曲面复眼成像系统的研究

　　1　引　言

　　随着光学成像系统应用领域的扩展,人们对其要求也不断提高,如智能武器的光学传感器、机器人视觉和微型飞行器等期望光学系统的质量更轻、体积更小、视场角更大以及对运动物体更敏感等,显然,目前我们广泛使用的单孔径光学系统已经无法同时满足上述要求。

　　生物界中昆虫复眼的光学结构可以通过多个小眼把视场分隔为若干部分分别成像,然后经过对各个像的接合,形成最后完整的像。这样的系统分辨率比较低,但是它有质量轻、体积小、视场大以及对运动物体敏感等优点。受到昆虫复眼的启发[123],有人陆续提出过一些仿生复眼的光学系统[427],但受制作工艺的限制,有关人工复眼的研究仍然停留在平面系统的水平上,这无疑丧失了复眼的许多优点,例如复眼的大视场特性显然受到了很大的限制。

　　本文研究了两种曲面复眼成像系统:单层曲面复眼成像系统和三层曲面复眼成像系统。在三层曲面复眼成像系统中,首次引入了曲面场镜阵列,使系统的边缘视场成像质量进一步提高,视场角进一步加大。文中给出了这两种曲面复眼成像系统的实例,并用LIGHTTOOLS软件进行建模和光线追迹。两种结构的视场角分别达到60°和88°,整个系统的体积分别为0.9 mm×0.9 mm×0.5 mm和0.9 mm×0.9 mm×0.75 mm。最后还对曲面微透镜阵列的制作工艺进行了初步讨论,提出了用激光直写设备在曲面基底上进行光刻来制作曲面微透镜阵列的方法。

　　2　曲面复眼成像系统的结构及其工作原理

　　曲面复眼成像系统的工作原理是将物空间分为若干个小视场,每个成像通道对应一个小视场,将这个小视场的像成在像面上,在像面上得到由多个小像组合而成的完整物空间的像。该系统的工作原理与生物界中昆虫复眼的工作原理十分相似,昆虫复眼的每一个小眼相当于这里的每一个成像通道,各个通道也像昆虫小眼那样沿球面分布。

　　最简单直观的曲面复眼成像系统由一层曲面分布的微透镜阵列组成,每一个微透镜相当于一个小眼,构成了一个成像通道。

　　图1为单层曲面复眼成像系统示意图。这种结构与昆虫复眼的形态很相似,工作原理也完全一样。由于目前的探测器绝大多数是平面结构,所以对单层曲面复眼成像系统来说,边缘视场的成像质量会大大下降。为了提高边缘视场的成像质量,使整个系统的视场进一步扩大,我们引入一个曲面场镜阵列得到三层曲面复眼成像系统。

　　图2为三层曲面复眼成像系统示意图。它由周期不同的三层曲面分布的微透镜阵列组成,上下相对应的三个小透镜组成了一个成像通道,分别对相应的视场范围进行成像。中间一层微透镜阵列的作用与场镜相似,可以将这里的离轴光线改变方向传播到下面的微透镜阵列上。