基于曲面場鏡陣列的曲面眼病成像系統(tǒng)

基于曲面場鏡陣列的曲面眼病成像系統(tǒng)

1含浮片性質(zhì)的曲面復(fù)合成像系統(tǒng)隨著光學(xué)成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的擴(kuò)大，人們對其要求也有所增加。例如，智能武器的光學(xué)傳感器、機(jī)器人視覺和小型飛機(jī)等期望光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量輕、體積小、視場角大、對運(yùn)動(dòng)物體敏感等。顯然，我國廣泛使用的單孔光學(xué)系統(tǒng)不能滿足上述要求。生物界中昆蟲復(fù)眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過多個(gè)小眼把視場分隔為若干部分分別成像,然后經(jīng)過對各個(gè)像的接合,形成最后完整的像。這樣的系統(tǒng)分辨率比較低,但是它有質(zhì)量輕、體積小、視場大以及對運(yùn)動(dòng)物體敏感等優(yōu)點(diǎn)。受到昆蟲復(fù)眼的啟發(fā),有人陸續(xù)提出過一些仿生復(fù)眼的光學(xué)系統(tǒng),但受制作工藝的限制,有關(guān)人工復(fù)眼的研究仍然停留在平面系統(tǒng)的水平上,這無疑喪失了復(fù)眼的許多優(yōu)點(diǎn),例如復(fù)眼的大視場特性顯然受到了很大的限制。本文研究了兩種曲面復(fù)眼成像系統(tǒng):單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)和三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)。在三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)中,首次引入了曲面場鏡陣列,使系統(tǒng)的邊緣視場成像質(zhì)量進(jìn)一步提高,視場角進(jìn)一步加大。文中給出了這兩種曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的實(shí)例,并用LIGHTTOOLS軟件進(jìn)行建模和光線追跡。兩種結(jié)構(gòu)的視場角分別達(dá)到60°和88°,整個(gè)系統(tǒng)的體積分別為0.9mm×0.9mm×0.5mm和0.9mm×0.9mm×0.75mm。最后還對曲面微透鏡陣列的制作工藝進(jìn)行了初步討論,提出了用激光直寫設(shè)備在曲面基底上進(jìn)行光刻來制作曲面微透鏡陣列的方法。2垂直曲面復(fù)合膜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的工作原理是將物空間分為若干個(gè)小視場,每個(gè)成像通道對應(yīng)一個(gè)小視場,將這個(gè)小視場的像成在像面上,在像面上得到由多個(gè)小像組合而成的完整物空間的像。該系統(tǒng)的工作原理與生物界中昆蟲復(fù)眼的工作原理十分相似,昆蟲復(fù)眼的每一個(gè)小眼相當(dāng)于這里的每一個(gè)成像通道,各個(gè)通道也像昆蟲小眼那樣沿球面分布。最簡單直觀的曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)由一層曲面分布的微透鏡陣列組成,每一個(gè)微透鏡相當(dāng)于一個(gè)小眼,構(gòu)成了一個(gè)成像通道。圖1為單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)示意圖。這種結(jié)構(gòu)與昆蟲復(fù)眼的形態(tài)很相似,工作原理也完全一樣。由于目前的探測器絕大多數(shù)是平面結(jié)構(gòu),所以對單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)來說,邊緣視場的成像質(zhì)量會(huì)大大下降。為了提高邊緣視場的成像質(zhì)量,使整個(gè)系統(tǒng)的視場進(jìn)一步擴(kuò)大,我們引入一個(gè)曲面場鏡陣列得到三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)。圖2為三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)示意圖。它由周期不同的三層曲面分布的微透鏡陣列組成,上下相對應(yīng)的三個(gè)小透鏡組成了一個(gè)成像通道,分別對相應(yīng)的視場范圍進(jìn)行成像。中間一層微透鏡陣列的作用與場鏡相似,可以將這里的離軸光線改變方向傳播到下面的微透鏡陣列上。3系統(tǒng)視場的擴(kuò)在曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)中,各個(gè)成像通道的成像質(zhì)量由相對應(yīng)的微透鏡決定,由于微透鏡的尺寸很小,所以每個(gè)成像通道的數(shù)值孔徑很小,分辨率不高。另外,在實(shí)際制作中,微透鏡陣列是位于玻璃基底之上的,相對于尺寸很小的透鏡來說,玻璃基底的厚度對系統(tǒng)的影響不可忽視。為了進(jìn)一步了解曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的成像情況和曲面場鏡陣列對整個(gè)系統(tǒng)的影響,采用了LIGHTTOOLS軟件對以上兩種不同的結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)實(shí)例模型,并且進(jìn)行光線追跡。