用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

　　0 引言

　　复眼透镜结构作为多孔径光学系统具有单孔径光学系统无法比拟的优势，如：质量轻、体积小、视场大、结构紧凑及对运动物体敏感等。这些特点使得复眼透镜在一些传统光学系统无法胜任的场合具有独特的应用价值。但受到探测器的限制，目前的复眼透镜结构都停留在平面复眼的水平[1-3]，虽然已经能够得到较好的透镜阵列，并进行图像和信息处理等后续工作，但与自然界真实存在的生物的复眼相比， 平面复眼结构无疑牺牲了复眼透镜大视场的优点。虽然通过啁啾透镜阵列的方式能够适当增大视场角，但受到光强的限制，也很难有较大的提高。相比而言，球面复眼结构更加接近于自然界真实的复眼，也更能够体现出复眼的优势，目前国内、国际都有这方面的研究[4-5]，但至今仍无一种较好的实现方案。

　　文中提出了一种新型的球面复眼透镜的结构设计方案， 通过仿真分析了该结构单通道的成像性质及各个通道在空间位置上的关系， 从理论上论证了方案的可行性。

　　1 球面复眼透镜的结构

　　自然界中昆虫的复眼分为并列型复眼、重叠型复眼以及神经性重叠型复眼3 种。其中并列型复眼的各个通道单独成像，彼此之间互不干扰，每个通道只负责一定的视场区域， 所有通道组成一个很大的视场;重叠型复眼则是相邻通道之间的成像可以相互重叠，相对并列型复眼，这种结构增大了接收孔径，提高了灵敏度; 神经性重叠型复眼在光路上与并列型相同，只是将探测器神经元上相互关联的部分连接起来，从而达到重叠型复眼的效果。由于并列型复眼的结构简单，便于制造，根据实际条件，选择以此为研究对象进行方案设计。图1 为所设计的球面复眼结构二维示意图及三维示意图。

　　系统主要由球面基底、液滴透镜、折转透镜和平面探测器几部分组成，为两层曲面结构，外层为球壳，在不同的部位打孔，放置液滴透镜，且能起到视场光阑的作用;内层为折转透镜，对于单个通道而言，由于口径很小，故可看作一棱镜，通过折转主光线，有效的改善了边缘光线的成像质量， 使得系统能够达到较大的视场角。最内层为平面探测器，用于对物成像。每个单独的通道对应于特定的视场， 从而构成并列型复眼透镜结构，若在后续的图像处理中找出相同物体在不同通道的成像关系，则可以模拟出神经性重叠型复眼的效果。

　　球壳的外球面半径为45 mm，液滴透镜的半径为3 mm。折转透镜的外球面半径为32 mm，内球面半径为20 mm， 偏心量为10 mm。子午面上共有11 个通道，相邻通道之间的夹角为9°，每个通道的视场角为12°，整个系统的视场角为90°。为了避免盲区，需要将液滴透镜在球形基底上排列的尽量密集，具体的三维分布将在第四部分说明。为了标记液滴透镜，以球坐标系(R,θ ,φ)为标准，其中R 为半径，θ 为通道光轴与Z 轴的夹角，φ 为通道光轴在x-y 平面上与X 轴的夹角。因基底为球面，故编号中半径可省略，如图1 中0号透镜为(0，0)，1 号透镜为(9，0)，2 号透镜为(18，0)等，另外记Z 轴为基轴。