180°大視場自由曲面復眼系統的制作方法
【專利摘要】一種180°大視場自由曲面復眼系統。包括從上到下依次排列的光闌層、復眼透鏡陣列和圖像探測器，其中第二層復眼透鏡陣列從內到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結構；光闌層中的光闌孔與復眼透鏡陣列中的透鏡一一對應。本發明旨在提高復眼的視場角，將復眼邊緣小眼設計為自由曲面棱鏡，通過光線在棱鏡內的折轉與自由曲面對像差的矯正，能有效的提高邊緣小眼的成像質量，從而提高了復眼的視場角。本發明所提出的復眼結構體積小，結構緊湊，視場角大，成像質量高。
【專利說明】180°大視場自由曲面復眼系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于大視場角成像系統【技術領域】。
【背景技術】
[0002]生物復眼具有視場大、體積小、重量輕、對運動物體敏感等優點。生物復眼的諸多優點是現代光學系統發展的方向，人工仿生復眼在醫療、國防、監測等領域具有極大的應用潛力。復眼是一種非常小巧而精密的光學結構，不同于現在常用的單孔徑光學系統，生物復眼由很多小眼組成，緊密排列在一起。每一個小眼由角膜、晶椎、感桿束和感光細胞構成一個獨立的光學系統。每個小眼對視場范圍內的特點區域成像，所有小眼的圖像拼接為一幅大視場的圖像。
[0003]生物復眼多存在于昆蟲當中，因此復眼整體尺寸較小，每個子眼的尺寸從幾微米到幾十微米不等，復眼所含子眼的個數也從幾百至幾萬不等。〃昆蟲復眼的視野非常開闊，有些昆蟲水平視野范圍可達240°，垂直視野范圍可達360°然而，昆蟲復眼的分辨率很低，通常僅有I米左右，即使視力最強的蜜蜂，其視力也只有人眼的百分之一如果在光線微弱的地方，它們的視力還要更差"，但是昆蟲復眼對運動物體的靈敏度非常高，如蜜蜂對突然出現的物體的反應時間僅需0.01秒，而人眼需要0.05秒；與人工大視場光學系統相t匕，由于復眼的感光細胞可以曲面排列，對大視場成像時光軸依然與像面垂直，在成像畸變上有明顯的優勢。
[0004]受生物復眼的啟發，仿照生物復眼的結構，人們提出了很多不同形式的人工復眼結構。最初，仿生復眼結構大多為平面透鏡陣列，由于子眼的光軸相互平行，平面結構的視場角主要取決于子眼的視場角，故平面復眼結構無法體現出復眼大視場的特點。又由于單透鏡的結構較為簡單，所得到的圖像質量較差，很難在成像系統中得到應用，大部分應用于改善光源的均勻性。隨著超精密加工與檢測技術的不斷發展，制造能力不斷提高，加工精度高、表面粗糙度小、可控性強，一些新穎的具有復雜面型的光學結構得以制造。目前，為了實現大視場的人工復眼系統，國內外一些學者已經研制出一些曲面復眼結構，主要的設計方法為在曲面基底上排布緊密微透鏡，根據子眼的具體位置，即子眼光軸與圖像探測器的夾角和子眼離圖像探測器的距離，來確定其具體的結構參數。經過結構改良，曲面復眼在視場角與圖像質量上，較平面結構都有很大的提高。但是在曲面復眼視場角增大的同時，邊緣子眼光軸與圖像探測器之間的夾角也隨之增大，這帶來很大的離軸像差，要得到高質量圖像，越來越困難。現階段的曲面復眼也無法體現出生物復眼大視場角的特點。
[0005]在專利201210536921.0中，采用多層曲面結構，7個圖像探測器實現復眼式的180°大視場成像，雖然實現了大視場成像，但是該系統結構復雜，對準精度要求高。
[0006]綜上所述，由于受到現階段復眼結構、成像質量等因素的制約，目前尚未研制出180°視場且結構簡單的復眼光學系統。

【發明內容】
[0007]本發明目的是克服現有技術存在上述不足，提供一種可實現180°大視場成像，且結構簡潔、小巧、像質高的人工自由曲面復眼光學系統。
[0008]本發明提供的180°大視場自由曲面復眼系統，包括從上到下依次排列的光闌層、復眼透鏡陣列和圖像探測器，其中第二層復眼透鏡陣列從內到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結構。光闌層中的光闌孔與復眼透鏡陣列中的小透鏡一一對應；為消除視場盲區和方便后續圖像處理，每圈透鏡陣列間的視場存在重疊，且每圈陣列中小透鏡之間的視場也在弧矢方向存在重疊。每圈透鏡陣列的視場范圍與每圈透鏡陣列的個數見表1。
[0009]表1
【權利要求】
1.一種180°大視場自由曲面復眼系統，其特征在于該復眼系統包括從上到下依次排列的光闌層、復眼透鏡陣列和圖像探測器，其中第二層復眼透鏡陣列從內到外依次排列有第一圈透鏡陣列、第二圈透鏡陣列、第三圈透鏡陣列和第四圈透鏡陣列，四圈透鏡陣列為同心結構；光闌層中的光闌孔與復眼透鏡陣列中的透鏡一一對應；為消除視場盲區和方便后續圖像處理，每圈透鏡陣列之間的視場存在重疊，且每圈陣列中的小透鏡之間的視場也在弧矢方向存在重疊，每圈透鏡陣列的視場范圍與每圈透鏡陣列的個數如下表所示，子眼編子午視場弧矢視場角中心視場邊縷視場_變視場范圍.每圈個號角°°MIF值MIF值大小°數] 1414 >0,3>&.2<1D%-30-3019: 2424>535>C:J<5%±(26-50}15
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【文檔編號】G02B27/00GK103616758SQ201310569145
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】張紅霞, 范陽, 宋樂, 賈大功 申請人:天津大學