CN117008245A - 一种基于光纤传像束的仿生复眼系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列和图像采集阵列，其中：所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列；所述相干光纤传像束阵列进一步包括相干的多路光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上。本发明所实现的子眼单元相互独立且只使用一个探测器，可以实时同步采集子眼视场图像，并分析重叠视场内物体运动与三维位置信息。
Description
技术领域
本发明大视场光学成像系统和仿生复眼系统技术领域，尤其涉及基于光纤传像束的仿生复眼系统。
背景技术
复眼是一种自然界中广泛存在的多孔径光学系统，由若干个子眼排列在曲面上组成，子眼是自然界生物复眼的基本单元，复眼大视场图像可以视为所有小眼所成镶嵌像的拼接。一般的自然复眼中每个子眼由采集外界光线的角膜，传导光线信息的晶锥和接收光线信息的感杆束构成，在子眼间一般还有起到隔离光线信息防止串扰作用的色素细胞。复眼系统兼备体积小、视场大以及对运动物体敏感度高等独特优势，与传统的单孔径成像系统相比，一方面，仿生复眼成像系统通过多个子眼对物空间成像，可以在系统体积很小的情况下获取超大的视场范围；另一方面相邻子眼间的视场重叠还能够采集到光场信息，进行深度和速度的测量，从而进一步实现三维探测和运动追踪等功能，因此设计一种具有自然复眼优势的人造仿生复眼具有重要意义。
设计仿生曲面复眼的目的是尽可能的模拟生物复眼结构和功能，以获得甚至超越生物复眼所具有的独特优势。自然界昆虫的视觉敏感元排列在曲面上，但当前的光刻技术和工艺还不能满足任意弧度的曲面传感器制作，有待于相关领域的技术进步；因此当前的仿生复眼系统面临的主要问题是如何将曲面复眼阵列所成的焦曲面像转换为平面像从而可以被平面图像传感器接收，一种思路是引进一个光学中继系统。
目前已经有一些像面变换式仿生复眼结构被提出，中国专利CN112595418A《一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机》公开了使用传统光学设计的广角镜头结构作为光学中继系统，但这种方式结构复杂、体积较大、无法模拟自然复眼结构子眼间相互独立的成像过程；光纤作为传光器件具有的低损耗、良好柔性特性与自然复眼高度类似，吸引了相关研究者的关注，中国专利CN113141493A《一种重叠型复眼》公开了一种通过在光纤端面滴紫外光固化剂形成微透镜制备单子眼的仿生复眼系统，与一个只记录光强信息的光电探测器匹配用计算成像的方法重建高分辨率图像，但无法实现对现实图像的实时采集；中国专利CN115717933A《一种人造仿生复眼》公开了使用微透镜及光纤作为子眼，与成像镜头集成实现宽视场真实图像采集，但每个子眼只相当于一个像元，无法取得良好的成像效果。
综上所述，目前基于普通单模光纤或多芯光纤的仿生复眼系统成像能力差，成像范围小，无法获取目标的细节信息，应用场景有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足而提出一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，通过光纤传像束作为光学中继系统的仿生复眼系统，实现大视场实时成像。
本发明利用以下技术方案实现：
一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列和图像采集阵列，其中：
所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列，通过每个子眼镜筒与所述半圆形球壳固定连接；所述相干光纤传像束阵列进一步包括多根光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；
所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，所述相干光纤传像束阵列的输入端与所述半圆形球壳固定、所述相干光纤传像束阵列的输出端经所述光纤集束平面上与大面阵图像探测器固定；所述光纤集束平面将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上；所述相干光纤传像束阵列与所述曲面复眼透镜阵列一一匹配。
