CN103676036A

CN103676036A - 基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***

Info

Publication number: CN103676036A
Application number: CN201310693520.0A
Authority: CN
Inventors: 金伟其; 裘溯; 米凤文; 李力; 王霞; 林青; 张笑颜; 刘军; 刘志刚; 倪宇
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103676036B

Abstract

本发明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***，属于光学成像技术领域。本发明设计多微面光纤面板结构和相应的光学***，将光纤面板与CCD/CMOS成像器件进行耦合，实现在单一成像器件上对多个子视场进行成像，同时多微面光锥/光纤面板的各个视场能够产生部分重叠，使得子图像可以拼贴成一幅大视场（≥100°）图像，并且可以利用各个子图像的交叠部分获得目标三维信息。实现一种小型化、轻量化、大视场（≥100°）的微光夜视成像观察***，简化了***结构，降低了***成本。

Description

基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***

技术领域

本发明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***，属于光学成像技术领域。

背景技术

人造仿生复眼技术有利于获得小型化、轻量化、大视场的成像***，并且可以获得目标三维位置信息，可广泛应用于大视场监控设备、快速目标定位***等领域，具有广阔的应用前景。因此，各类人造仿生复眼技术是相关领域研究的热点方向之一。

传统的大视场成像***一般采用鱼眼镜头或采用多台摄像机。鱼眼镜头体积重量大，成像变形严重，不能获取目标三维位置信息；采用多台摄像机构成的大视场观察***结构复杂、成本高、数据量大。因此，采用人造复眼技术在单一探测器上获得多个子视场图像，是一种容易小型化、轻量化、成本低、结构简单可行的方案，并且可以快速获得目标三维信息，具有非常广阔的应用前景。

近年来，日本、德国、英国和国内各个研究机构对人造复眼技术进行了研究。国内外研究人员大多采用微透镜阵列结构，每个微透镜在探测器上成一个低分辨率子图像，子图像可采用超分辨技术合成一幅高分辨率图像。2000年日本JunTanida等提出一种基于蜻蜓复眼结构的TOMBO(ThinObservationModulebyBoundOptics)复眼成像***。该***采用平板微透镜阵列，在微透镜与探测平板之间引入中间光隔离层以实现各光通道分离，类似于为每个通道加一个孔径光阑，控制成像范围。所有通道几乎同时观察目标的同一部分，每个通道可得到一个低分辨率的图像，最后通过超分辨率图像复原等方法实现目标像的超分辨重建。2004年该研究小组在TOMBO***的基础上，又提出了复眼的彩色成像方法。

2004年DuparreJ.带领的德国研究小组基于同位复眼的设计理念，提出并制成了仿生同位复眼成像***AACO(ArtificialAppositionCompoundEyeObjective)。该***也是基于平板微透镜阵列，与TOMBO在结构上相似，不同之处在于微透镜阵列和光隔离层分别制作在同一玻璃基片的两侧，并与光传感阵列紧密相连。该***的厚度仅有320μm，视场可达21°，F=2.6。此后，该小组又提出用啁啾微透镜阵列代替普通的均匀微透镜阵列，在保证成像质量的前提下，使***尺寸进一步减小。同年还提出了基于重叠复眼设计理念的“簇眼”结构，其依然采用平面结构，但***中引入了场镜阵列，从而获得比AACO更大的视场。以上仿生复眼采用的是平板微透镜阵列，虽然结构较曲面容易实现，但是视场也受到限制，一般约在20°左右。若需进一步扩大视场，需在微透镜阵列之后加入其它的辅助光学元件。DuparreJ.等人即利用三层平板微透镜阵列将视场扩大到70°×15°。2007年DuparreJ.等把同位复眼设计理念用于曲面结构，提出球面人造复眼成像***SACE(ShericalArtificialCompoundEye)。SACE主要由微透镜阵列，中继光学元件和传感器阵列构成，且第一次将微透镜阵列用于曲面结构，利用激光微刻技术将微透镜阵列112×112刻在一个薄弯月镜的凹槽面或者凸面，微透镜与传感器一一对应，通过中继光学元件将图像传递给传感器阵列，每个微镜对应不同的视场，构成了不同方向的多个光通道。SACE可获得比AACO更大的成像视角，视场达到38°×38°。

