大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

仿生复眼系统的视场重叠率

为了实现复眼系统小型化、轻量化,提出一种基于相机外凸式的安装结构。基于该种结构,首先分析了子眼系统视场角之和与光轴夹角之间的关系,通过两子眼系统视场边缘点之间的坐标关系,建立了与子眼间光轴夹角、子眼系统视场角、观测距离相关的视场重叠率计算模型。通过对此模型分析,复眼系统中子眼间光轴夹角应当小于子眼视场角之和,且大于子眼视场角之差;在上千米的观测距离下,子眼间的视场重叠率随观测距离的变化趋向于定值。依据此模型设计了一款19孔径的复眼系统。针对3 km外目标搭建了实验,采集了子眼图像数据,实验结果表明,复眼系统实现了79.23°全视场的无盲区监测,1级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为71.16%、45.99%;1级与2级阵列间子眼在X、Y方向同时存在重叠时的实际重叠率分别为43.00%、18.36%,只在X方向存在重叠时的实际重叠率为14.62%;2级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为66.58%、24.6%。理论重叠量分别为75%、40%;40%、20%;15%;70%、30%。通过子眼实际重叠量与理论重叠量的对比分析,验证了该视场重叠计算模型的可行性。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展

大视场、小型、多模、轻量化、低成本光电探测器是下一代精确制导武器的发展关键,基于仿生复眼的新型大视场光电探测系统作为其中的一个重要方向得到了美国军方的高度重视。通过多个创新研究项目,美军期望发展出多型大视场多通道仿生复眼光电探测器,进而用于自主式制导弹药,强化下一代精确制导弹药的环境感知能力、突防对抗能力和作战效能等。简要分析了精确制导武器的未来发展需求,昆虫复眼的结构和特点;介绍了仿生复眼光电探测器在美军精确制导武器中的应用期望和发展设想;简要讨论了仿生复眼在复杂地形、城市环境作战武器装备中的应用优势,重点介绍了美国空军针对城市作战制导弹药正在研究和开发的系列大视场仿生复眼红外成像探测器项目以及研究过程;另外,阐述了多通道大视场仿生复眼半主动激光探测器的研究进展情况;最后,总结了仿生复眼技术在精确制导武器装备中的研究进展,提出了我国在该技术领域的发展建议。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展

仿生复眼成像系统以其小体积、大视角、高灵敏度等优点而受到广泛关注。国内外研究者一直致力于仿生复眼的理论分析和结构设计方面的研究。综述了复眼类型以及近年来国内外新型的仿生复眼成像系统的最新研究成果。分析各种类型的仿生复眼成像系统结构和技术特点,指出不同系统的优势及存在的不足,并阐述了仿生复眼成像系统的应用前景及未来的发展趋势。     

复眼系统的大视场平像面拼接方法

传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续合理选取光中继系统参数之间的平衡模型,重点分析中继系统景深与复眼拼接像面光程差之间的关系,得出复眼平像面的拼接方式产生的光程差在典型光中继系统的可接受景深范围内,可以有效地降低中继光学系统设计压力的结论。并基于上述理论设计一种单子眼的视场为16°、整体视场为96°的复眼光学系统进行实践验证。系统最终实现畸变小于2%,传递函数在中心视场达到衍射极限,边缘视场接近衍射极限的良好像质,证明了该拼接理论可行。     

目标定位仿生复眼视觉系统成像位置计算

用于目标定位的仿生复眼视觉系统,目标成像位置的精确计算是提高系统定位精度的关键。文章从像斑能量分布的角度出发,介绍了一种较为适于复眼成像位置计算的方法:能量对称法。该方法以主光线在像斑上的坐标定义像斑重心,以主光线像点是像斑能量对称中心的原理来获得像斑重心（即像斑位置）。文中以仿生复眼视觉系统的简化模型为研究对象,应用能量对称法对理论模拟像斑和实验像斑进行了实际计算,计算表明理论像斑位置可以通过能量对称法准确得到;利用实验像斑位置计算入射光线角度也达到了较为理想的计算精度。文中采用传统的灰度重心法同步计算,与新方法形成对比。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

