CN116761060B - 一种微型仿生变焦复眼内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型仿生变焦复眼内窥镜，属于仿生光学复眼成像技术领域。将变焦复眼镜头和LED光源模块一起集成在平面图像传感器上，把集成后的平面图像传感器输出引脚焊接在电路板上，将焊接好的电路板与图像传输模块集成在一起，共同构成复眼内窥镜的内部结构，再将复眼内窥镜的内部结构安装在椭圆底座上，并由透明外壳将其封装起来。优点在于变焦复眼镜头采用负弯月形基底，光学系统成像球差小，光斑聚焦效果好，成像质量高，各级子眼透镜采用角度排布的方式，避免各子眼出现视场重叠，提高镜头的成像视场，微型仿生变焦复眼内窥镜采用变焦设计，减少镜头叠加和内窥镜整体的尺寸，实现微型曲面复眼镜头和平面图像传感器的直接集成。

Description

一种微型仿生变焦复眼内窥镜

技术领域

本发明属于仿生光学复眼成像技术领域，具体涉及到一种微型仿生变焦复眼内窥镜。

背景技术

由于捕食过程中的视觉刺激，昆虫及少数节肢动物进化出具有独特视觉能力的生物复眼。生物复眼的体积小、集成度高，且具有大视场、低像差和高时间分辨率的特性。受生物复眼的启发，通过模仿生物复眼的结构和功能而制造的各种仿生复眼，在医学内窥镜、大视场成像、机器人视觉、指纹识别等多种领域中展现了巨大的应用能力。

在微型复眼内窥镜领域，研究人员设计的内窥镜的镜头结构主要分为两种：平面复眼镜头和曲面复眼镜头。平面复眼镜头上的子眼透镜均排列在平面基底上，因为缺少三维的光学表面和感光元件，所以使整个内窥镜具有较小的视场和较低的图像分辨率。为了改进不足，人们转而将目光投向了结构和形态更接近于生物复眼的曲面复眼镜头。虽然曲面复眼镜头与平面复眼镜头相比具有更大的视场，但因曲面复眼镜头不能直接与平面图像传感器进行匹配，容易造成复眼聚焦效果和成像质量较差。因此，为了实现曲面复眼的各子眼透镜在平面图像传感器上的聚焦和成像，研究人员设计了各种中继元件将不同方向的入射光线引入到平面图像传感器上。如利用光纤、自对准波导、引入反折射透镜、增加棱镜等方式，这些方式引入了复杂的中继元件，不仅增加了多个元件之间的对准和组装难度，还提高了微型复眼内窥镜的整体尺寸。虽然人们又尝试通过柔性探测器解决这一问题，但对于曲面复眼的成像检测带来了困难。因此，如何解决曲面复眼镜头的聚焦问题，实现微型曲面复眼镜头和平面图像传感器的直接集成，并制备出聚焦效果和成像质量高的微型复眼内窥镜具有重大意义及挑战性。

发明内容

本发明提供一种微型仿生变焦复眼内窥镜，以解决微型仿生变焦复眼内窥镜难以实现高质量成像和小型化集成的问题。

本发明采取的技术方案是：包括变焦复眼镜头、LED光源模块、平面图像传感器、引脚、电路板、图像传输模块、椭圆底座和透明外壳，将变焦复眼镜头和LED光源模块一起集成在平面图像传感器上，把集成后的平面图像传感器输出引脚焊接在电路板上，将焊接好的电路板与图像传输模块集成在一起，共同构成复眼内窥镜的内部结构，再将复眼内窥镜的内部结构安装在椭圆底座上，并由透明外壳将其封装起来。

本发明所述变焦复眼镜头包括：负弯月形基底和子眼透镜，子眼透镜分布在负弯月形基底的上表面，通过设计负弯月型基底内外两透镜面的曲率半径R₂、R₁降低了复眼镜头的球差，提高成像质量，其中基底外侧透镜面的曲率半径R₁、基底内侧透镜面的曲率半径R₂、镜头材料折射率n、和基底中心厚度d应满足以下关系式：

