一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置。包括包括CCD相機(jī)以及設(shè)置在CCD相機(jī)上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體。本發(fā)明提供了一種視場(chǎng)大、分辨率高、實(shí)用性高的大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置。
【專利說明】一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種仿生復(fù)眼立體視覺裝置，尤其涉及一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界生物的視覺系統(tǒng)主要有兩類:一類是單眼雙目視覺系統(tǒng)，靠雙目間的視差產(chǎn)生立體視覺，主要存在于人和脊椎動(dòng)物身上；另一類是昆蟲的復(fù)眼視覺系統(tǒng)，具有大視場(chǎng)、高時(shí)間分辨率和對(duì)運(yùn)動(dòng)的高靈敏度。
[0003]相對(duì)而言，單眼雙目視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比復(fù)眼視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是單眼雙目視覺系統(tǒng)也相應(yīng)的存在許多不足，例如:難以同時(shí)獲得大視場(chǎng)和高分辨率，二維平面成像會(huì)丟失物體的立體信息，不能最大限度發(fā)揮光學(xué)系統(tǒng)并行處理的特點(diǎn)，不具備類似生物視覺的目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)、判斷和跟蹤的能力，受衍射極限等因素的影響成像系統(tǒng)體積大等。
[0004]為了解決單孔徑光學(xué)成像系統(tǒng)中存在的技術(shù)缺陷，人們研究了仿生復(fù)眼的多孔徑成像系統(tǒng)，以期達(dá)到如下目標(biāo):(I)協(xié)調(diào)或者解決高分辨率與大視場(chǎng)間的矛盾，建立新型的光學(xué)成像機(jī)制；(2)充分發(fā)揮光學(xué)系統(tǒng)的并行處理特點(diǎn)，并根據(jù)多孔徑視場(chǎng)重疊等特點(diǎn)，利用序列圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)捕獲、檢測(cè)、判斷和定位跟蹤；(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體或場(chǎng)景的高分辨率立體圖像重建。
[0005]近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多孔徑仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)投入了大量的研究工作，技術(shù)成果也在動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)紅外測(cè)距、立體相機(jī)、立體窺鏡等領(lǐng)域初步得到應(yīng)用。上海交通大學(xué)和西安交通大學(xué)用柔性和熱塑性的材料在曲面上制作了微透鏡陣列，但是由于目前的圖像傳感器均為平面，曲面上的微透鏡陣列與平面圖像傳感器耦合有困難。中北大學(xué)分別制作了 PDMS (聚二甲基硅氧烷)材質(zhì)的微凸透鏡模、柵格模和外圍包裹模，并在柵格模的空腔中插入直徑80 μ m的光纖，最后加壓形成曲面的微透鏡陣列，依靠光纖傳輸圖像信號(hào)到圖像傳感器平面上。這種方法實(shí)現(xiàn)了球面透鏡陣列與平面圖像傳感器的耦合，但是光纖直徑較粗，使圖像的分辨率遠(yuǎn)低于圖像傳感器本身的分辨率。美國(guó)的一個(gè)國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)用柔性材料制作了微透鏡陣列，并在半球面上用光電二極管制作了圖像傳感器，在仿生復(fù)眼的研究中取得了跨越式的進(jìn)步，但是這項(xiàng)研究目前還處于研發(fā)階段，技術(shù)并不成熟，難以實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置。有效的解決了目前仿生復(fù)眼視場(chǎng)小、分辨率低、實(shí)用性差等問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0008]一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置，其特殊之處在于:包括C⑶相機(jī)以及設(shè)置在CCD相機(jī)上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體；[0009]上述空心半球殼體與CXD圖像傳感器通過錐形套筒固定連接；
[0010]上述柔性聚合物傳像光纖陣列設(shè)置在錐形套筒內(nèi)部；
[0011]上述空心半球殼體上設(shè)置若干通孔，通孔上設(shè)置有梯度折射率透鏡；
[0012]上述柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖組成；
