曲面仿生复眼结构的制备以及测试研究

发布时间：2020-05-16 02:56

【摘要】：近年来光学成像技术在军事领域、农业生产、科学研究、工业生产、太空探索以及人们日常生活等各个领域得到了广泛应用。然而,传统的单孔径成像技术存在视场小、视场边缘图像信息容易缺失等缺点,为了克服这些缺点,人们受到昆虫复眼结构的启发,提出了曲面仿生复眼成像系统。该系统具有结构紧凑、大视场、动态灵敏度高等优点。然而传统的曲面仿生复眼成像系统存在视场角度受限、边缘成像清晰度低等一系列问题,无法真正体现复眼成像系统的优势,并且其制作过程较为复杂。为了克服这些问题,本文提出了两种解决方案,可以便捷地实现曲面仿生复眼系统的制备及大视场成像。具体的研究内容如下:1.首先在伸缩变形的弹性体PDMS薄膜基底上,利用热压印的方法,制备了均匀的微透镜阵列。然后通过弹性体的伸缩形变,实现了平面微透镜阵列向曲面微透镜阵列的转换。结果表明利用该方法可以便捷地制备结构均匀、形貌良好的曲面微透镜阵列。光学性能检测的结果表明该曲面微透镜阵列具有很好的成像效果。2.为了解决均一微透镜阵列存在的视场角小、边缘成像清晰度低的问题,设计了一套像面变换系统,利用该系统可以将焦曲面上的像变换成像在焦平面上,便于平面图像采集器采集图像信息。使用ZEMAX软件对该系统进行仿真,结果表明该系统在不同视场下的最大RMS半径为5.58μm,有超过80%的能量集中于6.5μm的圆内,相较于其他像面变换系统,本文所设计的变换系统在RMS半径和能量聚集等方面得到提升。3.提出了渐变焦距微透镜阵列的大视场曲面仿生复眼成像系统,该系统的微透镜阵列以圆心对称分层排列,以按径向外依次排列17个相邻的微透镜阵列,具有817个成像单元。根据相关几何光学原理计算得出各级透镜数据,结合ZEMAX软件仿真的结果表明,该系统可以有效改善边缘成像质量,成像视场可达到128°×128°。
【图文】：

中膜,眼球,眼部,单眼

逐渐进化成了极其复杂的视觉结构，为了满足不同生物的生存需求，复杂的眼部结构进化成为两大类：单眼结构和复眼结构。人眼组织作为单眼结构中最典型的代表（图1-1），具有复杂而又齐备的组织结构和功能，人眼主要是由外膜、中膜和内膜三大部分组成：外膜为眼球纤维膜，厚而坚韧，保护眼球，与眼内容物共同维持眼球形状；中膜为眼球血管膜，内含血管和色素，中膜可以营养眼球和使眼球内部形成屏蔽光线的暗箱，有利于光色感应；内膜为视网膜，用于感光。前两部分分别附于虹膜内面，无神经成分，不感光，称视网膜盲部，视网膜视部附于脉络膜内面，，后连视神经，前达锯状缘，与盲部相接，是神经组织膜，有感光作用。人类的眼睛是通过眼部肌肉的收缩与舒张活动来控制晶状体焦距，然后通过视觉神经网络将视野内的信息传递到大脑

复眼,果蝇

与单眼结构不同，昆虫复眼结构属于多孔径成像系统，通常由小而精密、成百上千甚至更多的子眼组成，根据相关研究，昆虫的每个子眼的直径范围大约在10 μm~140 μm之间,相邻子眼之间的夹角大约在1°~4°之间。图1-2显示的是果蝇复眼，这些尺寸较小的子眼（图1-3）“镶嵌”在一个半球型表面的结构上，每个子眼负责采集目标物的一部分图像，通过子眼的部分像元组合在一起形成一个完整的目标物图像。图1-2 果蝇的复眼图1-3 复眼子眼形状昆虫复眼所具备的高灵敏度特性使得昆虫具有及其敏锐的观察力，例如：当有物体快速闪过时，人眼通常需要花费0.05秒才能辨识出目标物的形状以及大小，而拥有复眼的果蝇仅需花费0.01秒；此外，子眼的曲面阵列分布的特点使得复眼结构具备了远远超过单眼结构的视场范围
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O439;TP391.41

【参考文献】