專利名稱：采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生視覺與傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于仿生學(xué)的復(fù)眼視覺理論近年來發(fā)展迅速，是集機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)和信息學(xué)等多學(xué)科為一體的前沿領(lǐng)域。由于昆蟲復(fù)眼視覺系統(tǒng)在原理上具有大視場、高探測靈敏度等特點(diǎn)，使其在一些軍用及民用場合具有其它視覺系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(例如導(dǎo)彈導(dǎo)航、戰(zhàn)場機(jī)器人視覺系統(tǒng)及智能飛行器等，人們期望整個系統(tǒng)的重量輕、體積小、視場大 以及對運(yùn)動目標(biāo)更加敏感)。復(fù)眼視覺系統(tǒng)可同時獲取來自不同方位的原始圖像信息，增大了視場范圍，且對于各個視場角，均為近軸光路，降低了畸變的產(chǎn)生；另一方面，可利用多孔徑微透鏡陣列形成的多通道子眼圖像組合，在不增加系統(tǒng)器件的前提下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的空間定位。隨著制造技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，尤其是復(fù)雜形面制造水平的提高，高精度復(fù)眼器件的制造難題已被逐漸攻破，研究熱點(diǎn)已由單純的器件制造工藝，逐漸過渡到對復(fù)眼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及針對復(fù)眼圖像信息的采集、合成與應(yīng)用等方向。2000年，J. Tanida帶領(lǐng)的日本研究團(tuán)隊(duì)提出了名為 TOMBO (Thin Observation Module by Bound Optics)的復(fù)眼單色成像系統(tǒng)，在整體上呈現(xiàn)為平面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像；但每組光接收器只對應(yīng)一個光采集通道，光通量較低，且平面結(jié)構(gòu)也使復(fù)眼的大視場特性受到很大抑制。2004年，J. Tanida團(tuán)隊(duì)通過加入彩色濾波器或直接選用彩色(XD，實(shí)現(xiàn)了復(fù)眼彩色成像；但由于仍采用原Τ0ΜΒ0系統(tǒng)架構(gòu)，因此也沿襲了平面復(fù)眼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。2004年，J. Duparre帶領(lǐng)的德國研究團(tuán)隊(duì)提出并研制了人工復(fù)眼成像系統(tǒng)AACO (Artificial Apposition CompoundEye Objective)，系統(tǒng)同樣基于平面結(jié)構(gòu)，但采用了啁啾微透鏡陣列代替普通的均勻微透鏡陣列，可糾正因散光和場彎曲引起的成像失真。同年，該團(tuán)隊(duì)提出了基于重疊型復(fù)眼設(shè)計(jì)理念的“簇眼”結(jié)構(gòu)，通過各光通道光軸的不同指向，獲得了比AACO系統(tǒng)更大的視場。2007年，J. Duparre團(tuán)隊(duì)首次將并列型復(fù)眼設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于曲面結(jié)構(gòu)，提出了球面人造復(fù)眼成像系統(tǒng)，利用曲面分布的微透鏡陣列代替平面結(jié)構(gòu)，更加接近于自然界真實(shí)存在的復(fù)眼，提高了邊緣視場的成像質(zhì)量，增大了視場角；但為了保證各通道圖像均聚焦于平面CCD探測器，采用了傳統(tǒng)的透鏡光學(xué)系統(tǒng)，對成像質(zhì)量的提升相對有限。2004年，加拿大York大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的三維位標(biāo)探測器原型“蜻蜓眼”，子眼通道采用透鏡-光纖束結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了將球面上的子眼圖像傳導(dǎo)在平面CCD探測器上進(jìn)行成像，可快速檢測運(yùn)動物體的速度和距離；但“蜻蜓眼”尚停留在初始驗(yàn)證階段，技術(shù)復(fù)雜度高。