本发明在负弯月形基底下方增加通孔结构。

本发明所述负弯月形基底上的子眼透镜采用间隔角度为11°的分布方式，相同角度下的子眼透镜为同一级，根据各级子眼透镜与基底中心线夹角的不同，以0°、11°、22°、…、N*11°依次命名为0、1、2、…、N级子眼。

本发明所述各级子眼透镜采用变曲率半径的设计，各级子眼透镜下的基底厚度d_N、子眼透镜焦距f_N、子眼透镜至图像传感器之间的距离L_N满足下式：

d_N＝R₁-2R₂cos(α_N) (2)

联立公式(2)、(3)、(4)得到公式(5)如下：

(n-1)(R₁cosα_N-R₁+L₀){n(R₂-r_N)+(n-1)[(h+R₁)-2R₂cosα_N]}＝nr_NR₂cosα_N (5)

其中，n，α_N，r_N和h分别代表镜头材料折射率，各级子眼透镜与基底中心线夹角，各级子眼透镜的曲率半径和子眼高度，R₁为基底外侧透镜面的曲率，R₂为基底内侧透镜面的曲率，L₀为0级子眼透镜至图像传感器之间的距离。

本发明在子眼透镜的设计过程中，通过仿真分析确定0级子眼曲率半径r₀和子眼高度h，根据基底外侧透镜面曲率半径R₁、基底内侧透镜面曲率半径R₂、镜头材料折射率n和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N，由公式(5)求出0级子眼透镜至平面图像传感器之间的距离L₀；

当0级子眼透镜到平面图像传感器之间的距离L₀、镜头材料折射率n、基底外侧透镜面的曲率R₁、基底内侧透镜面的曲率R₂、子眼高度h和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N已知的情况下，再根据公式(5)求出1级、2级、…、N级子眼透镜的曲率半径r₁、r₂、…、r_N的数值。

本发明将变焦复眼镜头应用于微型内窥镜中，减小微型内窥镜的体积，提高微型内窥镜的成像视场和成像质量。本发明采用的变焦复眼镜头由负弯月形基底和变焦子眼透镜共同组成，通过设计负弯月形基底两透镜面的曲率半径，来降低基底球差，提高系统的成像质量。对于基底上方的子眼透镜采用角度排布的方式，来避免各子眼出现视场重合，同时为了实现各级子眼透镜聚焦在同一平面上，本发明采用改变曲率半径的设计方式，使各级子眼透镜焦距f_N与各级子眼透镜到平面图像传感器之间的距离L_N相等，实现曲面复眼与平面图像传感器进行直接匹配。相比其他需要添加中继系统才能实现聚焦成像的内窥镜，本发明减少了内窥镜的整体结构尺寸，避免了多个镜头与传感器之间产生的中心对准问题。

由于复眼内窥镜工作环境光照较差，LED光源模块用来提供照明，使变焦复眼镜头能够正常接收外界的反射光线。平面图像传感器主要是把这些反射光线，转换为电信号，并传输给集成在电路板下方的图像传输模块，通过传输模块直接传输到计算机上，由计算机将其转换成完整的图像信息。由于内窥镜工作环境潮湿且对元器件的磨损较大，所以把安装在椭圆底座上的复眼内窥镜用透明外壳将其封装起来，这即保证了内窥镜的正常成像，也保护了元器件的安全性。

