漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生復眼成像裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于曲面陣列透鏡仿生復眼成像裝置領域，具體涉及一種漸變焦距透鏡陣 列的曲面仿生復眼成像裝置。
【背景技術】
[0002] 生物復眼是由聚集在一起的一簇小單眼聯(lián)合所構成，通常整個復眼形成一個近似 于球面狀的曲面。眾多獨立成像的小單眼可以將整個視場分成若干部分，每個獨立的小單 眼對應一個相對固定的視場角，只負責觀察整個視場中的一小部分圖像，通過將所有小單 眼所得的所有圖像進行拼接就形成一個完整的圖像。由于生物復眼通常具有體積小、視場 角大、對運動物體高度靈敏等優(yōu)點，因此基于多個小眼陣列的仿生復眼裝置在天文、軍事、 醫(yī)學內窺鏡等諸多領域具有很高的研發(fā)價值。
[0003] 早期的人工復眼大多將多個光學透鏡分布在帶有陣列篩孔結構的同一平面或近 似半球的曲面上，再將所有光學透鏡均聚焦于同一光電圖像傳感器的焦平面。例如，2007年 德國的JACQUES小組在曲面基底上應用并列復眼的設計理念，提出球面仿生復眼系統(tǒng)，其采 用112X112的凸球面透鏡陣列，視場角范圍可達到31° X31°。但此類球面仿生復眼系統(tǒng)中， 作為單眼的每一個光學透鏡均聚焦于同一個平面型光電圖像傳感器的焦平面，因此位于大 視場邊緣的透鏡處于離焦狀態(tài)，其成像質量急劇下降，這導致此類球面仿生復眼系統(tǒng)無法 進一步擴大其視場范圍。
[0004] 隨著光電傳感器分辨率水平的逐步提高，將多個光電傳感器在更高的集成度上拼 接成一個更小的曲面結構的設想如今已成為可行現(xiàn)實，同時毫米級以下的微型透鏡制作工 藝也得到長足進步和發(fā)展，由此產生的新型曲面復眼系統(tǒng)具有更高的單眼集成度，其新型 曲面復眼系統(tǒng)的視場角也已增大到160°，實現(xiàn)了真正意義上的曲面復眼成像系統(tǒng)。其重要 特征是，作為單眼的各個透鏡的直徑、曲率和焦距都是完全相同的，其彼此之間并沒有顯著 且規(guī)律的特征變化，它們以曲面陣列的形式分布在一個近似半球的篩孔曲面上，同時，在每 一個作為單眼透鏡的光軸上均配有一個與該單眼的焦平面重合的光電圖像傳感器，各個圖 像傳感器與曲面復眼陣列中的單眼透鏡一一對應，并且，其所形成的傳感器陣列也整體構 成一個近似半球的曲面結構。然而，眾多圖像傳感器的圖像合成運算非常困難，實時性較 差，且分辨率損失較大。此外，該類仿生復眼的整體結構也過于復雜，其近似為球面的光電 圖像傳感器集成結構還具有體積和質量大、拼接和制作困難、生產周期長、維護成本高等顯 著缺點，因此不能很好地適應仿生復眼系統(tǒng)對小型化、輕量化、分辨率高、實時性高等諸多 特性所提出的嚴苛要求。
[0005] 另一方面，美國Radiant Zemax公司推出的ZEMAX光學設計軟件，目前已經是被光 電子領域熟知的綜合性光學設計仿真軟件，其將實際光學系統(tǒng)的設計概念、優(yōu)化、分析、公 差以及報表整合在一起，具有建模、分析和其他的輔助功能。將有關透鏡的各個面的曲率半 徑、折射率、厚度、半徑等已知參數(shù)輸入ZEMAX軟件中，就可以利用其求解并得到該透鏡理論 上的焦距參數(shù)等數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有半球形曲面的圖像傳感器陣列仿生復眼存在整體結構復雜、光學拼 接困難、運算效率低、分辨率差、制作成本高昂且不利于小型化和輕量化的諸多缺點；而另 一方面，單純采用一個平面圖像傳感器作為球面仿生透鏡陣列的焦平面，又將導致位于視 場邊緣的透鏡處于離焦狀態(tài)，其成像質量急劇下降，進而造成復眼系統(tǒng)的視場范圍受到局 限，無法拓展并滿足實際需求的技術問題，本發(fā)明提供一種漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生 復眼成像裝置。