[0013]上述柔性聚合物傳像光纖一端與梯度折射率透鏡連接，另一端與CXD圖像傳感器相連；
[0014]上述柔性聚合物傳像光纖由若干聚合物光纖組成；
[0015]上述空心半球殼體上的通孔外側(cè)形狀為圓形，內(nèi)側(cè)形狀為正方形；
[0016]上述錐形套筒一端為圓形，另一端為矩形。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1.視場(chǎng)大:由于本發(fā)明中的柔性聚合物傳像光纖的特殊作用，能夠把分布于球面上各個(gè)梯度折射率透鏡所成的圖像傳輸?shù)綀D像傳感器上，位于球面上的梯度折射率透鏡可以覆蓋將近180°，甚至更大的市場(chǎng)角度范圍，充分解決普通平行透鏡陣列視場(chǎng)角小的問題。
[0019]2.分辨率高:本發(fā)明利用聚合物材料制作成柔性傳像光纖，按照設(shè)計(jì)結(jié)果，傳像光纖中的單根光纖直徑達(dá)到5 μ m，所傳輸圖像的理論分辨率高達(dá)1001p/mm，接近目前一般的CCD或CMOS圖像傳感器的分辨率水平，相比現(xiàn)有的仿生復(fù)眼技術(shù)，具有較高的圖像分辨率。
[0020]3.實(shí)用性高:本發(fā)明所設(shè)計(jì)的球面仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)借助聚合物傳像光纖的柔性，實(shí)現(xiàn)了非平行的梯度折射率透鏡陣列所成的圖像到平面圖像傳感器表面的順利傳輸，能夠充分利用現(xiàn)有的CCD和CMOS圖像傳感器，大大減少了仿生復(fù)眼技術(shù)研發(fā)的成本，也有利于推動(dòng)仿生復(fù)眼技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明聚合物光纖拉伸過程示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明空心半球殼體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明錐形套筒結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明大視場(chǎng)曲面復(fù)眼成像鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]其中:1-PS芯棒；2-PMMA管；3_位于拉絲塔上的電熱爐；4_聚合物光纖；5_空心半球殼體；6_錐形套筒；7_梯度折射率透鏡；8_柔性聚合物傳像光纖；9-CCD圖像傳感器；10-CCD 相機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]參見圖1-5，一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置，包括C⑶相機(jī)10以及設(shè)置在CXD相機(jī)10上的CCD圖像傳感器9，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒6和空心半球殼體5 ;空心半球殼體5與CXD圖像傳感器9通過錐形套筒6固定連接；柔性聚合物傳像光纖陣列設(shè)置在錐形套筒6內(nèi)部；空心半球殼體5上設(shè)置若干通孔，通孔上設(shè)置有梯度折射率透鏡7 ;柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖8組成；柔性聚合物傳像光纖8 —端與梯度折射率透鏡7連接，另一端與(XD圖像傳感器9相連；柔性聚合物傳像光纖8由若干聚合物光纖4組成；空心半球殼體5上的通孔外側(cè)形狀為圓形，內(nèi)側(cè)形狀為正方形；錐形套筒6 —端為圓形，另一端為矩形。
[0028]大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置制作方法如下:
[0029](一)集成式高分辨率聚合物傳像光纖的制備:
[0030]步驟1:采用棒-管法制作聚合物光纖:將直徑為16mm (或其它合適尺寸)的PS (polystyrene,聚苯乙烯)棒套入內(nèi)徑為16mm (或?yàn)榕cPS棒外徑匹配的其它尺寸)、外徑為20mm (或?yàn)槟鼙ＷC管壁厚度為PS棒直徑1/8的其它尺寸)的PMMA(Polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)圓管內(nèi)，同時(shí)置入內(nèi)徑為20mm(或?yàn)榕cPMMA管外徑匹配的其它尺寸)的圓形模具，在真空干燥箱內(nèi)抽真空并加熱，真空度為-0.09MPa,溫度為160°C，加熱時(shí)間為3h，然后保持真空度自然冷卻至室溫，取出后成為光纖預(yù)制棒；預(yù)制棒在拉絲塔上加熱拉伸制作光纖，拉絲溫度為190°C，光纖直徑控制在0.5mm,并將光纖切段，長(zhǎng)度為50cm。
[0031]步驟2:在一個(gè)內(nèi)孔邊長(zhǎng)為70mm的精密正方形框上，分別以平行的對(duì)邊為支撐纏繞上絲徑為0.1mm的不銹鋼絲或其它高強(qiáng)度的纖維絲，同一組對(duì)邊上纏繞的纖維絲相互平行并且與相應(yīng)的邊框垂直，相鄰纖維絲的間距為0.6mm。這樣就在正方形邊框內(nèi)形成篩網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)眼為正方形，正方形的大小正好可以穿入一根直徑為0.5mm的光纖。
