專利名稱：基于光波的龍蝦眼透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種基于光波的龍蝦眼透鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)光波的大視場(chǎng)、無色差、無軸
外球差成像，屬于仿生光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
龍蝦眼透鏡由若干微通道管1構(gòu)成，見圖1所示，每個(gè)微通道管1都有自己的光 軸，微通道管1呈正四棱臺(tái)狀，正四棱臺(tái)的四個(gè)等腰梯形側(cè)面內(nèi)壁為反射壁2，各微通道管1 軸線為同一球體各個(gè)方位、俯仰方向的半徑，各微通道管1構(gòu)成的龍蝦眼透鏡是一個(gè)球體， 該球體的某個(gè)球冠也是一種龍蝦眼透鏡，稱為球冠龍蝦眼透鏡。龍蝦眼透鏡的成像過程如 下，見圖1、圖2所示，入射光分三種情況通過龍蝦眼透鏡，第一種情況是入射光a、b經(jīng)反射 壁2—次反射，匯集在球面焦面3的十字焦線上，在成像器件4上形成十字像。第二種情況 是入射光c經(jīng)相鄰反射壁2兩次反射，匯集在球面焦面3上的十字焦線的中心，在成像器件 4上形成理想的像點(diǎn)。第三種情況是入射光d未經(jīng)反射直接透射到球面焦面3上，在成像 器件4上形成背景光。并且，龍蝦眼透鏡成像為實(shí)像。 一個(gè)龍蝦眼透鏡有若干光軸，任何位 置的物點(diǎn)與龍蝦眼透鏡中心0的連線都可以看做是光軸，光線最終都會(huì)匯聚到球面焦面3 上，所以龍蝦眼透鏡只有軸上像差，具體是軸上球差，無軸外球差。由于龍蝦眼透鏡成像為 反射式，所以無任何色差。完整的龍蝦眼透鏡是一個(gè)球體，所以，能夠大視場(chǎng)成像，視場(chǎng)達(dá)到 360° 。龍蝦眼透鏡作為光學(xué)成像器件具有單一結(jié)構(gòu)的特征，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕。
現(xiàn)有技術(shù)將龍蝦眼透鏡用于x射線成像，其微通道管的寬縱比很小，呈細(xì)長(zhǎng)狀，以 確保x射線以掠入射的方式接觸反射壁，反射壁具有x射線反射膜，實(shí)現(xiàn)反射成像。
在現(xiàn)有基于光波的光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域也有一些擴(kuò)大視場(chǎng)、消除像差的方案，例如 廣角鏡頭的視場(chǎng)在60 85。，超廣角鏡頭的視場(chǎng)在95 120° ，魚眼鏡頭的視場(chǎng)接近 230° 。然而，這些方案都是多結(jié)構(gòu)光學(xué)部件或光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、裝校困難、重量 大。雖然視場(chǎng)較大，但是，盡管各種像差不同程度減小，但是，依然不同程度存在。并且，隨 視場(chǎng)角的增大其像差增大，原因是透鏡只有一根光軸，如果入射光的角度與光軸之間的角 度越大，單色像差和色差就越大。尤其其中的魚眼鏡頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且像差極大，圖像 還有桶形畸變，因此，魚眼鏡頭只是在攝影等領(lǐng)域?yàn)榱苏故灸承┮曈X沖擊效果才使用，在通 信、預(yù)警等方面幾乎無法應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
為了控制龍蝦眼透鏡的球差，實(shí)現(xiàn)龍蝦眼透鏡的光波成像，實(shí)現(xiàn)光波成像的大視 場(chǎng)、高質(zhì)量，需要確定適合光波的微通道管寬縱比和反射膜，為此，我們發(fā)明了本發(fā)明之基 于光波的龍蝦眼透鏡。 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見圖3、圖4所示，龍蝦眼透鏡微通道管1的寬縱比m/n符合 下式要求w _ sin夕sin((9 + ci0
"
