国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

多層曲面仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的設(shè)計

2013-10-15 06:10鄒成剛張紅霞張以謨
關(guān)鍵詞:光軸視場盲區(qū)

鄒成剛, 張紅霞, 宋 樂, 范 陽, 張以謨

(天津大學(xué) a. 精密儀器與光電子工程學(xué)院; b. 光電信息技術(shù)教育部重點實驗室;c. 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室, 天津 300072)

0 引 言

隨著光學(xué)成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展, 人們對其性能指標的要求也不斷提高, 諸如一些監(jiān)測裝置所用的光學(xué)系統(tǒng), 需要同時達到視場角大, 體積小等要求, 這對傳統(tǒng)的單孔徑成像系統(tǒng)無法實現(xiàn), 如廣角鏡頭要通過10片以上的透鏡組合實現(xiàn)180°的大視場角成像, 這無疑增加了整個系統(tǒng)的體積與重量, 而且這種光學(xué)系統(tǒng)的畸變很大, 圖像變形嚴重。

自然界中的生物復(fù)眼由成千上萬個成像單元構(gòu)成, 將每個成像單元定義為復(fù)眼的一個子眼, 這些子眼排布在一球面或橢球面基底上, 每個子眼對不同方向物空間的成像使復(fù)眼擁有較大的視場角[1,2]。不同于單孔徑成像系統(tǒng), 生物復(fù)眼屬于多孔徑成像系統(tǒng), 通過對多通道子眼圖像的融合[3], 可實現(xiàn)大視場角的成像以及對目標物體的實時跟蹤[4,5]。而且由于不同方位的子眼對不同方向的物空間進行成像, 整幅圖像的分辨率一致。受到生物復(fù)眼的啟發(fā), 人們提出了一種基于微透鏡陣列的仿生復(fù)眼成像系統(tǒng), 如文獻[6-9]中提到的平面型仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu), 這種形式的復(fù)眼透鏡能達到的視場角很小, 失去了復(fù)眼大視場的特點, 因此, 很難得到廣泛應(yīng)用。為了提高仿生復(fù)眼的視場角, 研究人員提出了與生物復(fù)眼更加近似的單層曲面型仿生復(fù)眼透鏡, 如文獻[10]與文獻[11]所述的通過在一曲面基底上分布微透鏡陣列的形式擴大復(fù)眼透鏡的視場角, 這種形式的復(fù)眼透鏡雖然增大了整個復(fù)眼的視場角, 但仍然存在著一些問題: 一方面是曲面微透鏡的加工是一個難點, 因為單個微透鏡的視場角很小, 為了獲得較大的視場角, 曲面基底上微透鏡的個數(shù)很多, 這給加工帶來了很大的困難; 另一方面, 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上也存在著一些問題, 由于目前的圖像探測器均為平面結(jié)構(gòu), 而曲面復(fù)眼透鏡是在一曲面基底上分布微透鏡陣列, 各微透鏡的光軸與圖像探測器間存在著一個夾角, 越靠近曲面基底邊緣的微透鏡, 此夾角的角度越大, 而此夾角的存在會使微透鏡的成像質(zhì)量降低, 如果以微透鏡中心視場清晰對焦, 邊緣視場就會出現(xiàn)不同程度的離焦, 嚴重影響微透鏡的成像質(zhì)量, 降低圖像的清晰度[12]。這兩方面的原因使這種結(jié)構(gòu)的曲面仿生復(fù)眼很難進一步擴大視場角。