2006年中国科学院长春光机所应用光学国家重点实验室张红鑫等设计了一种重叠性仿生复眼结构，多个小眼公用同一个探测器阵列，多个小眼都对探测器上单个像素的亮度值有贡献。在这项研究中研究人员使用Zemax对光路进行了追迹，对***进行了初步分析。

2010年四川大学采用与SACE类似的结构，以平凸BK7玻璃为基底，设计了球形微镜阵列***。***主要由平凸微镜阵列、分离层和传感器阵列组成，不仅将视场扩大到60°，而且便于***安装。此外，***不用附加中继光学元件，可直接成像在平面传感器上；***引入的分离层可更好地限制成像范围，使得每个视场独立成像。

2010年中国科学院深圳先进集成技术研究所邸思等人对上述光学微透镜阵列结构进行了改进设计，提出在曲面基底上制作非均匀微透镜阵列的设计方案。透镜焦距随其所处位置的不同而变化，以确保各透镜在光探测器上均可获得良好的成像质量。光线追迹结果表明，该方案明显改善了边缘视场的成像质量。

采用微透镜阵列实现的仿生复眼成像***中，每个透镜口径很小，有些甚至在微米量级，受光学微细加工精度和装调水平的限制，加上与之配套的探测器阵列也需特别加工，因此这种复眼***目前还极少有实际应用。

近年来，也有国内某公司提出采用球顶面光锥配合透镜阵列的复眼***结构（专利公开号：CN102819053A），但是该***结构中透镜数量多、尺寸小，很难在各个透镜之间布设光阑，以保证各个透镜之间的光线能够互相隔离，不至影响成像质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有的仿生复眼***的加工条件限制和成像质量不足，提出一种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***。

本发明的仿生复眼成像***的设计原理为：设计多微面光纤面板结构和相应的光学***，将光纤面板与CCD/CMOS成像器件进行耦合，实现在单一成像器件上对多个子视场进行成像，同时多微面光锥/光纤面板的各个视场能够产生部分重叠，使得子图像可以拼贴成一幅大视场（≥100°）图像，并且可以利用各个子图像的交叠部分获得目标三维信息。

一种基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼成像***，其组成包括多孔径光学***、多微面光纤面板、像增强CCD/CMOS、三维调焦机构和图像采集处理板。其中，像增强CCD/CMOS包括像增强器、耦合***和摄像机；图像采集处理板包括图像采集模块、图像拼贴模块和目标三维位置定位模块。

上述各组成部分的连接关系为：多孔径光学***位于多微面光纤面板上端，多微面光纤面板与像增强CCD/CMOS的像增强器直接耦合连接，多个微面上的图像经由光纤传像至像增强器阴极面；其中，像增强CCD/CMOS的像增强器、耦合***和摄像机自上而下顺次相连；摄像机输出的图像经视频线传至图像处理板。

所述多孔径光学***包括n个非球面透镜、多个光阑、一个透镜外壳支架，其中透镜外壳支架采用球冠形镜头支架或龟背形镜头支架。n个透镜用于光学成像，n个透镜固定在支架上，其中，考虑到多微面光纤面板中各个微面法线方向与光纤轴线方向夹角不同，n个非球面透镜焦距相同、口径不同，对于夹角较小的微面采用口径较小的透镜，对于夹角较大的微面采用口径较大的透镜，口径的尺寸使得各个微面上的成像照度均匀；相邻两个透镜之间用光阑间隔，避免各个透镜所成图像互相干扰。

所述多微面光纤面板是在普通光纤面板端面上加工n个微面，微面数量与透镜数量一致。加工精度要求低于±0.05mm。每个微面位置对应多孔径光学***中的一个透镜，共同实现成像功能。多微面光纤面板获得的图像通过多孔径光学***耦合或直接耦合至像增强器阴极面上，通过像增强器对图像进行增强，在像增强器荧光屏上获得清晰图像。

所述像增强CCD/CMOS带光纤面板窗，光纤面板窗位于像增强器阴极面位置。图像从像增强器荧光屏输出至耦合***，耦合***采用光学耦合***或者光锥耦合***，在***体积、长度、荧光屏输出光强等无限制的条件下采用光学耦合，在对***体积、长度、荧光屏输出光强要求较严苛的条件下采用光锥耦合。摄像机采用CCD摄像机或者CMOS摄像机。

