人工復眼研究進展

【摘 要】人工復眼成像系統(tǒng)具有體積小、重量輕、視場大、靈敏度高等優(yōu)點，在國防尖端裝備和諸多民用領域有著良好的應用前景。本文對人工復眼結構的研究現(xiàn)狀進行了介紹，并對其發(fā)展前景及趨勢進行了展望。

【關鍵詞】人工復眼 成像系統(tǒng) 微透鏡陣列

【中圖分類號】TH74 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）25-0014-02

目前，光學成像和探測系統(tǒng)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。與此同時，隨著應用領域的拓展與應用市場的細分，對光學探測系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求，比如在軍事、監(jiān)測等方面，需要光學成像系統(tǒng)在滿足大視場角的同時尚需小型化甚至微型化。而傳統(tǒng)單孔徑、單光軸成像系統(tǒng)滿足大視場角要求是以犧牲系統(tǒng)體積和復雜性為代價，難以同時兼顧。近年來，受昆蟲獨特復眼結構的啟發(fā)，國內(nèi)外的一些學者已經(jīng)開始進行了仿昆蟲自然復眼的人工復眼研究工作。目前，一些人工復眼的研究成果已應用于雷達系統(tǒng)、微型飛行器、艦艇搜索與跟蹤系統(tǒng)、精確制導武器、夜視設備、微型復眼相機、運動機器人等國防和民用領域中。本文對人工復眼的研究現(xiàn)狀進行了綜述，并展望了其發(fā)展前景。

一 生物復眼的基本類型

根據(jù)成像原理的不同，生物復眼主要分為并列型和重疊型兩種。并列型復眼如圖1（a）所示，這種復眼的感光細胞和小眼具有“一對一”的對應關系，即每一感光細胞所接收的光線只是它對應的一個小眼在其視場范圍內(nèi)所收集的光線。重疊型復眼如圖1（b）所示，其特點為：每一感光細胞可接收由若干個小眼所折射過來的光線?；蛘哒f，每一個光接收器都可以同時接收到來自多個角膜透鏡視場范圍的光線；同時，每一個角膜透鏡所收集的不同方向的光線可以傳播到多個光接收器上。因此，可以將此結構描述為感光細胞和小眼的“多對多”的對應關系。

（a）并列型復眼 （b）重疊型復眼

圖1 生物復眼的成像原理

二 人工復眼的研究現(xiàn)狀

同傳統(tǒng)光學系統(tǒng)相比，無論是重疊型復眼或并列型復眼都具有體積小、重量輕、視場大、靈敏度高等優(yōu)點，因而引起了研究者的極大興趣。并列型復眼由于結構簡單，因而研究較多。重疊型復眼由于結構較為復雜，單個感光細胞所接收到的光能量會受到多個小眼所收集到的光能量的影響，而且單個小眼收集的光能又可傳送至多個感光細胞，多對多的成像機理比較復雜，對其嚴格的理論分析尚不多見。

依據(jù)成像系統(tǒng)的結構特點，目前的人工復眼主要分為兩種類型：平面型和曲面型。基于微加工工藝的發(fā)展水平，最先出現(xiàn)的是平面型人工復眼成像系統(tǒng)。隨著工藝水平的提高，

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研究者們提出了基于曲面的復眼成像系統(tǒng)，并且曲面復眼成像系統(tǒng)較于平面型的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來，諸如大視場、邊緣成像質(zhì)量高等。下面將分別介紹這兩類人工復眼系統(tǒng)。

1.平面型人工復眼

第一，TOMBO復眼系統(tǒng)（Thin Observation Module by Bound Optics，TOMBO）。2001年，日本研究小組基于并列型復眼成像原理提出了TOMBO復眼成像系統(tǒng)。其結構主要由三部分組成：微透鏡陣列、隔離層、感光探測器陣列，如圖2所示。隔離層的功能是使微透鏡與感光探測器實現(xiàn)一一對應，即通過每一個微透鏡的光只能傳播到相對應的一個光電探測器上。因為TOMBO系統(tǒng)的各部分組件完全分離制作，該系統(tǒng)具有結構緊湊、方便組裝、視場大等優(yōu)點。

圖2 TOMBO系統(tǒng)原理圖 圖3 APCO復眼的平面模型

第二，APCO復眼系統(tǒng)（Artificial Apposition Compound Eye Objective，APCO）。2004年，德國研究小組的JACQUES提出并制作了人工并列型復眼成像系統(tǒng)APCO。APCO系統(tǒng)與TOMBO系統(tǒng)在結構上類似，二者都采用了平面結構，并將微透鏡陣列、用于光隔離的金屬孔洞陣列和感光器陣列三者結合起來實現(xiàn)成像功能。但與TOMBO系統(tǒng)不同的是，APCO系統(tǒng)的微透鏡陣列與孔洞陣列被制作在同一塊玻璃基片的兩側(cè)（如圖3所示），而且感光器陣列與它們緊密相連。APCO系統(tǒng)結構緊湊，進一步減小了系統(tǒng)厚度，但對制作精度有較高要求。后來，該小組繼續(xù)對APCO系統(tǒng)進行了一些改進。

圖4 簇眼成像原理

第三，簇眼（Cluster Eye）。2004年，JACQUES小組還提出了基于重疊型復眼成像原理的簇眼結構。該系統(tǒng)仍然采用了平面結構，整個系統(tǒng)由3個不同功能的微透鏡陣列和感光接收陣列組成。透鏡陣列1的功能主要是將信號光束聚焦于中間像面上，透鏡陣列2位于中間像面上，與場鏡的作用一樣，將離軸光線壓縮傳送至下一陣列，透鏡陣列3將中間像面的過渡像投影重組到光接收器陣列。圖4為該重疊復眼的成像原理簡圖。

2.球面人工復眼（Spherical Artificial Compound Eye，SACE）

2006年，我國長春光機所的張紅鑫等人將曲面場鏡陣列引入曲面復眼成像系統(tǒng)，使復眼邊緣視場的成像質(zhì)量得到了提高，且視場角得到了加大。圖5是張紅鑫等人設計的單層曲面型和三層曲面型人工復眼成像系統(tǒng)。

（a）單層曲面 （b）三層曲面

圖5 曲面復眼模型

2007年，JACQUES小組在研究平面型復眼的基礎之上，對基于球面的光學復眼進行了仿生設計。該復眼由兩個主要部分構成，如圖6所示，上部分由一個凹球面透鏡和基于該凹球面的微透鏡陣列組成；下部分由凸透鏡和基于該凸透鏡表面的金屬鍍膜層組成，其中

金屬鍍膜層上具有孔洞陣列，物體發(fā)出的光線通過凹球面上的微透鏡后聚焦在凸面上的孔內(nèi)成像。

三 結束語

當前，人工復眼的一些研究成果已在國防尖端裝備和民用工業(yè)領域內(nèi)得到了應用。但是，受微光學加工技術、裝調(diào)水平和復眼圖像的融合處理技術等的限制，現(xiàn)有的人工復眼結構還比較簡單粗糙，成像質(zhì)量和分析監(jiān)測能力尚未達到令人滿意的地步。但隨著研究者們對生物復眼的結構和工作原理認識的進一步深入，以及微細加工技術和信息處理技術的進步，人工復眼的應用將會越來越廣泛。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕

* 樂山師范學院課題（Z1320，JG13-YB21）