0. 引 言
苍蝇、昆虫等动物的复眼以其广阔的视场,对高速运动的物体有出色的灵敏度以及紧
凑的光学结构而著名。仿生复眼系统模拟生物复眼可以提供紧凑的光学结构,同时具有许
多优点,如视场大、空间分辨率高、对高速运动的物体较灵敏、能够检测偏振信息等
[1-2]
,
在医疗、军事、工业等领域中广泛应用
[3]
,因此受到学者们广泛关注,进行了大量的研
究。例如:张远杰等
[4]
等设计的曲面仿生复眼测速系统,由曲面仿生复眼辅以光学中继系
统,系统视场达到 98°;张家铭
[5]
等设计了的曲面仿生复眼系统;许黄蓉
[6-7]
等设计了 120°
的大视场成像的复眼系统;史成勇
[8-9]
等设计的圆形复眼阵列,通过中继系统拉平像场,系
统视场达到 122.4°;于晓丹
[10-11]
等设计的曲面复眼透镜阵列配合滤光片及光中继转向系
统,该系统视场达到 138°。上述传统曲面仿生复眼配合中继系统的一次像面为弯曲像场,
中继系统承担大视场的弯曲物面转化成平像场的任务,设计难度较大。此外,还有光学结
构是不通过光学中继系统,直接采用不同焦距的复眼成像在平面探测器上。例如:程阳
[12]
等通过在曲面基底上排布多焦距的子眼,实现 105°视场角的复眼系统;邸思
[13]
等提出了一
种非均一曲面复眼透镜结构,在曲面基底不同环形阵列上排布不同焦距子眼透镜,最终成
像在平面 CMOS 上。这种结构的优势是结构简单,但是存在分辨率低、边缘视场容易出现
离焦等问题。
文中为了解决传统曲面复眼中继系统承担大视场平像场任务、设计难度大的问题,提
出了一种大视场复眼平像面拼接光学结构。通过构建子眼个数、系统总视场角以及合理选
取光中继系统相关参数之间的平衡模型,利用子眼的空间排布,使得在实现大视场的同时
复眼子眼的像面中心在同一平面上,拼接后的系统像面对于光学中继系统来说,虽然为非
连续且有一定光程差的平面波前,但是和通常情况下采用高分辨率探测器的中继系统景深
相比可以忽略不计,能有效降低传统曲面复眼系统中继系统需要承担平像场的设计难度,
证明了该拼接方法理论可行,并基于该方法设计了一种复眼成像光学系统,进行了实践验
证,最终实现了小光学代价下的大视场复眼光学系统的高质量成像。
1. 大视场平像面拼接波前分析
上述传统曲面仿生复眼系统、多焦距复眼系统和平像面拼接复眼系统的结构对比如图
1 所示。对比图 1(a)、(c)可以看出相比传统曲面复眼,平像面拼接方法在中继之前将曲面
像变换为相对平面像。