仿生复眼成像系统角度误差

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析,介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型,通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换,推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式,即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程,从而进行误差分析。并且搭建了实验,采集了实验数据,通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为3'14,实际测得的旋转角度误差3'15,理论计算值与实际测量值基本一致,证明该误差分析方法是可行的。     

超大视场变焦仿生眼光学系统设计

提出了一种新的基于仿生鱼眼镜头模型的超大视场变焦仿生眼光学系统。该仿生眼应用可调光焦度器件能使光学系统更紧凑和不需要移动。鉴于鱼眼系统可以简化成反远物镜的原理,利用矩阵理论和变焦准则,研究了基于可调光焦度器件鱼眼镜头设计的一阶几何光学理论,得到了鱼眼系统前组和后组的光焦度控制方程;进一步讨论了其光焦度的边界方程;最后提供的仿生变焦鱼眼的视场角最大为164,焦距从5～15 mm变化,成像质量达到系统要求。设计实例为其在智能监控、航天军工、机器人系统等领域的应用提供了有益的探索。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

复眼三维目标定位精度分析

为提高视觉测量系统的精度,以一种复眼结构为模型, 着重探讨了复眼系统的多子眼在提高目标定位精度中的作用,并进行系统的仿真分析。首先,对复眼结构进行了简要介绍。随后利用Zemax建立了复眼的光学入射模型。接着,设定标定目标平面并逐点设定空间三维坐标并得到标定点与透镜中心之间的入射角度。然后,建立起入射角度与对应像点之间的关系作为标定结果。最后,根据标定结果分别利用复眼中不同子眼数对空间目标点坐标进行求取。分析结果显示:利用复眼多子眼共同定位目标较传统的双目视觉能获得更高的精度,并且精度会随着子眼数目的增加而提高,该方案为复眼的实际制作和应用提供了良好的指导作用。     

紧凑型大变倍比红外光学系统设计

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题,从变焦系统设计的基本理论出发,提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型,给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成,通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍;通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组,对前组焦距进行二级放大,扩大整个成像系统的变倍能力,同时,二次成像组还压缩了物镜口径,保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计,该系统工作波段为3.7~4.8 m,采用640480制冷型面阵探测器,像元大小15 m,F数恒定为4,可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92~58.2、达70倍的连续变焦功能,仅采用了两种材料,十片透镜,总长300 mm,具有优良的成像质量和公差特性。     

一种激光与红外复合光学系统设计

介绍了一种半主动激光与长波红外共口径复合光学系统。光学系统采用折反式光路结构,半主动激光系统与长波红外系统在主反射镜处实现共口径复合。利用反射元件无色差的特性,可以有效地实现两种波段的共口径共光路传输。经过主次反射镜反射后,两种波段的入射光通过分光器件高效地实现分离,分别进入各自探测器中,实现了复合光学系统设计。通过采用折反式光路,结构保持了相对紧凑;前段望远物镜系统采用卡塞格林式反射系统,具有无色差的优点,同时避免了选用价格昂贵的宽波段透光材料,实现了成本控制。     

全日盲紫外成像探测仪光学系统设计

全日盲紫外成像探测仪可对架空输电线路产生的电晕进行早期探测,降低电力设备损伤。紫外物镜作为全日盲紫外成像探测仪的核心元器件,其性能指标直接影响探测仪的性能。针对电晕检测系统大多存在光能利用率不足的问题,设计了一种基于分色分光的同轴光学系统,消除了中心视场遮拦,增大了紫外光通道的通光口径,有效提高了电晕探测系统的能量收集能力。设计的紫外物镜全视场全探测范围内点列图均方根小于0.14 mm,满足紫外电晕探测的分辨率需求。相较于国外紫外成像探测仪的光学系统,分色分光同轴光学系统的全日盲紫外成像探测仪对能量的收集能力明显高于国外紫外成像探测仪。