CN113141493A - 一种重叠型复眼 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种重叠型复眼，包括在子眼排布面上排布着m个子眼微透镜，还包括投影模组和光电探测器；投影模组固定在复眼的曲面上，该投影模组会对目标物体投影事先设定好的编码图案；子眼微透镜通过传输模块与光电探测器连接。本发明不需要制作与曲面复眼高度配合的难以加工制作的曲面图像探测器，只使用一个没有空间分辨率的光电探测器记录光强信息，通过单像素技术计算成像，极大节省了高精度光学元件的设计和制作成本；本发明使得复眼的成像分辨率不再受到子眼的数量和其通光孔径尺寸等硬件的限制，将成像分辨率提升了两个数量级，具有超分辨成像的能力；本发明在部分子眼受损或者被遮挡不能正常工作的情况下依然可以获取目标完整的可识别的图像，鲁棒性大大提高。

Description

一种重叠型复眼
技术领域
本发明涉及复眼技术领域，具体涉及一种重叠型复眼。
背景技术
传统的仿生复眼通常采用平面的平面图像传感器(CCD或者CMOS)作为光学感知的元件，但是平面的光电探测器阵列不仅与实际复眼的光感受器官相去甚远，而且与大部分曲面型的仿生复眼难以配合，这使得获取的图像受到像差等影响，分辨率及成像清晰度都不能满足实际的需要。同时正常的复眼工作过程中难免遇到通道损坏、小眼被其他物质遮挡(如水、烟雾)无法正常工作的情况，传统的基于图像传感器的仿生复眼鲁棒性通常都不高。
总体来说，目前设计的仿生复眼绝大多数都依赖平面的焦平面探测器作为光电感受元件，这与曲面的仿生复眼难以配合。图像质量受到光学元件的影响，成像时容易出现像差等问题；现有的仿生复眼成像分辨率都受限于子眼数量和子眼通光孔径尺寸的限制，增加成像分辨率会增加子眼透镜的制作成本；现有的仿生复眼没有针对部分子眼受损的情况下是否能继续正常工作做出特殊的设计，一旦出现部分子眼不能工作的情况，成像会出现缺失。
发明内容
本发明提出的一种重叠型复眼，可解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种重叠型复眼，包括在子眼排布面上排布着m个子眼微透镜，还包括投影模组和光电探测器；
投影模组固定在复眼的子眼排布面上，该投影模组会对目标物体投影事先设定好的编码图案；
子眼微透镜通过传输模块与光电探测器连接。
进一步的，所述子眼排布面为曲面或者平面。
进一步的，所述子眼微透镜由紫外光固化剂滴制而成。
进一步的，所述子眼微透镜的数量取值范围：1≤m≤1000。
进一步的，m个子眼微透镜按照正二十面体均匀排布。
进一步的，所述子眼排布面为球面。
进一步的，所述投影模组正对着目标物体。
进一步的，所述投影模组采用投影仪、LCD或DMD。
进一步的，所述传输模块采用光纤或菲涅尔透镜。
进一步的，光电探测器使用光电池或光电二极管这些对光强信息能够线性响应的光电器件代替。
由上述技术方案可知，目前已知的仿生复眼产生的图像分辨率都严重受限于复杂的光学设计及电子***，图像质量普遍不高，本发明通过单像素成像方法对目标先进行编码然后再成像，成像分辨率和质量不再受复眼硬件的影响。即使复眼部分损坏，对成像质量也不会造成大的影响，目前已知的仿生复眼没有能够做到这一点。
具体的说，本发明不需要制作与曲面复眼高度配合的难以加工制作的曲面图像探测器，只使用一个没有空间分辨率的光电探测器记录光强信息，通过计算成像，极大节省了高精度光学元件的设计和制作成本；
本发明使得复眼的成像分辨率不再受到子眼的数量和其通光孔径尺寸等硬件的限制，将成像分辨率提升了两个数量级，实现了超分辨率成像。目前其他已知的仿生复眼很难将成像分辨率提高两个数量级；
本发明在部分子眼受损或者被遮挡不能正常工作的情况下依然可以获取目标完整的可识别的图像，与其他现有的仿生复眼相比鲁棒性大大提高。
总的来说，本发明减少了复眼中光学设计的成本，能够实现复眼领域中的超分辨率成像，在很多子眼损坏的情况下，依然能够获取完整的目标图像，极大提高了仿生复眼的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的子眼微透镜排布结构示意图；
图3是本发明实施例的成像目标；
图4是本发明实施例遮挡了复眼***60个子眼拍摄的图片；
图5是本发明实施例将每个子眼当作一个像素是得到的图像；
图6是本发明实施例使用本发明得到的可以分辨的没有缺失信息的完整目标图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例的一种重叠型复眼，包括在子眼排布面上排布着m个子眼微透镜2，还包括投影模组1和光电探测器4；子眼排布面可以是曲面也可以是平面；
投影模组1固定在复眼的曲面上，该投影模组1会对目标物体投影事先设定好的编码图案；
子眼微透镜2通过传输模块3与光电探测器4连接。
其中，本实施例的子眼排布面为球面，m个子眼微透镜2按照正二十面体细分法确定排布位置。这使得子眼在曲面上的排布更加密集均匀。
复眼可以使用平面结构，子眼的排布方式也可以选择其他排布方式比如直线带状排布等。
所述投影模组1正对着目标物体。正对物体可以保证获取的物体图像是正面看到的景象，不易出现畸变便于后续处理。
以下具体说明：
与传统仿生复眼不同，本实例的一种重叠型复眼使用一个没有任何空间分辨率的光电探测器4作为光电传感器检测光强信号，这与真正的生物复眼中的感光束极为相似。在复眼的曲面上放置了一个投影模组1，该投影模组1会对目标物体投影事先设定好的编码图案P，该编码图案可以基于傅里叶基底生成，