[0007] 本發(fā)明解決技術問題所采取的技術方案如下：
[0008] 漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生復眼成像裝置，其包括光電圖像傳感器、玻璃球殼、 透鏡陣列、篩孔狀金屬孔洞陣列和平面玻璃基底;所述透鏡陣列中的單眼透鏡包括η級，位 于陣列中心的單眼透鏡計作0級單眼透鏡，其單眼透鏡圓面基底的中心到光電圖像傳感器 的垂直距離計作1〇;陣列中其它外圍層級的單眼透鏡子系統(tǒng)逐級計作1級單眼透鏡、2級單 眼透鏡、……η級單眼透鏡，且外圍各層級單眼透鏡的圓面基底中心沿其視場角方向到光電 圖像傳感器的距離分別計作h、l 2……In;隸屬于不同層級上的各級單眼透鏡的圓面基底中 心沿其視場角方向到光電圖像傳感器的距離In隨其自身所在層級的增加而逐級遞減，但各 層級單眼透鏡子系統(tǒng)的焦點均與光電圖像傳感器的感光端面焦平面重合;所述0級單眼透 鏡位于玻璃球殼的球冠頂點，光電圖像傳感器位于玻璃球殼的圓腔內；平面玻璃基底覆蓋 并固連在光電圖像傳感器的表面，篩孔狀金屬薄膜孔洞陣列的篩孔狀金屬薄膜覆蓋并固連 在平面玻璃基底的表面，篩孔狀金屬薄膜孔洞陣列定位模板上包含多個篩孔，其每一個篩 孔均與透鏡陣列上的一個單眼透鏡一一對應，并位于該與其對應的單眼透鏡的光軸上。
[0009] 所述外圍各層級的單眼透鏡子系統(tǒng)的焦距的變化規(guī)律滿足下述式(1):
[0010]
12 式⑴中，η取自然數(shù)，R為玻璃球殼的外徑，P為玻璃球殼自身的厚度，相鄰兩個層 級單眼透鏡的視場角夾角均為Θ; In是外圍層第η級的單眼透鏡的中心沿其視場方向到光電 圖像傳感器的距離;fn是外圍層第η級的單眼透鏡所在的單眼透鏡子系統(tǒng)的后焦距的長度； 1〇是位于玻璃球殼球冠頂點位置的0級單眼透鏡的中心到光電圖像傳感器的垂直距離l n = fn+p，其作為初始已知量。 2 所述玻璃球殼外球面曲率半徑是R，厚度是P;所述0級單眼透鏡所在單眼透鏡子系 統(tǒng)的后焦距該值是初始給定的已知量;CCD采用1/3英寸，放置在與0級子眼光軸垂直，且 與球殼內表面的距離由fo所確定;所述光電圖像傳感器采用1/3英寸的CCD光電傳感器，其 感光端面到玻璃球殼球面外壁頂點的的垂直距離由1〇所確定;所述透鏡陣列包括位于頂點 的0級單眼透鏡和外圍層級的1級單眼透鏡、2級單眼透鏡、……η級單眼透鏡中，所述外圍層 級的總數(shù)η= 17;所述與透鏡陣列中的單眼透鏡一一對應并匹配的篩孔狀金屬薄膜孔洞陣 列，其各自的單眼透鏡的圓面基底圓心在光電圖像傳感器的感光焦平面上的極坐標位置可 表示為：
[0013] Φη= (R~lo) · tanB......(2)
[0014] 式(2)中，Ιο是Ο級單眼透鏡的中心到光電圖像傳感器的垂直距離，θ是各單眼透鏡 所對應的視場角，R為玻璃球殼外球面曲率半徑。
[0015] 所述玻璃球殼外球面曲率半徑R = 20mm，厚度P = 2mm;所述0級單眼透鏡的后焦距 fo = 10.897mm，其在玻璃球殼外壁上的中心與光電圖像傳感器表面之間的距離1〇 = 12.897臟，0級單眼透鏡的圓面基底圓直徑^)=1臟;所述玻璃球殼材料分別為1(9玻璃;透鏡 陣列中各單眼透鏡的材質均為聚二甲基硅氧烷;所述篩孔狀金屬薄膜孔洞陣列由鉻膜層通 過腐蝕法生成所需的孔洞陣列;所述外圍層級的透鏡的每一個獨立層級η中的單眼透鏡總 數(shù)k遵循公式k = 6n(n=l、2……16，n取自然數(shù)，0級除外）；所述漸變焦距透鏡陣列的曲面仿 生復眼成像裝置的整個視場角可以達到128° X 128°。