渐变折射率介质在重叠复眼光学系统中的应用研究

在重叠复眼的生物结构中,晶锥部分的折射率随半径的增大逐渐变小,与渐变折射率(GRIN)介质十分相似。复眼具有体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点。近年来,在智能武器、智能机器人视觉系统和微型飞行器等领域中,复眼光学系统得到了越来越多的应用。GRIN介质在重叠复眼光学系统中对会聚光线起到了关键的作用。从理论上对其进行了分析,得到了GRIN介质适用于重叠复眼光学系统中的条件;深入分析了GRIN介质出射光线聚焦点的位置关系;讨论了与重叠复眼灵敏度的关系。     

基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析

介绍了重叠复眼及其优点。与并列型复眼相比,重叠复眼有更高的光能量利用率和更高的灵敏度。首次利用ZEMAX软件对重叠复眼进行了实例模拟,通过光线追迹,详细分析了其工作原理,并且将重叠复眼与并列复眼在灵敏度和光能量利用率两方面进行了对比,得到了前者比后者有更高的光能量利用率和灵敏度的结论。     

用于运动目标探测的多通道成象系统

本文提出了一种采用自聚焦(GRIN)透镜阵列对运动目标进行探测的多通道光学成象系统.与单孔径成象系统比较,多通道成象系统具有更宽的视场和更高的运动敏感度,使之更适合于对运动目标的捕获、跟踪以及对运动量的测定.本文根据复眼的视觉机制和自聚焦透镜的成象原理,对运动目标进行了成象与测定实验.此外,初步介绍了为提高图象分辨率而采用的并行多通道处理技术.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

一种应用于LCoS光机的复眼照明系统仿真设计

复眼照明系统利用复眼透镜，可实现高亮度和较好的亮度均匀性，并且有较成熟的偏振处理方法，在投影系统特别是基于偏振光的投影系统中能提供比光棒照明系统更加高的亮度和好的均匀性的画面，使得光能利用率和图像均匀性有了较大的提高。在对复眼照明系统的原理进行分析的基础上，设计了一种用于投影光机的复眼照明系统，并用Matlab对该系统进行了光线追迹的仿真程序设计。对复眼照明系统的光线追迹进行了仿真。实际应用证明，在LCoS中采用本方案设计的照明系统比光棒照明系统具有更高的亮度和更好的均匀性。     

小型无人机载大视场复眼相机光学系统设计

针对小型无人机载大视场光学成像观测需求,设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4mm,F数为4,视场角可达106°,在500m的飞行高度分辨率可达0.5m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差,相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下,可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像,达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求,每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.     

无人机载型曲面仿生复眼成像测速系统

基于仿生复眼的视觉优势,将曲面仿生复眼结构应用于无人机载光电探测系统,实现机载宽视场高分辨运动目标探测。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形排列的曲面透镜阵列作为曲面仿生复眼,辅以光学中继转像子系统和CMOS图像传感器,构成曲面仿生复眼成像测速系统。该系统的成像视场可达98°×98°,系统焦距为5 mm,角分辨率为1.8 mrad,F数为3.5,系统体积为Ф123 mm×195 mm,重量为1.35 kg。根据仿生复眼的成像原理,利用仿生复眼成像系统中相邻小眼存在的视场重叠优势,提出了曲面仿生复眼的测速原理,使得多个小眼能够同时探测场景中的同一个目标。运动汽车的测速实验表明该测速方法能够有效提高运动目标测试的可靠性和准确性。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

曲面仿生复眼测速技术研究

曲面仿生复眼相机具有大视场,对运动目标敏感等特点,在广域探测、内窥导管、精确制导等国防、医学及民用工业领域中有着广阔的应用前景,该文报道了基于曲面仿生复眼相机的高速运动目标测速技术研究。首先建立了基于曲面仿生复眼成像原理的测速模型;然后利用霍夫圆检测算法在原始复眼图像上找出每个子眼所在位置,并通过图像分割对相邻子眼之间重叠视场进行分析;最后再结合SIFT算法对相邻2个子眼的子图像进行特征点提取与图像配准,由提取出的特征点像素坐标计算出重叠区域像素数目,从而得到汽车的运动速度。设计了相关测速实验进行验证,实验中拍摄距离控制在6 m～10 m之间,对以8.33 m/s速度做匀速直线运动的汽车进行测试,测试结果表明,可将速度测试的相对误差控制在4%以内。与单孔径成像系统测速结果相比,曲面仿生复眼测速技术具有更高的准确性和重复性。     

