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...     

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。     

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。     

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。     

改进宽银幕投影显示照明系统的设计方法

照明系统是投影显示系统的重要组成部分,决定着整个系统的亮度和照明均匀性。复眼系统是一种常见的液晶投影显示系统照明结构。传统的复眼照明系统设计方法中,复眼小透镜具有与液晶板相同的长宽比,可以获得能量利用率和均匀性都比较好的照明光斑。但研究发现,利用这种方法设计宽银幕投影显示设备的复眼照明系统,会引起一定的光能损失。针对这一问题,通过对复眼系统设计理论的分析和对实际复眼照明系统的模拟,创新性地提出了在照明系统中引入柱面透镜改变复眼小透镜的长宽比的设计方法,能够有效的提高投影系统能量利用率。模拟计算结果表明,引入柱面透镜的复眼照明系统与传统方法设计的复眼系统相比,能量利用率可以提高5％到10％。     

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。     

多相机式仿生曲面复眼的标定与目标定位

根据仿生曲面复眼具有众多子眼、多通道成像的特性,对多相机式仿生曲面复眼标定与目标定位方法展开研究,结合非平行双目视角下三角测量与相机坐标系映射的方法,提出一种仿生曲面复眼目标定位方法。根据复眼定位对子眼间具有较大重叠视场的要求,用Unity3D仿真软件设计了总视场角超过180°的17眼仿生曲面复眼,并制备了实物样机。通过张正友标定法,完成复眼系统中17个子眼的单目标定和38对相邻子眼间的标定,在此基础上,根据复眼相邻子眼间有较大重叠视场的性质,提出了一种不相邻子眼的外参标定方法,实现复眼坐标系的统一。搭建实验平台,结合RANSAC优化后的ORB特征匹配方法,用复眼样机对处于不同位置无人机模型进行三维定位实验,并对定位结果展开误差分析。实验结果表明,该复眼标定及目标定位方法应用于所制作的样机,能实现较高精度大视场目标定位。     

人造复眼成像系统研究的新进展

人造复眼成像系统具有体积小、功耗低、视角范围广等优点，是一种应用前景非常广阔的光成像系统。综述了人造复眼成像系统的研究背景及最新的研究进展，其中包宿基于不同仿生设计理念的各种新型人造复眼结构以及能够实现诸如彩色成像、指纹识别、全视角成像等新功能的实验系统；展望了人造复眼成像系统今后的研究方向。     

复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究

研究了复眼透镜阵列实现均匀照明的原理,模拟分析了复眼透镜的列数、入射光发散角、光源尺寸对照明效果的影响。仿真表明,入射光的发散角越小,光源尺寸越小,照明效果越好,而且适当地选取复眼透镜的列数能提高照明效果。     

昆虫复眼的仿生研究进展

作为生物光学发展的一个重要部分,对昆虫复眼的研究越来越重要,从结构、分类、人工仿生及应用等方面对昆虫复眼的研究近况进行了综述,并展望了其发展趋势。     

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。     

液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析

介绍了液晶投影显示复眼照明的工作原理,采用扩展4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀性作为系统的评价标准,对复眼透镜的制造误差和位置误差进行计算机模拟分析,分析表明,双排复眼透镜相对位置误差对系统性能影响大于加工误差,而第一排复眼透镜的加工误差对能量利用率的影响大于第二排复眼透镜,第二排复眼透镜的加工误差对照明均匀性的影响大于第一排复眼透镜.     

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。     

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。     

基于虚拟双球面的仿生复眼系统标定

为了实现对空间目标的探测定位,对设计的仿生复眼系统的标定进行研究。介绍了复眼装置结构,根据复眼成像特点设计搭建了可以构建全视场靶标的标定平台,提出一种基于双球面虚拟靶标的标定方法。建立了复眼标定和定位过程中可以统一众多子眼坐标系的数学模型,详细描述了多通道同时标定或定位的具体步骤,其中包括系统的合理调节、靶点分布均匀性优化以及非线性映射方法选取等过程,同时通过计算机控制可以实现标定过程的自动化运行。在两个球面位置上建立了各子眼通道图像光斑点坐标和靶点角度之间的非线性映射关系。针对提出的标定方法进行了验证实验。实验结果显示,标定后的复眼系统在60°视场内目标定位相对误差优于0.5%,定位角度均方根误差为1.96mrad。提出的方法能够满足设计复眼的标定要求,且标定后的复眼能够很好地完成对空间目标的测量。     

复眼透镜提高液晶投影照明系统的能量利用率

照明系统是液晶投影仪的重要组成部分．它将直接影响到投影仪的光能利用率以及色彩等系统性能。对于复眼照明系统,复眼透镜的良好设计可以大人提高系统的能量利用率。在对液晶投影照明系统的原理进行分析的基础上,提出了两种复眼透镜的设计方案。两种方案均采用矩形子复眼,便于设计和加工。通过对复眼透镜中每个子复眼进行偏心以及改变其形状大小来提高系统能量利用率。计算机模拟结果表明,两种设计方案与传统设汁相比,在光能利用率上分别提高了16．5％和26．3%,并且具有较高的均匀性。最后,还对两种复眼透镜的设计方案进行了分析和比较。     

重叠复眼光学模型的建立与分析

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.该文从梯度折射率（GRIN）介质的光学特性出发,分析了GRIN介质在重叠复眼中的作用；参考生物解剖学中的测算结果,首次建立了重叠复眼的光学模型；通过对九个小眼进行光线追迹,分析了光接收器上的光线分布情况.     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

大视场复眼结构图像处理算法研究

针对多维子眼成像通道曲面排布组成的大视场复眼结构,提出了一种切割-旋转-映射的图像处理算法来实现多通道图像的大视场拼接.通过确定复眼结构的排布特征,分析了各成像通道捕获的子眼图像之间的相互关系,去除相邻子眼图像之间的冗余部分,并运用几何光学及成像光学原理,研究了子眼图像与三维映射空间之间的关系,从而实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.实验制备了包含37个镜头且视场角可达118°的人工复眼结构,并运用提出的图像处理算法处理制备的复眼结构捕获的子眼图像.结果表明:算法处理图像过程中不损失图像的分辨率,可以有效地实现多通道图像的大视场拼接,且获得的图像可视性强,满足实用化要求,可进一步推进曲面复眼成像系统的应用.     

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。