一种基于光纤传像束的仿生复眼系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列和图像采集阵列，其中：所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列；所述相干光纤传像束阵列进一步包括相干的多路光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上。本发明专利技术所实现的子眼单元相互独立且只使用一个探测器，可以实时同步采集子眼视场图像，并分析重叠视场内物体运动与三维位置信息。叠视场内物体运动与三维位置信息。叠视场内物体运动与三维位置信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传像束的仿生复眼系统


[0001]本专利技术大视场光学成像系统和仿生复眼系统
，尤其涉及基于光纤传像束的仿生复眼系统。

技术介绍

[0002]复眼是一种自然界中广泛存在的多孔径光学系统，由若干个子眼排列在曲面上组成，子眼是自然界生物复眼的基本单元，复眼大视场图像可以视为所有小眼所成镶嵌像的拼接。一般的自然复眼中每个子眼由采集外界光线的角膜，传导光线信息的晶锥和接收光线信息的感杆束构成，在子眼间一般还有起到隔离光线信息防止串扰作用的色素细胞。复眼系统兼备体积小、视场大以及对运动物体敏感度高等独特优势，与传统的单孔径成像系统相比，一方面，仿生复眼成像系统通过多个子眼对物空间成像，可以在系统体积很小的情况下获取超大的视场范围；另一方面相邻子眼间的视场重叠还能够采集到光场信息，进行深度和速度的测量，从而进一步实现三维探测和运动追踪等功能，因此设计一种具有自然复眼优势的人造仿生复眼具有重要意义。
[0003]设计仿生曲面复眼的目的是尽可能的模拟生物复眼结构和功能，以获得甚至超越生物复眼所具有的独特优势。自然界昆虫的视觉敏感元排列在曲面上，但当前的光刻技术和工艺还不能满足任意弧度的曲面传感器制作，有待于相关领域的技术进步；因此当前的仿生复眼系统面临的主要问题是如何将曲面复眼阵列所成的焦曲面像转换为平面像从而可以被平面图像传感器接收，一种思路是引进一个光学中继系统。
[0004]目前已经有一些像面变换式仿生复眼结构被提出，中国专利CN112595418A《一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机》公开了使用传统光学设计的广角镜头结构作为光学中继系统，但这种方式结构复杂、体积较大、无法模拟自然复眼结构子眼间相互独立的成像过程；光纤作为传光器件具有的低损耗、良好柔性特性与自然复眼高度类似，吸引了相关研究者的关注，中国专利CN113141493A《一种重叠型复眼》公开了一种通过在光纤端面滴紫外光固化剂形成微透镜制备单子眼的仿生复眼系统，与一个只记录光强信息的光电探测器匹配用计算成像的方法重建高分辨率图像，但无法实现对现实图像的实时采集；中国专利CN115717933A《一种人造仿生复眼》公开了使用微透镜及光纤作为子眼，与成像镜头集成实现宽视场真实图像采集，但每个子眼只相当于一个像元，无法取得良好的成像效果。
[0005]综上所述，目前基于普通单模光纤或多芯光纤的仿生复眼系统成像能力差，成像范围小，无法获取目标的细节信息，应用场景有限。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足而提出一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，通过光纤传像束作为光学中继系统的仿生复眼系统，实现大视场实时成像。
[0007]本专利技术利用以下技术方案实现：
[0008]一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤
传像束阵列和图像采集阵列，其中：
[0009]所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列，通过每个子眼镜筒与所述半圆形球壳固定连接；所述相干光纤传像束阵列进一步包括多根光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；
[0010]所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，所述相干光纤传像束阵列的输入端与所述半圆形球壳固定、所述相干光纤传像束阵列的输出端经所述光纤集束平面上与大面阵图像探测器固定；所述光纤集束平面将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上；所述相干光纤传像束阵列与所述曲面复眼透镜阵列一一匹配。
[0011]所述半圆形球壳上设置有子眼通孔，所述子眼通孔按照简化的正二十面体方式排布，与所述子眼阵列一一对应且位于同一平面上，在中心子眼周围按正五边形排布，当子眼排布圈数为奇数时，在其余子眼周围均为六边形排布。