針對上述問題, 筆者提出一種多層曲面仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu), 通過多層透鏡組合擴大子眼的視場角, 利用7個子眼通道即可實現(xiàn)180°范圍的成像, 有效降低了曲面基底上微透鏡的個數(shù)。每個子眼通道包含4層微透鏡以及一個圖像探測器, 各子眼通道獨立地對其視場范圍內(nèi)的光線進行成像, 避免了曲面基底邊緣的微透鏡成像質(zhì)量下降的問題。對各個子眼進行優(yōu)化設(shè)計, 使每個子眼通道在其視場范圍內(nèi)獲得較高的成像質(zhì)量。成像實驗表明, 這種結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)眼能實現(xiàn)180°的成像。此外, 通過超精密車削加工技術(shù)制作此微透鏡陣列是可行的, 而且易于單層曲面復(fù)眼透鏡的制作[13]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個仿生復(fù)眼子眼通道的排布方式如圖1所示, 在一球面基底上, 以一個子眼為中心, 其余6個子眼環(huán)繞排布在中心子眼外圈, 這6個子眼的中心點恰好是一正六邊形的6個頂點。外圈6個子眼的光軸與中心子眼光軸的夾角為θ, 不同的子眼以一個固定的視場角2ω對物方空間成像(見圖1a)。由于子眼數(shù)目較少, 要想實現(xiàn)180°的成像, 每個子眼承擔(dān)的視場角很大, 根據(jù)幾何關(guān)系可以得到, 當外圈子眼和中心子眼的夾角θ與子眼的半視場角ω滿足關(guān)系式

(1)

整個復(fù)眼的最大視場角才能達到180°。

a 子眼參數(shù) b 成像盲區(qū)示意圖

圖2 ω與θ的關(guān)系曲線

如圖1b所示的各子眼通道視場角在物方的涵蓋區(qū)域可看到, 這種排布方式下各子眼間的成像區(qū)域存在盲區(qū), 即各子眼的視場范圍均無法對這一區(qū)域成像。如圖1b中陰影部分所示, 子眼之間的成像盲區(qū)主要分成兩部分: 1) 中心子眼與外圈的兩個子眼間的成像盲區(qū), 稱之為盲區(qū)S1; 2) 當復(fù)眼的最大視場角達到180°時, 外圈兩子眼間的成像盲區(qū), 稱為盲區(qū)S2。盲區(qū)的存在會造成物方圖像信息的丟失, 因此必須消除盲區(qū)。為此, 必須合理設(shè)置各子眼的位置以及選擇合適的子眼視場角, 使仿生復(fù)眼系統(tǒng)的總視場角能達到180°, 且無成像盲區(qū)。

如圖2所示, 盲區(qū)的大小與各子眼間光軸夾角θ以及子眼的視場角2ω有關(guān), 改變兩數(shù)值的大小可使盲區(qū)變小甚至為零。取仿生復(fù)眼的物距大于200 mm, 根據(jù)計算, 當3個子眼通道之間的成像盲區(qū)為零, 即盲區(qū)S1消失時, 子眼的視場角與子眼間光軸夾角之間的關(guān)系為

(2)

當邊緣6個子眼在180°的視場方向上的盲區(qū)為零時, 即盲區(qū)S2消失時, 可得到子眼半視場角與子眼間光軸夾角之間的關(guān)系為

(3)

根據(jù)式(1)~式(3)給出了子眼半視場角ω以及中心子眼與外圈子眼間夾角θ的MTF(Modulation Transfer Function)關(guān)系曲線(見圖2)。為了使多層曲面復(fù)眼的最大視場角達到180°,ω與θ的值必須取在曲線3的右上方或是曲線3之上, 而為了消除子眼物方視場的盲區(qū),ω與θ的值必須同時滿足曲線1與曲線2。從圖2可看到, 曲線1與曲線2存在一交點, 這一交點恰好在曲線3的右上方, 根據(jù)前面分析可以得到, 此交點即其值使復(fù)眼在整個180°范圍內(nèi)成像而無盲區(qū)的點。由式(2)、式(3)聯(lián)立可求得此交點的值為ω=37.25°,θ=66.8°。所以當多層曲面仿生復(fù)眼的子眼視場角2ω=74.5°, 中心子眼與外圈子眼的光軸夾角為θ=66.8°時, 整個仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)在180°范圍內(nèi)成像不存在盲點。

