多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，特别涉及一种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统的设计方法，属于光学成像技术领域。本设计方法首先建立多微面光纤面板切割方式和镜头参数与系统整体参数间的数学关系，再根据所选取的部件参数模拟系统像面上个点的通光效率。综合考虑部件参数、系统总体指标、成像质量间的关系，设计一个大视场、小型化、单传感器实现目标定位、识别的微光夜视成像观察系统，同时系统具备成本低、结构简单、可靠的特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，特别涉及一种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统的设计方法，属于光学成像

技术介绍
随着光学成像系统的应用领域的扩大，人们对其要求也不断提高。在一些场合，比如导弹导航、战场机器人视觉系统及智能飞行器等领域，人们期望整个系统的重量轻、体积小、视场大以及对运动目标更加敏感，这已成为光学成像系统的研究热点和难题。近年来，仿生光学的发展为解决多变的探测需求提供了多种选择，其中复眼成像系统具有优异的大视场运动目标探测能力，因此有可能满足上述的应用要求。国际上，仿生复眼的研究成果已广泛应用于雷达系统、微型飞行器、舰艇搜索与跟踪系统、精确末制导武器等国防科技发展中，这对全球战场环境的日益复杂化起着至关重要的作用；同时这些成果也已经应用于夜视设备、微型复眼相机、运动机器人等国民经济领域中。目前国内的仿生复眼系统主要由两类，一类如2006年，中科院长春光机所张红鑫等提出的曲面型仿生复眼成像系统，该类仿生复眼主要由微透镜阵列、光阑阵列、变换场镜和图像传感器构成。此种复眼系统结构上接近生物复眼，理论上能够实现大视场、对运动物体灵敏等优点，但此系统部分组件需要精密加工工艺，现阶段国内加工水平难以保证微透镜阵列等精密结构的精确度，导致所构建系统成像模糊。因此国内很多机构对此类型复眼系统的研究更多的停留在模型建立、软件模拟阶段，无法具体实现加工使用。第二类复眼系统如2013年天津大学邹成刚等设计的采用多个图像传感器构建的复眼系统，此类系统易于实现，且具备生物复眼的部分功能，但采用多个图像传感器使成本上升，同时系统很难实现小型化，这与仿生复眼的初衷相违背。2012年北京理工大学张笑颜、刘军等设计搭建了一个基于多微面光纤光锥的多孔径复眼系统，该系统全视场为118°并且有重叠视场，但各个微面上的像之间亮度差异很大，每个像本身存在很大的渐晕。综上所述，由于受到现阶段加工工艺所限，尚未实现小型化、大视场、成像清晰的仿生复眼系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的仿生复眼系统难于加工实现和成像质量较差、像面亮度分布不均匀等问题，提出一种多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法。为达到上述目的，本专利技术所述的多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法通过如下步骤得到：步骤一，将光纤面板上端面切割成9个微面。9个微面中，位于中心的顶面为边长为a的正方形；与顶面四边共边的侧面为长方形，宽为a、与顶面夹角为β1(即切割角度)；两个相邻侧面中间的微面为角面，角面与顶面夹角为β2(即切割角度)。9个透镜分别置于9个光纤面板微面之前，在9个微面上成像。设计确定透镜焦距f′、单个透镜与对应微面形成的成像视场角ξ、光纤面板直径D、切割角度β1、β2与仿生复眼成像系统性能参数之间换算关系，并计算出成像光学系统的全视场角ω，最小叠加物距L0，以及物距为L时各个相邻透镜视场间的重叠比例A：切割光纤面板微面时，要使得a值尽量大，满足：a=0.6D1+2cosβ1]]>顶面视场角：2φ1=arctan(a2f′)]]>侧面视场角：2φ2＝2φ1角面视场角：2φ3=2arctan(af′1-12cos2β1)]]>单个透镜视场角：ξ≥2φ1侧面和角面夹角：θ=arccostan2β1+12tanβ12+1×tan2β1+1]]>成像光学系统在侧面方向的全视场角：成像光学系统在角面方向的全视场角：ω′=2arctan(a2f′)+2×arctan(af′1-12cos2β1)]]>以上关系式确定了计算出仿生复眼成像光学系统中透镜的焦距和视场角之间的关系，在给定二者之一的情况下，能推出另一个条件。若增加成像透镜焦距，则系统的全视场角减小。调整成像透镜物距，使得相邻的多微面光纤面板顶面对应的透镜视场和角面对应的透镜视场、以及侧面对应的透镜视场均产生部分重叠，设HI是顶面透镜和一个相邻角面透镜或者侧面透镜的重叠视场，HJ是该相邻角面透镜或者侧面透镜的视场，那么视场的重叠比例为重叠比例与透镜物距有关。设L0是能产生视场重叠的最小物距，即只有大于L0才会产生重叠。