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。     

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。     

仿生复眼系统的视场重叠率

为了实现复眼系统小型化、轻量化,提出一种基于相机外凸式的安装结构。基于该种结构,首先分析了子眼系统视场角之和与光轴夹角之间的关系,通过两子眼系统视场边缘点之间的坐标关系,建立了与子眼间光轴夹角、子眼系统视场角、观测距离相关的视场重叠率计算模型。通过对此模型分析,复眼系统中子眼间光轴夹角应当小于子眼视场角之和,且大于子眼视场角之差;在上千米的观测距离下,子眼间的视场重叠率随观测距离的变化趋向于定值。依据此模型设计了一款19孔径的复眼系统。针对3 km外目标搭建了实验,采集了子眼图像数据,实验结果表明,复眼系统实现了79.23°全视场的无盲区监测,1级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为71.16%、45.99%;1级与2级阵列间子眼在X、Y方向同时存在重叠时的实际重叠率分别为43.00%、18.36%,只在X方向存在重叠时的实际重叠率为14.62%;2级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为66.58%、24.6%。理论重叠量分别为75%、40%;40%、20%;15%;70%、30%。通过子眼实际重叠量与理论重叠量的对比分析,验证了该视场重叠计算模型的可行性。     

双自由曲面大视场头盔显示光学系统设计

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标,为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难,提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先,分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理,指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着,提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差,完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3(H)80(V),最大相对畸变为6.97%,出瞳直径8 mm,点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8时,双目视场范围为122.3(H)80(V),双目重叠视场为90.3(H)80(V),瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明:相比双椭球结构,系统成像质量得到较大提高;视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。     

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。     

制备人工复眼结构的方法

提出了一种人工复眼结构的制备技术。人工复眼结构是由类似于昆虫复眼的很多小眼组成。这些小眼分布在球冠基底上以能够像昆虫复眼一样实现大视场探测。通过分析不同制备技术的特点及适用范围,研究材料的特性以及不同材料之间的关系,并将各种制作工艺以及材料相融合,发展了一种可用于制备曲面微阵列元件的制备方法。在该方法中,利用微加工技术在平面上制备作为子眼的微透镜列阵结构;然后利用软光刻技术将该微透镜结构进行翻模,获得分布在柔性基底上的凹透镜列阵结构;最后利用浇铸复制技术将柔性基底上的结构转移到球冠基底上,获得所需的人工复眼结构。利用该方法,开展了相关实验,在曲面基底上制备出了包含20 000多个子眼的人工复眼结构。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。     

仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展

仿生复眼成像系统以其小体积、大视角、高灵敏度等优点而受到广泛关注。国内外研究者一直致力于仿生复眼的理论分析和结构设计方面的研究。综述了复眼类型以及近年来国内外新型的仿生复眼成像系统的最新研究成果。分析各种类型的仿生复眼成像系统结构和技术特点,指出不同系统的优势及存在的不足,并阐述了仿生复眼成像系统的应用前景及未来的发展趋势。     

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。     

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

复眼系统的大视场平像面拼接方法

传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续合理选取光中继系统参数之间的平衡模型,重点分析中继系统景深与复眼拼接像面光程差之间的关系,得出复眼平像面的拼接方式产生的光程差在典型光中继系统的可接受景深范围内,可以有效地降低中继光学系统设计压力的结论。并基于上述理论设计一种单子眼的视场为16°、整体视场为96°的复眼光学系统进行实践验证。系统最终实现畸变小于2%,传递函数在中心视场达到衍射极限,边缘视场接近衍射极限的良好像质,证明了该拼接理论可行。     

轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

随着空间技术的不断发展,高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点,能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求,具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础,设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统,焦距1 550 mm,视场3.60.45,相对孔径1:6.2,自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明,在有效视场内系统成像质量良好,fMTF优于0.43@111 lp/mm,系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm）,平均波像差RMS值为0.034 ,最大网格畸变0.9%,成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1,高度小于f'/4.1,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。     

仿生复眼成像系统角度误差

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析,介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型,通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换,推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式,即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程,从而进行误差分析。并且搭建了实验,采集了实验数据,通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为3'14,实际测得的旋转角度误差3'15,理论计算值与实际测量值基本一致,证明该误差分析方法是可行的。     

自由曲面成像光学系统的初始结构设计方法

自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制,在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力,提高系统设计效率。与共轴光学系统相比,自由曲面成像光学系统设计存在可参考样例少、像差理论尚不完善等问题,其初始结构的构造与求解仍然是先进光学设计领域的前沿热点问题之一。结合课题组多年的研究心得,探讨了现有的自由曲面成像光学系统初始结构设计方法,依据自由曲面构造原理将其分为同轴系统离轴化法、直接设计法、视场孔径扩展法和分段拼接融合设计方法,并分别介绍其设计原理和思路。最后对自由曲面成像光学系统初始结构设计中亟待解决的问题进行了分析总结。     

非球面变焦距曲面复眼的优化研究

提出了一种新型的非球面变焦距曲面复眼结构。整个结构将曲面基底分为三个类扇形区域,每一区域微透镜阵列能够对一定物距的目标物成像,使得人造复眼在一定范围内实现焦距调节;根据微透镜所处的区域和位置,计算出微透镜的基本尺寸,并对微透镜进行了非球面优化。对所设计的曲面复眼进行了光线追迹,仿真结果表明成像球差降低到初始值的近百分之一,能够实现焦距调节,并解决了每一个微透镜在边缘处的球差问题,极大的提高了成像效果。     

高度屈光不正人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的利用液晶自适应成像系统进行具有较大屈光不正人眼像差校正及视网膜的成像,建立了一套基于低阶像差自补偿的眼底自适应成像系统。该系统采用基于人眼调节特性的光学系统进行屈光补偿,用夏克哈特曼波前传感器进行实时的波面探测,将探测所得波前畸变进行波前重构,通过LCOS波前校正器进行高阶像差的波面校正提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差得到有效控制。光学系统的分辨率接近70 lp/mm,已经到达该光学系统的衍射极限分辨。可以得出:液晶自适应视网膜成像系统可以满足高度屈光不正情况下的人眼视网膜成像要求。