a 初始結(jié)構(gòu) b 初始結(jié)構(gòu)MTF曲線

2 單通道子眼的設(shè)計

為獲得高的成像質(zhì)量, 必須對單個子眼進行優(yōu)化設(shè)計, 根據(jù)前面的分析可知, 每個子眼所承擔(dān)的視場角為2ω=74.5°, 選用CCD(Charge-Coupled Device)圖像傳感器接收圖像, 根據(jù)CCD尺寸及像元大小可得到子眼成像的最大像高為3 mm, 分辨率為60 lp/mm。由物鏡的成像特性可知, 子眼的視場角、 焦距以及像高之間的關(guān)系為

y′=f′tanω

(4)

可得到子眼的焦距為3.95 mm。由于子眼的視場角很大, 用一個單透鏡實現(xiàn)這么大的視場角非常困難, 所以采用多片透鏡組合實現(xiàn)子眼大視場角的成像。根據(jù)各設(shè)計技術(shù)指標, 選擇合理的初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計, 采用圖3a所示的初始結(jié)構(gòu), 為滿足設(shè)計要求, 使用0°、26°、37° 3個視場角進行設(shè)計, 從圖3b的MTF曲線可看出, 該組透鏡的成像質(zhì)量很差, 需要對其進行優(yōu)化設(shè)計。

為使子眼達到使用要求, 結(jié)合CODE V軟件對透鏡的優(yōu)化功能, 對所選的初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計, 最終得到的仿真后的像質(zhì)評價如圖4所示。從圖4a可看到, 各視場的MTF曲線接近衍射極限, 在空間分辨率為60 lp/mm時, MTF均大于0.6, 所得結(jié)構(gòu)的綜合性能較好; 從圖4b可看出, 各視場的點列圖彌散斑均在艾利斑以內(nèi), 成像質(zhì)量滿足使用要求。

a MTF曲線 b 點列圖

3 多層仿生復(fù)眼的光線追跡與實驗分析

圖5 最終的子眼結(jié)構(gòu)

結(jié)合所得的MTF曲線和點列圖可知, 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足復(fù)眼成像的使用要求。得到的最終結(jié)構(gòu)如圖5所示, 整個子眼通道由4片彼此分開的透鏡以及1片圖像探測器組成, 視場角2ω=74.5°, 相對孔徑為1/5, 各組透鏡的面型均為球面或近似球面, 便于加工制造。

a 單層曲面復(fù)眼 b 單層曲面復(fù)眼光線追跡

為對比, 首先建立并模擬一單層曲面復(fù)眼透鏡(見圖6a)。微透鏡的排布方式與多層曲面復(fù)眼子眼通道的排布方式類似。取最中間的一列微透鏡進行光線追跡(見圖6b), 由于兩側(cè)微透鏡陣列關(guān)于主光軸對稱, 所以, 只取主光軸一側(cè)的10個微透鏡進行光線追跡。對每個微透鏡中心視場以及±1.5°視場進行光線追跡??煽吹? 邊緣子眼的光線出現(xiàn)不同程度的離焦, 使微透鏡的成像質(zhì)量嚴重下降, 而且越靠近曲面邊緣的子眼這種情況越嚴重, 使單層曲面復(fù)眼的視場角難以繼續(xù)增大。此單層復(fù)眼的最大視場角僅為60°, 按照圖6a的排布方式需要331個子眼微透鏡。如需繼續(xù)增大視場角,則要繼續(xù)增加子眼的個數(shù), 這對現(xiàn)階段的加工工藝非常困難, 而且邊緣子眼的成像質(zhì)量會進一步變差。