顶面视场与侧面视场重叠的最小物距L0为：L0=cotφ1×a×cot(β1-φ1)+a×cosβ1×cot(β1-φ1)+asinβ1cot(β1φ1)-cotφ1-f′]]>顶面与侧面在距离L(L＞L0)处的视场重叠比例Adc为：Adc=(L-L0)(tanφ1-tan(β1-φ1))2Ltanφ1]]>顶面在对角线方向的视场角:2φ1′=2arctan(a2f′)]]>顶面与角面在距离L处的视场重叠比例Adj:Adj=cot(β2-φ3)×2a1-12cos2β1×(cosβ2cotφ1′+sinβ2)+2acotφ′cot(β2-φ3)-cotφ1′-2×a1-12*cos2β1×sinβ2-f′]]>角面的横向视场角：φ3′=arctanasin(2arccos1-12cos2θ)2f]]>侧面视场和角面视场重叠的最小物距L′0：L′0＝cosθ*(z0-z1)其中，z0、z1、xk1、xk2为中间变量，计算公式为：z0=xk2(a2+acosθ-x0)=-xk2(-asinθ+a*xk1+a*xk2sinθ2-acosθxk2+acosθxk1xk2-xk1)xk1=-2f(cosθsin(arctan(cot(θ)))+cos(arctan(cot(θ)))sinθ)acosθ]]>xk2=fcos(arccos(cos(θ)1+sin2θ))+tanθ(a2cosθ+fsin(arccos(cos(&本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，其特征在于：通过如下步骤得到：步骤一，将光纤面板上端面切割成9个微面；9个微面中，位于中心的顶面为边长为a的正方形；与顶面四边共边的侧面为长方形，宽为a、与顶面夹角为β1；两个相邻侧面中间的微面为角面，角面与顶面夹角为β2；9个透镜分别置于9个光纤面板微面之前，在9个微面上成像；设计确定透镜焦距f′、单个透镜与对应微面形成的成像视场角ξ、光纤面板直径D、切割角度β1、β2与仿生复眼成像系统性能参数之间换算关系，并计算出成像光学系统的全视场角ω，最小叠加物距L0，以及物距为L时各个相邻透镜视场间的重叠比例A：切割光纤面板微面时，要使得a值满足：a=0.6D1+2cosβ1]]>顶面视场角：2φ1=arctan(a2f′)]]>侧面视场角：2φ2＝2φ1角面视场角：2φ3=2arctan(af′1-12cos2β1)]]>单个透镜视场角：ξ≥2φ1侧面和角面夹角：θ=arccostan2β1+12tanβ12+1×tan2β1+1]]>成像光学系统在侧面方向的全视场角：成像光学系统在角面方向的全视场角：ω′=2arctan(a2f′)+2×arctan(af′1-12cos2β1)]]>根据以上仿生复眼成像光学系统中透镜的焦距和视场角之间的关系，在给定二者之一的情况下，能推出另一个条件；若增加成像透镜焦距，则系统的全视场角减小；调整成像透镜物距，使得相邻的多微面光纤面板顶面对应的透镜视场和角面对应的透镜视场、以及侧面对应的透镜视场均产生部分重叠，设HI是顶面透镜和一个相邻角面透镜或者侧面透镜的重叠视场，HJ是该相邻角面透镜或者侧面透镜的视场，那么视场的重叠比例为设L0是能产生视场重叠的最小物距；顶面视场与侧面视场重叠的最小物距L0为：L0=cotφ1×a×cot(β1-φ1)+a×cosβ1×cot(β1-φ1)+asinβ1cot(β1φ1)-cotφ1-f′]]>顶面与侧面在距离L(L＞L0)处的视场重叠比例Adc为：Adc=(L-L0)(tanφ1-tan(β1-φ1))2Ltanφ1]]>顶面在对角线方向的视场角:2φ1′=2arctan(a2f′)]]>顶面与角面在距离L处的视场重叠比例Adj:Adj=cot(β2-φ3)×2a1-12cos2β1×(cosβ2cotφ1′+sinβ2)+2acotφ′cot(β2-φ3)-cotφ1′-2×a1-12*cos2β1×sinβ2-f′]]>角面的横向视场角：φ3′=arctanasin(2arccos1-12cos2θ)2f]]>侧面视场和角面视场重叠的最小物距L′0：L′0＝cosθ*(z0‑z1)其中，z0、z1、xk1、xk2为中间变量，计算公式为：z0=xk2(a2+acosθ-x0)=-xk2(-asinθ+a*xk1+a*xk2sinθ2-acosθxk2+acosθxk1xk2-xk1)]]>xk1=-2f(cosθsin(arctan(cot(θ)))+cos(arctan(cot(θ)))sinθ)acosθ]]>xk2=fcos(arccos(cos(θ)1+sin2θ))+tanθ(a2cosθ+fsin(arccos(cos(θ)1+sin2θ))2)a2cosθ-fsin(arccos(cos(θ)1+sin2θ))2]]>z1＝asinθ角面与侧面在距离L处的视场重叠比例Ajc:Ajc=(L-L0′+f)(tanφ1-tan(θ-φ3′))2Ltanφ1;]]>步骤二，根据步骤一中确定的多微面光纤面板各微面尺寸和切割角度，选定相应焦距的透镜，再根据步骤一中公式计算得到包括系统全视场角、各微面...

