一種大視場曲面復眼立體攝像裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大視場曲面復眼立體攝像裝置。包括包括CCD相機以及設置在CCD相機上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體。本實用新型提供了一種視場大、分辨率高、實用性高的大視場曲面復眼立體攝像裝置。
【專利說明】一種大視場曲面復眼立體攝像裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光學領域，涉及一種仿生復眼立體視覺裝置，尤其涉及一種大視場曲面復眼立體攝像裝置。
【背景技術】
[0002]自然界生物的視覺系統(tǒng)主要有兩類:一類是單眼雙目視覺系統(tǒng)，靠雙目間的視差產生立體視覺，主要存在于人和脊椎動物身上；另一類是昆蟲的復眼視覺系統(tǒng)，具有大視場、高時間分辨率和對運動的高靈敏度。
[0003]相對而言，單眼雙目視覺系統(tǒng)的結構比復眼視覺系統(tǒng)簡單，但是單眼雙目視覺系統(tǒng)也相應的存在許多不足，例如:難以同時獲得大視場和高分辨率，二維平面成像會丟失物體的立體信息，不能最大限度發(fā)揮光學系統(tǒng)并行處理的特點，不具備類似生物視覺的目標自動檢測、判斷和跟蹤的能力，受衍射極限等因素的影響成像系統(tǒng)體積大等。
[0004]為了解決單孔徑光學成像系統(tǒng)中存在的技術缺陷，人們研究了仿生復眼的多孔徑成像系統(tǒng)，以期達到如下目標:(I)協(xié)調或者解決高分辨率與大視場間的矛盾，建立新型的光學成像機制；(2)充分發(fā)揮光學系統(tǒng)的并行處理特點，并根據(jù)多孔徑視場重疊等特點，利用序列圖像處理技術實現(xiàn)對運動目標的自動捕獲、檢測、判斷和定位跟蹤；(3)實現(xiàn)對目標物體或場景的高分辨率立體圖像重建。
[0005]近年來，國內外學者針對多孔徑仿生復眼成像系統(tǒng)投入了大量的研究工作，技術成果也在動目標監(jiān)測、目標紅外測距、立體相機、立體窺鏡等領域初步得到應用。上海交通大學和西安交通大學用柔性和熱塑性的材料在曲面上制作了微透鏡陣列，但是由于目前的圖像傳感器均為平面，曲面上的微透鏡陣列與平面圖像傳感器耦合有困難。中北大學分別制作了 PDMS (聚二甲基硅氧烷)材質的微凸透鏡模、柵格模和外圍包裹模，并在柵格模的空腔中插入直徑80 μ m的光纖，最后加壓形成曲面的微透鏡陣列，依靠光纖傳輸圖像信號到圖像傳感器平面上。這種方法實現(xiàn)了球面透鏡陣列與平面圖像傳感器的耦合，但是光纖直徑較粗，使圖像的分辨率遠低于圖像傳感器本身的分辨率。美國的一個國際合作研究團隊用柔性材料制作了微透鏡陣列，并在半球面上用光電二極管制作了圖像傳感器，在仿生復眼的研究中取得了跨越式的進步，但是這項研究目前還處于研發(fā)階段，技術并不成熟，難以實用。
實用新型內容
[0006]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本實用新型提出了一種大視場曲面復眼立體攝像裝置。有效的解決了目前仿生復眼視場小、分辨率低、實用性差等問題。
[0007]本實用新型的技術解決方案是:
[0008]一種大視場曲面復眼立體攝像裝置，其特殊之處在于:包括C⑶相機以及設置在CCD相機上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體；[0009]上述空心半球殼體與CXD圖像傳感器通過錐形套筒固定連接；
[0010]上述柔性聚合物傳像光纖陣列設置在錐形套筒內部；
[0011]上述空心半球殼體上設置若干通孔，通孔上設置有梯度折射率透鏡；
[0012]上述柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖組成；
[0013]上述柔性聚合物傳像光纖一端與梯度折射率透鏡連接，另一端與CXD圖像傳感器相連；
[0014]上述柔性聚合物傳像光纖由若干聚合物光纖組成；
[0015]上述空心半球殼體上的通孔外側形狀為圓形，內側形狀為正方形；
[0016]上述錐形套筒一端為圓形，另一端為矩形。
[0017]本實用新型的有益效果是:
[0018]1.視場大:由于本實用新型中的柔性聚合物傳像光纖的特殊作用，能夠把分布于球面上各個梯度折射率透鏡所成的圖像傳輸?shù)綀D像傳感器上，位于球面上的梯度折射率透鏡可以覆蓋將近180°，甚至更大的市場角度范圍，充分解決普通平行透鏡陣列視場角小的問題。
[0019]2.分辨率高:本實用新型利用聚合物材料制作成柔性傳像光纖，按照設計結果，傳像光纖中的單根光纖直徑達到5μπι，所傳輸圖像的理論分辨率高達1001p/mm，接近目前一般的CCD或CMOS圖像傳感器的分辨率水平，相比現(xiàn)有的仿生復眼技術，具有較高的圖像
分辨率。
[0020]3.實用性高:本實用新型所設計的球面仿生復眼結構借助聚合物傳像光纖的柔性，實現(xiàn)了非平行的梯度折射率透鏡陣列所成的圖像到平面圖像傳感器表面的順利傳輸，能夠充分利用現(xiàn)有的CCD和CMOS圖像傳感器，大大減少了仿生復眼技術研發(fā)的成本，也有利于推動仿生復眼技術的進一步發(fā)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型結構剖面示意圖；
[0022]圖2是本實用新型聚合物光纖拉伸過程示意圖；
[0023]圖3是本實用新型空心半球殼體結構示意圖；
[0024]圖4是本實用新型錐形套筒結構示意圖；
[0025]圖5是本實用新型大視場曲面復眼成像鏡頭結構示意圖；
[0026]其中:1-PS芯棒；2-PMMA管；3_位于拉絲塔上的電熱爐；4_聚合物光纖；5_空心半球殼體；6_錐形套筒；7_梯度折射率透鏡；8_柔性聚合物傳像光纖；9-CCD圖像傳感器；10-CCD 相機。
【具體實施方式】
[0027]參見圖1-5，一種大視場曲面復眼立體攝像裝置，包括C⑶相機10以及設置在CXD相機10上的CCD圖像傳感器9，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒6和空心半球殼體5 ;空心半球殼體5與CXD圖像傳感器9通過錐形套筒6固定連接；柔性聚合物傳像光纖陣列設置在錐形套筒6內部；空心半球殼體5上設置若干通孔，通孔上設置有梯度折射率透鏡7 ;柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖8組成；柔性聚合物傳像光纖8 —端與梯度折射率透鏡7連接，另一端與(XD圖像傳感器9相連；柔性聚合物傳像光纖8由若干聚合物光纖4組成；空心半球殼體5上的通孔外側形狀為圓形，內側形狀為正方形；錐形套筒6 —端為圓形，另一端為矩形。
[0028]大視場曲面復眼立體攝像裝置制作方法如下:
[0029](一)集成式高分辨率聚合物傳像光纖的制備:
[0030]步驟1:采用棒-管法制作聚合物光纖:將直徑為16mm (或其它合適尺寸)的PS (polystyrene,聚苯乙烯)棒套入內徑為16mm (或為與PS棒外徑匹配的其它尺寸)、外徑為20mm (或為能保證管壁厚度為PS棒直徑1/8的其它尺寸)的PMMA(Polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)圓管內，同時置入內徑為20mm(或為與PMMA管外徑匹配的其它尺寸)的圓形模具，在真空干燥箱內抽真空并加熱，真空度為-0.09MPa,溫度為160°C，加熱時間為3h，然后保持真空度自然冷卻至室溫，取出后成為光纖預制棒；預制棒在拉絲塔上加熱拉伸制作光纖，拉絲溫度為190°C，光纖直徑控制在0.5mm,并將光纖切段，長度為50cm。
[0031]步驟2:在一個內孔邊長為70mm的精密正方形框上，分別以平行的對邊為支撐纏繞上絲徑為0.1mm的不銹鋼絲或其它高強度的纖維絲，同一組對邊上纏繞的纖維絲相互平行并且與相應的邊框垂直，相鄰纖維絲的間距為0.6mm。這樣就在正方形邊框內形成篩網(wǎng)，每個網(wǎng)眼為正方形，正方形的大小正好可以穿入一根直徑為0.5mm的光纖。