2007年，J. Tanida團(tuán)隊(duì)提出了采用基于光纖視覺組件的復(fù)眼成像系統(tǒng)獲取三維圖像，并提出利用像的放大率估計(jì)系統(tǒng)與物的距離；但由于制作此類組件的成本較高，且難于裝配，因此難以被大規(guī)模推廣應(yīng)用。2006年，長春光機(jī)所的張紅鑫探索了曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了單層曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)和三層曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)，并在三層曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)中引入了曲面場鏡陣列，使系統(tǒng)的邊緣成像質(zhì)量進(jìn)一步提高，視場角進(jìn)一步擴(kuò)大。2007年以來，張紅鑫針對重疊型復(fù)眼光學(xué)模型又進(jìn)行了大量研究，探索了基于GRIN (Graduated Refractive Index,漸變折射率介質(zhì))的復(fù)眼晶錐設(shè)計(jì)方法，并通過光路仿真驗(yàn)證了可行性。2006年，南京航空航天大學(xué)的黃祝新利用多CCD相機(jī)模仿復(fù)眼子眼，通過直接剪切與組合實(shí)現(xiàn)大視場圖像的快速拼接，再利用多目體視方法實(shí)現(xiàn)三維測量。2010年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張浩提出了球面復(fù)眼多通道信息融合模型，用于在復(fù)雜背景下對快速移動物體進(jìn)行高精度追蹤和位置測量，并將傳統(tǒng)的復(fù)眼雙目成像探測方法擴(kuò)展至多通道，理論上提高了測量精度。綜上所述，經(jīng)過了多年的發(fā)展與探索，目前的復(fù)眼系統(tǒng)研究已向著小型化、曲面化的方向發(fā)展，愈加趨近于真實(shí)的昆蟲復(fù)眼。曲面化復(fù)眼光學(xué)透鏡可通過超精密加工方式實(shí)現(xiàn)，而探測器部分實(shí)現(xiàn)曲面化則存在較大難度，這是限制目前仿生復(fù)眼視場角的重要因素。受圖像探測器制造工藝所限，目前的(XD/CM0S芯片均為平面式。由光學(xué)分析可知，若使曲面復(fù)眼上的所有子眼焦點(diǎn)均分布在同一個平面上，會導(dǎo)致除中央子眼外，其余所有子眼的光軸與探測器像面不垂直，從而使得像差增大。即使通過非球面優(yōu)化手段，也無法保證每個子眼的聚焦效果達(dá)到理想狀態(tài)。通過折轉(zhuǎn)透鏡雖可實(shí)現(xiàn)光束會聚，但帶來了較大的二次畸 變，抵消了復(fù)眼成像的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)大視場、低像差、結(jié)構(gòu)緊湊的仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)將圓頂光錐耦合策略作為光路傳導(dǎo)方式，一方面可將復(fù)眼透鏡所成的曲面像轉(zhuǎn)化為平面像以便平面探測器接收，另一方面可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖像等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺寸探測器上，實(shí)現(xiàn)耦合，從而降低對探測器尺寸的技術(shù)要求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，包括依次相接的曲面復(fù)眼透鏡、孔徑光闌、光錐以及圖像探測器；所述曲面復(fù)眼透鏡包括子眼和基底，所述子眼采用六邊形陣列密接排布且面型為非球面，所述基底為曲面基底，所述孔徑光闌為階梯式孔徑光闌，所述光錐為圓頂光錐。所述曲面復(fù)眼透鏡可采用聚甲基丙烯酸甲酯，通過單點(diǎn)金剛石車削或注塑進(jìn)行制造，或利用玻璃加工、玻璃壓鑄等不同工藝予以實(shí)現(xiàn)，其外圍采用法蘭式裝配。所述曲面復(fù)眼透鏡總視場角為90°。所述孔徑光闌上設(shè)有階梯式圓孔，圓孔的中心線與復(fù)眼透鏡的子眼光軸共線，圓孔靠近曲面復(fù)眼透鏡的孔徑較大而靠近光錐的孔徑較小。所述光錐由多束光纖熔接而成，其大端為球面小端為平面。