基于仿生复眼的大视场探测系统结构研究

昆虫复眼具有小型化、多孔径、大视场、高灵敏度等特点,开展仿生复眼在成像探测技术方面的应用具有重要的意义。介绍了复眼的分类、结构和成像特点,结合当前仿生复眼的研究进展和技术水平,对大视场复眼成像探测系统的结构进行了探索和研究,得到了三种适合用于探测系统的复眼探测结构,对其结构形式进行了介绍,对其优缺点进行了分析,并选取其中一种较好的方案进行了详细设计。所设计的复眼由37个子眼组成,总视场150°。对仿生复眼在光学成像探测方面的应用进行了有益的探索,具有一定的前瞻性和参考价值。     

多孔径仿生复眼成像系统技术进展综述

昆虫复眼是一种理想的小型化、多孔径、大视场的视觉系统,具有智能特征,虽然由于每个复眼的孔径尺寸和数值孔径都很小,使昆虫复眼的视力较差,但是其对运动目标却有很高的探测灵敏度,且对光的强度、波长和颜色等都有较强的分辨力。长期以来,人们一直致力于昆虫复眼的特性以及仿生昆虫复眼的研究。对目前常见的复眼类型和现有的各种类型的仿生...     

Compact and large depth of field image scanner for auto document feeder with compound eye system

We designed a compact and large depth of field image scanner targeted for auto document feeders (ADF) by using a compound eye system design with plural optical units in which the ray paths are folded by a reflective optics. Though we have previously proposed the principle concept, we advance the design using a free-form surface mirror to reduce the F-number for less illumination energy and to shrink its optical track width to 40 mm. We achieved large depth of field (DOF) of 1.2 mm, defined as a range exceeding 30% modulation transfer function (MTF) at 300 dpi, which is about twice as large as a conventional gradient index (GRIN) lens array contact image sensor (CIS). The aperture stop has a rectangular-shaped aperture, where one side length is as large as 4.0mm for collecting much light, and another side length is as small as 1.88mm for avoiding interference of folded ray paths.     

仿生复眼成像系统设计与制作的研究进展

基于仿生复眼光学成像系统体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,对其研究现状和发展前景进行了综述。简要介绍了生物复眼的结构与分类;分别从平面型和曲面型仿生复眼成像系统的设计概述了仿生复眼的研究进展,给出了国内外典型复眼成像系统的结构、模型和成像功能;总结了仿生复眼成像系统应用于不同领域的特点和优势。最后,分析了目前仿生复眼的工艺现状,指出仿生复眼的功能主要受微器件制作工艺的限制,而超精密加工技术是一种革新的、综合的微细加工方法,具有制作更高精度透镜阵列,提高人工仿生复眼应用能力的潜力。     

梯度折射率球透镜的制备及其光线轨迹测试

自麦克斯韦鱼眼透镜理论模型提出后,长期以来学术界一直以为它只是一种绝对光学仪器,在实践中并没有应用的可能。但通过对麦克斯韦鱼眼微球透镜的理论研究表明,在一定条件下,它具有良好的成像性能和耦合效率。根据菲克定律推导出梯度折射率球透镜的折射率分布函数。并且熔制了含Li+硅酸盐玻璃和采用槽沉法以及Na+/Li+离子交换法制备直径为0.3—3.0mm的梯度折射率球透镜。通过干涉法测得了梯度折射率球透镜的折射率分布曲线,并研究了光线通过梯度折射率球透镜的轨迹。研究结果表明:在590℃,离子扩散系数为3.07×10-6mm2/s;所制备的梯度折射率球透镜的折射率分布是抛物线分布,并且和理论分析相吻合;梯度折射率球透镜的光线轨迹满足椭圆方程。     

不同因素对可调节人工晶体屈光调节力的影响

首先以Hwey-Lan Liou眼模型为基础，根据等效性原则，保持该眼模型中自然晶状体屈光度不变，对无穷远点成像。然后利用ZEMAX实现光线追迹的方法，将自然晶状体替换为可调节人工晶状体（accommodative intraocular lens，AIOL），结合对人眼成像质量影响的分析，研究了AIOL在眼内的移动度、材料、中心厚度、结构、光学面非球面性等因素对其屈光调节力的影响。结果表明:AIOL移动度对其调节力贡献最大,材料、中心厚度、结构对调节力基本无影响；具有非球面光学面的AIOL调节力相对较大。     

一种类锥形梯度折射率纤维的光线传播特性和近轴成象研究

本文研究了一种类锥形梯度折射率纤维的光线传播特性和近轴成象规律。光在这种类锥形纤维中的传播具有变幅值和变周期的振荡特征,文中从光线轨迹的近似解析式出发,导出高斯光学公式,并讨论了结果的适用性。研究表明,类锥形梯度折射率纤维与在光学特性上锥形梯度折射率纤维十分类似,它们都可望成为微型光学和激光装置的重要新元件。     

替代旋转非球面的GRIN透镜的理论分析

本文通过对轴向球面GRIN透镜的分析,导出了光线在透镜内部传输的一般方程利用等光程方法导出了轴向GRIN透镜与旋转非球面匀质透镜之间的等效条件。