微米级曲面仿生人工复眼结构设计及加工技术的研究
发布时间：2021-08-31 09:17
在机器人、医疗设备、航空航天、制导武器、光电子等高科技领域的迅速发展下,由于单眼镜头已无法满足多模式拍摄、全息拍摄、快速追踪拍摄等多种场合应用需求,多镜头集成光学元件的应用逐渐成为视觉系统的发展趋势。仿生复眼具有灵敏度高、结构紧凑、分辨率高等优点,被广泛应用于微型追踪器、微型飞行器、医疗影像等精密视觉领域。但是现有的仿生复眼结构存在着光能透过率低、视场角小、图像缺失或重叠等问题,导致仿生复眼成像质量较低,应用领域受限。为解决上述问题,本文建立了一种高透光率、大视场角、精准成像的曲面仿生复眼模型,并开展了结构分析设计、边缘像质优化、微米级一体化加工以及光学性能测试等研究工作。首先,本文通过昆虫复眼中各组成元件的仿生分析,提出一种由微透镜阵列层和针孔阵列层耦合的曲面仿生复眼结构,该仿生复眼的理论视场角可达107.48°×97.97°。本文对所设计复眼结构进行了光线追踪、光能透过率分析以及模拟成像检测,结果表明:该复眼结构与单层曲面复眼结构相比,相邻子眼通道间的光学信息串扰的现象明显减少;与平面仿生复眼相比,光能透过率更高;该仿生复眼结构具有较高的分辨率,但边缘处的子眼成像质量较差,这是目前...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复眼和拍照效果[24]
刍竦玫耐枷瘢?淝逦?然姑?有得到有效处理，研究工作仍需继续。为了耦合曲面复眼与平面光电传感器，LukeP.Lee团队于2003年，采用软光刻的方法制作出微流体运输模板，在其内部采用注塑成型的方法，获得焦距可调的微透镜阵列。2004年，该团队在此基础上，将焦距可调的光学原理应用在了复眼的仿生设计中，并成功的加工出了焦距可调的双凸微透镜阵列和新月型的微透镜阵列，使球面微透镜阵列中出现的像差问题得以解决。2005年，为了对自然界中的复眼直接表征，该团队制造出了由微透镜、隔离物和波导组成的人造子眼成像单元，如下图1.2所示，光学特性测试结果表明，该子眼具有±0.75°接收角的单峰角灵敏度[27-28]。2006年，他们提出了由折射聚合物微透镜，导光聚合物锥体和自对准波导组成的子眼成像通道，每一个子眼的光轴都根据与中心光轴的空间角度，指向特定的方向，构成的曲面仿生复眼系统，可以获得类似于天然复眼的宽视野[29]。该团队将成焦距可调的子眼透镜替代传统的均一化子眼，随后在子眼通道结构中不断的补充准直波导元件来改进仿生复眼结构，获得了具有±0.75°接收角单峰角灵敏度的子眼结构，已经达到对昆虫复眼仿生的效果，但是他们应用气压差法来控制曲面基底的曲率半径，那么制备出的复眼结构，其曲面基底的曲率半径尺寸精度还需要进一步提高。图1.2人造复眼的照片[28]
第1章绪论5为了研究并列型和重叠型仿生复眼的成像机理，2006年，长春光机所张红鑫老师的团队关于重叠型仿生复眼和并列型仿生复眼，在成像原理方面的相同点和不同点作出了相应的研究工作，并提出在复眼结构的仿生中引入曲面场镜阵列，设计了单层曲面仿生复眼成像系统和三层曲面仿生复眼成像系统，如图1.3所示，三层复眼结构的仿生设计进一步提高了单层复眼的边缘像质，视场角也扩大了很多[30]。同年，该团队为了对比重叠型复眼和并列复眼在灵敏度及光能量利用率方面的区别，采用Zemax光学仿真软件，对二者进行了光线追迹分析,证明了重叠复眼的灵敏度和光能量利用率均比并列复眼具有优势[31]。2007年，在前期仿真结果的基础上，分析了在重叠型复眼中，梯度折射率（GRadientINdex，GRIN）介质与光学特性的关系，并对重叠型复眼的光学结构作出仿生设计[32]。2009年该团队继续研究GRIN介质，对重叠型复眼中光线会聚情况及灵敏度的影响，获得了GRIN介质适用于重叠复眼的合理条件[33]。