[0032]步驟3:將篩網(wǎng)擱置在一個外邊長為70mm,內邊長為60mm的正方形環(huán)上,把步驟I中制備好的光纖穿入所有位于正方形環(huán)內的篩網(wǎng)正方形孔中，穿過長度約20mm。然后取下正方形環(huán)，用四塊精密鋼板夾緊穿過篩網(wǎng)的光纖并將其塞入孔邊為50mm的聚四氟乙烯正方形管內，端部涂上環(huán)氧樹脂膠黏劑，并粘接一段繩索作為牽引，待固化后取下聚四氟乙烯管，把牽引繩和粘接好的光纖端部塞入內孔邊長為50mm的內拋光正方形金屬管模具內，并通過拉動牽引繩使所有光纖通過篩網(wǎng)孔進入模具內，以保證光纖的整齊排列。之后把光纖和模具一起置入真空干燥箱，抽真空加熱，真空度為-0.09MPa，加熱溫度為160°C，加熱時間為5h，然后保持真空度自然冷卻至室溫，制備得到傳像光纖預制棒。用步驟I中所述的類似方法拉伸傳像光纖預制棒，得到橫截面邊長為0.5mm的集成式柔性聚合物傳像光纖，單絲直徑為5 μ m，理論分辨率高達1001p/mm，可彎曲使用。
[0033]步驟4:將上述傳像光纖切段，長度為50mm，并將其中一端拋光，在后面的步驟中備用。
[0034](二)大視場曲面復眼成像鏡頭的研制
[0035]步驟1:在一個內徑為15mm、外徑為21mm的金屬空心半球殼體上,加工出中心軸線經(jīng)過球心且等夾角的多個臺階孔，其中外側圓孔直徑為0.8mm,內側正方形孔的橫截面邊長為0.5mm,孔的深度均為3mm,共127個孔。
[0036]步驟2:加工一個一端為圓形，另一端為矩形，高度為12mm的錐形套筒，其中圓形端的外圓直徑為21mm,內圓孔直徑為19mm ;矩形端的外側長度為9mm,寬度為5mm,內孔長度為8_，寬度為4mm。
[0037]步驟3:在空心半球殼體的臺階孔內，安裝梯度折射率棒透鏡，透鏡的直徑為
0.8mm，長度為3mm，焦距為1.5mm，遠處的物體圖像正好位于透鏡端面上。透鏡與殼體之間用快速固化膠密封粘接。[0038]步驟4:將前述的聚合物傳像光纖已拋光的一端安裝到半球殼體的各個臺階孔內(孔截面邊長為0.5_)，端面與梯度折射率棒透鏡的表面貼近，然后用快速固化膠把傳像光纖與球面殼體密封粘接牢固。
[0039]步驟5:把傳像光纖的另一端按照矩形排列方式整齊的固定到步驟2加工的錐形套筒內，其中套筒的圓形一端與半球殼體對接。然后在傳像光纖的間隙中灌入環(huán)氧樹脂膠黏劑進行密封固定。最后把套筒的矩形端與傳像光纖陣列一起進行研磨拋光，得到大視場曲面復眼成像鏡頭。
[0040](三)曲面復眼立體攝像裝置的組裝
[0041]選擇圖像傳感器有效長寬比為2:1，大小為1/2的C⑶或者CMOS攝像機，去除圖像傳感元表面的保護玻璃，將前述步驟中制備的曲面復眼成像透鏡用透明的光敏固化膠粘接到圖像傳感器表面，組成曲面復眼立體攝像裝置?；蛘卟捎民詈乡R頭將曲面復眼鏡頭所成的圖像耦合進入攝像機的圖像傳感器內部。曲面復眼立體攝像裝置將拍攝的視頻或圖像信號傳輸?shù)接嬎銠C中，通過計算機的圖像處理重構出立體圖像。
【權利要求】
1.一種大視場曲面復眼立體攝像裝置，其特征在于:包括C⑶相機以及設置在C⑶相機上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體； 所述空心半球殼體與CCD圖像傳感器通過錐形套筒固定連接； 所述柔性聚合物傳像光纖陣列設置在錐形套筒內部； 所述空心半球殼體上設置若干通孔，通孔上設置有梯度折射率透鏡； 所述柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖組成； 所述柔性聚合物傳像光纖一端與梯度折射率透鏡連接，另一端與CCD圖像傳感器相連； 所述柔性聚合物傳像光纖由若干聚合物光纖組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的大視場曲面復眼立體攝像裝置，其特征在于:所述空心半球殼體上的通孔外側形狀為圓形，內側形狀為正方形。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的大視場曲面復眼立體攝像裝置，其特征在于:所述錐形套筒一端為圓形，另一端為矩形。
【文檔編號】G03B35/00GK203691552SQ201320851394
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】孔德鵬, 賀正權, 屈恩世, 王麗莉, 李育林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所