有益效果本發(fā)明提出一種大視場、低像差、結(jié)構(gòu)緊湊的仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它采用圓頂光錐耦合策略，將復(fù)眼透鏡所成的曲面像轉(zhuǎn)化為平面像以便平面探測器接收，亦可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖像等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺寸探測器上。由此，可解決當(dāng)前曲面復(fù)眼系統(tǒng)中，由平面探測器及曲面復(fù)眼透鏡之間所產(chǎn)生的技術(shù)沖突，解決邊緣子眼成像離焦嚴(yán)重的問題，可在保證像質(zhì)的前提下，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的視場角，如圖I所示。同時，由于復(fù)眼透鏡基底曲率與圓頂光錐曲率一致，所有子眼距離光錐大端球面的幾何尺寸理論上相等，從而大大降低了系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的難度，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，為研制仿生復(fù)眼儀器裝備掃清技術(shù)障礙。


圖Ia是常規(guī)平面探測器復(fù)眼光路聚焦 圖Ib是采用圓頂光錐策略的復(fù)眼光路聚焦 圖2是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明中采用的曲面復(fù)眼透鏡整體 圖4是本發(fā)明中采用的曲面復(fù)眼透鏡剖面 圖5是本發(fā)明中采用的圓頂光錐 圖6是本發(fā)明中采用的階梯孔式光闌模型 圖7是本發(fā)明中采用的階梯孔式光闌剖面 圖8a是應(yīng)用本發(fā)明獲得的光學(xué)鑒別率板像質(zhì)評價圖的原始圖像；
圖8b是應(yīng)用本發(fā)明獲得的光學(xué)鑒別率板像質(zhì)評價圖的經(jīng)子眼成像后圖像；
圖9是應(yīng)用本發(fā)明獲得的MTF像質(zhì)評價 圖10是應(yīng)用本發(fā)明獲得的點(diǎn)列圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。以下實(shí)施例為本發(fā)明最佳實(shí)施例
Cl)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
基于上述原理的復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)包括依次相接的曲面復(fù)眼 透鏡I、孔徑光闌2、圓頂光錐3、圖像探測器4及相關(guān)的裝配件及圖像采集平臺。如圖2所示，設(shè)入射光來自無窮遠(yuǎn)處，來自總視場角范圍內(nèi)各個方向的入射光，通過曲面復(fù)眼透鏡I進(jìn)入視覺成像系統(tǒng)，經(jīng)過曲面復(fù)眼透鏡I上的微透鏡陣列，在每個子眼的局部發(fā)生光線偏折，再通過階梯孔式孔徑光闌2，將每個子眼的近軸光線保留，同時將雜散光及不同子眼之間的物方重疊信息去除，使接收器上的每個區(qū)域準(zhǔn)確地對應(yīng)于相應(yīng)區(qū)域的子眼通道，不會發(fā)生串?dāng)_現(xiàn)象。而后，光線聚焦于圓頂光錐3的大端，即在球面表面上進(jìn)行成像，由光錐將球面像無損傳輸至與平面圖像探測器4耦合的小端，即平面端，最終在圖像探測器4上實(shí)現(xiàn)成像。(2)大視場曲面復(fù)眼透鏡
本發(fā)明采用的大視場曲面復(fù)眼透鏡采取圖3方案進(jìn)行研制。子眼部分采用六邊形陣列密接排布形式，以消除子眼間盲區(qū)，降低圖像信息量損失；復(fù)眼基底采用曲面基底，相對于平面復(fù)眼，可獲得更大的視場角。本例中，透鏡材料選用透光性與加工性較好的高分子材料PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)，采用單點(diǎn)金剛石車削方式完成制造，外圍采用法蘭式裝配。本發(fā)明采用的曲面復(fù)眼透鏡總視場角〃二90°，由于復(fù)眼透鏡可布置較多子眼，故 每個子眼透鏡只需對一個較小角度的視場進(jìn)行近軸成像。相較與傳統(tǒng)單孔徑系統(tǒng)，復(fù)眼系統(tǒng)對全視場范圍均可視作近軸成像，因此僅通過單層透鏡，即可獲得較小的軸外像差。此夕卜，每個子眼的表面可采用非球面面形，來降低軸上點(diǎn)球差，因此每個子眼透鏡成像的像差均可控制在較小的范圍內(nèi)。如前所述，為了從光學(xué)系統(tǒng)上盡可能簡化設(shè)計(jì)，每個子眼焦距均取相同設(shè)計(jì)值，且所有子眼的焦點(diǎn)分布在一個曲面上，每個子眼的光軸都與曲面上的對應(yīng)
