CN113286066A - 一种微型多球面仿生复眼相机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型多球面仿生复眼相机，属于仿生光学复眼成像技术领域。多球面仿生复眼镜头与透明基底直接连接形成复眼相机上部结构，光电检测芯片放置于封装外壳之中，其输出口由引线与引脚相连接，引脚穿过封装外壳与电路板相连接，光电检测芯片、封装外壳、引线以及引脚的相对位置关系通过封装填充胶体固定形成复眼相机下部结构，将上部结构与下部结构通过封装填充胶体相粘合，并使多球面仿生复眼镜头1的成像平面与光电检测芯片的检测平面相重合。本发明的优点是多球面复眼镜头将多个子眼透镜连接为一个整体，结构紧凑、集成度高、体积小，相较于平面复眼，接收光线的角度更大、视场更广，在平面光电传感器上成像质量更好。

Description

一种微型多球面仿生复眼相机

技术领域

本发明属于仿生光学复眼成像技术领域，特别是涉及一种微型多球面仿生复眼相机装置。

背景技术

生物复眼是自然界生物在演变进化过程中形成的特殊视觉器官，其独特的成像机理使得生物复眼具有视场广、响应快等特点。受到其组成的启发，多种多样的人工仿生复眼被人们开发出来并广泛应用于病理诊断、目标跟踪、智能相机等重要领域。仿生复眼的发展也标志着现代光学向小型化、智能化、集成化的迅速发展。

目前常见的仿生复眼可分为平面复眼和曲面复眼。平面复眼子眼为平面方式排布，易于检测。曲面复眼与平面复眼相比较，在结构上和功能上都更接近天然复眼，具有更大的视场角。但是，曲面复眼子眼的非平面排列方式给其成像的光电检测带来了很大的挑战，尤其是在微光学领域。虽然一些曲面型光电传感器被学者们提出用于曲面复眼的检测，但目前商业可用于曲面成像检测的曲面型光电传感器还很少，另外，能够适用于较小尺寸微光学元件的曲面型光电传感器的制作也十分困难。因此，在一般情况下不得不采用平面型光电传感器对微型曲面复眼成像进行检测。但是，曲面复眼成像聚焦面为曲面，与平面型光电传感器的检测平面产生了匹配误差，导致成像质量较差。针对上述问题，一些学者提出了引入光波导、增加折射透镜阵列等解决方案，但这些方案为微光学领域的制造、检测、装配带来极大挑战，难以实现。

发明内容

本发明提供一种微型多球面仿生复眼相机，以解决微型曲面仿生复眼难以实现精密检测的问题。

本发明采取的技术方案是：包括多球面仿生复眼镜头、透明基底、光电检测芯片、封装填充胶体、引线、引脚、封装外壳和电路板，其中多球面仿生复眼镜头与透明基底直接连接形成复眼相机上部结构，光电检测芯片放置于封装外壳之中，其输出口由引线与引脚相连接，引脚穿过封装外壳与电路板相连接，光电检测芯片、封装外壳、引线以及引脚的相对位置关系通过封装填充胶体固定形成复眼相机下部结构，将上部结构与下部结构通过封装填充胶体相粘合，并使多球面仿生复眼镜头1的成像平面与光电检测芯片的检测平面相重合。

多球面仿生复眼镜头包括：子眼透镜、曲面基底和连接支架，若干个子眼透镜以环形方式由中心向边缘分级排布于各级曲面基底之上，各级曲面基底之间由支架相连接，同一环形阵列的子眼透镜为同一级，由中心向边缘各级子眼透镜依次命名为0、1、2、…、N级，相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、N级曲面基底外表面曲率半径R_N、折射率n应该满足下式：

在实际应用中，当检测目标图像经0级子眼透镜聚焦于光电检测芯片之上时，即0级基底外表面的曲率半径R₀、相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、折射率n已知的情况下，可根据上式分别求出1级、2级、3级、…、N级基底外表面的曲率半径R₁、R₂、…、R_N的数值。

本发明将多层曲面集成的球面复眼结构应用于微型相机，减小微型相机的体积，提高微型相机的集成度同时增加相机的成像视场角。本发明采用多球面复眼透镜，透镜包含多层通过支撑连接的曲面基底，每一层曲面基底具有不同的曲率半径，多个环形分布的子眼透镜均匀分布在曲面基底上，每个子眼透镜都具有曲率半径相同的凸球面，子眼透镜在每层曲面基底上形成环形阵列。入射光透过多球面复眼镜头聚焦在同一平面，从而使得焦平面与光电检测芯片的检测平面相重合。多球面复眼镜头与单球面复眼镜头相比，成像视场角更广。多球面复眼镜头结构紧凑、集成度高，多层基底通过支撑连接在一起形成一个整体，与其他需要装配多个镜片的镜头结构相比，避免了中心对准的困难，更易与封装好的光电检测芯片通过封装填充材料固化后固定在一起。