2 公式中m是反射壁2作用孔徑；n是反射壁2等腰梯形的腰長(zhǎng)；9是邊緣微通道 管1反射邊緣入射光e的反射壁2與入射光波光軸的夾角；a是微通道管1四棱臺(tái)錐角。 同時(shí)，反射壁2鍍有光波反射膜。 所述方案的技術(shù)效果在于，光波成像涉及到幾何光學(xué)，在龍蝦眼透鏡成像過程中， 會(huì)產(chǎn)生軸上點(diǎn)球差，其中包括垂軸球差，垂軸球差通過在球面焦面3上所呈現(xiàn)的圓形的彌 散斑表現(xiàn)出來。如果所采用的成像器件4為CCD或者CMOS,則要求這個(gè)彌散斑小于一個(gè)像 素。另外，影響龍蝦眼透鏡的微通道管1寬縱比的因素還有光波某一入射方向的有效口徑 2d和龍!l!下眼透鏡焦距f。 龍蝦眼透鏡成像與其他透鏡成像一樣，形成一個(gè)高亮光錐5，見圖5所示，高亮光 錐5的界面近似為一個(gè)圓錐面，該圓錐面的頂點(diǎn)位于龍蝦眼透鏡對(duì)應(yīng)光波某一入射方向的 焦點(diǎn)F上。錐角為90°的高亮光錐5內(nèi)所包含的能量是入射光波能量中參與成像部分的 95%以上。即使錐角減小到60。，也包含80%以上的能量。所述的彌散斑主要分布在高亮 光錐5內(nèi)。 球差導(dǎo)致彌散斑的產(chǎn)生，需要通過離焦方能得到清晰的像，實(shí)現(xiàn)龍蝦眼透鏡的正 常成像。離焦量的大小由入射光波的邊緣入射光e決定，這個(gè)邊緣光線e又由有效口徑2d 決定，有效口徑2d又由離焦面6處的彌散斑決定，彌散斑的大小又是由離焦面6上的像素 大小決定。 邊緣入射光e入射到龍蝦眼透鏡的微通道管1反射壁2上。以入射點(diǎn)A到龍蝦眼 透鏡中心0的距離r為半徑的球面為龍蝦眼透鏡的作用球面7。作用球面7與微通道管1 相對(duì)的兩個(gè)反射壁2的交點(diǎn)之間的距離稱為微通道管1的作用孔徑m，也稱為微通道管1的 寬。反射壁2等腰梯形的腰長(zhǎng)n為微通道管1的長(zhǎng)，n被入射點(diǎn)A分為p、q兩部分，即n = p+q。半徑巧=r+p的球面為龍蝦眼透鏡的外球面，半徑1~2 = r-q的球面為龍蝦眼透鏡的 內(nèi)球面。龍蝦眼透鏡焦距f = r/2。邊緣入射光e的反射光e'與高亮光錐5的后一個(gè)交 點(diǎn)C到入射光波光軸的距離為彌散斑半徑s/2， s為彌散斑直徑，產(chǎn)生軸上球差w， s與w的 關(guān)系為 S-2w二rx(^——1)。
cos6> 通過離焦消除軸上球差W，離焦量也是W，離焦面6的半徑1為
, 廣
"W + s。w = 2rsmy， p =-^-^" — r，
sin 6《"一~tt;;~~;，
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula> 入射光波為平行光。當(dāng)入射光波由反射壁2反射時(shí)，見圖4所示，反射角e '應(yīng)當(dāng) 大于等于45° ，否則光線會(huì)向回反射匯聚。反射角e '的余角e 〃則應(yīng)當(dāng)小于45。，而余 角e〃等于反射壁2與入射光波光軸的夾角e。因此，e等于45°的微通道管l為球冠
龍蟲下眼透鏡的邊緣微通道管。入射到邊緣微通道管的入射光線為邊緣入射光e。所述球冠 的球心角為29 。對(duì)應(yīng)的有效孔徑為2d。在360°范圍內(nèi)的每一個(gè)角度方向上，龍蝦眼透鏡 都具有2d的有效口徑，因此，球形龍蝦眼透鏡的視場(chǎng)角為360° 。
圖1是龍蝦眼透鏡成像系統(tǒng)示意圖。圖2是入射光波通過龍蝦眼透鏡成像情況示 意圖。圖3是龍蝦眼透鏡微通道管參數(shù)示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖4是入射光波邊 緣光線經(jīng)龍蟲下眼透鏡成像示意圖。圖5是通過離焦減小龍蟲下眼透鏡成像球差示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明具體是這樣實(shí)現(xiàn)的，見圖3、圖4所示，龍蝦眼透鏡微通道管1的寬縱比m/n
符合下式要求
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula> 公式(1)中m是反射壁2作用孔徑；n是反射壁2等腰梯形的腰長(zhǎng)；9是邊緣微 通道管l反射邊緣入射光e的反射壁2與入射光波光軸的夾角，0。 < e《45° ;a是微 通道管1四棱臺(tái)錐角。0 < m/n < 0. 5。在e = 45° 、 a = 0°的極限情況中，m/n = 0. 5， 不能實(shí)現(xiàn)光波成像。如果m/n > 0. 5，則會(huì)引起相當(dāng)大的雜散光。 同時(shí)，反射壁2鍍有光波反射膜，是一種高反射的反射膜系，由多層折射率高低交 替的兩種不同材料反射膜構(gòu)成。對(duì)于可見和近紅外波段成像，反射膜材料是折射率為2. 3 的氧化鈦和折射率為1. 46的氧化硅；對(duì)于紫外波段成像，反射膜材料是折射率為2. 0的氧 化鉿和折射率為1. 38的氟化鎂；對(duì)于中遠(yuǎn)紅外波段成像，反射膜材料是折射率為2. 3的硫 化鋅和折射率為1. 5的氟化釔。龍蝦眼透鏡的基體材料為金屬、晶體、玻璃、塑料中的一種。 采用哪一種結(jié)合反射膜材料而定。
