大视场人工复眼的设计与模拟

论文摘要

随着科学技术的不断发展，微型化是光学系统发展的一个趋势，而传统的单孔径光学系统由于结构复杂，在小型化的过程中困难重重。受生物复眼体积小、重量轻、视场角大等优点的启发，人们开始研究人工复眼满足对光学系统微型化的要求。国内外研究学者对人工复眼进行了大量的研究工作，并取得了一系列成就，但在复眼的制造与小眼的排布方面依然存在很多问题。由于加工工艺的限制，结构合理易加工的复眼设计，对能否成功制造人工复眼至关重要，本文基于10.5mm×10.5mm的CCD，在精确分析复眼小眼视场角之间的关系上，设计出一款大视场、结构紧凑、成像质量高的复眼镜头，并对复眼作了整体建模和模拟实验。主要工作内容如下：1分析了复眼中小眼视场间的盲区与重叠，并精确计算了其大小，发现盲区与重叠的大小只与小眼的视场角和小眼光轴间的夹角有关，对后续复眼设计及图像处理有重大指导的意义。2在CodeV中设计出180度大视场的复眼光学结构，整个结构由7种不同的小眼阵列组成，其中视场中间4种为透射型，边缘3种采用自由曲面反射式的结构，在整个视场范围内，畸变小于30%，MTF值在100lp/mm时大于0.1，整个结构具有较高的像质。3在LightTools中对复眼整体结构建模，并进行成像模拟，发现除了VII号小眼因VI号小眼的杂散光引起了5%的串扰外，其余小眼不受串扰光线的影响,复眼具有良好的成像质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物复眼概述
• 1.3 生物复眼的成像特性
• 1.4 人工复眼的研究现状
• 1.4.1 国外发展现状
• 1.4.2 国内发展现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.6 论文的主要工作与各章的主要内容
• 第二章 复眼系统中盲区与重叠的理论分析
• 2.1 相邻小眼之间的重叠
• 2.2 三个小眼之间的重叠与盲区
• 2.2.1 三个小眼之间的盲区
• 2.2.2 三个小眼之间的重叠
• 2.3 举例说明
• 2.4 本章小结
• 第三章 180度大视场复眼的光学结构设计
• 3.1 中心曲面复眼的设计
• 3.2 复眼边缘小眼的设计
• 3.2.1 自由曲面在光学系统中的应用
• 3.2.1.1 自由曲面的表现形式
• 3.2.1.2 自由曲面的设计方法
• 3.2.2 边缘小眼初始结构的选择
• 3.2.3 视场的取样选择
• 3.2.4 设置边界条件
• 3.2.5 设计结果
• 3.3 小眼阵列形成复眼
• 3.4 本章小结
• 第四章 人工复眼的模拟实验
• 4.1 小眼的建模
• 4.2 小眼在LightTools中的NS（non-sequential）光线模拟
• 4.3 复眼整体模型的建立
• 4.4 光源模拟
• 4.4.1 像面噪声分析
• 4.4.2 模拟实验结果
• 4.4.2.1 边缘反射型小眼模拟结果
• 4.4.2.2 中心透射小眼的模拟结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