大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

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。     

大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展

大视场、小型、多模、轻量化、低成本光电探测器是下一代精确制导武器的发展关键,基于仿生复眼的新型大视场光电探测系统作为其中的一个重要方向得到了美国军方的高度重视。通过多个创新研究项目,美军期望发展出多型大视场多通道仿生复眼光电探测器,进而用于自主式制导弹药,强化下一代精确制导弹药的环境感知能力、突防对抗能力和作战效能等。简要分析了精确制导武器的未来发展需求,昆虫复眼的结构和特点;介绍了仿生复眼光电探测器在美军精确制导武器中的应用期望和发展设想;简要讨论了仿生复眼在复杂地形、城市环境作战武器装备中的应用优势,重点介绍了美国空军针对城市作战制导弹药正在研究和开发的系列大视场仿生复眼红外成像探测器项目以及研究过程;另外,阐述了多通道大视场仿生复眼半主动激光探测器的研究进展情况;最后,总结了仿生复眼技术在精确制导武器装备中的研究进展,提出了我国在该技术领域的发展建议。     

用于目标识别的紧凑型仿生复眼光学系统设计

大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时,克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析,研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系,并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系,建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系,提出了球面固定本体的设计方法,完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验,验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性,减小系统尺寸,推动了仿生复眼光学系统的实际应用。     

超分辨率重构复眼成像技术的研究进展

超分辨率图像重构复眼成像将超分辨率重构技术与复眼成像技术相结合。复眼成像系统获取低分辨率图像,超分辨率重构算法计算获取高分辨率图像。总结了超分辨率图像重构复眼成像的研究现状,介绍了复眼图像超分辨率重构的基本原理和现阶段主要成像系统。结合成像模型角度,分析了常用的复眼图像超分辨率重构算法,以及定量测试评价与视觉角度评价的主要方法。为深入研究超分辨率图像重构复眼成像提供了参考。     

小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在?40~+60 ℃温度范围内无热差影响。     

目标定位仿生复眼视觉系统成像位置计算

用于目标定位的仿生复眼视觉系统,目标成像位置的精确计算是提高系统定位精度的关键。文章从像斑能量分布的角度出发,介绍了一种较为适于复眼成像位置计算的方法:能量对称法。该方法以主光线在像斑上的坐标定义像斑重心,以主光线像点是像斑能量对称中心的原理来获得像斑重心（即像斑位置）。文中以仿生复眼视觉系统的简化模型为研究对象,应用能量对称法对理论模拟像斑和实验像斑进行了实际计算,计算表明理论像斑位置可以通过能量对称法准确得到;利用实验像斑位置计算入射光线角度也达到了较为理想的计算精度。文中采用传统的灰度重心法同步计算,与新方法形成对比。     

Bioinspired Artificial Eyes: Optic Components,Digital Cameras,and Visual Prostheses

The diverse vision systems found in nature can provide interesting design inspiration for imaging devices, ranging from optical subcomponents to digital cameras and visual prostheses, with more desirable optical characteristics compared to conventional imagers. The advantages of natural vision systems include high visual acuity, wide field of view, wavelength‐free imaging, improved aberration correction and depth of field, and high motion sensitivity. Recent advances in soft materials, ultrathin electronics, and deformable optoelectronics have facilitated the realization of novel processes and device designs that mimic biological vision systems. This review highlights recent progress and continued efforts in the research and development of bioinspired artificial eyes. At first, the configuration of two representative eyes found in nature: a single‐chambered eye and a compound eye, is explained. Then, advances in bioinspired optic components and image sensors are discussed in terms of materials, optical/mechanical designs, and integration schemes. Subsequently, novel visual prostheses as representative application examples of bioinspired artificial eyes are described.     

