CN216748162U - 一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，属于光学成像系统设计技术领域，包括半球空心形透镜衬底、与半球空心形透镜衬底外侧连接的第一阻光层、与半球空心形透镜衬底内侧连接的第二阻光层，以及13个穿设于第一阻光层、半球空心形透镜衬底和第二阻光层的成像单元。本方案在半球空心形透镜衬底中心的可见光成像单元生成多光谱图像，其余可见光成像单元均设置窄带滤光片，对宽光谱图像进行光谱分离，使之成为红、绿和蓝三基色，从而获得更为准确的光谱信息，扩大系统的应用范围和场景；第一阻光层和第二阻光层，能够有效吸收或屏蔽了外界非目标波段光线的干扰以及相邻复眼透镜光线的串扰，提高系统的成像质量。

Description

一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统

技术领域

本实用新型属于光学成像系统设计技术领域，尤其涉及一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统。

背景技术

传统成像仪器由于自身结构限制导致其视场较小，且存在场曲等问题，而受到昆虫等节肢动物的复眼启发，制造出的仿生复眼透镜具有大视场、分辨率高、对快速运动物体影像捕捉灵敏等优点。多光谱成像是实现精确光谱分离，获取不同波段图像信息的一项重要技术，结合数字图像处理技术，可用于揭示普通相机难以观察到的隐藏信息；将多光谱成像应用于复眼透镜可以扩大其应用范围并且具有复眼透镜的优点；复眼透镜具有多子眼结构，因此适用于曲面复眼透镜系统。多光谱复眼透镜具有多光谱成像、体积小、集成度高、精准成像且场曲较小等优势，可以广泛应用于机器人视觉、生物医学、航天航空、国防安全等方面。

现有的普通复眼透镜的工作光谱多为可见光，不能满足光谱分离成像的需求，而一些多光谱复眼透镜在成像光路前放置一个多通道彩色滤光片，以实现光谱分离成像，这样会增加系统的复杂性，同时会带来复眼透镜和滤波器之间的匹配问题，由于复眼透镜与滤波器的位置不匹配会导致成像质量降低；为了扩大复眼透镜的成像范围和成像精度，采用多复眼透镜组合成平面阵列进行成像，但由于多个复眼透镜安置于同一平面，降低了光能的利用率同时又限制了整个系统的视场且系统景深受限；同时由于组合排列的复眼透镜共同成像的基本工作原理，紧密布置的独立复眼透镜成像时会存在相互串扰的现象，降低组合复眼透镜系统的成像质量。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统在感光传感器和单个复眼之间添加窄带滤光片形成统一整体，并将不同的单元的复眼透镜集成在一个曲面衬底上，同时在半球空心形透镜衬底外侧单个复眼透镜之间添加第一阻光层，在半球空心形透镜衬底内侧中心的可见光成像单元分别与内六边形圈上各成像单元间添加第二阻光层，有效避免了外界非目标波段光线的干扰以及相邻复眼透镜光线的串扰，解决了普通成像仪器视场较小、成像质量差和场曲严重的问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，包括半球空心形透镜衬底、与半球空心形透镜衬底外侧连接的第一阻光层、与半球空心形透镜衬底内侧连接的第二阻光层，以及13个穿设于第一阻光层、半球空心形透镜衬底和第二阻光层的成像单元。

本实用新型的有益效果为：本方案提供的一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，在成像单元中添加窄带滤光片，使得该结构不仅能分波段捕获红、绿、蓝波段的图像，还可以通过中心未添加滤光片的复眼透镜生成多光谱图像，能获得更为准确的光谱信息，便于后续提高图像质量和图像信息的提取；本方案将将曲面复眼透镜排列在半球空心形透镜衬底结构上构成一种大视场曲面复眼透镜阵列，扩大了曲面复眼透镜接收光线范围，使得多光谱成像更加完整，图像边缘更加清晰，同时增大系统景深，保证同一种波段的复眼透镜拥有面积均匀接收视场，保证不同角度入射的光线都拥有相同的利用率；本方案添加了第一阻光层和第二阻光层，有效吸收或屏蔽了非目标波段光线的干扰以及相邻透镜光线的串扰，提高了最终生成图像的质量。

