仿生性眼眼探测技术在成像探测中的应用

仿生性眼眼探测技术在成像探测中的应用

1人工3.2复合成像系统复合器是一种天然的多孔光学系统。昆虫复合器具有体积小、视场角度大、分辨率快、对高速移动物体敏感等优点。许多国内外学者对人工复合器的成像系统表现出极大的兴趣。2复合词的结构、分类和性能2.1抗中小型含对血清学昆虫的其它公司的肺对血流动力性复杂法根据复眼的组成结构和光学特性,自然界中昆虫的复眼可以分为并列型复眼和重叠型复眼两类,而重叠型复眼又可分为折射重叠型复眼、反射重叠型复眼以及神经重叠型复眼3种2.2项目设计动态昆虫复眼的特点如下1)大视场:大多数昆虫复眼比人眼开阔很多,如螳螂复眼的水平视野是240°,垂直视野是360°;蝇复眼的水平和垂直视野均可达到360°。2)高灵敏度:子眼结构中的感杆细胞具有特殊的结构,使得它对偏振光具有很高的灵敏度,生物复眼的高灵敏度使它具有很好的导航功能。3)高时间分辨率:生物复眼的特殊结构使得它的响应时间很短即速度很快,具有很高的时间分辨率,它对目标的动作十分敏感。当有一个目标物体在眼前经过时,人眼睛的响应时间在0.05s左右,但苍蝇的复眼只需要0.01s就可以辨清目标的轮廓及动作。4)定位测距功能:物体的深度信息与多孔径所成单元图像之间相应像点的偏移量之间存在对应关系,利用立体视觉可对目标距离进行判断。基于昆虫复眼的这些特点,人们期望仿生复眼成像系统具有复眼视觉成像的大视场角、小型化、被动测距与定位、多目标探测与快速跟踪能力等优势,而且还期望通过焦平面的物理层编码获得超衍射限的高分辨率图像,提高目标探测的作用距离。虽然人们对于复眼的结构及其工作原理已经比较清楚,也制造出了一些人工复眼,并且在不同的领域中得到应用,但是由于目前在微光学加工工艺、装调水平、后期的数据融合以及信息处理等方面的种种限制,现在的人工复眼结构还比较简单、粗糙,与昆虫复眼的功能相比还有很大的差距。另外,重叠型复眼的结构以及成像原理过于复杂,人工模拟难度太大,而并列型复眼的原理清晰、结构简单,与熟知的单孔径成像原理和结构比较相似,因此,在现有的理论、技术工艺条件下,人工复眼主要的科学研究都集中在并列型复眼上。3生物傅里叶变换的研究结构通过研究,得到以下几种适合用于探测系统的仿生复眼探测结构。3.1独立成像单元根据并列型复眼的工作原理,可以将并列型复眼等效简化为图1所示的成像结构。复眼的每个子眼等效为图1中一个独立的成像单元,该单元包括独立的光学系统和成像传感器,每个成像单元的结构都相同,各个成像单元彼此独立、互不干扰这种结构的复眼,优点是原理简单、易于加工制造、子眼容易设计、成像效果好,缺点是当子眼数量较多时对探测器的需求数量增大,引起装配难度加大、系统复杂、成本高。3.2像面为平面的探测图1所示的复眼结构,当子眼数量较少时系统容易实现,当子眼数量较多时会引起探测器数量增多、信息处理复杂,实现起来困难。由于材料和工艺的限制,目前还不能生产曲面型面阵探测器。为了减少探测器的数量并降低后续信息处理的难度,可以把像面从曲面转换为平面,采用一个高像素的平面阵列探测器进行探测。这种复眼成像探测结构如图3所示,所有子眼将各自所成的图像汇聚到一个平面上,像面为一个平面。由于不同位置的焦距不同,因此,不同位置的子眼光学系统设计上也略有不同,每个子眼透镜由几块单透镜构成透镜组,外透镜为复眼主透镜,内透镜为修正透镜,修正透镜有利于减小色差。由于系统自聚焦于平面,有利于目前常用的平面阵列探测器接收。图3中的修正透镜也可以采用一体化曲面结构形式这种结构的复眼,优点是只需要一个探测器,装配较容易,信号处理较容易,缺点是成像质量较差,将像面从曲面转换到平面的过程中畸变严重。3.3光纤完成像面转换结构为了解决图3的复眼结构中像面从曲面转换到平面的过程中存在的畸变问题,可以采用光纤完成像面的转换这种结构的复眼,优点是只需要一个探测器,采用光纤束传输使图像从曲面到平面的转换过程中损耗和畸变最小,成像质量很好,缺点是光纤束的加工制造难度较大,对光纤束、子眼镜头以及二次成像镜头的安装精度要求较高。4成像的自定义成像检测结构设计根据分析,并考虑技术难度、成像性能等因素,本文选择图1所示的复眼结构作为仿生复眼成像探测结构并进行详细设计。4.1相邻子眼成像通道推进仿生复眼探测系统采用并列型复眼结构,共由37个子眼构成,排列成4圈,复眼探测整体视场150°。所有子眼的光学系统结构完全相同,每个子眼都有独立的探测器。复眼光学系统整体结构如图6所示。37个子眼按照特定的坐标排列在曲面支撑体上,每个子眼成像通道的主光轴指向球心,各子眼成像通道可对不同方向视场内的物体进行成像,处于其视场内的目标物会被相应的子眼成像通道捕获形成子眼图像,如图7所示。每个子眼对应一个探测器,由探测器完成该子眼所成图像的采集。所有探测器所成的像被输入到数据处理模块进行处理,完成图像传输、图像拼接、信号融合等处理,从而达到最终的大视场探测要求。相邻子眼成像通道的视场之间存在重叠区域,以保证相邻子眼成像通道间的无死区覆盖探测。在球面上对子眼进行排布,整体结构示意图如图7所示4.2子眼的通光口径d复眼按六边形方式排列,即每个圆形透镜的中心位于正六边形的顶点,可有效提高系统的填充比。复眼个数为37个,其在球面上所形成视场范围(摊平在平面上)如图8所示,图中最外层的圆形所覆盖的区域则是光学系统的视场范围。根据正六边形的几何特性可知,D=5d。复眼的总视场角为θ,则子眼的视场角d假设复眼支撑壳体的曲率外径为R,为了使子眼在球面上分布彼此间不受干扰,子眼的最大口径所形成的圆将内切于正六边形,子眼内切正六边形的边长为d,则:子眼通光口径d假设探测器像面尺寸为D考虑复眼中单个子眼的曲率以及空间的限制,取复眼支撑壳体的曲率外径为R=90mm,复眼的总视场θ=150°。探测器采用1200×1200元的可见光CMOS图像传感器,像素大小为4.25μm,像面尺寸为5.1mm×5.1mm。通过调节各个面的曲率半径、厚度、面型等参数,利用ZEMAX软件进行优化,得到通光口径d畸变反映了光学系统的失真,子眼光学系统的畸变如图10所示,成像结果最大畸变量为0.7%,远远小于人眼可分辨的畸变量4%,可以满足应用要求。5人工3类复配器的稳定性人工复眼是集生物学、光学、电子学、图像处理、数据融合等多个学科为一体,具有创新性、边缘性、交叉性的前沿研究领域。受限于当前的工程技术水平,目前的人工复眼还只能模拟最简单的并列型复眼结构,并且其性能和昆虫的复眼相比,还存在巨