复眼位标器的标定与探测

　　1　引　言

　　复眼由于其视场大和灵敏度高等特性日益受到学术界的关注和重视[1-3]。目前,国内外对人工复眼的应用展开了多项研究。复眼在商业上著名的应用为日本Tanita课题组开发的TOMBO复眼[4],它可以对目标物体三维成像,具有小型化、分辨率高等优点。文献[5-7]开发了基于复眼结构的机器人越障视觉系统并应用于军事领域。Stanford大学的Lenovy利用平面阵列复眼对同一区域成像,实现了空间物体的深度采集和三维重构[8-9],他们开发的光场相机与Adelson和Wang的全光相机[10]是类似的。加拿大York U-niversity提出了基于复眼结构的位标探测器原型—“龙眼”,该结构采用光纤束来传递曲面上各个通道的图像,虽然将各通道的图像传导在二维平面上,但尚存在安装困难,成本高等缺点[11-12]。国内中科院长春光机所对多种人工复眼结构进行了研究[13-15],建立与分析了重叠型复眼光学模型,并引入了曲面场镜阵列,使系统的边缘成像质量进一步提高。清华大学结合昆虫复眼运动神经具有的空间侧抑制机制[16],开发出具有很宽速度测量范围的复眼系统,实现了捕捉快速移动物体的功能,具有很高的灵敏度。

　　本文简要介绍了一种新型的复眼模型及相应的制作方法。为了评价复眼模型的探测效果,首先利用Zemax光线追迹观察单通道成像,然后采用基于Levenberg-Marquardt(LM)算法的神经网络[17-18]对复眼模型进行标定,建立各通道精确的物像对应关系。最后在探测仿真中融合多通道的信息,运用最小二乘法计算不同位置的点并与真实值做比较。本文客观地评价了该模型的成像效果和探测精度,为复眼的制作、信号处理等奠定了基础。结合实验室研发的电场作用下变焦非球面液滴微透镜制作系统[19],在未来复眼的探测应用上将有更广阔的提升空间。

　　2　复眼结构介绍

　　复眼位标器(图1(a))的主框架为一个球冠,球冠面上密布了子眼透镜,复眼的整体视场角为90°,相邻子眼通道在视场上存在重叠。在优化了子眼通道的数目和重叠系数之后,一定范围内的单目标物体可以同时被多个子眼通道所捕捉,利用多目视觉来提高位置探测的精度。此外,模型采用了折转透镜来保证同一物体在相邻通道的像互不重叠。实验室已经开发了电场作用下的变焦非球面液滴微透镜制作系统,在此基础上将系统经过适当改造可以用于制作复眼位标器(图1(b))。在该系统上制作复眼位标器可以实时监控每个通道的成像效果,提高分辨率,从而在硬件上提升复眼的探测精度。

　　3　复眼单通道成像特性

　　为了考察复眼的单通道成像特性,利用Zem-ax对每个子眼通道光线追迹(图2)。首先在复眼的子午面内以一定角度为间隔向单通道实施平行光束追迹,获得该通道的成像光斑的几何直径与光束入射角的对应关系(如图3)。当光线沿光轴方向入射时,光斑几何直径很小(0.1~1μm);当入射角的绝对值增大,由于离轴光线而产生的彗差增大,相应的成像光斑的几何直径也会变大。虽然Zemax的光线追迹是针对主光线定位光斑,可以获得精确的光斑位置,但是真实复眼系统的光斑定位精度会受到衍射、像差、图像传感器像元尺寸的影响,所以在未来的系统中应采用亚像元技术来提升光斑的定位精度。