[發(fā)明專利]多孔徑部分重疊仿生復(fù)眼成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410697553.7
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104375270A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 裘溯;金偉其;石峰;劉志剛;倪宇;郭暉;米鳳文;李力;王霞;林青;張笑顏;劉軍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B6/08
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1.多孔徑部分重疊仿生復(fù)眼成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于：通過如下步驟得到：

步驟一，將光纖面板上端面切割成9個微面；9個微面中，位于中心的頂面為邊長為a的正方形；與頂面四邊共邊的側(cè)面為長方形，寬為a、與頂面夾角為β₁；兩個相鄰側(cè)面中間的微面為角面，角面與頂面夾角為β₂；9個透鏡分別置于9個光纖面板微面之前，在9個微面上成像；

設(shè)計確定透鏡焦距f′、單個透鏡與對應(yīng)微面形成的成像視場角ξ、光纖面板直徑D、切割角度β₁、β₂與仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)性能參數(shù)之間換算關(guān)系，并計算出成像光學(xué)系統(tǒng)的全視場角ω，最小疊加物距L₀，以及物距為L時各個相鄰?fù)哥R視場間的重疊比例A：

切割光纖面板微面時，要使得a值滿足：

a=0.6D1+2cosβ1]]>

頂面視場角：2φ1=arctan(a2f′)]]>

側(cè)面視場角：2φ₂＝2φ₁

角面視場角：2φ3=2arctan(af′1-12cos2β1)]]>

單個透鏡視場角：ξ≥2φ₁

側(cè)面和角面夾角：θ=arccostan2β1+12tanβ12+1×tan2β1+1]]>

成像光學(xué)系統(tǒng)在側(cè)面方向的全視場角：

成像光學(xué)系統(tǒng)在角面方向的全視場角：

ω′=2arctan(a2f′)+2×arctan(af′1-12cos2β1)]]>

根據(jù)以上仿生復(fù)眼成像光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的焦距和視場角之間的關(guān)系，在給定二者之一的情況下，能推出另一個條件；若增加成像透鏡焦距，則系統(tǒng)的全視場角減小；

調(diào)整成像透鏡物距，使得相鄰的多微面光纖面板頂面對應(yīng)的透鏡視場和角面對應(yīng)的透鏡視場、以及側(cè)面對應(yīng)的透鏡視場均產(chǎn)生部分重疊，設(shè)HI是頂面透鏡和一個相鄰角面透鏡或者側(cè)面透鏡的重疊視場，HJ是該相鄰角面透鏡或者側(cè)面透鏡的視場，那么視場的重疊比例為設(shè)L₀是能產(chǎn)生視場重疊的最小物距；

頂面視場與側(cè)面視場重疊的最小物距L₀為：

L0=cotφ1×a×cot(β1-φ1)+a×cosβ1×cot(β1-φ1)+asinβ1cot(β1φ1)-cotφ1-f′]]>

頂面與側(cè)面在距離L(L＞L₀)處的視場重疊比例A_dc為：

Adc=(L-L0)(tanφ1-tan(β1-φ1))2Ltanφ1]]>

頂面在對角線方向的視場角:

2φ1′=2arctan(a2f′)]]>

頂面與角面在距離L處的視場重疊比例A_dj:

Adj=cot(β2-φ3)×2a1-12cos2β1×(cosβ2cotφ1′+sinβ2)+2acotφ′cot(β2-φ3)-cotφ1′-2×a1-12*cos2β1×sinβ2-f′]]>

角面的橫向視場角：φ3′=arctanasin(2arccos1-12cos2θ)2f]]>

側(cè)面視場和角面視場重疊的最小物距L′₀：

L′₀＝cosθ*(z₀-z₁)

其中，z₀、z₁、x_k1、x_k2為中間變量，計算公式為：

z0=xk2(a2+acosθ-x0)=-xk2(-asinθ+a*xk1+a*xk2sinθ2-acosθxk2+acosθxk1xk2-xk1)]]>

xk1=-2f(cosθsin(arctan(cot(θ)))+cos(arctan(cot(θ)))sinθ)acosθ]]>

xk2=fcos(arccos(cos(θ)1+sin2θ))+tanθ(a2cosθ+fsin(arccos(cos(θ)1+sin2θ))2)a2cosθ-fsin(arccos(cos(θ)1+sin2θ))2]]>

z₁＝asinθ

角面與側(cè)面在距離L處的視場重疊比例A_jc:

Ajc=(L-L0′+f)(tanφ1-tan(θ-φ3′))2Ltanφ1;]]>

步驟二，根據(jù)步驟一中確定的多微面光纖面板各微面尺寸和切割角度，選定相應(yīng)焦距的透鏡，再根據(jù)步驟一中公式計算得到包括系統(tǒng)全視場角、各微面視場角、相鄰微面視場的重疊比例、重疊的最小物距在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)，若計算出的系統(tǒng)參數(shù)不能滿足仿生復(fù)眼成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求，則返回步驟一重新選定面板切割尺寸，再計算系統(tǒng)參數(shù)；在系統(tǒng)參數(shù)滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的情況下，選擇角面和側(cè)面傾角較小的多微面光纖面板，系統(tǒng)全視場角、F數(shù)選擇滿足設(shè)計要求情況下的最小數(shù)；若仍然達不到設(shè)計參數(shù)，則適當(dāng)減小系統(tǒng)總視場，重新計算仿生復(fù)眼成像光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)；

步驟三，根據(jù)幾何光學(xué)原理，推導(dǎo)單根光纖通光范圍，再分析透鏡在像面上任意一點所成像的亮度，最終模擬出得到步驟二確定的光纖面板切割角度所對應(yīng)的光纖面板內(nèi)斜端面光纖的通光范圍；

定義Π₀為斜端面光纖的上端面邊緣橢圓長軸所在縱切面；

Π_α為與平面Π₀夾角為α的平面，其中

β₁′為Π_α面內(nèi)斜端面光纖的上端面傾角；

在Π₀平面內(nèi)光線的通光范圍為：αi0∈[0,π2+arcsin[n1n0sin(k-β1)]]]]>

Π₀平面內(nèi)光線的通光范圍公式中的β₁換為β′₁，能得到Π_α平面內(nèi)光線的通光范圍，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出：

β1′=arccoscos2β1_tan2α1+tan2α]]>

綜合Π₀與Π_α的情況得到單根斜端面光纖內(nèi)通光范圍為：

αi∈[0,π2+arcsin[n1n0sin(k-β1′)]]]]>

其中，k等于與中較小者，n₀為空氣折射率，n₁為光纖芯層折射率，n₂為皮層折射率；

步驟四，根據(jù)步驟三中得到的光纖面板切割角度所對應(yīng)的通光范圍，仿真得到經(jīng)斜端面光纖傳導(dǎo)后在CCD/CMOS攝像機光敏面上的亮度分布；

以光纖面板上端面中心為原點建立空間直角坐標(biāo)系，z軸垂直于上端面，透鏡所在平面與光纖面板各微面平行，距離為f′；均勻亮度物體經(jīng)透鏡成像在光纖面板上端各個微面上，再傳遞到光纖面板下端面；通過光纖面板將圖像傳遞到CCD/CMOS攝像機上；

將透鏡均分為n個小單元，以各個小單元中心位置坐標(biāo)代替小單元位置，將單個光纖面板微面均分為m×m個小單元，以各個小單元中心位置坐標(biāo)代替小單元位置；上端面任意一點P上成像的光線經(jīng)光線傳導(dǎo)至下端面上點P′，二者間的亮度比值由過光纖面板微面上方的成像透鏡和P點的n根光線及光纖面板共同決定，對n根光線進行大量取樣，計算每根光線在光纖面板上端面和下端面的亮度比，再對這些亮度比進行平均，模擬出物點成像在P點的亮度與傳遞到P′點的亮度的比值，即為P點處光纖面板對相應(yīng)光束的透過率；對微面上m×m個點分別計算每個樣點的透過率，則進一步模擬出像面上的透過率分布，再綜合照度之比就模擬出均勻亮度物面經(jīng)透鏡和光纖面板后在CCD/CMOS上的通光效率；

步驟五，根據(jù)步驟四中的計算方法模擬步驟一、步驟二中確定的系統(tǒng)參數(shù)在光纖面板各個輸出面上的亮度分布，要求像面上0.7視場處漸暈≥20％，若不滿足則返回步驟一和步驟二減小端面切割角度和F數(shù)，重新仿真計算；若仍不滿足則減小系統(tǒng)全視場，直至系統(tǒng)各個視場均能獲得設(shè)計要求的成像質(zhì)量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)。