本發(fā)明涉及仿生復(fù)眼的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件。

背景技術(shù)：

成像系統(tǒng)在生物、工業(yè)和通訊等領(lǐng)域有著普遍的應(yīng)用。例如在生物領(lǐng)域，通過數(shù)字圖像的采集和計(jì)算機(jī)的顯示，可用于生物的細(xì)胞、細(xì)菌以及活體組織培養(yǎng)等的觀察和研究，同時也可以觀察其他粉末、細(xì)小顆粒以及透明或者半透明物體等。因此在臨床實(shí)驗(yàn)以及生物學(xué)、組織學(xué)、細(xì)菌學(xué)等研究工作有著重要的用途。工業(yè)領(lǐng)域的成像系統(tǒng)在檢測方面起著重要的作用。當(dāng)人工作業(yè)的環(huán)境相對比較危險，以及人眼視覺的精度或者效率難以滿足實(shí)際要求時，可使用機(jī)器視覺來代替人眼視覺。如在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要大批量生產(chǎn)，此時采用人眼視覺來檢查產(chǎn)品質(zhì)量的效率和精度將會比較低下，采用機(jī)器視覺進(jìn)行檢測可以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)，同時也提升了工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度。

隨著成像系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些特殊應(yīng)用場合，例如隱蔽偵察、導(dǎo)航系統(tǒng)、微型廣角監(jiān)視設(shè)備、內(nèi)視鏡等領(lǐng)域，對成像系統(tǒng)裝置提出更高要求，希望整個系統(tǒng)的隱蔽性高、體積小、質(zhì)量輕、視場大以及靈敏度高。由于整個系統(tǒng)裝置的改進(jìn)依托于單元器件，因此近年來，眾多科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)的光電元件部分，微型化、陣列化、集成化的光學(xué)成像系統(tǒng)成為發(fā)展的重要方向和當(dāng)今高科技發(fā)展的前沿課題。

生物界是個奇妙的世界，許多動物某些器官結(jié)構(gòu)的精巧、功能的完善，令人驚嘆不已。生物復(fù)眼是大自然在億萬年的進(jìn)化過程中形成的特殊視覺器官，由多個子眼以曲面陣列的形式緊密排布形成，是一種理想的高集成、輕量化智能光學(xué)成像系統(tǒng)。其大視場、高靈敏度、微尺寸、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，為解決人類社會生活中的問題提出了重要啟示，如果能構(gòu)造一種新型的仿生復(fù)眼系統(tǒng)，利用光電器件代替昆蟲復(fù)眼中的對應(yīng)結(jié)構(gòu)，將對光學(xué)系統(tǒng)的探測感知能力帶來革命性提高，從而為隱蔽偵察、導(dǎo)航系統(tǒng)、微型廣角監(jiān)視設(shè)備、內(nèi)視鏡等裝置提供新的技術(shù)手段。

仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的核心器件之一為小型化、集成化的仿生復(fù)眼光學(xué)元件。通過在曲面上陣列化、密集排布微透鏡單元，仿造生物復(fù)眼，形成對大視場空間、不同方位內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)信息捕獲的仿生復(fù)眼光學(xué)元件。根據(jù)仿生復(fù)眼光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)特征，利用圖像處理算法，對子眼單元所成子圖像進(jìn)行分析，通過目標(biāo)特征提取、圖像配準(zhǔn)融合、視差分析等理論計(jì)算和圖像處理，實(shí)現(xiàn)仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)探測空間的大視場再現(xiàn)、目標(biāo)定位、三維重建等功能。由于復(fù)眼眾多精巧的優(yōu)勢功能是基于仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)中子眼微透鏡單元的三維空間排布特征以及子眼微透鏡所成的子圖像研究和形成，因此該體積小、子眼數(shù)多、曲面密集排布的仿生復(fù)眼光學(xué)元件的構(gòu)造成型以及子眼微透鏡單元成像質(zhì)量、成像范圍、成像景深等研究極為重要。

