大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

液体微透镜阵列的驱动控制及其制造工艺研究

<正>液体微透镜阵列具有超光滑表面和大范围的连续变焦优势,在现代生物,医学治疗、军事感知等领域有广泛的应用前景。针对常规静态成像系统的视场角小、图像重叠、景深小等问题,本研究提出了液体复眼式图像传感器,对三维光场信息进行实时/域提取,实现了动态景深、超高分辨率的真三维成像和智能监控。液体复眼作为新型图像传感器的核心部件,是实现大视场、实时/域可变焦性能的关键。本研究有效结合纳米压印技术和液体自组装方法,开发了大面积、高密度复眼的定向/     

曲面复眼成像系统的研究

研究了两种曲面复眼成像系统,并首次将曲面场镜阵列引入曲面复眼成像系统,使其边缘视场的成像质量进一步提高,视场角进一步加大。进行了成像系统的建模以及光线追迹,两种结构的视场角分别达到60°和88°,整个系统的体积分别为0.9 mm×0.9 mm×0.5 mm和0.9 mm×0.9 mm×0.75 mm。文中给出了用激光直写设备在曲面基底上进行光刻来制作曲面微透镜阵列的方法。     

多通道大视场目标定位仪的研制

研制了一种在大视场范围内可靠性高、功耗低的便携式目标定位仪器。研究了该系统采用的光、机、电、定位数学模型、标定方案以及在目标定位过程中根据像点识别对应通道的算法等。首先,根据大视场的要求设计了透镜阵列曲面分布的结构,加工了安放透镜的球壳基底,并将它们成像在同一个图像传感器上。采用折射透镜进一步优化了光路系统,从而改善了成像质量。编写了相应的驱动程序完成了图像的采集和数据高速传输,然后,建立了所设计复眼系统的定位数学模型,并对复眼成像系统进行了标定。最后,根据像点匹配通道算法,实现了目标的三维定位,并在此基础上进行了简单的三维零件轮廓测量。实验结果表明：系统对横向66°、纵向43°视场角的目标实际三维测量精度误差在2%左右,表明本仪器能完成大视场范围内的目标三维定位任务。     

基于仿复眼视觉成像的目标信息获取方法

目标信息获取是视觉测量的关键技术,提出了一种基于仿复眼视觉成像的目标三维信息获取方法.该方法根据复眼视觉成像原理,采用单摄像机和平面微透镜阵列进行成像,建立目标点和成像点之间的对应几何关系,利用归一化互相关窗口匹配算法,获得目标的深度信息,从而计算出其三维坐标信息,通过试验验证了该方法的可行性和正确性.     

人工复眼的研究进展

复眼是自然界中常见的一种视觉器官,常见于节肢动物中,其有着极高的视场角、低像差、低失真、高时间分辨率、高空间分辨率和无限景深等优点,近些年受到较大的关注。概述了最新的复眼制作工艺和成像系统,介绍了常用的制作复眼透镜的工艺技术,同时还介绍了复眼透镜的成像系统。最后,对人工复眼系统的研究进行了展望。     

基于超精密复眼加工的光场成像研究

复眼透镜是光场成像系统中的关键光学元件。提出一种针对复眼透镜的新型设计加工方法:该设计方法可根据不同的相机参数,优化复眼透镜的设计参数,提高成像质量;该加工方法主要包含超精密车削加工和模压注塑两道工艺,并对车削加工工艺进行了改良。在光场相机的基础上,对光场成像中合成孔径以及数字重聚焦等关键问题进行了深入探讨。试验结果表明,设计加工的复眼透镜阵列具有较高的精度和较好的一致性,可有效实现光场成像的核心功能。     

基于视场分割的仿生复眼系统设计方法

针对传统大视场成像设备难以兼顾高分辨率和实时性的问题,通过模仿昆虫曲面多目复眼结构,提出一种基于多相机阵列的球面复眼设备设计方法.该方法利用相机原始矩形视场对预定视场进行分割,根据矩形视场存在水平、垂直 ２ 个视场角的特点,通过对球壳纬度层和经度层 ２ 个方向的分割,在无缝分割的前提下,最大限度地降低相邻相机间的重叠区域,提高相机的利用效率,降低系统复杂度.基于该设计方法,采用水平视场角、垂直视场角及分辨率为 ２００ 万的 ７ 个完全相同的相机制作了一款 ２ 层的仿生复眼,并利用该设备实现了视角为 ７９．５° ,分辨率为 １２００ 万的全景成像,证明了该设计方法的有效性.     

