CN211786240U - 仿生复眼成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种仿生复眼成像装置，属于光学成像领域。所述装置包括：由N路光纤集束组合形成的多路光纤集束；M个镜头，所述多路光纤集束中M路光纤集束的每路光纤集束的前端面处设置有所述镜头，其中，N和M均为大于1的正整数，且M不大于N；光纤集束汇集模块，所述多路光纤集束中的每路光纤集束的后端面通过所述光纤集束汇集模块彼此连结形成单路集束；以及光电成像器件，与所述光纤集束汇集模块耦合。所述装置能够突破高分辨率和大成像视场的矛盾，能够实现三维空间定位、运动目标快速跟踪、超分辨重建与识别等仿生功能特征。

Description

仿生复眼成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体地涉及一种仿生复眼成像装置。

背景技术

传统单眼成像存在诸多缺陷：1)大视场与高分辨率的矛盾；2)大视场与小体积的矛盾；3)成像过程丢失景物三维信息问题；4)缺乏生物视觉对运动物体的探测、跟踪和判断能力。

仿生复眼成像装置能够在一定程度上解决上述缺陷，因此，仿生复眼成像装置是当前国内外重点发展的重要技术。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种仿生复眼成像装置，用于初步解决传统单眼成像存在的诸多缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种仿生复眼成像装置，所述装置包括：由N路光纤集束组合形成的多路光纤集束；M个镜头，所述多路光纤集束中M路光纤集束的每路光纤集束的前端面处设置有所述镜头，其中，N和M均为大于1的正整数，且M不大于N；光纤集束汇集模块，所述多路光纤集束中的每路光纤集束的后端面通过所述光纤集束汇集模块彼此连结形成单路集束；以及光电成像器件，与所述光纤集束汇集模块耦合。

可选的，所述装置进一步包括：对焦套筒，所述镜头通过所述对焦套筒安装于对应的光纤集束的所述前端面上，其中，所述对焦套筒可移动地固定于所述前端面上，所述镜头安装与所述对焦套筒上。

可选的，所述光纤集束的前端面处套设有端面保护套筒，所述镜头安装于所述端面保护套筒上。

可选的，所述多路光纤集束为多路柔性传像光纤集束，所述多路光纤集束的每路光纤集束能够以预设范围内的任意角度弯曲。

可选的，所述多路光纤集束的每路光纤集束的长度被设置以使得在被弯曲的情况下不同镜头之间的基线距离能够超过至少1m。

可选的，在所述多路光纤集束的第一光纤集束被弯曲的情况下，所述第一光纤集束的底部与所述光纤集束汇集模块的前端面保持垂直。

可选的，所述光纤集束汇集模块与所述光电成像器件直接耦合；或者所述光纤集束汇集模块与所述光电成像器件通过光学耦合结构耦合。

可选的，所述光纤集束的截面为矩形。

可选的，所述镜头为子眼镜头。

本实用新型实施例提供的仿生复眼成像装置中，采用镜头在光纤集束端面上进行成像，使用多路光纤集束对镜头所成的图像的光信号进行传输，在光纤集束汇集模块各路图像的光信号汇聚拼合，光电成像器件将汇聚拼合后的光信号转换成图像的电信号并输出。所述仿生复眼成像装置能够突破高分辨率和大成像视场的矛盾，能够实现三维空间定位、运动目标快速跟踪、超分辨重建与识别等仿生功能特征，相当于提供了一种新型高效的成像模式。

