非球面变焦距曲面复眼的优化研究

提出了一种新型的非球面变焦距曲面复眼结构。整个结构将曲面基底分为三个类扇形区域,每一区域微透镜阵列能够对一定物距的目标物成像,使得人造复眼在一定范围内实现焦距调节;根据微透镜所处的区域和位置,计算出微透镜的基本尺寸,并对微透镜进行了非球面优化。对所设计的曲面复眼进行了光线追迹,仿真结果表明成像球差降低到初始值的近百分之一,能够实现焦距调节,并解决了每一个微透镜在边缘处的球差问题,极大的提高了成像效果。

单层曲面复眼成像系统的优化设计

与传统曲面复眼结构不同,提出了在曲面基底上设计非均一微透镜阵列的构想。整个透镜阵列呈环状对称分布,沿径向排列的各级透镜其焦距由所处位置决定,与基底到光探测阵列的距离相吻合。根据几何光学成像原理计算了各级透镜的设计参数并通过光线追迹加以验证。仿真结果表明,这种设计可对全视场在光探测阵列上聚焦,解决了传统曲面复眼边缘视场成像质量急剧下降的问题。同时还论证了采用光刻胶热熔法在曲面基底上制作非均一微透镜阵列的可行性。

变焦距曲面复眼的定位模型研究

由于平面复眼与曲面均一复眼存在视场小、边缘子眼成像质量差等缺陷,因此提出变焦距曲面复眼结构模型,计算该复眼模型的尺寸参数并建立三维模型,利用ZEMAX仿真分析,优化得到最佳各级子眼尺寸参数,消除各级子眼之间的视场盲区,得到较大成像范围及最优的成像效果。采用注射模压工艺制备直径为8.66mm材料为PDMS的变焦距曲面复眼。针对双目视觉的目标识别方法存在定位精度低等问题,提出多目定位算法,通过标定变焦距曲面复眼三维模型中每个子眼位置,利用最小二乘法解算超定性方程组得到目标点的三维坐标。搭建复眼定位测试系统试验台,通过多个子眼透镜捕捉目标点,解算得出目标点的三维坐标,误差在5%以内,证明多目视觉捕捉运动物体更加精确。

曲面仿生复眼透镜微复型过程变形分析

针对大视场曲面仿生复眼透镜的制造难点,采用了一种基于气压辅助聚合物弹性体微复型的制造工艺,以实现大视场曲面微透镜阵列的快速、低成本制造。利用有限元软件(ABAQUS),对气压辅助微复型工艺过程中聚合物弹性体的大变形、曲面成型过程中微透镜的形变问题进行了仿真实验,得到了曲面成型过程中曲面轮廓对成型气压的依赖关系,以及不同纬度微透镜阵列的尺寸变化关系,并进行了相关工艺实验验证。结果表明,在气压辅助曲面成型过程中,成型曲面的轮廓为球面,其球面直径依赖于成型气压;曲面成型过程中,微透镜形变量沿曲面纬度方向基本一致,不同纬度上微透镜直径的增大率为9.45%～10.56%。由于在不同纬度处所制造的曲面复眼透镜的焦平面不同,因此曲面复眼透镜具有比平面微透镜阵列更大的视场。