进一步地，所述13个成像单元包括设置于半球空心形透镜衬底中心的可见光成像单元、设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第一红光成像单元、与第一红光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点第二红光成像单元、与第一红光成像单元一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第一绿光成像单元、与第一绿光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第二绿光成像单元、与第一红光成像单元另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第一蓝光成像单元、与第一蓝光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第二蓝光成像单元、设置于第一红光成像单元与第一绿光成像单元对称轴与半球空心形透镜衬底外六边形圈交点的第三蓝光成像单元、与第三蓝光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底外六边形圈顶点的第四蓝光成像单元、与第三蓝光成像单元一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底外六边形圈顶点的第三红光成像单元、与第三红光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底外六边形圈顶点的第四红光成像单元、与第三蓝光成像单元另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底内六边形圈顶点的第三绿光成像单元，以及与第三绿光成像单元相对设置于半球空心形透镜衬底外六边形圈顶点的第四绿光成像单元，其中半球空心形透镜衬底外内六边形圈和外六边形圈的中心与可见光成像单元的中心重合。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述成像单元排列在一个半球空心形的衬底上，扩大了接收外界光线的范围，增大了组合复眼透镜的视场，有效解决复眼透镜系统边缘成像差的问题，并改善了场曲，提高了系统整体的成像质量并增大了景深。

进一步地，所述可见光成像单元、第一红光成像单元、第二红光成像单元、第一绿光成像单元、第二绿光成像单元、第一蓝光成像单元、第二蓝光成像单元、第三蓝光成像单元、第四蓝光成像单元、第三红光成像单元、第四红光成像单元、第三绿光成像单元和第四绿光成像单元均包括半球空心形透镜衬底层、设置于半球空心形透镜衬底外侧的曲面复眼透镜，以及与曲面复眼透镜相对设置于半球空心形透镜衬底内侧的感光传感器。

采用上述进一步方案的有益效果为：各所述成像单元通过将多个曲面复眼透镜放置在半球形空心衬底结构上，扩大系统视场和景深，边缘成像清晰。

进一步地，所述第二阻光层相对可见光成像单元的曲面复眼透镜分别与第一红光成像单元的曲面复眼透镜、第二红光成像单元的曲面复眼透镜、第一绿光成像单元的曲面复眼透镜、第二绿光成像单元的曲面复眼透镜、第一蓝光成像单元的曲面复眼透镜和第二蓝光成像单元的曲面复眼透镜之间设置于半球空心形透镜衬底内侧。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过所述第二阻光层用于防止半球空心形透镜衬底中心位置处的可见光成像单元的光进入相邻的第一红光成像单元、第二红光成像单元、第一绿光成像单元、第二绿光成像单元、第一蓝光成像单元、第二蓝光成像单元的感光传感器中。

进一步地，所述曲面复眼透镜包括若干个子眼透镜；

各所述子眼透镜的焦距均为曲面复眼透镜到感光传感器的距离。

采用上述进一步方案的有益效果为：各所述成像单元通过设置若干个子眼透镜，通过调节其子眼透镜的口径和矢高设计，来保证三种波段的复眼透镜对三种波长的光线都具有相同的焦距，即复眼透镜到感光传感器的距离相同。

进一步地，所述感光传感器采用CMOS传感器。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述CMOS传感器是一种电源消耗量比CCD低，且在CMOS图像传感器中电荷转换成电压的工作是在每一像素上进行的，具有防光晕特性。

进一步地，所述第一红光成像单元、第二红光成像单元、第三红光成像单元和第四红光成像单元的曲面复眼透镜内侧与半球空心形透镜衬底外侧间设置有红光波段的窄带滤光片；所述第一绿光成像单元、第二绿光成像单元、第三绿光成像单元和第四绿光成像单元的曲面复眼透镜内侧与半球空心形透镜衬底外侧间设置有绿光波段的窄带滤光片；所述第一蓝光成像单元、第二蓝光成像单元、第三蓝光成像单元和第四蓝光成像单元的曲面复眼透镜内侧与半球空心形透镜衬底外侧间设置有蓝光波段的窄带滤光片；所述可见光成像单元未设置窄带滤光片。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述窄带滤光片作为红、蓝、绿波段的滤光片，可以分别对三种波段光线进行光谱分离并成像，除此外通过中心未添加滤光片的复眼透镜，可以对可见光波段进行多光谱成像，能获得更为准确的光谱信息，扩大系统的应用范围和场景。