針對微型化、輕量化、曲面排布的仿生復(fù)眼光學(xué)元件，2006年，美國伯克利大學(xué)在Science上發(fā)表的一篇文章，提出了一種仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的制備方法，通過將微加工技術(shù)與Sol-gel技術(shù)相結(jié)合，成功的在曲面基底上制作出了仿生的人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)，該復(fù)眼結(jié)構(gòu)包含超過8000個子透鏡。2013年，Nature上報道了國際團(tuán)隊(duì)研制出仿生復(fù)眼照相機(jī)，在曲面結(jié)構(gòu)復(fù)眼的基礎(chǔ)上，采用非平面探測器的思想，由一組彈性微型透鏡陣列和一組可變形的硅基光電感應(yīng)陣列組成復(fù)眼結(jié)構(gòu)，將復(fù)眼的視場角增大到160°，實(shí)現(xiàn)了視角的極大化。但是此類微型化、輕量化的曲面仿生復(fù)眼光學(xué)元件的微透鏡的焦距唯一，限制了光學(xué)成像過程中圖像信息的獲取，只能對單一景深處的目標(biāo)物清晰成像，卻嚴(yán)重丟失不同景深范圍內(nèi)目標(biāo)物的信息，不利于對未知不同距離處目標(biāo)物進(jìn)行探測。例如，應(yīng)用于內(nèi)窺鏡等醫(yī)學(xué)探測器進(jìn)行人體內(nèi)病灶探測的時候，由于病灶通常分布在探測器不同方位以及不同距離處，焦距單一的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)只能對其物距附近的病灶進(jìn)行探測，而在進(jìn)行多個病灶探測時，探測靈敏性和準(zhǔn)確性都受到了極大的限制。

2010年，美國威斯康星大學(xué)Hongrui Jiang帶領(lǐng)的研究小組，在APL雜志上發(fā)表了文章，報導(dǎo)了一種新型的可調(diào)焦液體仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。該小組主要工作集中在材料研究上，通過引進(jìn)新材料，在曲面上研制液體透鏡來代替復(fù)眼結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)透鏡，通過電極來調(diào)節(jié)彈性體內(nèi)液體的溫度，實(shí)現(xiàn)液體透鏡的膨脹和收縮，進(jìn)而調(diào)節(jié)透鏡的曲率半徑，實(shí)現(xiàn)可調(diào)焦、大景深探測功能。這使得仿生復(fù)眼光學(xué)元件的制備又推進(jìn)了一大步。但是該小組研制的是一種熱響應(yīng)型的液體透鏡，通過電極調(diào)節(jié)溫度的升降來控制透鏡的形狀進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微透鏡之間的一致性不高，響應(yīng)速度慢，在捕獲不同景深處目標(biāo)物時，需要動態(tài)調(diào)焦，實(shí)時性差。

鑒于仿生復(fù)眼光學(xué)元件在輕量化、小型化、大視場成像等領(lǐng)域所存在的極大潛力，國內(nèi)外的研究小組紛紛開展了相關(guān)的研究，初步制備出了各種仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。有些仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕，但是微透鏡焦距唯一，嚴(yán)重限制系統(tǒng)對不同景深處的目標(biāo)物信息的獲??；有些通過研究新材料提出了一種熱響應(yīng)型的液體復(fù)眼透鏡，使復(fù)眼透鏡具備了大景深探測的潛力，但是缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微透鏡一致性差。因此，構(gòu)造成型一種結(jié)構(gòu)緊湊、一致性高、可同時實(shí)現(xiàn)大視場以及多景深成像功能的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)成為一種研究趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)焦距為一的不足，提供一種多焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)仿生復(fù)眼的多景深成像功能。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種多焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件，該元件由幾百到幾千個子眼單元組成，子眼單元為微尺度、多級環(huán)帶透鏡結(jié)構(gòu)，各個環(huán)帶的口徑、曲率半徑不同，使子眼單元具有多個焦點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)子眼單元對不同景深處的物體成像。