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是:該仿生復眼成像裝置在玻璃球殼的曲面上布置由多個層級 的單眼所共同構成的透鏡陣列，其位于不同層級上的單眼透鏡的曲率和焦距逐級變化，但 所有的單眼透鏡均聚焦于唯一的一個平面圖像傳感器表面，從而使得位于視場邊緣的單眼 透鏡依然可以有效對焦，避免了離焦狀態(tài)的發(fā)生。該仿生復眼成像裝置還通過篩孔狀金屬 孔洞陣列覆蓋于圖像傳感器表面，并使其每一個篩孔均與一個獨立的單眼透鏡光路唯一對 應，從而起到分割視場的作用，進而實現(xiàn)各個單眼透鏡圖像的整體拼接并防止臨近單眼透 鏡的光路彼此干擾和影響。此外，仿生復眼成像裝置還具有分辨率高、實時性強，容易小型 化、輕量化及等便于制造和維護諸多優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生復眼成像裝置結構示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明玻璃球殼和透鏡陣列的結構示意圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生復眼成像裝置的原理圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明透鏡陣列的光路及成像位置原理圖；
[0021] 圖5是圖4中I部分的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0023] 如圖1至圖5所示，本發(fā)明的漸變焦距透鏡陣列的曲面仿生復眼成像裝置包括光電 圖像傳感器1、玻璃球殼2、透鏡陣列3、篩孔狀金屬孔洞陣列4和平面玻璃基底5。透鏡陣列3 中的單眼透鏡包括η級，位于陣列中心的單眼透鏡計作0級單眼透鏡3-0,其單眼透鏡圓面基 底的中心到光電圖像傳感器的垂直距離計作1〇。陣列中其它外圍層級的單眼透鏡子系統(tǒng)逐 級計作1級單眼透鏡3-1、2級單眼透鏡3-2……η級單眼透鏡3-η，且外圍各層級單眼透鏡的 圓面基底中心沿其視場角方向到光電圖像傳感器的距離分別計作1:、1 2……In。
[0024] 隸屬于不同層級上的各級單眼透鏡的圓面基底中心沿其視場角方向到光電圖像 傳感器的距離In隨其自身所在層級的增加而逐級遞減，但各層級單眼透鏡子系統(tǒng)的焦點均 與光電圖像傳感器1的感光焦平面重合。
[0025] 0級單眼透鏡3-0位于玻璃球殼2的球冠頂點，光電圖像傳感器1位于玻璃球殼2的 圓腔內。平面玻璃基底5覆蓋并固連在光電圖像傳感器1的表面，篩孔狀金屬薄膜孔洞陣列4 的篩孔狀金屬薄膜覆蓋并固連在平面玻璃基底5的表面，篩孔狀金屬薄膜孔洞陣列定位模 板4上包含多個篩孔4-1，其每一個篩孔4-1均與透鏡陣列3上的一個單眼透鏡--對應，并 位于該與其對應的單眼透鏡的光軸上，用于對視場的分割，防止臨近單眼透鏡的光路彼此 干擾和影響。
[0026] 外圍各層級的單眼透鏡子系統(tǒng)的焦距的變化規(guī)律滿足下述式(1):
[0027]
[0028] 式（1)中，η取自然數(shù)，R為玻璃球殼2的外徑，P為玻璃球殼2自身的厚度，相鄰兩個 層級單眼透鏡的視場角夾角均為9。1"是外圍層第η級的單眼透鏡的中心沿其視場方向到光 電圖像傳感器的距離。f n是外圍層第η級的單眼透鏡所在的單眼透鏡子系統(tǒng)的后焦距的長 度。1〇是位于玻璃球殼2球冠頂點位置的0級單眼透鏡3-0的中心到光電圖像傳感器的垂直 距離，l n = fn+p，其作為初始已知量，該已知量同時也是各層級單眼透鏡的中心沿其視場角 方向到光電圖像傳感器的最大距離。
[0029] 玻璃球殼2外球面曲率半徑是R，厚度是PW級單眼透鏡所在單眼透鏡子系統(tǒng)的3-0 后焦距fo,該值是初始給定的已知量，以此為基礎，根據(jù)公式（1)來確定其它各層級單