Smart Compound Eyes Enable Tunable Imaging

Compound eyes are natural multiaperture optical imaging systems and have substantial potential in the field of modern optics. However, both natural and artificial compound eyes are composed of ommatidia with fixed focal lengths, and thus incapable of variable‐focus imaging. In this study, inspired by the tunable crystalline lens of human eyes, smart stimuli‐responsive compound eyes based on the bovine serum album (BSA) protein are fabricated via femtosecond laser direct writing. Due to the swelling and shrinking effect of BSA under different pH conditions, a tunable field of view (FOV, 35°–80°) and variable focal length of ommatidia are achieved. In addition to the direct prototyping of an entire protein‐based compound eye, the ability to flexibly integrate the smart protein ommatidia with a conventional optical lens (an SU‐8 lens in this study) to form a composite compound eye is shown. The composite compound eye achieves nearly 400% of focal length tuning at a fixed FOV. It is anticipated that femtosecond laser fabrication and the integration of smart protein‐based compound eyes may emerge as an enabler for fabricating miniature tunable imaging systems.     

Dragonfly‐Eye‐Inspired Artificial Compound Eyes with Sophisticated Imaging

The natural compound eye is a striking imaging device with a wealth of fascinating optical features such as a wide field of view (FOV), low aberration, and high sensitivity. Dragonflies in particular possess large, sophisticated compound eyes that exhibit high resolving power and information‐processing capacity. Here, a large‐scale artificial compound eye inspired by the unique designs of natural counterparts is presented. The artificial compound eye is created by a high‐efficiency strategy that combines single‐pulse femtosecond laser wet etching with thermal embossing. These eyes have a macrobase diameter of 5 mm and ≈30 000 close‐packed ommatidia with an average diameter of 24.5 μm. Moreover, the optical properties of the artificial compound eyes are investigated; the results confirm that the eye demonstrates advanced imaging quality, an exceptionally wide FOV of up to 140°, and low aberration.     

Mining the Smartness of Insect Ultrastructures for Advanced Imaging and Illumination

Biological wonders, found in insects such as antireflecting moth eyes, compound eyes in a honey bee, firefly lanterns, and iridescent butterfly wings, inspire human beings for advanced light imaging and illumination technologies. Dazzling advances of micro‐ and nanofabrication technologies allow insect‐inspired structures, for example, artificial compound eyes with a wide field of view and low aberration, bioinspired light‐emitting diode lenses, and structural coloration templates, featuring miniaturization. Besides, plasmonics and metamaterials offer an unprecedented approach that overcomes the diffraction limit and unveils unknown optical phenomena in ultrastructures inspired by insects. Here, insect‐inspired photonic structures for light imaging, light extraction, and structural coloration are reviewed, and photonic functions and structure fabrications inspired by insects that can be applied in advanced imaging and illumination applications are discussed.     

基于菲涅耳波带板扫描的光学成像技术研究进展

基于菲涅耳波带板(FZP)扫描的光学成像是主动式非传统成像技术,通过二维光学扫描实现对目标的三维高分辨率成像.阐述了目前儿种不同类型的菲涅耳波带板扫描成像系统的原理、结构、性能,分析了国内外的研究现状和应用前景.     

离轴三反射式光学系统的设计

详细讨论了三反射式光学系统的设计方法,从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式,并且得出了系统结构形式与其基本结构参数和焦距之间的关系.通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用.设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的Cook-TMA光学系统和有利于杂散光抑制、小F数且实现衍射极限成像的Rug-TMA光学系统.     

激光复合探测技术研究

激光复合相关探测技术是提高激光探测系统性能的有效手段。通过分析两种激光告警模式——单元探测器和成像传感器的特点,单元探测器型的灵敏度高,反应时间短,而成像型是定位精度高;明显的不足是前者定位精度低,而后者灵敏度较低,反应时间较长。对此,探索结合两种模式相结合的复合探测技术,保持两者原有的优点的同时,尽可能地克服彼此的不足,达到扬长避短,优势互补的目的。通过实验验证了该方法能有效提高系统探测性能,这对激光探测告警系统设计和优化具有指导意义。     

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。