大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展

大视场、小型、多模、轻量化、低成本光电探测器是下一代精确制导武器的发展关键,基于仿生复眼的新型大视场光电探测系统作为其中的一个重要方向得到了美国军方的高度重视。通过多个创新研究项目,美军期望发展出多型大视场多通道仿生复眼光电探测器,进而用于自主式制导弹药,强化下一代精确制导弹药的环境感知能力、突防对抗能力和作战效能等。简要分析了精确制导武器的未来发展需求,昆虫复眼的结构和特点;介绍了仿生复眼光电探测器在美军精确制导武器中的应用期望和发展设想;简要讨论了仿生复眼在复杂地形、城市环境作战武器装备中的应用优势,重点介绍了美国空军针对城市作战制导弹药正在研究和开发的系列大视场仿生复眼红外成像探测器项目以及研究过程;另外,阐述了多通道大视场仿生复眼半主动激光探测器的研究进展情况;最后,总结了仿生复眼技术在精确制导武器装备中的研究进展,提出了我国在该技术领域的发展建议。     

仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展

仿生复眼成像系统以其小体积、大视角、高灵敏度等优点而受到广泛关注。国内外研究者一直致力于仿生复眼的理论分析和结构设计方面的研究。综述了复眼类型以及近年来国内外新型的仿生复眼成像系统的最新研究成果。分析各种类型的仿生复眼成像系统结构和技术特点,指出不同系统的优势及存在的不足,并阐述了仿生复眼成像系统的应用前景及未来的发展趋势。     

仿生复眼系统的视场重叠率

为了实现复眼系统小型化、轻量化,提出一种基于相机外凸式的安装结构。基于该种结构,首先分析了子眼系统视场角之和与光轴夹角之间的关系,通过两子眼系统视场边缘点之间的坐标关系,建立了与子眼间光轴夹角、子眼系统视场角、观测距离相关的视场重叠率计算模型。通过对此模型分析,复眼系统中子眼间光轴夹角应当小于子眼视场角之和,且大于子眼视场角之差;在上千米的观测距离下,子眼间的视场重叠率随观测距离的变化趋向于定值。依据此模型设计了一款19孔径的复眼系统。针对3 km外目标搭建了实验,采集了子眼图像数据,实验结果表明,复眼系统实现了79.23°全视场的无盲区监测,1级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为71.16%、45.99%;1级与2级阵列间子眼在X、Y方向同时存在重叠时的实际重叠率分别为43.00%、18.36%,只在X方向存在重叠时的实际重叠率为14.62%;2级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为66.58%、24.6%。理论重叠量分别为75%、40%;40%、20%;15%;70%、30%。通过子眼实际重叠量与理论重叠量的对比分析,验证了该视场重叠计算模型的可行性。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

柔性仿生复眼成像系统探测机理模拟研究

提出了一种用MEMS工艺制作的新型的柔性曲面复眼探测器模型,它具有如昆虫复眼一样的曲面多孔径结构,体积小巧,探测视场大,探测灵敏度高,而且可以合并几个探测器而实现360°全视场探测,它具有对物体角运动十分敏感的特点,能简单而精确地探测出物体的角坐标方位和角运动速度.文中阐述了这种探测器的成像原理,探测器中的晶锥能起到限制杂散光和斜入射光的重要作用,从而使各个微透镜成像互补而不重叠,互不干扰,使系统实现镶嵌成像.并用光学设计软件ZEMAX设计出探测器模型,通过对多个角度的平行入射光成像效果验证了晶锥限制杂散光和斜入射光的重要作用.     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

目标定位仿生复眼视觉系统成像位置计算

用于目标定位的仿生复眼视觉系统,目标成像位置的精确计算是提高系统定位精度的关键。文章从像斑能量分布的角度出发,介绍了一种较为适于复眼成像位置计算的方法:能量对称法。该方法以主光线在像斑上的坐标定义像斑重心,以主光线像点是像斑能量对称中心的原理来获得像斑重心（即像斑位置）。文中以仿生复眼视觉系统的简化模型为研究对象,应用能量对称法对理论模拟像斑和实验像斑进行了实际计算,计算表明理论像斑位置可以通过能量对称法准确得到;利用实验像斑位置计算入射光线角度也达到了较为理想的计算精度。文中采用传统的灰度重心法同步计算,与新方法形成对比。     

用于目标识别的紧凑型仿生复眼光学系统设计

大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时,克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析,研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系,并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系,建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系,提出了球面固定本体的设计方法,完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验,验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性,减小系统尺寸,推动了仿生复眼光学系统的实际应用。     

类果蝇复眼视觉神经计算建模及仿生应用研究综述

随着类果蝇复眼视觉神经计算建模技术的快速发展,如何提高运动目标的实时检测追踪等仿生应用能力成为类果蝇复眼视觉神经领域的研究难题,所以研究类果蝇复眼视觉神经计算建模及其仿生应用具有非常重要的意义。类果蝇复眼视觉神经系统是一个高度平行的专用视觉神经网络模型,并具有适度的复杂性以允许快速进行视觉信息处理。本文首先从类果蝇复眼的生理结构、感光细胞的光电转换、视叶神经的加工处理、中央脑的认知抉择4个部分详细阐述类果蝇复眼视觉神经计算建模的研究现状,然后介绍类果蝇复眼视觉神经计算建模在军事与民用领域的典型仿生应用,最后展望了类果蝇复眼视觉神经计算建模的发展趋势与挑战。     

超大视场变焦仿生眼光学系统设计

提出了一种新的基于仿生鱼眼镜头模型的超大视场变焦仿生眼光学系统。该仿生眼应用可调光焦度器件能使光学系统更紧凑和不需要移动。鉴于鱼眼系统可以简化成反远物镜的原理,利用矩阵理论和变焦准则,研究了基于可调光焦度器件鱼眼镜头设计的一阶几何光学理论,得到了鱼眼系统前组和后组的光焦度控制方程;进一步讨论了其光焦度的边界方程;最后提供的仿生变焦鱼眼的视场角最大为164,焦距从5～15 mm变化,成像质量达到系统要求。设计实例为其在智能监控、航天军工、机器人系统等领域的应用提供了有益的探索。     

仿生蛾眼抗反射结构成像系统研制

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构,该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜,平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况,得出在设计波段内,随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算,利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm,F数为5,视场角13,光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示,蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言,对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

激光雷达坐标测量系统的测角误差分析

为了精确地设计激光雷达坐标测量系统仪器,在研究激光雷达坐标测量系统测量原理和结构的基础上,建立了引入两轴垂直度误差、反射镜倾斜误差和反射镜入射激光束倾斜误差这3项主要系统误差的测角误差模型。由理论分析可知,在距离10m处,这3项系统误差各自引入的单点坐标测量误差最大值分别为124.1m,447.9m和242.4m。结果表明,在激光雷达坐标测量系统设计中,为保证在大空间测量中仍有很高测量精度,必须严格控制两轴垂直度误差、反射镜倾斜误差和反射镜入射激光束倾斜误差,并根据建立的误差模型进行参量标定和误差补偿。