基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析

　　1　引　言

　　在当今社会中,光学成像系统的应用领域越来越广,人们对其要求也不断提高。如智能武器、智能机器人的视觉系统和微型飞行器等,期望整个系统的重量轻、体积小、视场大以及对运动目标更加敏感。但是近年来,使系统的机械装置和电子器件进一步小型化、轻量化已经变得越来越困难,因此,许多科学家把目光转向了系统的光学部分,考虑如何将系统的光学组件小型化,从而使整个系统的体积和重量下降。受到动物界昆虫复眼的启发,人们提出了相应的人工复眼光学系统。具体说来,就是将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径光学系统所代替,从而达到使整个系统小型化、轻量化、以及视场增大的目的。

　　20世纪中后期,随着M.F.Land、G.A.Hor-ridge、P.McIntyre等人的不断努力研究[1—8],人们对复眼的认识也从早期的生物学角度转变为从光学的角度进行理解。在已经发现的复眼中,主要有两大类:并列型复眼和重叠型复眼。并列型复眼的工作原理比较简单,每一个小眼都相当于我们熟悉的传统单孔径成像系统,对其进行模拟与分析也容易做到。从20世纪90年代开始,科学家们先后研制出了许多人工复眼光学系统,并将其应用于许多领域[9—14]。与并列复眼相比,重叠复眼有更高的光能量利用率和更高的灵敏度,但是,重叠型复眼结构复杂,许多个小眼收集到的外界光线都会影响某一个光接收器上的光线分布情况,所以对其工作原理的模拟与分析都变的十分困难,这就阻碍了我们从光学的角度去分析和理解重叠复眼的工作原理,也直接影响了人工重叠复眼的设计与发展。到目前为止,还没有从光学的角度利用先进的光学设计软件对其进行模拟与分析的公开报道。

　　本文中,首次利用ZEMAX软件对重叠复眼进行了实例模拟。整个模拟过程从生物解剖学的测算结果出发,通过光线追迹,详细分析了其工作原理,并逐个分析了每一个小眼对探测器上光强分布以及接收到的总能量大小的影响;通过将重叠复眼与并列复眼进行了对比,得到了前者比后者有更高的光能量利用率和灵敏度的结论。通过对重叠复眼的模拟与分析,有利于我们进一步理解重叠复眼的工作原理,从而更好的进行人工重叠复眼系统的研究与设计;也有助于对系统中的数据融合以及信息处理过程进行优化设计。

　　2　重叠型复眼

　　昆虫的复眼是由许多个小眼以曲面阵列的形式组合而成的,由于小眼的尺寸很小,使复眼的分辨率不高,但它却有很高的灵敏度和很大的视场角[3]。生物界中存在许多种不同的复眼结构[7],主要可以分为并列型复眼和重叠型复眼。