所述半圆形球壳上设置有子眼通孔，所述子眼通孔按照简化的正二十面体方式排布，与所述子眼阵列一一对应且位于同一平面上，在中心子眼周围按正五边形排布，当子眼排布圈数为奇数时，在其余子眼周围均为六边形排布。
相邻子眼之间的夹角为12°。
所述光纤集束平面上设置相干光纤传像束定位孔，所述光纤传像束定位孔在平面上按正五边形排布。
所述半圆形球壳和光纤集束平面采用金属材料的支撑结构。
所述镜筒结构中，通过压圈将子眼透镜与镜筒固定，通过连接口上的第二外螺纹与光纤传像束输入端SMA905接口连接，将光纤传像束输入端固定在子眼透镜像面位置；通过镜筒上的第一外螺纹与半圆形球壳的内螺纹连接固定。
所述子眼透镜选取小孔径单透镜且其第一表面优化为4阶偶次非球面，波长范围为可见光波段。
所述子眼透镜A1孔径为2mm，焦距为3.8mm，数值孔径为0.255，像面半径为0.497mm。
所述光纤传像束结构由外至内由涂覆层和内部呈圆形紧密排布的光纤单丝构成。
所述光纤传像束选择有效直径为1mm且数值孔径为0.5；所述单丝直径选择11μm，内部排列方式为六边形。
与现有技术相比，本发明能够达成以下的有益技术效果：
1)能够实时同步采集子眼视场(包括重叠视场)图像，并分析重叠视场内物体运动与三维位置信息；
2)能够获取超大视场内的无串扰、低畸变、高分辨率图像；
3)所实现的子眼单元相互独立，便于检测与调整；
4)只使用一个探测器，结构简单灵活，体积较小。
附图说明
图1为本发明的基于光纤传像束的仿生复眼系统原理图；
图2为本发明的半圆形球壳俯视图；
图3为本发明的子眼单元结构示意图；
图4为本发明的子眼透镜机械结构图；
图5为本发明的光纤传像束结构示意图；
图6为本发明中子眼透镜的光线追迹图；
图7为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的点列图；
图8为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的调制传递函数曲线图；
图9为光纤集束平面及相干光纤传像束定位孔示意图，(9a)相干光纤传像束定位孔排布及编号，(9b)图像传感器阵列上子图像分布模式示意图。
附图标记：
1、曲面复眼透镜阵列，2、相干光纤传像束阵列，3、图像采集阵列，11、子眼透镜阵列，12、子眼镜筒阵列，13、半圆形球壳，14、子眼通孔，21、光纤传像束，31、光纤集束平面，32、大面阵图像探测器，33、相干光纤传像束定位孔，A1、子眼透镜，A2、镜筒，A3、压圈，A4、连接口、A5、第一外螺纹，A6、第二外螺纹，A21、光纤传像束涂覆层，A22、光纤传像束内部单丝。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对技术方案做详细说明。
如图1所示，为本发明的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统原理图。该系统包括曲面复眼透镜阵列1、相干光纤传像束阵列2和图像采集阵列3。其中：
曲面复眼透镜阵列1包括子眼透镜阵列12、子眼镜筒阵列13和半圆形球壳13三部分构成。所述曲面复眼透镜阵列按简化的正二十面体投影方式自中心向周边排布在半圆形球壳13的曲面上，以采集超大视场范围内的场景信息。
相干光纤传像束阵列2进一步包括排列有序的多根光纤传像束21。相干光纤传像束阵列2的输入端和输出端分别被半圆形球壳13和大面阵图像探测器31固定，具体地，所述曲面复眼透镜阵列1自中心向周边排布在半圆形球壳13的曲面上，所述相干光纤传像束阵列2的输入端与所述半圆形球壳13固定、所述相干光纤传像束阵列2的输出端经所述光纤集束平面31上设置的相干光纤传像束定位孔33与大面阵图像探测器32固定。
将曲面复眼透镜阵列1获取的曲面场景信息按照对应关系引导到大面阵图像探测器32上；相干光纤传像束阵列2与曲面复眼透镜阵列1一一匹配。
图像采集阵列3包括光纤集束平面31和大面阵图像探测器32，大面阵图像探测器32平行安装于光纤集束平面31的后侧，实时同步采集光纤传像束所有子眼视场图像信息，并显示在计算机上。
半圆形球壳13和光纤集束平面31采用由五轴数控机床加工的金属材料的支撑结构。
如图2所示，为本发明的半圆形球壳俯视图。半圆形球壳13上分布有按照简化的正二十面体方式排布的子眼通孔14。所述子眼通孔14与子眼一一对应且位于同一平面上，在中心子眼周围按正五边形分布。当子眼排布圈数为奇数时，子眼通孔14在中心子眼周围是按照五边形均匀排布，在其余子眼周围均为六边形排布。半圆形球壳13通过内螺纹与子眼镜筒形成固定连接，并且，为了获取重叠部分光场信息，相邻子眼间夹角为12°。