附图说明

图1为本实用新型实施例中多光谱大视场曲面复眼透镜系统的第一剖视图。

图2为本实用新型实施例中多光谱大视场曲面复眼透镜系统的第二剖视图。

图3为本实用新型实施例中多光谱大视场曲面复眼透镜系统的俯视图。

其中：1、子眼透镜；2、曲面复眼透镜；3、半球空心形透镜衬底；4、第一阻光层；5、窄带滤光片；6、第二阻光层；7、感光传感器；8、成像单元；8001、可见光成像单元；8002、第一红光成像单元；8003、第二红光成像单元；8004、第一绿光成像单元；8005、第二绿光成像单元；8006、第一蓝光成像单元；8007、第二蓝光成像单元；8008、第三蓝光成像单元；8009、第四蓝光成像单元；8010、三红光成像单元；8011、第四红光成像单元；8012、第三绿光成像单元；8013、第四绿光成像单元。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，在本实用新型的一个实施例中，本实用新型提供一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，包括半球空心形透镜衬底3、与半球空心形透镜衬底3外侧连接的第一阻光层4、与半球空心形透镜衬底3内侧连接的第二阻光层6，以及13个穿设于第一阻光层4、半球空心形透镜衬底3和第二阻光层6的成像单元8；

如图3所示，所述13个成像单元8包括设置于半球空心形透镜衬底3中心的可见光成像单元8001、设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第一红光成像单元8002、与第一红光成像单元8002相对设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点第二红光成像单元8003、与第一红光成像单元8002一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第一绿光成像单元8004、与第一绿光成像单元8004相对设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第二绿光成像单元8005、与第一红光成像单元8002另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第一蓝光成像单元8006、与第一蓝光成像单元8006相对设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第二蓝光成像单元8007、设置于第一红光成像单元8002与第一绿光成像单元8004对称轴与半球空心形透镜衬底3外六边形圈交点的第三蓝光成像单元8008、与第三蓝光成像单元8008相对设置于半球空心形透镜衬底3外六边形圈顶点的第四蓝光成像单元8009、与第三蓝光成像单元8008一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底3外六边形圈顶点的第三红光成像单元8010、与第三红光成像单元8010相对设置于半球空心形透镜衬底3外六边形圈顶点的第四红光成像单元8011、与第三蓝光成像单元8008另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底3内六边形圈顶点的第三绿光成像单元8012，以及与第三绿光成像单元8012相对设置于半球空心形透镜衬底3外六边形圈顶点的第四绿光成像单元8013，其中半球空心形透镜衬底3外内六边形圈和外六边形圈的中心与可见光成像单元8001的中心重合；

所述可见光成像单元8001、第一红光成像单元8002、第二红光成像单元8003、第一绿光成像单元8004、第二绿光成像单元8005、第一蓝光成像单元8006、第二蓝光成像单元8007、第三蓝光成像单元8008、第四蓝光成像单元8009、第三红光成像单元8010、第四红光成像单元8011、第三绿光成像单元8012和第四绿光成像单元8013均包括半球空心形透镜衬底层、设置于半球空心形透镜衬底3外侧的曲面复眼透镜2，以及与曲面复眼透镜2相对设置于半球空心形透镜衬底3内侧的感光传感器7；

所述第二阻光层6相对可见光成像单元8001的曲面复眼透镜2分别与第一红光成像单元8002的曲面复眼透镜2、第二红光成像单元8003的曲面复眼透镜2、第一绿光成像单元8004的曲面复眼透镜2、第二绿光成像单元8005的曲面复眼透镜2、第一蓝光成像单元8006的曲面复眼透镜2和第二蓝光成像单元8007的曲面复眼透镜2之间设置于半球空心形透镜衬底3内侧；