本发明微型变焦复眼内窥镜的优点在于：

(1)所用的变焦复眼镜头采用负弯月形基底，光学系统成像球差小，光斑聚焦效果好，成像质量高。

(2)各级子眼透镜采用角度排布的方式，避免各子眼出现视场重叠，提高镜头的成像视场。

(3)微型仿生变焦复眼内窥镜采用变焦设计，减少镜头叠加和内窥镜整体的尺寸，实现微型曲面复眼镜头和平面图像传感器的直接集成。

附图说明

图1是本发明整体立体结构的局部剖视图；

图2是本发明的整体结构装配图；

图3是本发明变焦复眼镜头的俯视图；

图4是本发明的负弯月形基底结构设计图；

图5是本发明的负弯月形基底仿真点列图；

图6是本发明的子眼透镜角度分布图；

图7是本发明的子眼透镜各级分布俯视图；

图8是本发明的变焦复眼镜头横截面示意图；

图9是本发明的子眼透镜与平面图像传感器的设计分布图；

图10是本发明的子眼透镜仿真点列图；

图11是本发明的子眼透镜均一化光强分布曲线图；

图12是本发明变焦复眼镜头子午方向上调制传递函数曲线图；

图13是本发明变焦复眼镜头弧矢方向上调制传递函数曲线图；

图14是本发明变焦复眼的光学聚焦检测图；

图15是本发明变焦复眼的光学成像检测图。

具体实施方式

如图1、图2所示，微型变焦复眼内窥镜的整体结构包括变焦复眼镜头1、LED光源模块2、平面图像传感器3、引脚4、电路板5、图像传输模块6、椭圆底座7和透明外壳8，将变焦复眼镜头1和LED光源模块2一起集成在平面图像传感器上3，使变焦复眼镜头可以在低光照的环境中实现低像差成像与聚焦，把集成后的平面图像传感器的输出引脚4焊接在电路板5上，将焊接好的电路板5与图像传输模块6集成在一起，共同构成复眼内窥镜的内部结构，再把复眼内窥镜的内部结构安装在椭圆底座7上，并由透明外壳8将其封装起来，使得复眼内窥镜在正常成像时，还能保证内部结构的安全性。

当设计好的变焦复眼内窥镜在工作时，由LED光源模块来提供照明，使变焦复眼镜头接收不同角度的反射光线，并把光线聚焦到同一个焦平面上，使焦平面与平面图像传感器的检测平面相重合。平面图像传感器把这些聚焦的光线信息转换为电信号，再将其传输给集成在电路板下方的图像传输模块，最后通过传输模块直接传输到计算机上，由计算器处理后将其转换成完整的图像信息。

如图3所示，变焦复眼镜头1主要包括：负弯月形基底101和子眼透镜102，整个变焦复眼镜头1由“飞秒激光双光子聚合”技术进行加工，通过在加工基片上滴上光刻胶，经过匀胶、前烘、激光曝光、后烘、显影和烘干完成变焦复眼镜头的加工工作，在加工中整个变焦复眼镜头所选光刻胶为OrmoDev，镜头材料折射率n为1.5，同时为了便于在显影过程中消除结构底部空腔内未聚合的光刻胶，在不影响结构成像的前提下在基底下方增加了通孔结构103，使镜头底部光刻胶可以与显影液充分接触。

为了降低了基底的球差，提高系统成像质量，设计了一种负弯月形基底101，整体结构呈现出中间薄边缘厚的特征，基底外侧透镜面的球心为O，内侧透镜面的球心为O'，为了便于计算基底中心厚度d，两球心位于同一竖直中心线上，如图4所示。同时基底外侧透镜面的曲率半径R₁、基底内侧透镜面的曲率半径R₂、镜头材料折射率n、和基底中心厚度d应满足以下关系式：

在设计过程中经过多组ZEMAX软件的仿真分析取基底外侧透镜面曲率R₁＝62μm，基底内侧透镜面曲率R₂为29μm-30.4μm，基底中心厚度d为1.2μm-4μm，随后再由光线聚焦时形成的光斑半径RMS的大小来确定最终数据，分析结果如图5所示，当基底内侧曲率半径R₂为29.8μm，基底中心厚度d为2.4μm时，RMS值最小光斑的聚焦效果最优，基底的成像像差最小，将最终数据代入公式(1)中验证发现所选参数满足设计要求。

子眼透镜102分布在负弯月形基底101的上表面，在设计过程中为了使子眼透镜获得更大的成像视场减少视场的叠加，本发明采用间隔角度为11°的分布方式，相同角度下的子眼透镜为同一级，根据各级子眼透镜与基底中心线夹角的不同，以0°、11°、22°、…、N*11°依次命名为0、1、2、…、N级子眼，本发明中以3级变焦复眼镜头为实验案例，采用间隔角为11°的分布方式，相同角度下的同级子眼透镜恰好围成一个圆形，其分布效果如图6、图7所示。

