曲面仿生复眼成像系统设计及微加工技术研究

论文摘要

随着光学应用范围越来越广泛,人们对光学成像系统的性能要求越来越高。单孔径的成像系统因其视场等特点的局限性,已经无法满足人们对大视场成像、目标精确定位和测量等应用需求。受启于昆虫复眼的小体积、大视场及对快速运动物体敏感等优点,人们开始了对仿生复眼的研究。复眼是由很多个小眼紧密规则排列构成,具备多个小眼同时对目标物体进行成像及很高的神经网络集中处理能力,因而可以实现在大视场成像的前提下对移动物体进行高精度定位和探测的能力。随着人们对仿生复眼的持续关注和探索研究,发现受传统基于平面微加工技术能力的制约,很难实现曲面微透镜阵列及基于曲面微透镜阵列的仿生复眼成像系统加工。针对该问题,本文创新性地提出了一系列解决方法,在实现曲面微透镜阵列加工的基础上,设计和加工出了基于曲面微透镜阵列的仿生曲面复眼成像系统,主要研究工作包括以下几个方面:首先,针对曲面微透镜阵列的加工难题,本文提出了一种新型基于柔性基底的软光刻复制方法,实现了在半球形基底上曲面微透镜阵列的制作。而后对所制作的曲面微透镜阵列进行了光学性能检测及成像实验,为后面的曲面仿生复眼成像系统的设计及应用提供了关键核心器件。其次,提出通过引入中继转像系统,配合制作得到的曲面透镜阵列和图像传感器,搭建了仿生复眼成像原型系统。中继转像系统的主要功能是像面变化,通过设计中继转像系统,将曲面透镜阵列所成的焦曲面像变换到探测器的焦平面上进行接收,同时对光学系统的像差进行了有效的校正。通过对仿生复眼成像系统进行成像效果实验,表明其可获得良好的成像质量。最后,针对胶囊内窥镜的应用需求,重新进行了仿生复眼成像系统的光学设计,实现了100°大视场的清晰成像,以满足胶囊内窥镜成像系统对微小型大视场光学成像系统的需求。本论文阐述的曲面微透镜阵列制作方法和曲面仿生复眼成像系统在包括医疗、军事、航空航天等领域都有很广泛的应用潜力。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 生物复眼的简介

1.2.1 生物复眼的结构及功能

1.2.2 生物复眼的特点

1.2.3 生物复眼的分类

1.3 仿生复眼的国内外发展现状

1.3.1 国外发展现状

1.3.2 国内发展现状

1.4 仿生复眼研究的应用

1.5 论文主要的研究工作及章节安排

1.6 本章小结

第2章曲面复眼微透镜阵列的设计和制作

2.1 微透镜阵列的研究现状及其制作方法

2.1.1 微透镜阵列的研究现状

2.1.2 微透镜阵列的制作方法

2.1.3 微透镜阵列的应用

2.2 微透镜阵列的制备

2.2.1 掩膜板的设计

2.2.2 光刻热熔工艺加工过程

2.2.3 PDMS曲面微透镜阵列的制备

2.3 曲面微透镜阵列的检测

2.4 本章小节

第3章曲面仿生复眼成像系统的设计

3.1 曲面透镜阵列的设计

3.2 中继转像系统的设计

3.2.1 像差理论综述

3.2.2 像质评价方法

3.2.3 像面转像系统的仿真及分析

3.3 本章小结

第4章曲面仿生复眼成像原型系统

4.1 仿生复眼成像系统原型系统搭建

4.2 公差分析

4.3 仿生复眼成像系统的光学性能测试

4.4 微透镜阵列成像效果分析

4.5 本章小结

第5章胶囊内窥镜用仿生复眼成像系统设计

5.1 胶囊内窥镜的简介

5.1.1 胶囊内窥镜研究的意义

5.1.2 胶囊内窥镜的基本结构及工作原理

5.1.3 胶囊内窥镜的研究现状

5.2 仿生复眼成像系统应用于胶囊内窥镜

5.3 胶囊内窥镜光学成像系统的设计及仿真

5.4 本章小结

第6章结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 论文主要创新

6.3 下一步工作及展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王元元

导师: 乔彦峰,鱼卫星

关键词: 复眼,光学设计,微透镜阵列,微加工,中继转像系统

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,仪器仪表工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TH74;O439

DOI: 10.27522/d.cnki.gkcgs.2019.000001

总页数: 118

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