所述曲面复眼透镜2包括若干个子眼透镜1；

各所述子眼透镜1的焦距均为曲面复眼透镜2到感光传感器7的距离；

各所述子眼透镜1采用非均匀设计；

所述感光传感器7采用CMOS传感器；

所述第一红光成像单元8002、第二红光成像单元8003、第三红光成像单元8010和第四红光成像单元8011的曲面复眼透镜2内侧与半球空心形透镜衬底3外侧间设置有红光波段的窄带滤光片5；所述第一绿光成像单元8004、第二绿光成像单元8005、第三绿光成像单元8012和第四绿光成像单元8013的曲面复眼透镜2内侧与半球空心形透镜衬底3外侧间设置有绿光波段的窄带滤光片5；所述第一蓝光成像单元8006、第二蓝光成像单元8007、第三蓝光成像单元8008和第四蓝光成像单元8009的曲面复眼透镜2内侧与半球空心形透镜衬底3外侧间设置有蓝光波段的窄带滤光片5；所述可见光成像单元8001未设置窄带滤光片5；

图1的视角为通过第一切线垂直切割本方案提供的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，并沿第二切线方向水平观测视角，图2的视角为通过第二切线垂直切割本方案提供的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，并沿第一切线方向水平观测视角。

本实用新型的工作原理为：本方案提供的一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，通过在半球空心形透镜衬底3上分别在中心处、内六边形圈顶点和外六边形圈顶点的步骤设置有成像单元8，实现了扩大了接收外界光线的范围，增大了复眼透镜系统的视场，有效解决复眼透镜系统边缘成像差并改善了场曲，提高了系统整体的成像质量并增大了景深；通过设置若干个子眼透镜1，通过调节其子眼透镜1的口径和矢高设计，来保证三种波段的复眼透镜对三种波长的光线都具有相同的焦距，即复眼透镜到感光传感器7的距离相同，以适应半球空心形透镜衬底3的形状要求；通过在半球空心形透镜衬底3外侧的曲面复眼透镜2之间(复眼覆盖部分除外)设置第一阻光层4，阻挡了来自外界的光线进入CMOS，防止非目标波段光线的影响，通过在半球空心形透镜衬底3外侧中心位置处曲面复眼透镜2的相对内侧位置与其相邻的复眼透镜的之间设置第二阻光层6(中心位置处复眼透镜2相对的内侧部分除外)，避免相邻复眼透镜的光线的串扰，从而影响CMOS的成像质量，使曲面复眼透镜系统更加完善，成像质量也得到了显著提高；通过在成像单元8内的曲面复眼透镜2内侧与半球空心形透镜衬底外侧间设置窄带滤光片5，实现分别对红、蓝和绿三种波段光线进行光谱分离并成像，通过可见光成像单元8获得更为准确的光谱信息，扩大系统的应用范围和场景；

光线通过不同的角度经过曲面复眼透镜2上的子眼透镜1进入各成像单元8，若进入可见光成像单元8001，则光线再经过半球空心形透镜衬底形成的半球空心形透镜衬底层到达感光传感器；若光线进入第一红光成像单元8002、第二红光成像单元8003、第三红光成像单元8010和第四红光成像单元8011四个成像单元8中的任一成像单元8，则先通过红光波段的窄频带滤光片，再经过半球空心形透镜衬底形成的半球空心形透镜衬底层到达感光传感器；若光线进入第一绿光成像单元8004、第二绿光成像单元8005、第三绿光成像单元8012和第四绿光成像单元8013中的任一成像单元8，则先通过绿光波段的窄频带滤光片，再经过半球空心形透镜衬底形成的半球空心形透镜衬底层到达感光传感器；若光线进入第一蓝光成像单元8006、第二蓝光成像单元8007、第三蓝光成像单元8008和第四蓝光成像单元8009的任一成像单元8，则先通过蓝光波段的窄频带滤光片，再经过半球空心形透镜衬底形成的半球空心形透镜衬底层到达感光传感器；最终通过感光传感器获取图像信息。

本系统可拓展为在半球形空心衬底3上设置有若干不同排列方式与若干不同数量的成像单元8，用于扩大系统视场和景深，使得边缘成像清晰。

Claims (7)

1.一种多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，包括半球空心形透镜衬底(3)、与半球空心形透镜衬底(3)外侧连接的第一阻光层(4)、与半球空心形透镜衬底(3)内侧连接的第二阻光层(6)，以及13个穿设于第一阻光层(4)、半球空心形透镜衬底(3)和第二阻光层(6)的成像单元(8)。