[0032]步驟3:將篩網(wǎng)擱置在一個(gè)外邊長(zhǎng)為70mm,內(nèi)邊長(zhǎng)為60mm的正方形環(huán)上,把步驟I中制備好的光纖穿入所有位于正方形環(huán)內(nèi)的篩網(wǎng)正方形孔中，穿過長(zhǎng)度約20mm。然后取下正方形環(huán)，用四塊精密鋼板夾緊穿過篩網(wǎng)的光纖并將其塞入孔邊為50mm的聚四氟乙烯正方形管內(nèi)，端部涂上環(huán)氧樹脂膠黏劑，并粘接一段繩索作為牽引，待固化后取下聚四氟乙烯管，把牽引繩和粘接好的光纖端部塞入內(nèi)孔邊長(zhǎng)為50mm的內(nèi)拋光正方形金屬管模具內(nèi)，并通過拉動(dòng)牽引繩使所有光纖通過篩網(wǎng)孔進(jìn)入模具內(nèi)，以保證光纖的整齊排列。之后把光纖和模具一起置入真空干燥箱，抽真空加熱，真空度為-0.09MPa，加熱溫度為160°C，加熱時(shí)間為5h，然后保持真空度自然冷卻至室溫，制備得到傳像光纖預(yù)制棒。用步驟I中所述的類似方法拉伸傳像光纖預(yù)制棒，得到橫截面邊長(zhǎng)為0.5mm的集成式柔性聚合物傳像光纖，單絲直徑為5 μ m，理論分辨率高達(dá)1001p/mm，可彎曲使用。
[0033]步驟4:將上述傳像光纖切段，長(zhǎng)度為50mm，并將其中一端拋光，在后面的步驟中備用。
[0034](二)大視場(chǎng)曲面復(fù)眼成像鏡頭的研制
[0035]步驟1:在一個(gè)內(nèi)徑為15mm、外徑為21mm的金屬空心半球殼體上,加工出中心軸線經(jīng)過球心且等夾角的多個(gè)臺(tái)階孔，其中外側(cè)圓孔直徑為0.8mm,內(nèi)側(cè)正方形孔的橫截面邊長(zhǎng)為0.5mm,孔的深度均為3mm,共127個(gè)孔。
[0036]步驟2:加工一個(gè)一端為圓形，另一端為矩形，高度為12mm的錐形套筒，其中圓形端的外圓直徑為21mm,內(nèi)圓孔直徑為19mm ;矩形端的外側(cè)長(zhǎng)度為9mm,寬度為5mm,內(nèi)孔長(zhǎng)度為8_，寬度為4mm。
[0037]步驟3:在空心半球殼體的臺(tái)階孔內(nèi)，安裝梯度折射率棒透鏡，透鏡的直徑為
0.8mm，長(zhǎng)度為3mm，焦距為1.5mm，遠(yuǎn)處的物體圖像正好位于透鏡端面上。透鏡與殼體之間用快速固化膠密封粘接。[0038]步驟4:將前述的聚合物傳像光纖已拋光的一端安裝到半球殼體的各個(gè)臺(tái)階孔內(nèi)(孔截面邊長(zhǎng)為0.5_)，端面與梯度折射率棒透鏡的表面貼近，然后用快速固化膠把傳像光纖與球面殼體密封粘接牢固。
[0039]步驟5:把傳像光纖的另一端按照矩形排列方式整齊的固定到步驟2加工的錐形套筒內(nèi)，其中套筒的圓形一端與半球殼體對(duì)接。然后在傳像光纖的間隙中灌入環(huán)氧樹脂膠黏劑進(jìn)行密封固定。最后把套筒的矩形端與傳像光纖陣列一起進(jìn)行研磨拋光，得到大視場(chǎng)曲面復(fù)眼成像鏡頭。
[0040](三)曲面復(fù)眼立體攝像裝置的組裝
[0041]選擇圖像傳感器有效長(zhǎng)寬比為2:1，大小為1/2的C⑶或者CMOS攝像機(jī)，去除圖像傳感元表面的保護(hù)玻璃，將前述步驟中制備的曲面復(fù)眼成像透鏡用透明的光敏固化膠粘接到圖像傳感器表面，組成曲面復(fù)眼立體攝像裝置。或者采用耦合鏡頭將曲面復(fù)眼鏡頭所成的圖像耦合進(jìn)入攝像機(jī)的圖像傳感器內(nèi)部。曲面復(fù)眼立體攝像裝置將拍攝的視頻或圖像信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)的圖像處理重構(gòu)出立體圖像。
【權(quán)利要求】
1.一種大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置，其特征在于:包括C⑶相機(jī)以及設(shè)置在C⑶相機(jī)上的CCD圖像傳感器，還包括柔性聚合物傳像光纖陣列、用于固定柔性聚合物傳像光纖陣列的錐形套筒和空心半球殼體； 所述空心半球殼體與CCD圖像傳感器通過錐形套筒固定連接； 所述柔性聚合物傳像光纖陣列設(shè)置在錐形套筒內(nèi)部； 所述空心半球殼體上設(shè)置若干通孔，通孔上設(shè)置有梯度折射率透鏡； 所述柔性聚合物傳像光纖陣列由若干可彎曲的柔性聚合物傳像光纖組成； 所述柔性聚合物傳像光纖一端與梯度折射率透鏡連接，另一端與CCD圖像傳感器相連； 所述柔性聚合物傳像光纖由若干聚合物光纖組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置，其特征在于:所述空心半球殼體上的通孔外側(cè)形狀為圓形，內(nèi)側(cè)形狀為正方形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大視場(chǎng)曲面復(fù)眼立體攝像裝置，其特征在于:所述錐形套筒一端為圓形，另一端為矩形。
【文檔編號(hào)】H04N13/02GK103747231SQ201310719529
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】孔德鵬, 賀正權(quán), 屈恩世, 王麗莉, 李育林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所