图像光电检测芯片用来收集透过多球面复眼透镜的光电信号，通过芯片填充材料将检测芯片固定在封装外壳内。通过设计透镜在各层曲面基底上的相对位置，使得多球面复眼镜头的焦平面正好与光电检测芯片的检测平面相重合。图像光电检测芯片通过引线将光电信号传至引脚，引脚与电路板相连，通过数据线将光电信号与外部计算机相连接，计算机对收集的光电信息进行处理，然后显示出完整的图像信息。

本发明微型多球面仿生复眼相机的优点在于：

(1)多球面复眼镜头将多个子眼透镜连接为一个整体，结构紧凑、集成度高、体积小。

(2)微型多球面仿生复眼相机内只包含一个镜头，更加易于装配，降低了光路系统的对准与调节难度。

(3)多球面复眼透镜具备曲面复眼的优点，相较于平面复眼，接收光线的角度更大、视场更广。

(4)多球面复眼透镜相较于传统单层曲面复眼，在平面光电传感器上成像质量更好。

(5)所述微型多球面仿生复眼相机采用平面光电传感器，成本低、易获取。

(6)所述微型多球面仿生复眼相机构成简单且易于实施。

附图说明

图1是本发明的立体结构图；

图2是本发明多球面复眼镜头的俯视图；

图3是本发明多球面复眼镜头的剖面图；

图4是本发明多球面复眼沿径向排列的各级透镜位置图；

图5是单球面复眼的光线追踪图；

图6是本发明多球面复眼的光线追踪图；

图7是本发明实施例聚焦位置的点列图；

图8是本发明实施例聚焦位置的调制传递函数图。

具体实施方式

如图1所示，包括多球面仿生复眼镜头1、透明基底2、光电检测芯片6、封装填充胶体7、引线5、引脚3、封装外壳8和电路板4，其中多球面仿生复眼镜头1与透明基底2直接连接形成复眼相机上部结构，光电检测芯片6放置于封装外壳8之中，其输出口由引线5与引脚3相连接，引脚3穿过封装外壳8与电路板4相连接，光电检测芯片6、封装外壳8、引线5以及引脚3的相对位置关系通过封装填充胶体7固定形成复眼相机下部结构，将上部结构与下部结构通过封装填充胶体7相粘合，并使多球面仿生复眼镜头1的成像平面与光电检测芯片6的检测平面相重合。

不同入射角度的光透过多球面复眼透镜，光线聚焦在同一平面上，焦平面与光电检测芯片的检测平面相重合。引线与引脚相焊接，检测芯片通过引线将光电信号传至引脚，引脚与电路板焊接在一起，再将检测芯片中的光电信息传送到电路板，最后通过数据线连接至计算机的图像处理系统9对收集到的光电信号进行图像处理。

多球面仿生复眼镜头1包括：子眼透镜、曲面基底和连接支架，若干个子眼透镜以环形方式由中心向边缘分级排布于各级曲面基底之上，各级曲面基底之间由支架相连接，同一环形阵列的子眼透镜为同一级，由中心向边缘各级子眼透镜依次命名为0、1、2、…、N级，相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、N级曲面基底外表面曲率半径R_N、折射率n应该满足下式：

在实际应用中，当检测目标图像经0级子眼透镜聚焦于光电检测芯片6之上时，即0级基底外表面的曲率半径R₀、相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、折射率n已知的情况下，可根据上式分别求出1级、2级、3级、…、N级基底外表面的曲率半径R₁、R₂、…、R_N的数值。

如图2、图3所示，以4级多球面复眼透镜为实验例：

多球面复眼透镜中心为0级透镜109位于0级基底112上，如图4，0级透镜109与0级基底112由双光子聚合增材制造技术直接加工为一体，并没有明显的分界线，若干个子眼透镜以环形方式由中心向边缘分级排布于各级曲面基底之上，各级曲面基底之间由支架相连接，同一环形阵列的子眼透镜为同一级，由中心向边缘各级子眼依次命名为0、1、2、…、N级，相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、N级曲面基底外表面曲率半径R_N、折射率n应该满足下式：

当检测目标图像经0级子眼透镜聚焦于光电检测芯片6之上时，即0级基底外表面的曲率半径R₀、相邻各级子眼夹角Φ、子眼曲率半径r、折射率n已知的情况下，可根据上式分别求出1级、2级、3级、…、N级基底外表面的曲率半径R₁、R₂、…、R_N的数值。

整个多球面仿生复眼镜头1由双光子聚合增材制造技术在透明基底2之上的光刻胶中直接加工而成，经显影、后烘后获得与透明基底2直接相连的多球面仿生复眼镜头1，多球面仿生复眼镜头1与透明基底2直接连接形成复眼相机上部结构。光电检测芯片6放置于封装外壳8之中，其输出口由引线5与引脚3相连接，引脚3穿过封装外壳8与电路板4相连接，光电检测芯片6、封装外壳8、引线5以及引脚3的相对位置关系通过封装填充胶体7经光固化后固定，形成复眼相机下部结构，将上部结构与下部结构通过封装填充胶体7相粘合，并使多球面仿生复眼镜头1的成像平面与光电检测芯片6的检测平面相重合。

