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。     

薄膜表面直接四光束激光干涉制备复眼的研究

基于四光束激光干涉光刻技术,在薄膜表面实现 了四光束激光直接干涉光刻制备微纳复眼结 构,为激光干涉 光刻研究提供了一个新的应用方向。对于多层复合薄膜,激光干涉光刻的效果与薄膜的透光 率相关, 即在一定范围内,透光率影响光刻结构的形成。在保持四光束激光干涉光刻系统波长和 入射角度不变 的条件下,通过改变能量得到不同尺寸的周期性孔阵结构,与复眼结构一致,发现透光率分 别为5%、30%和75%的薄膜在20～30mJ曝光时均可形成清晰的周期复眼 结构,且在25mJ时最为明显。在700～1200nm 波段使用反射率测试系统对光刻前后透光 率为5%、30%和75%的薄膜进行了反射率测试,测试结果表明经光刻后形成的结构反射率普遍 降低,可以在薄膜表面实现减反特性。     

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。     

基于孔径/视场分割的红外复眼接收系统设计

针对红外复眼子光学系统与接收光学系统的匹配问题,在分析仿生复眼设计模型的基础上,研究了基于视场分割和孔径分割的复眼接收结构,给出子眼系统和接受系统应满足的匹配条件,并以此设计了基于视场分割和孔径分割两款红外复眼接收系统。最终设计的复眼子系统工作波段为7.9~9.7 μm,焦距为6 mm,口径为2 mm。设计的基于孔径分割与视场分割的复眼接收系统焦距均为10 mm,视场均为90°,接收口径分别为16.58 mm和10 mm。系统传递函数在30 lp/mm分别高于0.35和0.40。     

仿生复眼成像系统角度误差

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析,介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型,通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换,推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式,即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程,从而进行误差分析。并且搭建了实验,采集了实验数据,通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为3'14,实际测得的旋转角度误差3'15,理论计算值与实际测量值基本一致,证明该误差分析方法是可行的。     

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。     

仿生龙虾眼光学系统的发展及其在红外波段的应用

龙虾眼光学系统具有仿生龙虾眼睛的独特球形微通道结构,使得龙虾眼聚焦系统在高能射线领域能够获得前所未有的大视场与能量获取能力。目前对于龙虾眼结构的研究主要集中在X射线领域,但基于同样反射原理聚焦的光波段龙虾眼光学系统,对于解决红外材料受限问题以及大视场高敏感性探测问题具有潜在广阔的应用前景。文章介绍了仿生龙虾眼光学系统的研究发展状况,仿生龙虾眼光学系统的结构形式种类,以及应用于红外波段的龙虾眼光学系统的实验室可见光验证实验结果等问题。     

一种用于高速三维跟踪的小型可开窗复眼系统

为了实现对近景目标的高速三维跟踪,设计了一种小型仿生复眼系统,并将其与可开窗相机相结合。介绍了系统的结构与设计原则,提出了一种适用于多孔径系统的跟踪与探测策略。利用卡尔曼滤波器对图像传感器进行多路并行开窗,从而克服视场与空间分辨率对跟踪速度的制约,在较低代价的前提下实现了高速三维跟踪。采用蔡氏两步法对7子眼复眼镜头进行了统一标定,并建立了归一化多目探测模型,在实时跟踪的基础上实现了三维信息获取。为了验证系统的高速三维跟踪效果,在3 000f/s的帧频下,对一个以10r/s的角速度做匀速圆周运动的目标进行了实时跟踪,并重构出目标在距相机150mm处的三维运动轨迹。实验结果表明,系统能够有效实现对高速运动目标的实时跟踪与三维粗定位。分析了影响系统三维探测精度的因素以及提高精度的方法,为用于全景高速三维探测的复眼跟踪系统的研制奠定了基础。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

一种掩埋式复眼微透镜阵列

模仿生物复眼,采用光刻离子交换法,在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。单元微透镜孔径呈正六角形,光斑大小为4．92μm,相邻透镜元中心距为0．5mm,掩埋透镜高为0．194mm。微透镜阵列具有对称均匀的光学特性,截距自中心至边缘逐渐变小,数值孔径（N．A．）自中心向边缘逐渐变...