進(jìn)一步的，所述的幾百到幾千個子眼單元排布在曲面結(jié)構(gòu)上或者排布在平面結(jié)構(gòu)上。

進(jìn)一步的，所述的幾百到幾千個子眼單元口徑是四邊形、六邊形或圓形。

進(jìn)一步的，所述的幾百到幾千個子眼單元是按照四邊形排布或者六邊形排布。

進(jìn)一步的，所述的多級環(huán)帶透鏡結(jié)構(gòu)的各級環(huán)帶口徑尺寸根據(jù)成像需求設(shè)計(jì)，各不相同。

進(jìn)一步的，所述的多級環(huán)帶透鏡結(jié)構(gòu)的各級環(huán)帶的曲率半徑大小決定了子眼單元的各級環(huán)帶的焦距，可以根據(jù)所需要的不同焦深設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的有益效果在于：開發(fā)一種多焦點(diǎn)仿生復(fù)眼元件的方法，該元件小巧、靈活，可對不同景深處的目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)信息的捕獲。該元件通過與后續(xù)的探測結(jié)構(gòu)以及電路裝置等互聯(lián)之后，可以進(jìn)一步成型光、機(jī)、電一體化的復(fù)眼成像系統(tǒng)，為大視場成像、高精度定位提供新的技術(shù)手段。

附圖說明

圖1為實(shí)施例中雙焦點(diǎn)仿生復(fù)眼元件子眼單元結(jié)構(gòu)制備示意圖；

圖2為實(shí)施例中雙焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件曲面排布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例中雙焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件平面排布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例中仿生復(fù)眼元件子眼單元為方形口徑四邊形排布示意圖；

圖5為實(shí)施例中仿生復(fù)眼元件子眼單元為六邊形口徑六邊形排布示意圖；

圖6為實(shí)施例中仿生復(fù)眼元件子眼單元為圓形口徑四邊形排布示意圖；

圖7為實(shí)施例中仿生復(fù)眼元件子眼單元為圓形口徑六邊形排布示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為內(nèi)環(huán)的曲率半徑，2為內(nèi)環(huán)的口徑，3為外環(huán)的曲率半徑，4為外環(huán)的口徑，5為子眼單元排布的曲面，6為子眼單元排布的平面，7為方形口徑子眼單元四邊形排布，8為六邊形口徑子眼單元六邊形排布，9為圓形口徑子眼單元四邊形排布，10為圓形口徑子眼單元六邊形排布。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。

具體實(shí)施例中一種多焦點(diǎn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件以雙焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)為例，其子眼單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將子眼單元設(shè)計(jì)分為兩級環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)環(huán)的曲率半徑1為62.5mm，內(nèi)環(huán)的口徑2為500μm，外環(huán)的曲率半徑3為90mm，外環(huán)的口徑4為1mm，選擇材料為石英，針對可見光中心波長550nm，折射率為1.46，那么該子眼單元的焦距分別為13.6cm和19.6cm。

進(jìn)一步的，將設(shè)計(jì)的子眼單元排布在曲面5上，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)仿生復(fù)眼光學(xué)元件大視場多焦點(diǎn)的成像功能。另外可以將設(shè)計(jì)的子眼單元排布在平面6上，如圖3所示。若是平面結(jié)構(gòu)尺寸為5cm×5cm，則需要2500個子眼單元可在該平面結(jié)構(gòu)上形成密排。

進(jìn)一步的，子眼單元可以是任何形狀，可以是四邊形、六邊形、圓形等，其排布方式可以是四邊形排布、六邊形排布等，仿生復(fù)眼元件子眼單元為方形口徑四邊形排布，如圖4所示；仿生復(fù)眼元件子眼單元為六邊形口徑六邊形排布，如圖5所示；仿生復(fù)眼元件子眼單元為圓形口徑四邊形排布如圖6所示；仿生復(fù)眼元件子眼單元為圓形口徑六邊形排布如圖7所示。

以上所述，僅為本發(fā)明的一種實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的實(shí)施范圍，其他如：不同的子眼單元口徑形狀及大小、不同的排布方式，不同的曲面分布，亦皆在本案的范疇之中。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。