提高仿生复眼定位精度研究

自然界中昆虫复眼的定位属于视觉定位技术的一种,其具有的大视场、小体积、高灵敏度的特点,满足了诸多场合对定位装置的要求。参照昆虫复眼研制的新型仿生复眼系统由复眼球壳、微透镜阵列、弯月折转透镜和大面积CMOS相机等组成,为实现复眼系统定位功能,需要先完成系统标定工作。针对系统标定过程中存在的图像光斑中心定位精度不足的问题,提出了基于能量对称的光斑中心定位算法,该算法首先需要完成复眼各子眼通道成像的传感器辐射响应标定,再根据能量对称的原则提取光斑中心坐标。并对该算法的定位效果进行试验验证。为了验证改进方案对复眼系统目标点定位精度的提升效果,在复眼系统60°视场内进行目标点定位试验,试验结果表明,方案改进前后整体角度误差最大值从4.92mrad降低到4.23mrad,定位精度提升约14%,表明改进方案对复眼系统定位精度起到了较好的提升效果。     

基于Hartmann-Shack波前检测原理的微透镜阵列焦距测量

基于哈特曼波前传感器检测原理,结合图像清晰度定焦技术,提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法,介绍了测量系统的组成和原理.首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像,利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像.然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量,计算相应的微透镜阵列子单元的焦距.最后,基于图像清晰度定焦技术,通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性.测量结果表明,该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3％;同时,一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定.相对于传统的检测方法,该方法具有较高的检测精度和效率.     

Design,fabrication and testing of a compact large-field-of-view infrared compound eye imaging system by precision glass molding

Bionic artificial compound eyes inspire a promising field of miniaturized imaging systems. In this research, a novel infrared (IR) three-dimensional (3D) compound eye imaging system, consisting of a double-side molded 3D microlens array and an aperture array, was designed and fabricated by combining modulated slow-tool-servo diamond turning and precision glass molding. To facilitate the complex profiles on the mold inserts, two novel slow-tool-servo strategies were adopted, namely virtual-axis based diamond broaching and adaptive diamond turning. This microlens array consists of 3 × 3 channels for a field of view of 48° × 48° with a thickness of 1.8 mm. The freeform microlens array on a flat surface was employed to steer and focus the incident light from all three dimensions to a two-dimension (2D) infrared imager. Using raytracing, the profiles of the freeform microlenses of each channel were optimized to obtain the best imaging performance. To avoid crosstalk among adjacent channels, a 3D printed three-dimensional micro aperture array was mounted between the microlens array and the IR imager. The imaging tests of the infrared compound-eye imaging system using the molded chalcogenide glass lenses showed that the asymmetrical freeform lenslets were capable of steering and forming images within the designed field of view. Compared to a conventional infrared camera, this novel microlens array can achieve a considerably larger field-of-view while maintaining low manufacturing cost without sacrificing image quality.     

双视场无盲点全景成像仪

折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点,但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪,该仪器可以同时对前向视场360°×(0°~55°)和环形视场360°×(55°~95°)进行观测。其中,前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区,并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面,具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构,从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

Theoretical and experimental research on error analysis and optimization of tool path in fabricating aspheric compound eyes by precision micro milling

Structure design and fabricating methods of three-dimensional （3D） artificial spherical compound eyes have been researched by many scholars. Micro-nano optical manufacturing is mostly used to process 3D artificial compound eyes. However, spherical optical compound eyes are less at optical performance than the eyes of insects, and it is difficult to further improve the imaging quality of compound eyes by means of micro-nano optical manufacturing. In this research, nonhomogeneous aspheric compound eyes （ACEs） are designed and fabricated. The nonhomogeneous aspheric structure is applied to calibrate the spherical aberration. Micro milling with advantages in processing three-dimensional micro structures is adopted to manufacture ACEs. In order to obtain ACEs with high imaging quality, the tool paths are optimized by analyzing the influence factors consisting of interpolation allowable error, scallop height and tool path pattern. In the experiments, two kinds of ACEs are manufactured by micro-milling with different too path patterns and cutting parameter on the miniature precision five-axis milling machine tool. The experimental results indicate that the ACEs of high surface quality can be achieved by circularly milling small micro-lens individually with changeable cutting depth. A prototype of the aspheric compound eye （ACE） with surface roughness （Ra） below 0.12 p.m is obtained with good imaging performance. This research ameliorates the imaging quality of 3D artificial compound eyes, and the proposed method of micro-milling can improve surface processing quality of compound eyes.     

导光板模具微冲孔机床在位测量系统的设计与研究

针对导光板模具微结构加工过程中微孔尺寸定时在位测量的要求,基于视觉测量技术提出了在微冲孔机床上集成导光板模具微孔点阵在位测量系统的解决方案。它通过相机获取微结构的加工图像,运用一系列图像处理算法提取测量目标的亚像素边缘并进行拟合。提出两步标定技术求取亚毫米视野镜头畸变映射及像素当量。通过将视觉测量结果与白光干涉仪的测量结果对比,证明该测量系统的精度能够达到±1μm以内,具有实时、快速、高精度、重复性好的等特点。