【摘 要】人工復(fù)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(diǎn)，在國防尖端裝備和諸多民用領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本文對(duì)人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)其發(fā)展前景及趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】人工復(fù)眼 成像系統(tǒng) 微透鏡陣列

【中圖分類號(hào)】TH74 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）25-0014-02

目前，光學(xué)成像和探測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。與此同時(shí)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展與應(yīng)用市場的細(xì)分，對(duì)光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求，比如在軍事、監(jiān)測(cè)等方面，需要光學(xué)成像系統(tǒng)在滿足大視場角的同時(shí)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(fù)雜性為代價(jià)，難以同時(shí)兼顧。近年來，受昆蟲獨(dú)特復(fù)眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，國內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)開始進(jìn)行了仿昆蟲自然復(fù)眼的人工復(fù)眼研究工作。目前，一些人工復(fù)眼的研究成果已應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、微型飛行器、艦艇搜索與跟蹤系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器、夜視設(shè)備、微型復(fù)眼相機(jī)、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人等國防和民用領(lǐng)域中。本文對(duì)人工復(fù)眼的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并展望了其發(fā)展前景。

一 生物復(fù)眼的基本類型

根據(jù)成像原理的不同，生物復(fù)眼主要分為并列型和重疊型兩種。并列型復(fù)眼如圖1（a）所示，這種復(fù)眼的感光細(xì)胞和小眼具有“一對(duì)一”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即每一感光細(xì)胞所接收的光線只是它對(duì)應(yīng)的一個(gè)小眼在其視場范圍內(nèi)所收集的光線。重疊型復(fù)眼如圖1（b）所示，其特點(diǎn)為：每一感光細(xì)胞可接收由若干個(gè)小眼所折射過來的光線。或者說，每一個(gè)光接收器都可以同時(shí)接收到來自多個(gè)角膜透鏡視場范圍的光線；同時(shí)，每一個(gè)角膜透鏡所收集的不同方向的光線可以傳播到多個(gè)光接收器上。因此，可以將此結(jié)構(gòu)描述為感光細(xì)胞和小眼的“多對(duì)多”的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（a）并列型復(fù)眼 （b）重疊型復(fù)眼

圖1 生物復(fù)眼的成像原理

二 人工復(fù)眼的研究現(xiàn)狀

同傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比，無論是重疊型復(fù)眼或并列型復(fù)眼都具有體積小、重量輕、視場大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而引起了研究者的極大興趣。并列型復(fù)眼由于結(jié)構(gòu)簡單，因而研究較多。重疊型復(fù)眼由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，單個(gè)感光細(xì)胞所接收到的光能量會(huì)受到多個(gè)小眼所收集到的光能量的影響，而且單個(gè)小眼收集的光能又可傳送至多個(gè)感光細(xì)胞，多對(duì)多的成像機(jī)理比較復(fù)雜，對(duì)其嚴(yán)格的理論分析尚不多見。

依據(jù)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前的人工復(fù)眼主要分為兩種類型：平面型和曲面型?；谖⒓庸すに嚨陌l(fā)展水平，最先出現(xiàn)的是平面型人工復(fù)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(fù)眼成像系統(tǒng)，并且曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)較于平面型的優(yōu)勢(shì)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(fù)眼系統(tǒng)。

1.平面型人工復(fù)眼

第一，TOMBO復(fù)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(fù)眼成像原理提出了TOMBO復(fù)眼成像系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：微透鏡陣列、隔離層、感光探測(cè)器陣列，如圖2所示。隔離層的功能是使微透鏡與感光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，即通過每一個(gè)微透鏡的光只能傳播到相對(duì)應(yīng)的一個(gè)光電探測(cè)器上。因?yàn)門OMBO系統(tǒng)的各部分組件完全分離制作，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便組裝、視場大等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 TOMBO系統(tǒng)原理圖 圖3 APCO復(fù)眼的平面模型

第二，APCO復(fù)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(fù)眼成像系統(tǒng)APCO。APCO系統(tǒng)與TOMBO系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上類似，二者都采用了平面結(jié)構(gòu)，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(jié)合起來實(shí)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(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)厚度，但對(duì)制作精度有較高要求。后來，該小組繼續(xù)對(duì)APCO系統(tǒng)進(jìn)行了一些改進(jìn)。

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(fù)眼成像原理的簇眼結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)仍然采用了平面結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)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(hào)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(fù)眼的成像原理簡圖。

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

2006年，我國長春光機(jī)所的張紅鑫等人將曲面場鏡陣列引入曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)，使復(fù)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(shè)計(jì)的單層曲面型和三層曲面型人工復(fù)眼成像系統(tǒng)。

（a）單層曲面 （b）三層曲面

圖5 曲面復(fù)眼模型

2007年，JACQUES小組在研究平面型復(fù)眼的基礎(chǔ)之上，對(duì)基于球面的光學(xué)復(fù)眼進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)。該復(fù)眼由兩個(gè)主要部分構(gòu)成，如圖6所示，上部分由一個(gè)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(jié)束語

當(dāng)前，人工復(fù)眼的一些研究成果已在國防尖端裝備和民用工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。但是，受微光學(xué)加工技術(shù)、裝調(diào)水平和復(fù)眼圖像的融合處理技術(shù)等的限制，現(xiàn)有的人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)還比較簡單粗糙，成像質(zhì)量和分析監(jiān)測(cè)能力尚未達(dá)到令人滿意的地步。但隨著研究者們對(duì)生物復(fù)眼的結(jié)構(gòu)和工作原理認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，以及微細(xì)加工技術(shù)和信息處理技術(shù)的進(jìn)步，人工復(fù)眼的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]鞏憲偉、魚衛(wèi)星、張紅鑫等.仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的研究進(jìn)展[J].中國光學(xué)，2013（1）：34～45

[2]陳明君、劉業(yè)勝、李子昂等.仿生光學(xué)復(fù)眼設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)研究新進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（1）：161～168

[3]邸思、徐洪奎、杜如虛.人造復(fù)眼成像系統(tǒng)研究的新進(jìn)展[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008（4）：93～96

[4]張紅鑫、盧振武、王瑞庭等.曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)精密工程，2006（3）：346～350

[5]鞏憲偉.曲面仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究[D].中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2012

[6]李娜娜.重疊型復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)的研究[D].長春理工大學(xué)，2010

[7]曹豐慧.光學(xué)復(fù)眼設(shè)計(jì)與研究[D].長春理工大學(xué)，2010

〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕

* 樂山師范學(xué)院課題（Z1320，JG13-YB21）