单层曲面复眼成像系统的优化设计

　　0 引 言

　　以昆虫复眼为代表的生物复眼通常具有体积小，视场角大，对高速移动物体敏感等优点[1-2]。这些特性在军事，医疗，工程等领域具有重要的实际应用价值，同时也是包括人眼在内的普通单眼所不具备的。因此，对于生物复眼的仿生研究吸引了众多研究者的目光，已成为光学仿生研究领域的重要课题。目前，已有多个基于微透镜阵列的仿生复眼成像系统被提出[3-7]。但受到制作工艺的限制，这些复眼成像系统大多为平面结构，很大程度上丧失了曲面复眼结构的突出优点——大视场角。最近，德国研究人员提出了曲面复眼的实验系统[8]，实现了与生物复眼相类似的成像功能，但其成像效果还不够理想。

　　对于曲面复眼成像系统的研究，一方面微透镜阵列的制作是一个难点;另一方面，在系统结构设计上也存在一些亟待解决的问题。例如，用于模仿生物复眼成像功能的微透镜阵列需要设计在曲面基底上，而用于图像采集的光探测阵列因受制作技术所限，一般只能采用平面结构。这使得各微透镜与光探测器所在平面的距离(即像距)并不相同。对于通常所采用的均一微透镜阵列而言，各透镜将难以同时在像平面上清晰成像。如果以视场中心清晰对焦，那么位于视场边缘的透镜由于离焦，其成像质量会大幅下降。但在生物复眼中却不存在这一问题。这是由于其担负图像采集功能的感光细胞呈曲面排列，且通过附近肌肉的收缩可对感光细胞的大小和位置进行微调以确保全视场一致的成像效果。对于这种结构上的失配，已有通过采用带有场镜阵列的三层曲面微透镜阵列结构加以解决的设计方案[9]，在成像质量的改进上获得了较为理想的效果。但这无疑增大了整个曲面复眼的厚度，且在实际系统中，三层微透镜阵列的校准也是一个问题。

　　本文提出了在曲面基底上制作非均一微透镜阵列的设计方案。透镜焦长随其所处位置的不同而变化，以确保各透镜在光探测器上均可获得良好的成像质量。光线追迹结果表明，该设计方案明显改善了边缘视场的成像质量。此外，还论证了采用光刻胶热熔法在曲面基底上制作非均一微透镜阵列的可行性。

　　1 单层均一曲面复眼成像系统的结构与成像分析

　　在自然界中，生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，通常整个复眼呈曲面结构。通过这些小眼可以将整个视场分成若干部分，每个小眼对应一定的视场角，只负责观察视场中的一小部分。位于小眼后面的感光细胞将每个小眼观察到的情况采集下来，接合在一起就形成了整个视场的完整像。要想实现类似生物曲面复眼的成像功能，最简捷的办法是采用制作在球面基底上的均一微透镜阵列结构(如图1 所示)。微透镜阵列可将视场进行分割，每个微透镜构成一个成像通道，对应于不同的视场角，其作用相当于一个小眼。整个阵列分别对视场的不同部分成像，所有成像结果可通过位于透镜阵列之后的光探测器进行采集，最后形成完整的目标像。