图8为3级变焦复眼镜的横截面示意图，通过图中内外侧负弯月形基底表面之间的几何关系，可推理出各级子眼透镜下基底厚度公式：

d_N＝R₁-2R₂cos(α_N) (2)

如图9所示，本发明以3级子眼透镜为例，为了使变焦复眼镜头上所有子眼透镜的焦点聚焦在同一平面上，本发明采用改变各级子眼透镜曲率半径的方式，使各级子眼透镜焦距f_N与各级子眼透镜到平面图像传感器之间的距离L_N相等，从而实现曲面复眼与平面图像传感器进行直接匹配。其中，各级子眼透镜焦距f_N与各级子眼透镜至图像传感器之间的距离L_N满足下式：

为达到设计要求，减少计算过程将公式(2)、(3)、(4)联立可得公式(5)：

(n-1)(R₁cosα_N-R₁+L₀){n(R₂-r_N)+(n-1)[(h+R₁)-2R₂cosα_N]}＝nr_NR₂cosα_N (5)

其中，n，α_N，r_N和h分别代表镜头材料折射率，各级子眼透镜与基底中心线夹角，各级子眼透镜的曲率半径和子眼高度，R₁为基底外侧透镜面的曲率，R₂为基底内侧透镜面的曲率，L₀为0级子眼透镜至图像传感器之间的距离。

在子眼透镜的设计过程中，通过仿真分析确定0级子眼曲率半径r₀和子眼高度h，根据基底外侧透镜面曲率半径R₁、基底内侧透镜面曲率半径R₂、镜头材料折射率n和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N，由公式(5)求出0级子眼透镜至平面图像传感器之间的距离L₀。

在本发明所设计的3级子眼透镜中，首先通过仿真分析设定0级子眼曲率半径r₀为12μm、子眼高度h为1μm，已知基底外侧透镜面的曲率R₁、基底内侧透镜面的曲率半径R₂、镜头材料折射率n和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N，由(5)中求出0级子眼透镜至图像传感器之间的距离L₀为37.775μm。

当0级子眼透镜到平面图像传感器之间的距离L₀、镜头材料折射率n、基底外侧透镜面的曲率R₁、基底内侧透镜面的曲率R₂、子眼高度h和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N已知的情况下，带入公式(5)中分别求出1级子眼透镜的曲率半径r₁为12.052μm；2级子眼透镜的曲率半径r₂为12.166μm；3级子眼透镜的曲率半径r₃为12.193μm。

通过上述的计算变焦复眼镜头各部分的理论参数均已得出，随后根据变焦复眼镜头的理论参数进行光学仿真分析，以证明各级小眼透镜的聚焦和成像是否符合设计要求。

应用ZEMAX软件对设计的变焦仿生复眼镜头进行光学仿真分析，以本发明所用的3级变焦复眼透镜为实验对象，各级子眼透镜的聚焦光斑点列图如图10所示，0级、1级、2级、3级子眼透镜聚焦光斑的RMS分别为0.045μm、0.072μm、0.087μm、0.283μm，均小于同等条件下的艾里斑半径3.13μm，则可以认为各级变焦子眼透镜的光学设计结构满足光学系统要求，降低了成像像差。

在ZEMAX软件的非序列模式中导入变焦复眼镜头的建模结构，沿着各级子眼透镜的主光轴方向分别添加多个椭圆光源，并在变焦复眼镜头结构后面设置平面探测器，接收来自不同方向的光源。通过预设的平面探测器，对变焦复眼镜头进行聚焦光的光强分析，同时为了更清晰地展示各级微透镜的聚焦光强，将中心子眼透镜的光强设为1，绘制了各级子眼透镜的均一化光强分布曲线，如图11所示各级子眼透镜的聚焦光强曲线都相差无几，展现了近乎均匀的光强分布，验证了变焦复眼镜头与平面图像传感器进行直接匹配的可行性。