所述图像采集处理板包含图像处理算法，完成图像采集、图像拼贴和目标三维位置定位功能。

有益效果

本发明实现一种小型化、轻量化、大视场（≥100°）的微光夜视成像观察***，并且在单一成像器件上实现多个子眼图像的成像，并且可以利用各个子图像的交叠部分获得目标三维信息，简化了***结构，降低了***成本。

附图说明

图1为本发明基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***的结构示意图；

图2为具体实施方式中多微面光纤面板机械设计图；其中，（a）为侧视图，（b）为正视图；

图3为具体实施方式中多微面光锥的结构示意图；其中，其中，（a）为侧视图，（b）为正视图；

标号说明：1-多微面光纤面板，2-多孔径光学***，3-像增强器，4-CCD/CMOS摄像机，5-耦合光锥，6-三维调焦机构，7-光学***支架，8-镜头安装孔，9-光阑。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的目的、设计方案和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本实施例中所述的具体实施方法及附图是示例性的，仅用于解释本发明，而不是对本发明的限制。

如图1所示，为本发明的一种基于多微面光锥/光纤面板的多视场、部分重叠联立型仿生复眼成像***的实施例，主要由多孔径光学***、多微面光纤面板、像增强CCD/CMOS、三维调焦机构和图像采集处理板构成。

本实施例中，所述的多孔径光学***上采用9个透镜用于光学成像，9个透镜固定在一个球冠形镜头支架或多面形镜头支架上，光学***各个透镜直接用安装于光学镜头支架内部的光阑间隔（如图2所示），以免各个子眼图像在成像过程中互相干扰。

所述的多微面光纤面板端面被加工成9个微面，如图3所示。每个微面与多孔径光学***中的9个透镜对应配合形成9个子眼，实现成像功能。

9个子眼图像经过光纤面板传像至单个CCD/CMOS成像器件，在单个成像器件上产生9个复眼视场小图像。9个子眼图像存在部分交叠，利用交叠部分可以将9个子图像拼贴成一幅大视场图像，并且利用各个子眼图像的交叠部分，可以实现双目/多目立体视觉，对目标位置进行判断。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***，其特征在于：包括多孔径光学***、多微面光纤面板、像增强CCD/CMOS、三维调焦机构和图像采集处理板；其中，像增强CCD/CMOS包括像增强器、耦合***和摄像机；

上述各组成部分的连接关系为：多孔径光学***位于多微面光纤面板上端，多微面光纤面板与像增强CCD/CMOS的像增强器直接耦合连接，多个微面上的图像经由光纤传像至像增强器阴极面；其中，像增强CCD/CMOS的像增强器、耦合***和摄像机自上而下顺次相连；摄像机输出的图像经视频线传至图像处理板；

所述多孔径光学***包括n个非球面透镜、多个光阑、一个透镜外壳支架，其中透镜外壳支架采用球冠形镜头支架或龟背形镜头支架；n个非球面透镜固定在支架上，其中，多微面光纤面板中各个微面法线方向与光纤轴线方向夹角不同，n个非球面透镜焦距相同、口径不同，对于夹角较小的微面采用口径较小的透镜，对于夹角较大的微面采用口径较大的透镜，口径的尺寸使得各个微面上的成像照度均匀；相邻两个透镜之间用光阑间隔；

所述多微面光纤面板为普通光纤面板端面上加工n个微面，微面数量与透镜数量一致；每个微面位置对应一个多孔径光学***透镜，共同成像；多微面光纤面板获得的图像通过多孔径光学***耦合或直接耦合至像增强器阴极面上，通过像增强器对图像进行增强，在像增强器荧光屏上获得清晰图像；

所述像增强CCD/CMOS带光纤面板窗，光纤面板窗位于像增强器阴极面位置；图像从像增强器荧光屏输出至耦合***，耦合***采用光学耦合***或者光锥耦合***；

2.根据权利要求1所述的基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***，其特征在于：微面加工精度要求低于±0.05mm。

3.根据权利要求1所述的基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***，其特征在于：在***体积、长度、荧光屏输出光强等无限制的条件下采用光学耦合，在对***体积、长度、荧光屏输出光强要求较严苛的条件下采用光锥耦合；摄像机采用CCD摄像机或者CMOS摄像机。

4.根据权利要求1所述的基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像***，其特征在于：多微面光纤面板的各个视场能产生部分重叠，拼贴成一幅视场≥100°的图像。