一种人工复眼成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种人工复眼成像系统，包括多个微透镜和光纤，所述多个微透镜呈半球形均匀分布，所述光纤的一端与所述微透镜相连，另一端通过光纤定位器连接成像镜头，所述成像镜头使得所述微透镜所采集的图像能够聚焦到感应芯片上，所述感应芯片上均匀分布有用于接收来自光纤图像信息的图像传感器。本发明专利技术提出了一种新型的人工复眼成像系统，利用微透镜、光纤及图像传感器之间的优化配合，实现宽视角真实图像的实时显示。实图像的实时显示。实图像的实时显示。

【技术实现步骤摘要】
一种人工复眼成像系统


[0001]本专利技术涉及一种成像系统，特别是一种人工复眼成像系统。

技术介绍

[0002]复眼作为一种特殊的成像系统，由于其具有宽视场、小偏差、大景深及运动灵敏等特点，在成像系统中占有非常重要的地位。复眼结构通常利用图像传感器接收各微透镜感知的光学信息。基于微透镜的布局方式以及微透镜与图像传感器之间的匹配方式，复眼成像系统可被分为不同类型。
[0003]最直接的复眼成像系统是平面复眼成像系统。以德国应用光学与精密工程研究所2010年的研究为例(Br
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ckner A,Duparr
é
J,Leitel R,et al.Thin wafer
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level camera lenses inspired by insect compound eyes[J].Optics Express,2010,18(24):24379
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94.)，其微透镜以平面阵列形式进行分布，并通过图像传感器对每个微透镜的成像结果进行了记录，最终通过对各个微透镜成像结果进行拼接得到一张超精密的图像。类似的研究还有进一步的FacetVision Camera(Br
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ckner A,rster A,Dunkel J,et al.Ultra
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slim 2D
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and depth
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imaging camera modules for mobile imaging[C]//MOEMS and Miniaturized Systems XV.SPIE,2016,9760:125
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133.)等等。但由于这种成像系统中微透镜以平面阵列形式分布，因此其视场受到了较大限制，并未发挥出宽视场的优势。
[0004]传统的曲面成像系统通过多块反射镜的配合可以实现宽视场的捕捉(https://en.wikipedia.org/wiki/Omnidirectional_(360
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degree)_camera)，但由于系统顶部反射镜的存在，这种成像系统会不可避免地缺失正前方光场信息。而基于复眼的曲面成像系统虽然有望解决该问题，却面临另一难题：如何对应匹配曲面的微透镜布局和平面分布的传感器。
[0005]大多解决方案集中于将平面分布的传感器替换为曲面的传感阵列。2013年Song等人提出可先将弹性平面微透镜阵列与光电二极管阵列进行匹配及结合，再利用流体压力将结合体统一进行弯曲变形，最终形成基于复眼的曲面成像系统(Song Y M,Xie Y,Malyarchuk V,et al.Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye[J].Nature,2013,497(7447):95
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99.)。由于需要确保弯曲后的微透镜阵列与光电二极管阵列仍然保持着原有的对应关系，该系统对微透镜的设计，弯曲所产生的应力控制以及加工的精度提出了较高的要求。类似的，Floreano等人在同年也提出首先将微透镜阵列与CMOS芯片进行结合，再将结合体进行切割，最后将切割后的复眼阵列进行弯曲形成曲面成像系统(Floreano D,Pericet
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Camara R,Viollet S,et al.Miniature curved artificial compound eye[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2013,110(23):9267
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9272)。但是该成像系统难以进行成像，只能用于动态光流检测。
[0006]直接用平面分布的传感器接受曲面布局微透镜的光场信息则是另一种思路，且该思路非常接近自然复眼结构。图1为自然复眼结构中的单个小眼结构，其包括微透镜1、晶锥
体2、感杆束3、光接受细胞4和色素细胞5。
[0007]光纤作为一种光导材料，具有可弯折的特性。因此通过微透镜、光纤及平面分布的图像传感器之间的配合，可实现曲面光场信息向平面的转换。尽管马孟超等人先前提出过基于光纤的复眼结构(马孟超,张翼,顾磊,等.一种重叠型复眼:中国,CN113141493A.2021
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07
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20.)，但该复眼结构存在以下局限性：
[0008]1.只能对预设的图像进行复原成像，不能对现实图像进行快速成像。这是因为：(1)由于多模光纤自身的模式散射，图像经过光纤传导后会变为散斑图，即不再是清晰图像。因此每根光纤传导的图像实际上仅仅是最终图像的一个像素；(2)所选光纤直径大，导致最终图像的单个像素尺寸较大，整体像素质量下降；(3)受限于其加工方法(普通3D打印技术的特征尺寸为0.5mm)，因此光纤与光纤间的距离较远，像素化严重。
[0009]2.该复眼结构并非一个完整的成像系统，即只能在实验室使用，难以工程化应用。这是因为：(1)前文提到过的3D打印技术的限制导致整体尺寸难以降低；(2)系统未进行集成化设计，对光纤并未进行保护处理，难以工程化应用。
[0010]3.造价成本高。这是由于该复眼结构如前文所述尺寸较大，因此所用的CMOS相机芯片较大，而芯片的大尺寸则直接提高了成本。类似的，如果选用多个单像素光电传感器，则对单像素光电传感器的数量提出了要求，也极大地提升了成本。