多球面复眼透镜包括若干个子眼透镜和若干层曲面基底，每一层曲面基底上包含位于同一圆环的子眼透镜，复眼中心透镜的数量为1，子眼透镜的数量从透镜中心到透镜边缘逐级递加，从复眼透镜中心到边缘的各级子眼透镜分别记为0级透镜109、1级透镜103、2级透镜105、3级透镜110，按照同样的规则，从透镜中心到透镜边缘的各层曲面基底分别记为0级基底112、1级基底104、2级基底102、3级基底101，0级透镜109与0级基底112紧密连接在一起，两者为同种材料共同加工所得，各级曲面基底通过支架相连接，复眼镜头中心的0级透镜109通过0级支架108与1级基底104相连接，1级基底104通过1级支架111与2级基底102相连接，2级基底102通过2级支架107与3级基底101相连接。

在制造多球面复眼透镜1的过程中，为了便于清除结构内部未曝光的光刻胶，设计了支架106连接多球面复眼透镜1与透明基底2，并为显影液提供通道，如附图2中的支架106所示。各级基底之间的通孔可使显影液进入到多球面复眼透镜的内部，提高显影效率。

图4为多球面复眼透镜径向排列的各级透镜位置图，显示了各级透镜的几何关系，图5为单球面复眼的光线追踪图，可以明显看出入射光线的焦平面为一个曲面，而检测平面为一个平面，焦平面与检测平面的不匹配使得检测平面只能接收到透镜中心收集到的部分光电信号，透镜边缘的光电信号则因无法被光电检测平面接收而产生信号丢失。多球面复眼的光线追踪图对应于图6，入射光线的焦点聚焦在一个平面上，且焦平面正好与检测平面相重合。

对实施例进行仿真验证多球面复眼透镜的光学性能，实施例的多球面复眼透镜各参数如下：子眼透镜的曲率半径r为10μm，相邻各级子眼夹角Φ为10°，光刻胶的折射率n为1.5，0级曲面基底外表面的曲率半径R₀为54.4μm。

图7为实验例聚焦位置的点列图，用可见光代替白光对多球面复眼透镜进行仿真。以所述4级多球面复眼透镜为实验例，在聚焦位置距离透镜中心为0.038mm时，各级小眼透镜的聚焦光斑如图7所示，0级、1级、2级、3级小眼透镜聚焦光斑的均方根半径分别为0.049μm、0.051μm、0.056μm、0.068μm，均小于同等条件下的艾里斑半径7.78μm。证明了各级小眼透镜聚焦性能符合光学系统的需求。

图8为实验例透镜聚焦位置的调制传递函数图，从图中明显看出第3级小眼透镜的性能与其他级相比更差一些，因此若第3级小眼透镜的参数符合标准，那么多球面复眼透镜的其他级小眼透镜均符合成像要求，图中可得第3级小眼透镜切向方向上的截止频率为469线对每毫米，3级小眼透镜矢向方向上的截止频率为594线对每毫米。两个方向上的仿真结果皆优于理论值313线对每毫米，因此各级小眼透镜符合成像要求。

Claims (2)

1.一种微型多球面仿生复眼相机，其特征在于：包括多球面仿生复眼镜头、透明基底、光电检测芯片、封装填充胶体、引线、引脚、封装外壳和电路板，其中多球面仿生复眼镜头与透明基底直接连接形成复眼相机上部结构，光电检测芯片放置于封装外壳之中，其输出口由引线与引脚相连接，引脚穿过封装外壳与电路板相连接，光电检测芯片、封装外壳、引线以及引脚的相对位置关系通过封装填充胶体固定形成复眼相机下部结构，将上部结构与下部结构通过封装填充胶体相粘合，并使多球面仿生复眼镜头的成像平面与光电检测芯片的检测平面相重合。

2.根据权利要求1所述的一种微型多球面仿生复眼相机，其特征在于：所述多球面仿生复眼镜头包括：子眼透镜、曲面基底和连接支架，若干个子眼透镜以环形方式由中心向边缘分级排布于各级曲面基底之上，各级曲面基底之间由支架相连接，同一环形阵列的子眼透镜为同一级，由中心向边缘各级子眼透镜依次命名为0、1、2、…、N级，相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、N级曲面基底外表面曲率半径R_N、折射率n应该满足下式：

当检测目标图像经0级子眼透镜聚焦于光电检测芯片之上时，即0级基底外表面的曲率半径R₀、相邻各级子眼透镜夹角Φ、曲率半径r、折射率n已知的情况下，可根据上式分别求出1级、2级、3级、…、N级基底外表面的曲率半径R₁、R₂、…、R_N的数值。

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