本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一实施例的仿生复眼成像装置的结构示意图；

图2示出了光纤集束汇集与光电成像器件直接耦合的剖面示意图；

图3示出了光纤集束汇集与光电成像器件通过光学耦合结构耦合的剖面示意图；

图4示出了柔性传像光纤集束剖面的弯曲角度示意图；

图5示出了柔性传像光纤集束的角面弯曲角度示意图；

图6示出了仿生复眼成像装置的水平视场范围示意图；

图7和图8分别示出了仿生复眼成像装置的总立体视场范围示意图；以及

图9示出了仿生复眼成像装置的传像模式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。

本实用新型模拟了突眼蝇的成像方式。突眼蝇是具有明显突出的眼柄特征的昆虫，复眼子眼处于伸长的眼柄末端，眼柄总长度能达到与蝇身等长，甚至1.5倍于身长。与其它大视场成像装置相比，仿生复眼存在种种优势：与鱼眼相机相比，仿生复眼具有体积重量小、无畸变和能进行目标三维定位的优点；与普通多相机装置相比，仿生复眼有体积小、结构紧凑稳定的优点。除此之外，仿生复眼还有快速追踪目标、重叠视场超分辨处理等种种优势应用。

图1示出了根据本实用新型一实施例的仿生复眼成像装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例提供一种仿生复眼成像装置，该装置可以包括：由多路光纤集束3组合形成的多路光纤集束、设置于多路光纤集束中的单路光纤集束的前端面处的镜头1、用于将多路光纤集束汇集成单路集束的光纤集束汇集模块4、与所述光纤集束汇集模块耦合的光电成像器件5。

所述多路光纤集束中光纤3的前端面可以分散的角度呈现，例如每路光纤集束3的前端面彼此之间均有一定的距离。所述多路光纤集束可以由N路光纤集束3组合形成，所述N可以为大于1任意正整数，例如，可以是5、 7、9等等。可以在至少一部分的光纤集束3的前端面处设置有镜头1以进行成像，例如，可以具有M个镜头1，则可以在M路光纤集束3的每路光纤集束3的前端面处设置一个镜头1，其中，N和M均为大于1的正整数，且M不大于N。镜头1例如可以可拆卸地设置于光纤的前端面处，则可以每次根据实际需要为任意合适数量的光纤设置镜头1。在优选情况下，M可以等于N，即，每路光纤集束3的前端面处设置一个镜头1。

多路光纤集束的光纤集束3的前端面处可以套设有端面保护套筒2，用于对光纤集束3的前端面进行保护防止磨损。端面保护套筒2可以由任意合适的材质组成。镜头1可以设置的端面保护套筒2上。所述镜头1可以是复眼子眼镜头，但是本实用新型实施例并不限制于此，可采用普通相机镜头、微透镜阵列镜头、自由曲面透镜或单透镜替代复眼子镜头。

在可选实施例中，可以设置对焦套筒11。镜头1可以安装于对焦套筒上 11，对焦套筒11可以可移动地固定于光纤的前端面上。例如，对焦套筒11 与端面保护套筒2可以是通过螺纹固定的，通过旋转来使对焦套筒11移动。或者，对焦套筒11与端面保护套筒2可以通过滑轨固定。使得对焦套筒11 可以在滑轨上移动。通过调节对焦套筒11的位置，可以灵活调节镜头1的对焦距离。

如图1中所示，光纤集束汇集模块4可以是一多路集束汇集套筒，但是本实用新型实施例并不限制于此，例如，也可以采用胶合、熔化焊接、外力约束固定或其它汇集方法将光纤集束汇集在一起。

光电成像器件5可以是任意合适的器件，例如可以是图像传感器，如CMOS、CCD等。

光纤集束的截面可以为矩形，多路矩形截面的光纤集束组合，形成更大更大面积的光纤集束。各路光纤集束组合的结果是各路图像得到汇总，图像之间只产生固定有限宽度的接合缝。光纤集束的而两端可以呈标准的几何面。

多路光纤集束可以是多路柔性传像光纤集束，在实际应用中，每路柔性传像光纤集束能够以预设范围内的任意角度弯曲。可以理解，如果多路光纤集束中每路光纤集束的弯曲角度固定，则光纤集束也可以不是柔性的，而实具有固定弯曲角度的非柔性光纤集束。光纤的材质可以是玻璃(例如，石英玻璃等)、聚合物、塑料等。在可扩展实施例中，多路光纤集束也可以使用渐变折射率光纤或单根光纤进行替代。图1中示出的多路柔性传像光纤集束中，中间的柔性传像光纤集束没有弯曲，而侧面的柔性传像光纤集束以某一角度弯曲。然而可以理解，图1仅为示意性的，在实际应用中，可以将每个柔性传像光纤集束以任意角度弯曲或者不进行弯曲。

