复眼系统用于大视场成像与三维测量的研究

Wide field of view(FOV) imaging has shown more and more usage in civil and military applications. Although traditional fish-eye lens can achieve wide FOV imaging, it suffers from significant radial distortion. Even after calibration, it still suffers from low resolution. On the other hand, insect compound eyes have the merits of compact size, wide FOV, high sensitivity, et al. Thus, artificial compound eye is a more appropriate design. In order to achieve wide FOV, typically curved microlenses array are utilized, which will not work perfect enough with the flat ccd/cmos image sensor. To solve this problem, numerous designs have been proposed, including 3-layers microlenses array, fiber bundles, multiple small iamge sensor mosaic, et al. However, the structures are too complicated. To address this issue, we propose a design comprising a flat microlenses array and double nonspherical mirrors. The flat microlenses array makes the system very compact and effective for aberration correction. A 100% packing ratio can be achieved with this flat structure, thus making full use of the image sensor. The double mirrors can greatly extend the FOV of the flat microlenses array. Moreover, with certain optimizations, the system can eliminate aberrations, chromatic aberration and distortion.

大视场成像技术在日常生活及军事领域的应用和需求越来越广泛。传统的鱼眼镜头虽然可以获得大视场的场景，但其成像有明显的径向畸变，而且即使用数字图像处理技术纠正了畸变，也存在分辨率不高的问题。昆虫复眼以其体积小、结构紧凑、视场角大、对运动物体反应灵敏等而具有独特的优势，引起学者越来越多的关注，是解决大视场无畸变成像技术比较优秀的方案。为获得大视场，通常需要使用曲面微透镜阵列，这就造成了其与平面图像传感器的矛盾。国内外相关课题组提出各种各样的复眼系统，包括三层曲面结构、光纤传像束结构、多个图像传感器拼接等。这些系统结构复杂，制造成本高。针对复眼研究领域中这一亟待解决的问题，提出使用平面微透镜阵列与两个非球面反射镜组成的系统，平面阵列结构简单、能有效降低系统复杂度、提高填充比充分利用CCD/CMOS，而同时还能够保持仿生复眼大视场成像的优势，并且能够在可视视场角范围内都能有效消除像差、色差、畸变等。

随着仿生以及光学技术的发展，人工仿生复眼以其可以大视场角成像、对运动物体高度敏感、结构紧凑而获得越来越多的研究学者的关注。传统光学系统由于受限于单孔径等因素难以满足人们对于广域高灵敏监测的需要。复眼光学系统由于自身的特点可以很好的解决这个问题。目前仿生复眼的研究成果已经用于精确制导武器、微型飞行器以及机器人等领域。.复眼系统根据结构特征可以分为平面复眼结构和曲面复眼结构。本课题从曲面排列的微透镜阵列与平面图像传感器配合的矛盾出发，解决人工仿生复眼研究领域中亟待解决的大视场的问题。设计了用于平面复眼获取大视场的双反射镜设计。利用光学原理以及相关的数学理论推导建立了主反射面与次反射面之间的数学关系，并推导了自由曲面面型的次级反射面的数学公式。分析了影响面型的主要影响因素，并对这些因素进行控制和分析。在光学软件中对整个系统进行仿真分析并进行优化最终得到符合要求的主、次反射面的面型。.经过理论分析，本设计方案的理论视场角可以达到95.390°。经过实际实验证明，本设计实际可以达到的视场角为90.7°。本实验采用的平面复眼的视场角为41.6°。本设计可以有效的扩展平面复眼系统的视场角。.本项目成功设计了一种双反射镜有效的提高了平面复眼的视场角。本项目对复眼系统应用于大视场成像进行了进一步的探索和研究，可以促进复眼的进一步的应用，同时对于复眼的其他应用也有一定的启发。此外，本项目也在一定程度上探索了3D打印在光学器件制造上的研究与应用。