多层曲面仿生复眼成像系统的设计

随着光学成像系统应用领域的不断拓展，人们对其性能指标的要求也不断提高，诸如-些监测装置所用的光学系统，需要同时达到视城大，体积小等要求，这对传统的单孔径成像系统无法实现，如广角镜头要通过10片以上的透镜组合实现 180。的大视城成像，这无疑增加了整个系统的体积与重量，而且这种光学系统的畸变很大，图像变形严重。

自然界中的生物复眼由成千上万个成像单元构成，将每个成像单元定义为复眼的-个子眼，这些子眼排布在-球面或椭球面基底上，每个子眼对不同方向物空间的成像使复眼拥有较大的视城 .2]。不同于单孔径成像系统，生物复眼属于多孔径成像系统，通过对多通道子眼图像的融合 ]，可实现大视场收稿日期：2013-03-27基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51175377)；天津市自然科学基金资助项目(12JCQNJCD2700)作者简介：邹成刚(1987- )，男，吉林扶余人，天津大学硕士研究生，主要从事光学设计与光电检测研究，(Te1)86.13612082509(E-mail)zegO322###163.eom；张红霞(1977- )，女，江苏扬州人，天津大学副教授 ，博士，主要从事设计与光纤传感研究，(Te1)86 2227403147(E-mail)hxzhang###tju.edu.cn。

第 4期 邹成刚，等 ：多层曲面仿生复眼成像系统的设计 375角的成像以及对目标物体的实时跟踪 J。而且由于不同方位的子眼对不同方向的物空间进行成像，整幅图像的分辨率-致。受到生物复眼的启发，人们提出了-种基于微透镜阵列的仿生复眼成像系统，如文献[6-9]中提到的平面型仿生复眼结构，这种形式的复眼透镜能达到的视城很小，失去了复眼大视场的特点，因此，很难得到广泛应用。为了提高仿生复眼的视城，研究人员提出了与生物复眼更加近似的单层曲面型仿生复眼透镜，如文献[10]与文献[11]所述的通过在-曲面基底上分布微透镜阵列的形式扩大复眼透镜的视城，这种形式的复眼透镜虽然增大了整个复眼的视城，但仍然存在着-些问题：-方面是曲面微透镜的加工是-个难点，因为单个微透镜的视城很小，为了获得较大的视城，曲面基底上微透镜的个数很多，这给加工带来了很大的困难；另-方面，在系统结构设计上也存在着-些问题，由于目前的图像探测器均为平面结构，而曲面复眼透镜是在-曲面基底上分布微透镜阵列，各微透镜的光轴与图像探测器间存在着-个夹角，越靠近曲面基底边缘的微透镜，此夹角的角度越大，而此夹角的存在会使微透镜的成像质量降低，如果以微透镜中心视场清晰对焦，边缘视惩会出现不同程度的离焦，严重影响微透镜的成像质量，降低图像的清晰度 。这两方面的原因使这种结构的曲面仿生复眼很难进-步扩大视城。

针对上述问题，笔者提出-种多层曲面仿生复眼结构，通过多层透镜组合扩大子眼的视城，利用7个子眼通道即可实现 180。范围的成像，有效降低了曲面基底上微透镜的个数。每个子眼通道包含4层微透镜以及-个图像探测器，各子眼通道独立地对其视场范围内的光线进行成像，避免了曲面基底边缘的微透镜成像质量下降的问题。对各个子眼进行优化设计，使每个子眼通道在其视场范围内获得较高的成像质量。成像实验表明，这种结构的仿生复眼能实现180。的成像。此外，通过超精密车削加工技术制作此微透镜阵列是可行的，而且易于单层曲面复眼透镜的制作 。

1 总体结构设计整个仿生复眼子眼通道的排布方式如图1所示，在-球面基底上，以-个子眼为中心，其余6个子眼环绕排布在中心子眼外圈，这 6个子眼的中心点敲是-正六边形的6个顶点。外圈6个子眼的光轴与中心子眼光轴的夹角为 ，不同的子眼以-个固定的视城 2∞对物方空间成像(见图 1a)。由于子眼数目较少，要想实现180。的成像，每个子眼承担的视城很大，根据几何关系可以得到，当外圈子眼和中心子眼的夹角 与子眼的半视城 满足关系式 ≥詈 (1)整个复眼的最大视城才能达到 180。。

如图lb所示的各子眼通道视城在物方的涵盖区域可看到，这种排布方式下各子眼问的成像区域存在盲区，即各子眼的视场范围均无法对这-区域成像。如图 lb中阴影部分所示，子眼之间的成像盲区主要分成两部分：1)中心子眼与外圈的两个子眼间的成像盲区，称之为盲区S，；2)当复眼的最大视a 子眼参数 b 成像盲区示意图图 1 子眼通道排布Fig.1 The arrangement of ommatidium376 吉 林 大 学 学 报(信 息 科 学 版) 第31卷城达到180。时，外圈两子眼间的成像盲区，称为盲区s 。盲区的存在会造成物方图像信息的丢失，因此必须消除盲区。为此，必须合理设置各子眼的位置以及选择合适的子眼视城，使仿生复眼系统的总视场角能达到 180。，且无成像盲区。

如图2所示，盲区的大小与各子眼间光轴夹角 0以及子眼的视城 2∞有关，改变两数值的大猩使盲区变小甚至为零。取仿生复眼的物距大于200 mm，根据计算，当3个子眼通道之间的成像盲区为零，即 盲区s 消失时，子眼的视城与子眼间光轴夹角之 ～间的关系为图2 ∞与 0的关 系曲线Relationship CHI Ve between and 0sln ： 二 丛 (2) ----------- ---------- z当边缘6个子眼在 180。的视场方向上的盲区为零时，即盲区 消失时，可得到子眼半视城与子眼间光轴夹角之间的关系为in詈： /2-，/-3sin 0 (3)根据式(1)～式(3)给出了子眼半视城 以及中心子眼与外圈子眼间夹角 0的 MTF(ModulationTransfer Function)关系曲线(见图2)。为了使多层曲面复眼的最大视城达到 180。，∞与 0的值必须取在曲线 3的右上方或是曲线 3之上，而为了消除子眼物方视场的盲区，∞与 0的值必须同时满足曲线 l与曲线2。从图2可看到，曲线 1与曲线2存在-交点，这-交点敲在曲线3的右上方，根据前面分析可以得到，此交点即其值使复眼在整个180。范围内成像而无盲区的点。由式(2)、式(3)联立可求得此交点的值为 ：37.25。，066.8。。所以当多层曲面仿生复眼的子眼视城2to74.5。，中心子眼与外圈子眼的光轴夹角为066.8。时，整个仿生复眼结构在180。范围内成像不存在盲点。

Spatial frequeney(Cycles/mm)a 初始结构 b 初始结构 MTF曲线图3 初始结构及 MTF曲线Fig.3 Initial structure and MIF curves2 单通道子眼的设计为获得高的成像质量，必须对单个子眼进行优化设计，根据前面的分析可知，每个子眼所承担的视城为20J74.5。，选用 CCD(Charge-Coupled Device)图像传感器接收图像，根据 CCD尺寸及像元大小可得到子眼成像的最大像高为3 mm，分辨率为60 lp/mm。由物镜的成像特性可知，子眼的视城、焦距以及像高之间的关系为Y f tan∞ (4)可得到子眼的焦距为3.95 mm。由于子眼的视城很大，用-个单透镜实现这么大的视城非常困难，