在优选实施例中，采用子眼镜头在光纤集束端面上进行成像，使用多路柔性传像光纤集束，使得能以任意角度和排布方式进行图像传输，在集束末端各路图像汇聚拼合，使用光电成像器件进行图像信号输出，实现了复眼子眼以任意视轴方向和基线距离排布的功能。

接下来以镜头为“子眼镜头”、多路光纤集束为“多路柔性传像光纤集束”为例，对本实用新型的实施例进行进一步的说明。

图2示出了光纤集束汇集与光电成像器件直接耦合的剖面示意图。如图 2所示，子眼镜头6设置在柔性传像光纤7的前端面上。多路柔性传像光纤集束在光纤集束汇集模块中汇聚为单路集束8。单路集束8的后端面与光电成像器件的感光面直接耦合形成直接耦合结构9，从而通过光电成像器件输出单路集束8后端面图像。

图3示出了光纤集束汇集与光电成像器件通过光学耦合结构耦合的示意图。如图3所示，多路柔性传像光纤集束在光纤集束汇集模块中汇聚为单路集束，单路集束的后端面通过光学耦合结构10与光电成像器件。光学耦合结构与光纤集束汇集模块可以相连接或者具有特定间隔。光学耦合结构将单路集束后端面图像汇聚到光电成像器件的感光面，以进行图像输出。光学耦合结构10可以是微距镜头或者其他合适的透镜组的耦合结构。

图4示出了柔性传像光纤集束剖面的弯曲角度示意图。如图4所示，在将侧边的光纤集束进行弯曲的过程中，光纤集束中所有光纤单丝以相同的角度θ进行弯曲，且光纤集束底部(后端面处)始终与所述光纤集束汇集模块的前端面保持垂直，或者也可以描述为光纤集束的后端面始终与后端面处光纤单丝的保持垂直关系，从而防止光纤集束的后端面不会因为光纤集束的弯曲而导致后端面的不平整。另外，光纤集束的前端面也始终与单丝在前端面处部分保持垂直关系。

图5示出了柔性传像光纤集束的角面弯曲角度示意图。如图5所示，角面的光纤集束在弯曲过程中，光纤集束内的所有光纤单丝以相同的角度σ进行弯曲，且光纤集束前端面始终与光纤单丝的前端面部分保持垂直关系，光纤集束后端面与光纤单丝的后端面部分保持垂直关系。

图6示出了仿生复眼成像装置的水平视场范围示意图。如图6所示，原复眼子眼的水平视场范围为FOV，光纤集束弯曲θ角度后，在无限远处，仿生复眼成像装置的总水平视场范围增加到了FOV+2θ。

图7和图8示出了仿生复眼成像装置的总立体视场范围示意图。原复眼子眼的总立体视场范围为FOV╳FOV，通过设置多路柔性传像光纤集束弯曲角度，通过调节弯曲角度和设置光纤集束长度，可实现非重叠大视场成像、中心视场部分重叠成像和平行光轴完全重叠视场成像、短基线距离的多目图像融合和长基线距离的多目测距等功能，其中，基线距离是指镜头之间的距离。例如，在可选情况下，每路光纤集束的长度可以被设置以使得在光纤集束被弯曲的情况下，不同镜头之间的基线距离能够超过至少1m，从而实现精准的三维成像。

图9示出了仿生复眼成像装置的传像模式示意图。如图9所示，仿生复眼成像装置的传像模式中存在各路光纤集束的镜头形成成像输入端，由多路光纤集束形成图像传输端，由光纤集束汇集模块和光电成像器件形成的图像汇聚输出端。光纤集束长度L在实际应用中可依据场合灵活确定长度，每一光纤集束的长度可以相同或不同。