该团队通过对复眼结构的设计以及仿真研究，获得了视场角分别达到60°和88°的单层仿生复眼成像系统和三层仿生复眼成像系统，改进了仿生复眼边缘的成像效果，分析了GRIN介质与复眼光学性能的关系，但是图1.3中的光学复眼模型与真实复眼略有差别，而且相邻子眼之间有缝隙，所以整个视场内的光学信息是否有缺失，还需要有所研究。图1.3张红鑫团队设计的仿生复眼模型：(a)单层微透镜阵列的仿生复眼结构模型；(b)三层微透镜阵列的仿生复眼结构模型[30]；综上所述，目前所设计出的仿生复眼结构与真实的复眼结构还存在很大的差别，如：自然界中的每一个子眼的表面都是不规则的曲面，而目前大多数研究人员设计出的三维模型对这种“不规则”还是不能进行完全
【参考文献】：
期刊论文
[1]正六边形多孔阵列的涡旋光衍射[J]. 李润泉,王智,崔粲,王慧莹,李颖. 光学学报. 2018(10)
[2]单层曲面复眼成像系统的优化设计[J]. 邸思,杜如虚. 光电工程. 2010(02)
[3]渐变折射率介质在重叠复眼光学系统中的应用研究[J]. 李娜娜,安志勇,张红鑫. 光学技术. 2009(04)
[4]重叠复眼光学模型的建立与分析[J]. 张红鑫,卢振武,李凤有,刘华,孙强. 光子学报. 2007(06)
[5]基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析[J]. 张红鑫,卢振武,李凤有,刘华,孙强. 光学技术. 2006(S1)
[6]曲面复眼成像系统的研究[J]. 张红鑫,卢振武,王瑞庭,李凤有,刘华,孙强. 光学精密工程. 2006(03)
博士论文
[1]三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术研究[D]. 靖贤.长春工业大学 2017
[2]一体化仿生光学复眼的制作及其光学性质研究[D]. 李凤.南京航空航天大学 2014
[3]大视场人工复眼成像结构研究与实验[D]. 史立芳.电子科技大学 2014
[4]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[5]双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙设计理论与试验研究[D]. 黄向京.中南大学 2010
硕士论文
[1]飞秒激光双光子聚合成形加工质量的研究[D]. 侯燚红.吉林大学 2016
本文编号：3374639
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复眼和拍照效果[24]
刍竦玫耐枷瘢?淝逦?然姑?有得到有效处理，研究工作仍需继续。为了耦合曲面复眼与平面光电传感器，LukeP.Lee团队于2003年，采用软光刻的方法制作出微流体运输模板，在其内部采用注塑成型的方法，获得焦距可调的微透镜阵列。2004年，该团队在此基础上，将焦距可调的光学原理应用在了复眼的仿生设计中，并成功的加工出了焦距可调的双凸微透镜阵列和新月型的微透镜阵列，使球面微透镜阵列中出现的像差问题得以解决。2005年，为了对自然界中的复眼直接表征，该团队制造出了由微透镜、隔离物和波导组成的人造子眼成像单元，如下图1.2所示，光学特性测试结果表明，该子眼具有±0.75°接收角的单峰角灵敏度[27-28]。2006年，他们提出了由折射聚合物微透镜，导光聚合物锥体和自对准波导组成的子眼成像通道，每一个子眼的光轴都根据与中心光轴的空间角度，指向特定的方向，构成的曲面仿生复眼系统，可以获得类似于天然复眼的宽视野[29]。该团队将成焦距可调的子眼透镜替代传统的均一化子眼，随后在子眼通道结构中不断的补充准直波导元件来改进仿生复眼结构，获得了具有±0.75°接收角单峰角灵敏度的子眼结构，已经达到对昆虫复眼仿生的效果，但是他们应用气压差法来控制曲面基底的曲率半径，那么制备出的复眼结构，其曲面基底的曲率半径尺寸精度还需要进一步提高。图1.2人造复眼的照片[28]