圖3是單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)模型,材料為Schott—BK7玻璃。選取了中間一列的6個(gè)透鏡構(gòu)成的6個(gè)成像通道對其所對應(yīng)的主視場進(jìn)行光線追跡,各個(gè)參數(shù)如圖4中所示:圖4中,各個(gè)參數(shù)的取值如下:r0=0.2mm、R0=1.435mm、h0=0.011mm、d0=0.079mm、l0=0.359mm。其中,r0為小透鏡的曲率半徑;R0為基底外側(cè)曲率半徑;h0為小透鏡的矢高;d0為基底厚度;l0為對0度視場成像的小眼下面的基底內(nèi)側(cè)與探測器之間的距離;兩小眼之間的夾角a0=6°。此系統(tǒng)的視場角達(dá)到60°,光線追跡的結(jié)果如圖5所示?？梢?單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是受到平面探測器的限制,系統(tǒng)邊緣視場的成像質(zhì)量大大下降,這樣也阻礙了整個(gè)系統(tǒng)視場的進(jìn)一步擴(kuò)大。為了解決這個(gè)問題,我們引入一個(gè)曲面場鏡陣列,得到三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)。圖6是三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)模型,材料為Schott—BK7玻璃。我們選取每層中間一列的6個(gè)透鏡構(gòu)成的6個(gè)成像通道對其所對應(yīng)的主視場進(jìn)行光線追跡,各個(gè)參數(shù)如圖7中所示:圖7中,各個(gè)參數(shù)的取值如下:r1=0.2mm、r2=0.06mm、r3=0.03mm、R1=1.435mm、R2=0.995mm、R3=0.837mm、h1=0.011mm、h2=0.015mm、h3=0.013mm、d1=0.079mm、d2=0.045mm、d3=0.017mm、l1=0.359mm、l2=0.113mm、l3=0.087mm。其中,r1、r2、r3為三層微透鏡陣列每一層的小透鏡曲率半徑;R1、R2、R3為三層基底每一層的外側(cè)曲率半徑;h1、h2、h3為三層微透鏡陣列中每一層小透鏡的矢高;d1、d2、d3為三層基底每一層的厚度;l1、l2、l3為三層微透鏡陣列與探測器之間的距離;每層微透鏡陣列中相鄰小透鏡的夾角為a1=8.8°、a2=5°、a3=4.3°。此系統(tǒng)的視場達(dá)到88°,光線追跡的結(jié)果如圖8所示?？梢?雖然三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但是其邊緣視場的成像質(zhì)量得到了提高,從而有利于整個(gè)系統(tǒng)視場角的進(jìn)一步擴(kuò)大。以對0°視場成像的小眼為例,在模擬的過程中發(fā)現(xiàn)微透鏡陣列的基底厚度增大時(shí),其焦距變大,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的體積變大;但是曲面微透鏡陣列的制作工藝要求基底厚度不易過小,所以,在設(shè)計(jì)過程中,要權(quán)衡這兩方面的因素,選擇適當(dāng)?shù)幕缀穸取?微透鏡陣列的制作目前,微透鏡陣列的制作工藝還僅僅停留在平面的水平,用于制作平面微透鏡陣列的方法有離子交換法、光敏玻璃熱成形法、光刻膠熱熔法、光電反應(yīng)刻蝕法、聚焦離子束刻蝕與沉積法等。顯然,在所設(shè)計(jì)的曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)中,曲面微透鏡陣列是重要的組成部分。在研制出曲面微透鏡陣列的基礎(chǔ)上,還需要再制作出不同周期、不同曲率、不同F(xiàn)數(shù)的微透鏡陣列來滿足需要。長春光機(jī)所自主研制的四軸激光直寫設(shè)備已經(jīng)開展了曲面衍射光學(xué)元件的研制工作,并取得了顯著成果。該設(shè)備的一個(gè)顯著特點(diǎn)是有可以上下移動(dòng)的Z軸,可以在光刻過程中始終將激光光束聚焦在曲面基底上。利用這一特點(diǎn),可以首先在曲面基底上制做曲面光柵;再以曲面光柵作為掩模板,在涂有光刻膠的曲面基底上進(jìn)行兩次正交的曝光;經(jīng)過顯影后,將得到的圖形熱熔,得到由光刻膠組成的曲面微透鏡陣列;最后用離子束刻蝕設(shè)備進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移,得到最終需要的曲面微透鏡陣列。目前,曲面光柵的制作已經(jīng)完成,其他的工藝實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。圖9為利用激光直寫設(shè)備制作的曲面光柵在顯微鏡下的檢測結(jié)果。5曲面復(fù)合膜成像系統(tǒng)隨著光學(xué)成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,光學(xué)系統(tǒng)的重量更輕、體積更小、視場角更大以及對運(yùn)動(dòng)物體更敏感等要求成為目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文研究了兩種曲面復(fù)眼成像系統(tǒng),并首次將曲面場鏡陣列引入曲面復(fù)眼成像系統(tǒng),使其邊緣視場的成像質(zhì)量進(jìn)一步提高,視場角進(jìn)一步加大。文中用LIGH