通過前面的設(shè)計分析可知,單個子眼通道在其視場范圍內(nèi)的成像質(zhì)量已經(jīng)達到了使用要求, 下面對所設(shè)計的多層曲面仿生復(fù)眼整體結(jié)構(gòu)進行模型的建立, 如圖7a所示, 外圈透鏡的光軸與中心透鏡的光軸夾角為66.8°, 各層當中相對應(yīng)的微透鏡是同軸的, 通過超精密車削加工的方法在曲面基底的內(nèi)外兩側(cè)加工每個子眼透鏡的面型。像面是7片相同尺寸的CCD按照與透鏡陣列相同的排布方式拼接, 每片CCD只接收對應(yīng)子眼通道的圖像。第1層透鏡陣列后的孔陣列, 一方面作為單個子眼系統(tǒng)的孔徑光闌控制單通道子眼的像差, 另一方面可防止相鄰子眼間光線串擾的產(chǎn)生。

利用LightTools對所設(shè)計的多層曲面復(fù)眼進行光線追跡, 建立一半球型光源覆蓋整個仿生復(fù)眼透鏡, 設(shè)置其內(nèi)表面發(fā)光, 使其在180°范圍內(nèi)各個方向的出射光線均勻分布, 其模擬結(jié)果如圖7b所示。可看到, 各接收器上的光能分布基本一致, 無明顯差異, 皆符合成像系統(tǒng)成像規(guī)律。表1是各探測器上接收到的能量值, 各探測器的能量值相差不大, 說明外圈子眼可接收與中心子眼同樣視場角的光線, 仿生復(fù)眼的光線接收角度可達到180°, 實現(xiàn)180°范圍的成像。

a 多層曲面復(fù)眼 b 各圖像探測器上能量分布

表1 各探測器接收到的能量值

為驗證設(shè)計結(jié)果, 對所設(shè)計的多層曲面仿生復(fù)眼進行成像實驗, 利用圖像采集卡將CCD 接收到的子眼圖像傳輸?shù)接嬎銠C并顯示在顯示器上。將多層曲面復(fù)眼放入500 mm×500 mm的方形暗室, 對其內(nèi)壁進行成像, 多層曲面仿生復(fù)眼的各子眼與物面距離均大于200 mm, 可視為無窮遠成像。圖8為幾個子眼通道的成像圖, 可看到, 子眼通道2與5可以對仿生復(fù)眼兩側(cè)的物體進行成像, 而子眼通道3、4也可對復(fù)眼上方的物體進行成像, 這說明視場角覆蓋整個180°。從成像圖中可看出, 任意兩個子眼之間的成像均有重疊部分, 這種重疊保證各子眼成像拼接時無盲區(qū)存在, 使物方畫面完整。各子眼的像質(zhì)均勻, 無明顯差異。

a 子眼通道3圖像 b 子眼通道1圖像 c 子眼通道4圖像

d 子眼通道2圖像 e 子眼通道5圖像

4 結(jié) 語

筆者提出了一種多層曲面仿生復(fù)眼成像系統(tǒng), 通過增加子眼透鏡的層數(shù)擴大每個子眼所承擔(dān)的視場角, 降低曲面復(fù)眼的復(fù)雜度, 以較少的子眼個數(shù)實現(xiàn)180°的大視場成像。通過計算合理設(shè)置子眼間的光軸夾角以及各子眼的視場角, 消除了子眼間的成像盲區(qū), 保證能獲得一幅完整的180°物空間圖像。對單個子眼通道進行優(yōu)化設(shè)計, 使其在成像視場范圍滿足使用要求。光線追跡表明, 該多層曲復(fù)眼成像系統(tǒng)可實現(xiàn)180°范圍的成像。最后通過成像實驗證明這種結(jié)構(gòu)形式的仿生復(fù)眼系統(tǒng)的視場角能達到180°, 且無盲點。所得結(jié)構(gòu)簡單, 易于加工制造。

參考文獻:

[1]HORRIDGE G A. The Compound Eye of Insect [J]. Scientific American, 1977, 273(1): 108-120.