光电成像器件输出的信号可以被送入数字视频图像处理装置进行大视场图像拼接、图像超分辨处理、多目测距、三维重建和快速跟踪等处理。

在可选的实际应用中，如图5所示，本实用新型采用多路柔性传像光纤集束，可将子眼镜头(例如，至少部分子眼镜头)构成重叠成像模式，在重叠视场区实现场景信息的重采样。通过重叠视场区的特征点法匹配，可实现大视场成像。通过对重叠视场具有的亚像素重叠采样，结合高精度配准和超分辨图像重建，可获得超越探测器限的高分辨成像。部分重叠成像模式能构成类似人眼中心高分辨成像并周边大视场搜索的视觉模式，解决探测器大视场与高分辨率的矛盾。

在可选的实际应用中，本实用新型的重叠视场具有较普通双目视觉装置更好的立体视觉能力，可实现空间目标三维定位。多路柔性传像光纤集束的弯曲角度可事先校准，将各子眼镜头视轴方向和基线距离进行标定，利用多个子眼图像中空间目标像点的像素二维位置信息，联合确定出目标空间三维位置，以进行目标测距和三维重建。

另外可采用神经网络的深度学习方法进行，根据子眼获取的子视场目标信息，建立深度学习网络，在基于多路柔性传像光纤集束的仿生复眼成像装置上进行各种目标运动的训练，建立深度学习网络并进行三维定位。

针对本实用新型的仿生复眼成像装置，可采用仿昆虫复眼的快速目标测距和跟踪方法。根据装置中目标出现在不同子眼视场中的数目信息，同一目标在各子眼中出现数目较多，则距离较远，反之则较近，通过研究这种对应关系，完成对空间目标定位和运动目标的快速检测。

针对目标三维测距和定位的结果，可以对场景和目标进行三维重建，从而增强仿生复眼装置对复杂场景的感知和理解功能。

总的来说，本实用新型实施例采用子眼镜头在光纤集束端面上进行成像，使用多路柔性传像光纤集束，能以任意角度和排布方式进行图像传输，在集束末端各路图像汇聚拼合，以CMOS、CCD或光学耦合的方法进行图像信号输出，实现了复眼子眼以任意视轴方向和基线距离排布的功能。

另外，本实用新型实施例能够实现大视场成像；进行高于探测器分辨力的超分辨成像；实现精确的长基线的多目立体视觉，可实现目标三维空间定位以及运动目标快速跟踪；增强对目标的探测、识别能力。本实用新型实施例也可以可以应用在无人机导航、避障与定位、目标探测、搜索与跟踪等领域；能够实现针对目标的测距与三维重建，针对场景的大视场成像、超分辨和动态感知。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种仿生复眼成像装置，其特征在于，所述装置包括：

由N路光纤集束组合形成的多路光纤集束；

M个镜头，所述多路光纤集束中M路光纤集束的每路光纤集束的前端面处设置有所述镜头，其中，N和M均为大于1的正整数，且M不大于N；

光纤集束汇集模块，所述多路光纤集束中的每路光纤集束的后端面通过所述光纤集束汇集模块彼此连结形成单路集束；以及

光电成像器件，与所述光纤集束汇集模块耦合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

对焦套筒，所述镜头通过所述对焦套筒安装于对应的光纤集束的所述前端面上，其中，所述对焦套筒可移动地固定于所述前端面上，所述镜头安装与所述对焦套筒上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光纤集束的前端面处套设有端面保护套筒，所述镜头安装于所述端面保护套筒上。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多路光纤集束为多路柔性传像光纤集束，所述多路光纤集束的每路光纤集束能够以预设范围内的任意角度弯曲。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多路光纤集束的每路光纤集束的长度被设置以使得在被弯曲的情况下不同镜头之间的基线距离能够超过至少1m。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述多路光纤集束的第一光纤集束被弯曲的情况下，所述第一光纤集束的底部与所述光纤集束汇集模块的前端面保持垂直。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述光纤集束汇集模块与所述光电成像器件直接耦合；或者

所述光纤集束汇集模块与所述光电成像器件通过光学耦合结构耦合。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光纤集束的截面为矩形。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述镜头为子眼镜头。

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