3级变焦复眼镜头的调制传递函数曲线如图12、13所示，各级子眼透镜的截止频率，即曲线与横坐标之间的交点所对应的值，在子午方向上各级子眼透镜的截止频率分别465、456、430、415lp/mm，在弧矢方向上各级子眼透镜的截止频率分别为465、463、456、450lp/mm。与光学系统的截止频率389lp/mm相比，各级子眼透镜的截止频率均大于理论值。同时在调制传递函数值达到0.3时，子午方向和弧矢方向上的3级子眼透镜的空间频率分别为247、250lp/mm。此时，其它各级子眼透镜的空间频率均大于3级子眼透镜的空间频率。综上，成像系统中的各微透镜满足成像系统要求。

为了验证本发明提出的变焦复眼镜头的光学聚焦性，将制备好的3级变焦复眼镜头在光学检测平台上进行光学聚焦检测，分析结果如图14所示，可以清晰地看出3级变焦复眼镜头的各级子眼透镜的焦点在检测平面上几乎大小相同，亮度均匀。实验证明了本发明提出的变焦复眼镜头不仅提高了曲面仿生复眼的光学聚焦效果，还解决了边缘散焦的问题。

图15中可以清晰地表现出各级子眼透镜对字母的成像效果均一，字母“C”大小和亮度均一致，而且每个子眼透镜的成像视场无重叠现象。

Claims (2)

1.一种微型仿生变焦复眼内窥镜，其特征在于：包括变焦复眼镜头、LED光源模块、平面图像传感器、引脚、电路板、图像传输模块、椭圆底座和透明外壳，将变焦复眼镜头和LED光源模块一起集成在平面图像传感器上，把集成后的平面图像传感器输出引脚焊接在电路板上，将焊接好的电路板与图像传输模块集成在一起，共同构成复眼内窥镜的内部结构，再将复眼内窥镜的内部结构安装在椭圆底座上，并由透明外壳将其封装起来；

所述变焦复眼镜头包括：负弯月形基底和子眼透镜，子眼透镜分布在负弯月形基底的上表面，通过设计负弯月型基底内外两透镜面的曲率半径R₂、R₁降低了复眼镜头的球差，提高成像质量；

所述负弯月形基底上的子眼透镜采用间隔角度为11°的分布方式，相同角度下的子眼透镜为同一级，根据各级子眼透镜与基底中心线夹角的不同，以0°、11°、22°、…、N*11°依次命名为0、1、2、…、N级子眼；

所述各级子眼透镜采用变曲率半径的设计，各级子眼透镜下的基底厚度d_N、子眼透镜焦距f_N、子眼透镜至图像传感器之间的距离L_N满足下式：

d_N＝R₁-2R₂cos(α_N) (2)

联立公式(2)、(3)、(4)得到公式(5)如下：

(n-1)(R₁cosα_N-R₁+L₀){n(R₂-r_N)+(n-1)[(h+R₁)-2R₂cosα_N]}＝nr_NR₂cosα_N (5)

其中，n，α_N，r_N和h分别代表镜头材料折射率，各级子眼透镜与基底中心线夹角，各级子眼透镜的曲率半径和子眼高度，R₁为基底外侧透镜面的曲率，R₂为基底内侧透镜面的曲率，L₀为0级子眼透镜至图像传感器之间的距离；

在子眼透镜的设计过程中，通过仿真分析确定0级子眼曲率半径r₀和子眼高度h，根据基底外侧透镜面曲率半径R₁、基底内侧透镜面曲率半径R₂、镜头材料折射率n和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N，由公式(5)求出0级子眼透镜至平面图像传感器之间的距离L₀；

当0级子眼透镜到平面图像传感器之间的距离L₀、镜头材料折射率n、基底外侧透镜面的曲率R₁、基底内侧透镜面的曲率R₂、子眼高度h和各级子眼透镜与基底中心线夹角α_N已知的情况下，再根据公式(5)求出1级、2级、…、N级子眼透镜的曲率半径r₁、r₂、…、r_N的数值。

2.根据权利要求1所述的一种微型仿生变焦复眼内窥镜，其特征在于：在负弯月形基底下方增加通孔结构。