P(x,y)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ),
其中a，b可取值0.5，fx和fy代表傅里叶频域中x和y方向上的坐标，x和y表示图像空间域上的坐标，φ代表相位，根据不同的步数细分可以取不同的初值；也可以基于哈达玛基底生成，
Figure BDA0003044059330000041
Figure BDA0003044059330000042
其中H-1表示哈达玛逆变换，u和v是哈达玛域中的坐标；编码图案也可以随机生成。在复眼的曲面上排布着180个由紫外光固化剂滴制而成的子眼微透镜2，具体排布如图2所示。采用紫外光固化剂制作子眼微透镜成本较低。
探测到的光强信息通过图一所示的光纤进行传递，最终到达光电探测器4，得到一个相对应的电压值D。不同的投影图Pi对目标进行照明时会获得不同的光强信号，即Di＝Dn+∫∫PiI(x,y)dxdy，这里I表示目标图像，Dn表示光电探测器对环境光强的响应值。最终计算机根据记录下的光强信号与投影图案之间的关系，利用单像素成像技术获取图像的傅里叶系数，然后进行二维傅里叶逆变换，重建出目标图像I。(当投影图案使用哈达玛基底生成时，通过获取的光强信号可以获取哈达玛系数，然后通过进行哈达玛逆变换可以重建出图像I。)每个子眼都可以获取目标区域的光强信息，对应的光电探测器响应值为
Figure BDA0003044059330000051
所有子眼的响应值线性叠加可以获得最终的光强信号，
Figure BDA0003044059330000052
m表示小眼的数量。其中一部分子眼通过直接观察区域的光强信息，另一部分子眼由于视场范围和排布位置的原因通过周围环境反射获取光强信息。在一部分子眼不工作的情况下，只要投影模组能继续将编码图案投影到目标上，其余子眼都能继续收集到光强信息。只要所有的投影图案Pi对应的光强值被探测出来，最终也可以将完整的目标图像可辨认地重建出来。图3是成像目标。图4是遮挡了复眼***60个子眼拍摄的图片，图5是传统方法恢复的图像，即将每个子眼当作一个像素对图像进行恢复。不仅难以分辨实际图像，也存在明显的缺失。图6是使用本发明得到的可以分辨的没有缺失信息的完整目标图像。
本发明实施例的投影模组可以使用投影仪，LCD，DMD等多种空间光调制器来代替进行投影图案的调制；
制作的复眼中，子眼微透镜可以使用其他多种透明材料进行代替。传输模块3可以使用光学透镜组、菲涅尔透镜、自聚焦透镜或其他光学器件代替光纤完成光学信息从子眼到光电探测器的传输。
光电探测器可以使用光电池，光电二极管等对光强信息能够线性响应的光电器件代替；
对目标图像使用投影图案进行编码时可以基于傅里叶变化，也可以基于哈达玛变换，拉东变换等。
综上所述，目前已知的仿生复眼产生的图像分辨率都严重受限于复杂的光学设计及电子***，图像质量普遍不高，本发明通过单像素方法对目标先进行编码然后再成像，成像分辨率和质量不再受复眼硬件的影响。即使复眼部分损坏，对成像质量也不会造成大的影响，目前已知的仿生复眼没有能够做到这一点。
本发明不需要制作与曲面复眼高度配合的难以加工制作的曲面图像探测器，只使用一个没有空间分辨率的光电探测器记录光强信息，通过计算成像，极大节省了高精度光学元件的设计和制作成本；
本发明使得复眼的成像分辨率不再受到子眼的数量和其通光孔径尺寸等硬件的限制，将成像分辨率提升了两个数量级，拥有超分辨率成像的能力；
本发明在部分子眼受损或者被遮挡不能正常工作的情况下依然可以获取目标完整的可识别的图像，与其他现有的仿生复眼相比鲁棒性大大提高。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种重叠型复眼，包括在子眼排布面上排布着m个子眼微透镜(2)，其特征在于：还包括投影模组(1)和光电探测器(4)；
投影模组(1)固定在复眼的曲面上，该投影模组(1)会对目标物体投影事先设定好的编码图案；
子眼微透镜(2)通过传输模块(3)与光电探测器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述子眼排布面为平面或曲面。
3.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述子眼微透镜(2)由紫外光固化剂滴制而成。
4.根据权利要求3所述的重叠型复眼，其特征在于：所述子眼微透镜的数量取值范围：1≤m≤1000。
5.根据权利要求3所述的重叠型复眼，其特征在于：m个子眼微透镜(2)按照正二十面体均匀排布。
6.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述子眼排布面为球面。
7.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述投影模组(1)正对着目标物体。
8.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述投影模组(1)采用投影仪、LCD或DMD。
9.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：所述传输模块(3)采用光纤或菲涅尔透镜。
10.根据权利要求1所述的重叠型复眼，其特征在于：光电探测器(4)使用光电池或光电二极管这些对光强信息能够线性响应的光电器件代替。
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