2.根据权利要求1所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述13个成像单元(8)包括设置于半球空心形透镜衬底(3)中心的可见光成像单元(8001)、设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第一红光成像单元(8002)、与第一红光成像单元(8002)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点第二红光成像单元(8003)、与第一红光成像单元(8002)一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第一绿光成像单元(8004)、与第一绿光成像单元(8004)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第二绿光成像单元(8005)、与第一红光成像单元(8002)另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第一蓝光成像单元(8006)、与第一蓝光成像单元(8006)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第二蓝光成像单元(8007)、设置于第一红光成像单元(8002)与第一绿光成像单元(8004)对称轴与半球空心形透镜衬底(3)外六边形圈交点的第三蓝光成像单元(8008)、与第三蓝光成像单元(8008)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)外六边形圈顶点的第四蓝光成像单元(8009)、与第三蓝光成像单元(8008)一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底(3)外六边形圈顶点的第三红光成像单元(8010)、与第三红光成像单元(8010)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)外六边形圈顶点的第四红光成像单元(8011)、与第三蓝光成像单元(8008)另一侧相邻设置于半球空心形透镜衬底(3)内六边形圈顶点的第三绿光成像单元(8012)，以及与第三绿光成像单元(8012)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)外六边形圈顶点的第四绿光成像单元(8013)，其中半球空心形透镜衬底(3)外内六边形圈和外六边形圈的中心与可见光成像单元(8001)的中心重合。

3.根据权利要求2所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述可见光成像单元(8001)、第一红光成像单元(8002)、第二红光成像单元(8003)、第一绿光成像单元(8004)、第二绿光成像单元(8005)、第一蓝光成像单元(8006)、第二蓝光成像单元(8007)、第三蓝光成像单元(8008)、第四蓝光成像单元(8009)、第三红光成像单元(8010)、第四红光成像单元(8011)、第三绿光成像单元(8012)和第四绿光成像单元(8013)均包括半球空心形透镜衬底层、设置于半球空心形透镜衬底(3)外侧的曲面复眼透镜(2)，以及与曲面复眼透镜(2)相对设置于半球空心形透镜衬底(3)内侧的感光传感器(7)。

4.根据权利要求3所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述第二阻光层(6)相对可见光成像单元(8001)的曲面复眼透镜(2)分别与第一红光成像单元(8002)的曲面复眼透镜(2)、第二红光成像单元(8003)的曲面复眼透镜(2)、第一绿光成像单元(8004)的曲面复眼透镜(2)、第二绿光成像单元(8005)的曲面复眼透镜(2)、第一蓝光成像单元(8006)的曲面复眼透镜(2)和第二蓝光成像单元(8007)的曲面复眼透镜(2)之间设置于半球空心形透镜衬底(3)内侧。

5.根据权利要求4所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述曲面复眼透镜(2)包括若干个子眼透镜(1)；

各所述子眼透镜(1)的焦距均为曲面复眼透镜(2)到感光传感器(7)的距离。

6.根据权利要求5所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述感光传感器(7)采用CMOS传感器。

7.根据权利要求6所述的多光谱大视场曲面复眼透镜系统，其特征在于，所述第一红光成像单元(8002)、第二红光成像单元(8003)、第三红光成像单元(8010)和第四红光成像单元(8011)的曲面复眼透镜(2)内侧与半球空心形透镜衬底(3)外侧间设置有红光波段的窄带滤光片(5)；所述第一绿光成像单元(8004)、第二绿光成像单元(8005)、第三绿光成像单元(8012)和第四绿光成像单元(8013)的曲面复眼透镜(2)内侧与半球空心形透镜衬底(3)外侧间设置有绿光波段的窄带滤光片(5)；所述第一蓝光成像单元(8006)、第二蓝光成像单元(8007)、第三蓝光成像单元(8008)和第四蓝光成像单元(8009)的曲面复眼透镜(2)内侧与半球空心形透镜衬底(3)外侧间设置有蓝光波段的窄带滤光片(5)；所述可见光成像单元(8001)未设置窄带滤光片(5)。

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