[0012]相邻子眼之间的夹角为12
°
。
[0013]所述光纤集束平面上设置相干光纤传像束定位孔，所述光纤传像束定位孔在平面上按正五边形排布。
[0014]所述半圆形球壳和光纤集束平面采用金属材料的支撑结构。
[0015]所述镜筒结构中，通过压圈将子眼透镜与镜筒固定，通过连接口上的第二外螺纹与光纤传像束输入端SMA905接口连接，将光纤传像束输入端固定在子眼透镜像面位置；通过镜筒上的第一外螺纹与半圆形球壳的内螺纹连接固定。
[0016]所述子眼透镜选取小孔径单透镜且其第一表面优化为4阶偶次非球面，波长范围为可见光波段。
[0017]所述子眼透镜A1孔径为2mm，焦距为3.8mm，数值孔径为0.255，像面半径为0.497mm。
[0018]所述光纤传像束结构由外至内由涂覆层和内部呈圆形紧密排布的光纤单丝构成。
[0019]所述光纤传像束选择有效直径为1mm且数值孔径为0.5；所述单丝直径选择11μm，内部排列方式为六边形。
[0020]与现有技术相比，本专利技术能够达成以下的有益技术效果：
[0021]1)能够实时同步采集子眼视场(包括重叠视场)图像，并分析重叠视场内物体运动与三维位置信息；
[0022]2)能够获取超大视场内的无串扰、低畸变、高分辨率图像；
[0023]3)所实现的子眼单元相互独立，便于检测与调整；
[0024]4)只使用一个探测器，结构简单灵活，体积较小。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的基于光纤传像束的仿生复眼系统原理图；
[0026]图2为本专利技术的半圆形球壳俯视图；
[0027]图3为本专利技术的子眼单元结构示意图；
[0028]图4为本专利技术的子眼透镜机械结构图；
[0029]图5为本专利技术的光纤传像束结构示意图；
[0030]图6为本专利技术中子眼透镜的光线追迹图；
[0031]图7为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的点列图；
[0032]图8为用Zemax光学设计软件对子眼透镜进行仿真生成的调制传递函数曲线图；
[0033]图9为光纤集束平面及相干光纤传像束定位孔示意图，(9a)相干光纤传像束定位孔排布及编号，(9b)图像传感器阵列上子图像分布模式示意图。
[0034]附图标记：
[0035]1、曲面复眼透镜阵列，2、相干光纤传像束阵列，3、图像采集阵列，11、子眼透镜阵列，12、子眼镜筒阵列，13、半圆形球壳，14、子眼通孔，21、光纤传像束，31、光纤集束平面，32、大面阵图像探测器，33、相干光纤传像束定位孔，A1、子眼透镜，A2、镜筒，A3、压圈，A4、连接口、A5、第一外螺纹，A6、第二外螺纹，A21、光纤传像束涂覆层，A22、光纤传像束内部单丝。
具体实施方式
[0036]下面将结合附图和实施例，对技术方案做详细说明。
[0037]如图1所示，为本专利技术的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统原理图。该系统包括曲面复眼透镜阵列1、相干光纤传像束阵列2和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，该系统包括曲面复眼透镜阵列、相干光纤传像束阵列和图像采集阵列，其中：所述曲面复眼透镜阵列进一步包括由半圆形球壳和由子眼透镜阵列、子眼镜筒阵列所构成的子眼阵列，通过每个子眼镜筒与所述半圆形球壳固定连接；所述相干光纤传像束阵列进一步包括多根光纤传像束；所述图像采集阵列进一步包括光纤集束平面和大面阵图像探测器；所述曲面复眼透镜阵列自中心向周边排布在半圆形球壳的曲面上，所述相干光纤传像束阵列的输入端与所述半圆形球壳固定、所述相干光纤传像束阵列的输出端经所述光纤集束平面上与大面阵图像探测器固定；所述光纤集束平面将所述曲面复眼透镜阵列获取的曲面场景信息引导到所述大面阵图像探测器上；所述相干光纤传像束阵列与所述曲面复眼透镜阵列一一匹配。2.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，所述半圆形球壳上设置有子眼通孔，所述子眼通孔按照简化的正二十面体方式排布，与所述子眼阵列一一对应且位于同一平面上，在中心子眼周围按正五边形排布，当子眼排布圈数为奇数时，在其余子眼周围均为六边形排布。3.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其特征在于，相邻子眼之间的夹角为12
°
。4.如权利要求1所述的一种基于光纤传像束的仿生复眼系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红霞，刘旭，李涵宇，贾大功，刘铁根，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：