技术实现思路

[0011]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种人工复眼成像系统。
[0012]一种人工复眼成像系统，包括多个微透镜和光纤，所述多个微透镜呈半球形均匀分布，所述光纤的一端与所述微透镜相连，另一端通过光纤定位器连接成像镜头，所述成像镜头使得所述微透镜所采集的图像能够聚焦到感应芯片上，所述感应芯片上均匀分布有用于接收来自光纤图像信息的图像传感器。
[0013]进一步的，所述图像传感器为平面图像传感器；所述光纤定位器包括依次连接的曲面模板、第一转接段、平面集束段和第二转接段；所述光纤定位器还包括保护套，其套设于所述光纤定位器之外；所述曲面模板由平面圆盘和半球形圆顶组成，在半球形圆顶上分布有多个球面微通孔，所述带有微透镜的光纤固定于所述微通孔中。
[0014]优选的，所述第一转接段为环形通孔圆柱，用于连接曲面模板与所述平面集束段；所述平面集束段内具有多个位于同一平面上均匀分布的光纤定位孔，所述光纤从所述光纤定位孔穿过；所述平面集束段的外壁上有第一外螺纹，通过所述第一外螺纹与第二转接段连接；所述第二转接段用于连接所述平面集束段与所述成像镜头，所述第二转接段具有第一内螺纹，所述平面集束段的第一外螺纹与所述第二转接段的第一内螺纹相匹配，使得所述平面集束段的第一外螺纹可以旋入第二转接段内；所述第二转接段的外壁上设置有第二外螺纹，所述第二外螺纹与保护套的第二内螺纹相匹配。
[0015]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种新型的人工复眼成像系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人工复眼成像系统，其特征在于，包括多个微透镜和光纤，所述多个微透镜呈半球形均匀分布，所述光纤的一端与所述微透镜相连，另一端通过光纤定位器连接成像镜头，所述成像镜头使得所述微透镜所采集的图像能够聚焦到感应芯片上，所述感应芯片上均匀分布有用于接收来自光纤图像信息的图像传感器。2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述感应芯片为平面状，平面状感应芯片上分布有平面图像传感器。3.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光纤定位器包括依次连接的曲面模板、第一转接段、平面集束段和第二转接段。4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述光纤定位器还包括保护套，其套设于所述光纤定位器之外。5.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述曲面模板由平面圆盘和半球形圆顶组成，在半球形圆顶上分布有多个球面微通孔，所述带有微透镜的光纤固定于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张需明，姜衡，蔡智聪，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：