如图3所示，为本发明的子眼透镜结构示意图。子眼透镜包括子眼透镜A1、连接两者的镜筒A3。镜筒A3，用于连接子眼透镜和光纤传像束。子眼透镜A1起到角膜作用，光纤传像束21起到晶锥作用，其对应在大面阵探测器阵列32上的像元区域起到感杆束的作用，完成单子眼图像的采集。子眼透镜A1通过模压工艺批量生产。
如图4所示，为本发明的镜筒结构图。通过镜筒结构上设计的压圈A5将子眼透镜A1与镜筒A2固定，通过镜筒结构上设计的连接口A4利用第二外螺纹A6与光纤传像束21输入端SMA905接口连接，将镜筒A2固定在子眼透镜A1像面位置。镜筒A2通过第一外螺纹A5与半圆形球壳13的内螺纹连接固定，保证所有子眼透镜被排列在设计所在排布位置。镜筒A2采用金属材料，由高精密机床加工制成。、
如图5所示，为本发明的光纤传像束结构示意图。其中，光纤传像束的内部结构，由外部的涂覆层A21和内部呈圆形紧密排布的光纤单丝A22构成，涂覆层A21起到色素细胞的作用，每根光纤单丝A22相当于一个像元，因此本发明提出的基于光纤传像束的仿生复眼系统每个子眼采集数千个像元的图像信息，可以仿真纸黄蜂寄生虫复眼的高分辨特性。
目前量产的小截面光纤传像束有效直径小于2mm，单丝直径在8-50μm，内部排列方式有正方形、六边形、圆形等。为了与选取的平面探测器匹配，对于本发明选用的光纤传像束A2有效直径1mm光纤传像束，数值孔径为0.5，典型单丝直径为11μm，为了获得尽可能大的填充因子，内部排列方式为六边形。光纤传像束打破了传统光学系统必须成直线或空间折线排列的固定格局，其柔性特性赋予系统布置很大自由度，并使结构更为紧凑。
光纤传像系统要求输入端光学系统数值孔径(NA)小于光纤传像束数值孔径，其像面尺寸小于光纤传像束有效直径，其分辨率水平高于光纤传像束限制；分辨率评价标准为子眼透镜均方根半径(RMS)小于光纤传像束单丝直径，在截止频率处的调制传递函数(MTF)大于0.3，对于六边形排列的光纤传像束其截止频率fc＝1/√3d，d为单丝直径，以11μm单丝直径为例，其截止频率为52lp/mm。为了使子眼结构尽可能简单，选取小孔径单透镜作为子眼透镜，通过Zemax进行结构设计，透镜第一表面优化为4阶偶次非球面，波长范围为可见光波段，为了获得大视场效果，单子眼对16°视场范围成像。设计完成的子眼透镜A1孔径为2mm，焦距为3.8mm，数值孔径为0.255，像面半径为0.497mm，符合上述设计要求，其光线追迹图如图6所示。
如图7所示，为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的点列图。
如图8所示，为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的调制传递函数曲线图。分别为上述子眼透镜A1对应的点列图和MTF，其最大RMS半径为6.372μm，52lp/mm处MTF大于0.5，满足子眼透镜A1与光纤传像束A2之间的分辨率要求。
如图9所示，光纤集束平面上的相干光纤传像束定位孔排布及编号示意图。
光纤集束平面31上按五边形排列有紧密排布的相干光纤传像束定位孔33，将对应位置的光纤传像束A2输出端插入相干光纤传像束定位孔中，使用UV固化胶固定，平齐切断多余的光纤长度，并研磨光纤端面保证成像效果，大面阵图像探测器32平行安装于光纤集束平面31后，实时同步采集光纤传像束所有子眼视场图像信息，并显示在计算机上。
本发明提供的仿生复眼系统技术方案受自然界中纸黄蜂寄生虫(Xenospeckii)启发，与并列型复眼相比，其每个子眼对应若干像素单元，可以取得更好的成像效果。本发明包括依次设置的曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列、图像采集阵列，所述复眼透镜阵列包括半圆形球壳、子眼透镜阵列和子眼镜筒阵列三部分，按简化的正二十面体投影方式自中心向周边进行排布，相干光纤传像束的输入端与子眼镜筒连接实现与子眼透镜的耦合，图像采集阵列包括光纤集束平面和大面阵图像探测器，相干光纤传像束的输出端通过光纤集束平面一一对应的相干光纤传像束定位孔直接与大面阵图像探测器相连，使用计算机上匹配的软件记录采集下的图像。
所述复眼透镜阵列都为具有相同结构的常规材料可见光波段单面非球面透镜，通过模压工艺批量制备，为了获得大视场效果，单子眼对16°视场范围成像，子眼间夹角设置为12°，可获取160°的总视场角，本系统相邻子眼间具有较大的视场重叠率，可以从中获取更多的光场信息。子眼透镜通过压圈的的方式固定在高精密机床加工的金属材料小镜筒上。