像面垂直。綜合考慮軸外像差、子眼通光孔徑與系統(tǒng)裝配等，本發(fā)明中每個子眼的視場角^e= 6°，在一個子午面內(nèi)，若要達(dá)到90°的總視場角，需要的子眼個數(shù)為15。圖4中，兄。、兄分別表示基底外側(cè)曲率半徑、基底內(nèi)側(cè)曲率半徑和子眼面型高度。綜合考慮制造及裝配工藝要求，本發(fā)明取/ s。= 12. 36mm,TPsi = 11. 36mm,Ze = O. 12mm,則每個子眼孔徑為7 s。X^eX η/180° =1.3mm。為了使各子眼光軸均與圓頂光錐大端球面垂直，需保證光錐大端與復(fù)眼透鏡基底同球心。因此，如設(shè)子眼透鏡焦距為/，則對于光錐大端球面曲率半徑兄s，可由式(I)表示
Rcs = — Le - f(I)
為了通過復(fù)眼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間位置的準(zhǔn)確探測，各子眼通道的像不允許重疊，則子眼在光錐大端球面上的像高，可由式(2)表示
Hcs= π X Rcs /2n(2)
由透鏡成像原則，有
Hcs = 2 X /Xtan(ce/2)(3)
當(dāng)6°時，各子眼通道在光錐大端曲面上的成像，理論上是無間隙排列的。由于在后續(xù)孔徑光闌的設(shè)計(jì)過程中，如要保證每一個a e視場角內(nèi)，有足夠多的光線參與成像，則必有一定量的〃 6之外的光線通過子眼透鏡成像在相鄰子眼的區(qū)域內(nèi)，從而造成子眼串?dāng)_，導(dǎo)致成像質(zhì)量降低。故式(3)中，的實(shí)際取值應(yīng)略大于理論值，方能保證相鄰子像之間保留一定間隙，消除串?dāng)_現(xiàn)象。本發(fā)明最終取〃e= 3.8°，由上述三式可得TPes =6. 98mm，并圓整為7mm,則/ = 5. 48mm,如圖4所示。(3)圓頂光錐
光錐是由多束光纖熔接而成的、用于實(shí)現(xiàn)傳像功能的光學(xué)器件，呈錐形結(jié)構(gòu)，可在提供無畸變圖像傳輸?shù)耐瑫r，實(shí)現(xiàn)圖像縮放。圓頂光錐制造的工藝流程為首先對光纖絲進(jìn)行精確排板，通過熱熔形成光纖板坯，再切割成具有一定長度的圓柱形毛坯，并拉制成錐形，將毛坯一分為二并進(jìn)行粗加工成型，最后將大端磨制成球面。本發(fā)明采用的圓頂光錐大端絲徑6Mm，合面膠層均勻，無塵，無氣泡，無斷絲。圖5給出了成型后的圓頂光錐示意圖，4S、RCS、AC、LC分別表示光錐總寬、大端球面曲率半徑、裝配柱面長度和耦合變倍部分長度。本發(fā)明所采用CXD有效像面尺寸為6. 4mmX 4. 8mm，考慮到裝配等因素，令實(shí)際的小端平面尺寸略大于該值，取 6. 6mmX 5. 3mm,Zcs=13. 2mm, ^c=Imm, Ac=1 Omnin(4)圖像探測器
本發(fā)明采用的圖像探測器為平面式CCD，CCD圖像傳感器具有具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩還原好、低噪聲等特點(diǎn)。該CCD為1/2英寸型，有效像面尺寸為6. 4mmX 4. 8mm，像素分辨率為2048 X 1536，單個像元尺寸為3. 2 μ mX 3. 2 μ mD采用光錐策略，一方面可將復(fù)眼透鏡所成的曲面像轉(zhuǎn)化為平面像以便平面探測器接收，另一方面可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖像等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺寸CCD上，實(shí)現(xiàn)耦合，從而降低了對CCD尺寸的技術(shù)要求。光錐大端采用球面，使得所有子眼焦距相同，故而面型參數(shù)也相同，從而簡化設(shè)計(jì)。(5)孔徑光闌
為了避免不同子眼間的光線串?dāng)_，使每個子眼只對特定視場角a e (本實(shí)例中為6° )范圍內(nèi)的物體成像。本發(fā)明在復(fù)眼透鏡與光錐之間加設(shè)孔徑光闌，如圖6所示?？讖焦怅@結(jié)構(gòu)采用階梯式圓孔排布，孔的軸線與復(fù)眼透鏡的子眼光軸共線。采用階梯圓孔的方式，一方面可以避免采用大孔徑通 孔時導(dǎo)致相鄰孔在內(nèi)側(cè)球面相交，另一方面可以避免采用小孔徑通孔時導(dǎo)致的子眼通光量不足。因此，階梯孔靠近透鏡的孔徑較大，以保證通光量，靠近光錐的孔徑較小，避免了相鄰孔相交，而且相當(dāng)于提供了視場光闌和漸暈光闌，既保證視場之外的光線不能通過，又阻擋邊緣成像質(zhì)量較低的光線。應(yīng)用此方案時，對階梯孔中大小兩孔的同軸度要求較高，且由于孔徑較小，從制造工藝上考慮，徑深比不宜過大。本例中，取光闌外球面與復(fù)眼透鏡基底內(nèi)球面間隙為O. 36mm，光闌內(nèi)球面與光錐大端球面間隙為