【技术特征摘要】
2014.09.22 CN 20141048770271.多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法，其特征
在于：通过如下步骤得到：
步骤一，将光纤面板上端面切割成9个微面；9个微面中，位于
中心的顶面为边长为a的正方形；与顶面四边共边的侧面为长方形，
宽为a、与顶面夹角为β1；两个相邻侧面中间的微面为角面，角面与
顶面夹角为β2；9个透镜分别置于9个光纤面板微面之前，在9个微
面上成像；
设计确定透镜焦距f′、单个透镜与对应微面形成的成像视场角ξ、
光纤面板直径D、切割角度β1、β2与仿生复眼成像系统性能参数之间
换算关系，并计算出成像光学系统的全视场角ω，最小叠加物距L0，
以及物距为L时各个相邻透镜视场间的重叠比例A：
切割光纤面板微面时，要使得a值满足：
a=0.6D1+2cosβ1]]>顶面视场角：2φ1=arctan(a2f′)]]>侧面视场角：2φ2＝2φ1角面视场角：2φ3=2arctan(af′1-12cos2β1)]]>单个透镜视场角：ξ≥2φ1侧面和角面夹角：θ=arccostan2β1+12tanβ12+1×tan2β1+1]]>成像光学系统在侧面方向的全视场角：成像光学系统在角面方向的全视场角：
ω′=2arctan(a2f′)+2×arctan(af′1-12cos2β1)]]>根据以上仿生复眼成像光学系统中透镜的焦距和视场角之间的
关系，在给定二者之一的情况下，能推出另一个条件；若增加成像透
镜焦距，则系统的全视场角减小；
调整成像透镜物距，使得相邻的多微面光纤面板顶面对应的透镜
视场和角面对应的透镜视场、以及侧面对应的透镜视场均产生部分重
叠，设HI是顶面透镜和一个相邻角面透镜或者侧面透镜的重叠视场，
HJ是该相邻角面透镜或者侧面透镜的视场，那么视场的重叠比例为
设L0是能产生视场重叠的最小物距；
顶面视场与侧面视场重叠的最小物距L0为：
L0=cotφ1×a×cot(β1-φ1)+a×cosβ1×cot(β1-φ1)+asinβ1cot(β1φ1)-cotφ1-f′]]>顶面与侧面在距离L(L＞L0)处的视场重叠比例Adc为：
Adc=(L-L0)(tanφ1-tan(β1-φ1))2Ltanφ1]]>顶面在对角线方向的视场角:
2φ1′=2arctan(a2f′)]]>顶面与角面在距离L处的视场重叠比例Adj:
Adj=cot(β2-φ3)×2a1-12cos2β1×(cosβ2cotφ1′+sinβ2)+2acotφ′cot(β2-φ3)-cotφ1′-2×a1-12*cos2β1×sinβ2-f′]]>角面的横向视场角：φ3′=arctanasin(2arccos1-12cos2θ)2f]]>侧面视场和角面视场重叠的最小物距L′0：
L′0＝cosθ*(z0-z1)
其中，z0、z1、xk1、xk2为中间变量，计算公式为：
z0=xk2(a2+acosθ-x0)=-xk2(-asinθ+a*xk1+a*xk2sinθ2-acosθxk2+acosθxk1xk2-xk1)]]>xk1=-2f(cosθsin(arctan(cot(θ)))+cos(arctan(cot(θ)))sinθ)acosθ]]>xk2=fcos(arccos(cos(θ)1+sin2θ))+tanθ(a2cosθ+fsin(arccos(cos(θ)1+sin2&...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘溯，金伟其，石峰，刘志刚，倪宇，郭晖，米凤文，李力，王霞，林青，张笑颜，刘军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11