Zn和ZN分别为中心渐变折射率透镜、第一环渐变折射率透镜、第二环渐变折射率透镜、第n环渐变折射率透镜和最外环渐变折射率透镜的长度；
通过调节每环渐变折射率透镜的轴心折射率、折射率分布常数以及长度的光学参数，使得每环渐变折射率透镜具有不同的焦距，焦距值等于每个渐变折射率透镜的中心到平面图像传感器的距离，从而减小并列型仿生复眼离轴像差。
2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括待成像目标(1)和并列型仿生复眼成像系统(2)；所述待成像目标(1)上置于并列型仿生复眼成像系统(2)前方；
所述的并列型仿生复眼成像系统(2)包括：渐变折射率透镜阵列(3)、曲面支撑基底(4)、光圈阵列(5)和平面图像传感器(6)；
渐变折射率透镜阵列(3)由若干个渐变折射率透镜(9)按照环形方式排布组成；曲面支撑基底(4)上分布有若干个圆形凹槽I(7)，若干个圆形凹槽I(7)分别用于安装若干个渐变折射率透镜(9)；光圈阵列(5)包括若干个圆形凹槽II(8)，用于消除相邻两个渐变折射率透镜的光学串扰；若干个圆形凹槽I(7)与若干个圆形凹槽II(8)一一对应设置使得每个渐变折射率透镜被相应的圆形凹槽II(8)独立为一个光学通道；每个光学通道对目标的部分区域进行成像，成像在平面图像传感器(6)上。
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