[2]LAND M F. Compound Eyes: Old and New Optical Mechanisms [J]. Nature, 1980, 287: 681-686.

[3]常淑華, 宋艷秋, 楊永敏. 雙目立體視覺匹配的預(yù)處理技術(shù) [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 理學(xué)版, 2012, 50(1): 96-100.

CHANG Shu-hua, SONG Yan-qiu, YANG Yong-min. Matching Preprocessing Technology of Binocular Stereo Vision [J]. Journal of Jilin University: Science Edition, 2012, 50(1): 96-100.

[4]JEONG K, KIM J, LEE L P. Biologically Inspired Artificial Compound Eyes [J]. Science, 2006, 312(5773): 557-561.

[5]張博, 申鉉京. 一種基于目標定位的背景建模與視覺跟蹤方法 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 理學(xué)版, 2010, 48(4): 618-623.

ZHANG Bo, SHEN Xuan-jing. Bachground Modeling and Visual Tracking Approach Based on Object Locating [J]. Journal of Jilin University: Science Edition, 2010, 48(4): 618-623.

[6]OGATA S, ISHIDA J, SASANO T. Optical Sensor Array in an Artificial Compound Eye [J]. Optical Engineering, 1994, 33(11): 3649-3655.

[7]JEFFREY S S, HALFORD C E. Design and Analysis of Apposition Compound Eye Optical Sensors [J]. Optical Engineering, 1995, 34(11): 222-235.

[8]JUN TANIDA, TOMOYA KUMAGAI, KENJI YAMADA, et al. Thin Observation Module by Bound Optics (TOMBO): Concept and Experimental Verification [J]. Applied Optics, 2001, 40(11): 1806-1813.

[9]DUPARRE J, DANNBERG P, SCHREIBER P, et al. Artificial Apposition Compound Eye Fabricated by Micro-Optics Technology [J]. Applied Optics, 2004, 43(22): 4303-4310.

[10]張紅鑫, 盧振武, 王瑞庭, 等. 曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究 [J]. 光學(xué)精密工程, 2006, 14(3): 346-350.

ZHANG Hong-xin, LU Zhen-wu, WANG Rui-ting, et al. Study on Curved Compound Eye Imaging System [J]. Optics and Precision Engineering, 2006, 14(3): 346-350.

[11]DUPARRE J, RADTKE D. Spherical Artificial Compound Eye Captures Real Images [C]∥SPIE. MOEMS and Miniaturized Systems Ⅵ. USA: SPIE, 2007: 1-9.

[12]邸思, 杜如虛. 單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 [J]. 光電工程, 2010, 37(2): 27-31.

DI Si, DU Ru-xu. Optical Design of Single-Layer Spherical Compound Eye Imaging System [J]. Opto-Electronic Engineering, 2010, 37(2): 27-31.

[13]張效棟, 房豐洲, 程穎. 自由曲面超精密車削加工路徑優(yōu)化設(shè)計 [J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2009, 42(3): 279-282.

ZHANG Xiao-dong, FANG Feng-zhou, CHENG Ying. Optimized Design of Cutting Path for Freeform Surface in Ultra-Precision Turning [J]. Journal of Tianjin University, 2009, 42(3): 279-282.

猜你喜歡
光軸視場盲區(qū)
一種晶圓自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的混合路徑規(guī)劃算法
盲區(qū)50米
一種基于基準視場擴散拼接的全景圖像投影方法
光軸的形態(tài)和應(yīng)用
交叉感應(yīng)環(huán)線通信盲區(qū)分析和應(yīng)對
醫(yī)用內(nèi)窺鏡矩形視場下入瞳視場角的測試方法研究
光軸鍵盤任我選
產(chǎn)能不足、去向不明,危廢監(jiān)管盲區(qū)依然存在
重慶事件與醫(yī)保盲區(qū)
長焦距同軸三反空間相機光學(xué)系統(tǒng)研究