[发明专利]一种可增大视场角的内侧曲面复眼透镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种大视场复眼成像透镜，属于仿生复眼成像领域。 

背景技术

近年来，仿生复眼成像系统引起了研究人员的广泛关注，其视场大、体积小、对运动物体的灵敏度高等特性使其在医疗、工业、军队等领域的应用拥有很大的潜力。复眼是存在于自然界中的一种小巧而精密的光学结构。如图3所示，不同于我们所熟知的单孔径成像系统，复眼是由许多个六边形的小眼单元组成，这些六边形的小眼紧密的排布在一曲面上，形状如同蜂窝。每个小眼由角膜透镜、晶锥、感杆束以及感光细胞构成。由于尺寸较小，每个小眼只能对物体的一小部分成像，所有小眼得到的像拼接在一起，就能得到一幅完整的物空间的像。 

按照成像原理，复眼可分为并列型复眼和重叠型复眼两大类。并列型复眼是较为常见的一种生物复眼结构，如图5中（a）所示，每个小眼单元都有独立视场范围，入射光通过角膜透镜和晶锥后向感杆束(感光系统)传播，引起复眼的视神经感应。并列型复眼结构的特点为：每个感杆束所接收的光线仅是它对应着的角膜视场范围内的光线。因此，可以将此结构形象的描述成“一对一”的关系。重叠型复眼结构常见于夜间活动的昆虫和深水区域的生物，如图5中（b）所示，其成像原理为物空间的同一区域经不同小眼成像于像面的同一位置，增大了每幅图像的光强利用率，在光线较弱的场合更为实用，可以将此结构形象的描述成“多对多”的关系。但是这类复眼的分辨率较低，且结构复杂。 

由于生物复眼多存在于昆虫当中，所以整个复眼的尺寸都非常的小，每个小眼的尺寸在几微米到几十微米不等，整个复眼所含小眼的个数也不尽相同，少则几百，多则上万。昆虫复眼的视野比人眼要开阔，有些昆虫水平视野范围可达240°，垂直视野范围可达360°，是人眼不可比拟的。昆虫复眼的分辨率很低，类似于人类的近视眼，仅有1米左右，即使视力最强的蜜蜂，其视力也只有人眼的百分之一。如果在光线微弱的地方，它们的视力还要更差。但是昆虫复眼对运动物体的灵敏度非常的高，如蜜蜂对突然出现的物体的反应时间仅需0.01秒，而人眼需要0.05秒。 

仿照生物复眼的结构，人们提出了许多种不同形式的人工复眼系统。 

例如Tanida J.带领的日本研究团队提出了名为TOMBO(Thin Observation Module by Bound Optics)的人工复眼系统，整个复眼系统由三部分组成，分别为透镜阵列、隔离层 以及光电接收阵列。虽实现了整个系统的小型化，但复眼透镜采用平面结构，视场角较小，与自然界中的复眼结构有很大的出入，失去了其本身的优越性能，即大视场的特性。 

此外，Duparre J.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，利用曲面透镜阵列代替平面透镜阵列，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。但是由于现阶段的光电探测器(CCD或CMOS)均为平面结构，这使得各透镜与光探测器所在平面的距离(即像距)并不相同。对于通常所采用的均一微透镜阵列而言，各透镜将难以同时在像平面上清晰成像。如果以视场中心清晰对焦，那么位于视场边缘的透镜由于离焦，其成像质量会大幅下降。这一现象严重制约了曲面复眼结构的发展。 

另外，张洪鑫等人提出了三层曲面复眼结构，主要由三层曲面透镜阵列组成，并在三层曲面透镜阵列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，但由于整个复眼结构尺寸较小，使得这种复眼透镜结构的加工难度较大，而且采用多层透镜阵列，各层透镜阵列的精确装配准难度也很大，所以这种结构仅停留在理论设计阶段，还无法具体实现加工使用。 

再者，在David Boyd Pollock的美国专利US 2007/0188653Al上提到了一种复眼结构，该结构采用了拼接的思想，每个小眼为一单独的结构进行设计、加工以及装配，该结构不仅能够实现一次性捕捉大范围的影像，而且可获得成像质量较高的图像，大大降低了后期图像处理难度。但是整个系统尺寸较大，而且整个结构并非是一体的，需要对数个单眼进行精确装配，增加了整个系统的复杂度。 

综上所述，迄今周知的一些仿生复眼结构，由于受到现阶段加工工艺等条件的制约，复眼本身体积小以及大视场等特性无法同时满足。 

发明内容

本发明的目的是为了解决目前曲面复眼结构视场角较小，成像质量差的问题，提供一种仿生复眼结构，即可增大视场角的内侧曲面复眼透镜阵列，使该透镜在保证复眼大视场特性的同时能够获得较清晰的成像，并且要使整个结构小巧、紧凑，便于应用。