所述光纤传像束选用有效直径1mm，典型单丝直径为11μm，数值孔径为0.5，内部排列方式为圆形的商用PMMA光纤传像束。光纤传像束一端配有SMA905接口与内螺纹连接固定在子眼透镜像面位置，实现子眼单元的耦合。光纤传像束内每根单丝相当于一个像元，光纤传像束的引入打破了传统光学系统必须成直线或空间折线排列的固定格局，提高了系统自由度，并使结构更为紧凑。固定有子眼透镜的镜筒与光纤传像束连接后图像以特定位置关系被传导到图像探测器上一部分像元区域被采集，透镜、光纤传像束、像元区域分别与自然复眼的角膜、晶锥、感杆束对应。光纤传像束有涂覆层保证各子眼图像无串扰。
在设计和装配过程中需要保证的重要匹配关系有：子眼透镜数值孔径(NA)小于光纤传像束数值孔径，其像面尺寸小于光纤传像束有效直径，其分辨率水平高于光纤传像束限制；图像探测器靶面大于光纤集束平面固定的光纤束阵列面积，其分辨率水平高于光纤传像束限制。
以上所述仅为本申请的实施例，并不用于限制本发明所要申请保护的范围。对于本领域技术人员来说，凡是通过各种更改和变化、在不脱离本发明的精神和原理的情况下做出各种任何修改、等同替换或变型等，均落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列和图像采集阵列，其中：
所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列，通过每个子眼镜筒与所述半圆形球壳固定连接；所述相干光纤传像束阵列进一步包括多根光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；
所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，所述相干光纤传像束阵列的输入端与所述半圆形球壳固定、所述相干光纤传像束阵列的输出端经所述光纤集束平面上与大面阵图像探测器固定；所述光纤集束平面将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上；所述相干光纤传像束阵列与所述曲面复眼透镜阵列一一匹配。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述半圆形球壳上设置有子眼通孔，所述子眼通孔按照简化的正二十面体方式排布，与所述子眼阵列一一对应且位于同一平面上，在中心子眼周围按正五边形排布，当子眼排布圈数为奇数时，在其余子眼周围均为六边形排布。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，相邻子眼之间的夹角为12°。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述光纤集束平面上设置相干光纤传像束定位孔，所述光纤传像束定位孔在平面上按正五边形排布。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述半圆形球壳和光纤集束平面采用金属材料的支撑结构。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述镜筒结构中，通过压圈将子眼透镜与镜筒固定，通过连接口上的第二外螺纹与光纤传像束输入端SMA905接口连接，将光纤传像束输入端固定在子眼透镜像面位置；通过镜筒上的第一外螺纹与半圆形球壳的内螺纹连接固定。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述子眼透镜选取小孔径单透镜且其第一表面优化为4阶偶次非球面，波长范围为可见光波段。
8.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述子眼透镜A1孔径为2mm，焦距为3.8mm，数值孔径为0.255，像面半径为0.497mm。
9.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述光纤传像束结构由外至内由涂覆层和内部呈圆形紧密排布的光纤单丝构成。
10.如权利要求9所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述光纤传像束选择有效直径为1mm且数值孔径为0.5；所述单丝直径选择11μm，内部排列方式为六边形。
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2023
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