O.5mm。令H^hs^hs分別表示光闌外球面曲率半徑、內(nèi)球面曲率半徑、大孔
的孔徑、深度以及小孔的孔徑、深度。本實(shí)例中取/Pdtj=IImm,4=7· 5mm, Φα=0. 8mm,Zhb =2mm,0hs =0. 6mm，Zhs=O. 6mm。應(yīng)用上述實(shí)施方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，同時對采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評價，效果如下圖所示。其中，圖8給出了標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)鑒別率板的原始圖和經(jīng)子眼成像后的效果圖。圖9和圖10分別給出了子眼透鏡的MTF像質(zhì)評價圖和點(diǎn)列圖。由于本發(fā)明中復(fù)眼透鏡中的各個子眼參數(shù)相同，因此成像效果均可由下圖表示。由上述可見，采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可克服平面探測器在曲面復(fù)眼成像中的局限性，有利于大視場、低像差、結(jié)構(gòu)緊湊的仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，改善了復(fù)眼視覺系統(tǒng)的成像像質(zhì)，具有非常重要的應(yīng)用價值。。
權(quán)利要求
1.一種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，其特征在于包括依次相接的曲面復(fù)眼透鏡(I)、孔徑光闌(2)、光錐(3)以及圖像探測器(4);所述曲面復(fù)眼透鏡(I)包括子眼(5)和基底，所述子眼(5)采用六邊形陣列密接排布且面型為非球面，所述基底為曲面基底，所述孔徑光闌(2)為階梯式孔徑光闌，所述光錐(3)為圓頂光錐。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，其特征在于所述曲面復(fù)眼透鏡(I)可采用聚甲基丙烯酸甲酷，通過單點(diǎn)金剛石車削或注塑進(jìn)行制造，或利用玻璃加工、玻璃壓鑄等不同エ藝予以實(shí)現(xiàn)，其外圍采用法蘭式裝配。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述ー種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，其特征在干所述曲面復(fù)眼透鏡(I)總視場角為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，其特征在于所述孔徑光闌(2)上設(shè)有階梯式圓孔(7)，圓孔(7)的中心線與復(fù)眼透鏡的子眼光軸共線，圓孔(7)靠近曲面復(fù)眼透鏡(I)的孔徑較大而靠近光錐(3)的孔徑較小。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種采用圓頂光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，其特征在于所述光錐(3)由多束光纖熔接而成，其大端為球面，小端為平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用球面光錐的大視場仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次相接的曲面復(fù)眼透鏡、孔徑光闌、光錐以及圖像探測器；所述曲面復(fù)眼透鏡包括子眼和基底，所述子眼采用六邊形陣列密接排布且面型為非球面，所述基底為曲面基底，所述孔徑光闌為階梯式孔徑光闌，所述光錐為圓頂光錐。本發(fā)明將圓頂光錐耦合策略作為光路傳導(dǎo)方式，一方面可將復(fù)眼透鏡所成的曲面像轉(zhuǎn)化為平面像以便平面探測器接收，另一方面可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖像等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺寸探測器上，實(shí)現(xiàn)耦合，從而降低對探測器尺寸的技術(shù)要求。
文檔編號G02B27/00GK102819053SQ20121023947
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者房豐洲, 宋樂, 張姍姍, 張效棟, 張 雄 申請人:南京邁得特光學(xué)有限公司