[发明专利]渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置

说明书

技术领域

本发明属于曲面阵列透镜仿生复眼成像装置领域，具体涉及一种渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置。

背景技术

生物复眼是由聚集在一起的一簇小单眼联合所构成，通常整个复眼形成一个近似于球面状的曲面。众多独立成像的小单眼可以将整个视场分成若干部分，每个独立的小单眼对应一个相对固定的视场角，只负责观察整个视场中的一小部分图像，通过将所有小单眼所得的所有图像进行拼接就形成一个完整的图像。由于生物复眼通常具有体积小、视场角大、对运动物体高度灵敏等优点，因此基于多个小眼阵列的仿生复眼装置在天文、军事、医学内窥镜等诸多领域具有很高的研发价值。

早期的人工复眼大多将多个光学透镜分布在带有阵列筛孔结构的同一平面或近似半球的曲面上，再将所有光学透镜均聚焦于同一光电图像传感器的焦平面。例如，2007年德国的JACQUES小组在曲面基底上应用并列复眼的设计理念，提出球面仿生复眼系统，其采用112×112的凸球面透镜阵列，视场角范围可达到31°×31°。但此类球面仿生复眼系统中，作为单眼的每一个光学透镜均聚焦于同一个平面型光电图像传感器的焦平面，因此位于大视场边缘的透镜处于离焦状态，其成像质量急剧下降，这导致此类球面仿生复眼系统无法进一步扩大其视场范围。

随着光电传感器分辨率水平的逐步提高，将多个光电传感器在更高的集成度上拼接成一个更小的曲面结构的设想如今已成为可行现实，同时毫米级以下的微型透镜制作工艺也得到长足进步和发展，由此产生的新型曲面复眼系统具有更高的单眼集成度，其新型曲面复眼系统的视场角也已增大到160°，实现了真正意义上的曲面复眼成像系统。其重要特征是，作为单眼的各个透镜的直径、曲率和焦距都是完全相同的，其彼此之间并没有显著且规律的特征变化，它们以曲面阵列的形式分布在一个近似半球的筛孔曲面上，同时，在每一个作为单眼透镜的光轴上均配有一个与该单眼的焦平面重合的光电图像传感器，各个图像传感器与曲面复眼阵列中的单眼透镜一一对应，并且，其所形成的传感器阵列也整体构成一个近似半球的曲面结构。然而，众多图像传感器的图像合成运算非常困难，实时性较差，且分辨率损失较大。此外，该类仿生复眼的整体结构也过于复杂，其近似为球面的光电图像传感器集成结构还具有体积和质量大、拼接和制作困难、生产周期长、维护成本高等显著缺点，因此不能很好地适应仿生复眼系统对小型化、轻量化、分辨率高、实时性高等诸多特性所提出的严苛要求。

另一方面，美国RadiantZemax公司推出的ZEMAX光学设计软件，目前已经是被光电子领域熟知的综合性光学设计仿真软件，其将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起，具有建模、分析和其他的辅助功能。将有关透镜的各个面的曲率半径、折射率、厚度、半径等已知参数输入ZEMAX软件中，就可以利用其求解并得到该透镜理论上的焦距参数等数据。

发明内容

为了解决现有半球形曲面的图像传感器阵列仿生复眼存在整体结构复杂、光学拼接困难、运算效率低、分辨率差、制作成本高昂且不利于小型化和轻量化的诸多缺点；而另一方面，单纯采用一个平面图像传感器作为球面仿生透镜阵列的焦平面，又将导致位于视场边缘的透镜处于离焦状态，其成像质量急剧下降，进而造成复眼系统的视场范围受到局限，无法拓展并满足实际需求的技术问题，本发明提供一种渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：