權(quán)利要求
一種基于光波的龍蝦眼透鏡，由若干微通道管(1)構(gòu)成，每個(gè)微通道管(1)都有自己的光軸，微通道管(1)呈正四棱臺(tái)狀，正四棱臺(tái)的四個(gè)等腰梯形側(cè)面內(nèi)壁為反射壁(2)，各微通道管(1)軸線為同一球體各個(gè)方位、俯仰方向的半徑，各微通道管(1)構(gòu)成的龍蝦眼透鏡是一個(gè)球體，該球體的某個(gè)球冠也是一種龍蝦眼透鏡，其特征在于，龍蝦眼透鏡微通道管(1)的寬縱比m/n符合下式要求 <mrow><mfrac> <mi>m</mi> <mi>n</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><mi></mi><mi>θ</mi><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>α</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>α</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mfrac> <mi>α</mi> <mn>2</mn></mfrac> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>公式中m是反射壁(2)作用孔徑；n是反射壁(2)等腰梯形的腰長(zhǎng)；θ是邊緣微通道管(1)反射邊緣入射光e的反射壁(2)與入射光波光軸的夾角；α是微通道管(1)四棱臺(tái)錐角；同時(shí)，反射壁(2)鍍有光波反射膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的龍蝦眼透鏡，其特征在于，O。 < e《45° ;0<m/n<0. 5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍蝦眼透鏡，其特征在于，所述光波反射膜是一種高反射的 反射膜系，由多層折射率高低交替的兩種不同材料反射膜構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的龍蝦眼透鏡，其特征在于，對(duì)于可見和近紅外波段成像，反射 膜材料是折射率為2. 3的氧化鈦和折射率為1. 46的氧化硅；對(duì)于紫外波段成像，反射膜材 料是折射率為2. 0的氧化鉿和折射率為1. 38的氟化鎂；對(duì)于中遠(yuǎn)紅外波段成像，反射膜材 料是折射率為2. 3的硫化鋅和折射率為1. 5的氟化釔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍蝦眼透鏡，其特征在于，龍蝦眼透鏡的基體材料為金屬、晶 體、玻璃、塑料中的一種。
全文摘要
一種基于光波的龍蝦眼透鏡，屬于仿生光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)將龍蝦眼透鏡用于x射線成像，其微通道管的寬縱比很小，呈細(xì)長(zhǎng)狀，以確保x射線以掠入射的方式接觸反射壁，反射壁具有x射線反射膜，實(shí)現(xiàn)反射成像。在現(xiàn)有基于光波的光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域也有一些擴(kuò)大視場(chǎng)、消除像差的方案，例如廣角鏡頭、魚眼鏡頭等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，依然存在較大像差和色差。本發(fā)明之龍蝦眼透鏡微通道管的寬縱比m/n符合下式要求同時(shí)，反射壁鍍有光波反射膜。用于光波成像，具有大視場(chǎng)、無色差、無軸外球差的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101738729SQ20091021798
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者付躍剛, 劉韜, 林澎 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)