第1章绪论5为了研究并列型和重叠型仿生复眼的成像机理，2006年，长春光机所张红鑫老师的团队关于重叠型仿生复眼和并列型仿生复眼，在成像原理方面的相同点和不同点作出了相应的研究工作，并提出在复眼结构的仿生中引入曲面场镜阵列，设计了单层曲面仿生复眼成像系统和三层曲面仿生复眼成像系统，如图1.3所示，三层复眼结构的仿生设计进一步提高了单层复眼的边缘像质，视场角也扩大了很多[30]。同年，该团队为了对比重叠型复眼和并列复眼在灵敏度及光能量利用率方面的区别，采用Zemax光学仿真软件，对二者进行了光线追迹分析,证明了重叠复眼的灵敏度和光能量利用率均比并列复眼具有优势[31]。2007年，在前期仿真结果的基础上，分析了在重叠型复眼中，梯度折射率（GRadientINdex，GRIN）介质与光学特性的关系，并对重叠型复眼的光学结构作出仿生设计[32]。2009年该团队继续研究GRIN介质，对重叠型复眼中光线会聚情况及灵敏度的影响，获得了GRIN介质适用于重叠复眼的合理条件[33]。该团队通过对复眼结构的设计以及仿真研究，获得了视场角分别达到60°和88°的单层仿生复眼成像系统和三层仿生复眼成像系统，改进了仿生复眼边缘的成像效果，分析了GRIN介质与复眼光学性能的关系，但是图1.3中的光学复眼模型与真实复眼略有差别，而且相邻子眼之间有缝隙，所以整个视场内的光学信息是否有缺失，还需要有所研究。图1.3张红鑫团队设计的仿生复眼模型：(a)单层微透镜阵列的仿生复眼结构模型；(b)三层微透镜阵列的仿生复眼结构模型[30]；综上所述，目前所设计出的仿生复眼结构与真实的复眼结构还存在很大的差别，如：自然界中的每一个子眼的表面都是不规则的曲面，而目前大多数研究人员设计出的三维模型对这种“不规则”还是不能进行完全
【参考文献】：
期刊论文
[1]正六边形多孔阵列的涡旋光衍射[J]. 李润泉,王智,崔粲,王慧莹,李颖. 光学学报. 2018(10)
[2]单层曲面复眼成像系统的优化设计[J]. 邸思,杜如虚. 光电工程. 2010(02)
[3]渐变折射率介质在重叠复眼光学系统中的应用研究[J]. 李娜娜,安志勇,张红鑫. 光学技术. 2009(04)
[4]重叠复眼光学模型的建立与分析[J]. 张红鑫,卢振武,李凤有,刘华,孙强. 光子学报. 2007(06)
[5]基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析[J]. 张红鑫,卢振武,李凤有,刘华,孙强. 光学技术. 2006(S1)
[6]曲面复眼成像系统的研究[J]. 张红鑫,卢振武,王瑞庭,李凤有,刘华,孙强. 光学精密工程. 2006(03)
博士论文
[1]三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术研究[D]. 靖贤.长春工业大学 2017
[2]一体化仿生光学复眼的制作及其光学性质研究[D]. 李凤.南京航空航天大学 2014
[3]大视场人工复眼成像结构研究与实验[D]. 史立芳.电子科技大学 2014
[4]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[5]双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙设计理论与试验研究[D]. 黄向京.中南大学 2010
硕士论文
[1]飞秒激光双光子聚合成形加工质量的研究[D]. 侯燚红.吉林大学 2016
本文编号：3374639
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