[发明专利]采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统

说明书

技术领域

 

本发明涉及仿生视觉与传感技术领域。

背景技术

基于仿生学的复眼视觉理论近年来发展迅速, 是集机械学、生物学、光电子学和信息学等多学科为一体的前沿领域。由于昆虫复眼视觉系统在原理上具有大视场、高探测灵敏度等特点，使其在一些军用及民用场合具有其它视觉系统无法比拟的优势（例如导弹导航、战场机器人视觉系统及智能飞行器等，人们期望整个系统的重量轻、体积小、视场大以及对运动目标更加敏感）。复眼视觉系统可同时获取来自不同方位的原始图像信息，增大了视场范围，且对于各个视场角，均为近轴光路，降低了畸变的产生；另一方面，可利用多孔径微透镜阵列形成的多通道子眼图像组合，在不增加系统器件的前提下，实现目标的空间定位。

随着制造技术和材料科学的发展，尤其是复杂形面制造水平的提高，高精度复眼器件的制造难题已被逐渐攻破，研究热点已由单纯的器件制造工艺，逐渐过渡到对复眼结构的优化，以及针对复眼图像信息的采集、合成与应用等方向。2000年，J. Tanida带领的日本研究团队提出了名为TOMBO（Thin Observation Module by Bound Optics）的复眼单色成像系统，在整体上呈现为平面结构，可实现目标的三维成像；但每组光接收器只对应一个光采集通道，光通量较低，且平面结构也使复眼的大视场特性受到很大抑制。2004年，J. Tanida团队通过加入彩色滤波器或直接选用彩色CCD，实现了复眼彩色成像；但由于仍采用原TOMBO系统架构，因此也沿袭了平面复眼结构的缺点。2004年，J. Duparre带领的德国研究团队提出并研制了人工复眼成像系统AACO（Artificial Apposition Compound Eye Objective），系统同样基于平面结构，但采用了啁啾微透镜阵列代替普通的均匀微透镜阵列，可纠正因散光和场弯曲引起的成像失真。同年，该团队提出了基于重叠型复眼设计理念的“簇眼”结构，通过各光通道光轴的不同指向，获得了比AACO系统更大的视场。2007年，J. Duparre团队首次将并列型复眼设计理念应用于曲面结构，提出了球面人造复眼成像系统，利用曲面分布的微透镜阵列代替平面结构，更加接近于自然界真实存在的复眼，提高了边缘视场的成像质量，增大了视场角；但为了保证各通道图像均聚焦于平面CCD探测器，采用了传统的透镜光学系统，对成像质量的提升相对有限。2004年，加拿大York大学研究团队提出了基于复眼结构的三维位标探测器原型“蜻蜓眼”，子眼通道采用透镜-光纤束结构，实现了将球面上的子眼图像传导在平面CCD探测器上进行成像，可快速检测运动物体的速度和距离；但“蜻蜓眼”尚停留在初始验证阶段，技术复杂度高。2007年，J. Tanida团队提出了采用基于光纤视觉组件的复眼成像系统获取三维图像，并提出利用像的放大率估计系统与物的距离；但由于制作此类组件的成本较高，且难于装配，因此难以被大规模推广应用。

2006年，长春光机所的张红鑫探索了曲面复眼成像系统的特点，提出了单层曲面复眼结构和三层曲面复眼结构，并在三层曲面复眼结构中引入了曲面场镜阵列，使系统的边缘成像质量进一步提高，视场角进一步扩大。2007年以来，张红鑫针对重叠型复眼光学模型又进行了大量研究，探索了基于GRIN（Graduated Refractive Index，渐变折射率介质）的复眼晶锥设计方法，并通过光路仿真验证了可行性。2006年，南京航空航天大学的黄祝新利用多CCD相机模仿复眼子眼，通过直接剪切与组合实现大视场图像的快速拼接，再利用多目体视方法实现三维测量。2010年，中国科学技术大学的张浩提出了球面复眼多通道信息融合模型，用于在复杂背景下对快速移动物体进行高精度追踪和位置测量，并将传统的复眼双目成像探测方法扩展至多通道，理论上提高了测量精度。

综上所述，经过了多年的发展与探索，目前的复眼系统研究已向着小型化、曲面化的方向发展，愈加趋近于真实的昆虫复眼。曲面化复眼光学透镜可通过超精密加工方式实现，而探测器部分实现曲面化则存在较大难度，这是限制目前仿生复眼视场角的重要因素。受图像探测器制造工艺所限，目前的CCD/CMOS芯片均为平面式。由光学分析可知，若使曲面复眼上的所有子眼焦点均分布在同一个平面上，会导致除中央子眼外，其余所有子眼的光轴与探测器像面不垂直，从而使得像差增大。即使通过非球面优化手段，也无法保证每个子眼的聚焦效果达到理想状态。通过折转透镜虽可实现光束会聚，但带来了较大的二次畸变，抵消了复眼成像的优势。

发明内容