一種全光纖仿生復眼成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種全光纖仿生復眼成像系統，特別涉及一種微結構集成光纖作為整體復跟的成像系統。這種仿生復眼由端面經過微加工的光纖制造仿生角膜、仿生視神經從而使光信號一次聚焦、傳輸，且可直接與光纖探測器連接。與傳統工藝相比，本發明放棄了器件組合對準制作的方法，有效減少了器件對準難度大、光損耗大、不易實用化等缺點，整個系統具有不易損壞、加工方便、高集成度、高傳輸效率、光學特性穩定等優點。
【專利說明】
一種全光纖仿生復眼成像系統
(一)
技術領域
[0001]本發明涉及仿生復眼領域，尤其是一種采用微加工過的全光纖構造的仿生復眼成像系統。
(二)
【背景技術】
[0002]昆蟲及甲殼類節肢動物的復眼由許多結構和功能都相同的小眼組成，雖然小眼分辨率不高，但構成的復眼卻有極高的靈敏度，例如:當一個物體在眼前閃過，人眼需要0.05s才能看清目標的模糊輪廓，而蒼蠅僅需0.0ls就能辨別其形狀、大小。由于復眼是有很多小眼組成的，因而能準確的測算出其他目標的運動速度、距離等，從而實現對目標的跟蹤。仿生復眼視場角大小通常由微透鏡和基底結構決定。受制作工藝的限制，仿生復眼的結構發展可將其歸納為基底平面型(微透鏡平面陣列+光隔離層)、曲面型(微透鏡曲面陣列+光隔離層)、部分光纖型(微透鏡陣列+光纖束)。
[0003]由于利用微光學制造技術加工微透鏡平面陣列可以達到較高的精度，而且制造成本較低，因此前期研究主要以平面型復眼居多。平面型仿生復眼的研究主要以日本的JunTanida小組和德國JACQUES小組為代表。2000年日本Jun Tanida等提出一種基于蜻蜓復眼結構的T0MB0(Thin Observat1n Module by Bound Optics)復眼成像系統。該系統采用平板微透鏡陣列，在微透鏡與探測平板間創造性地引入了中間光隔離層以實現各光通道分離。
[0004]2004年德國的JACQUES等成功研制出了一個平面型并列復眼，所設計的平面模型由透鏡陣列、感光層和小孔陣列組成。整個微透鏡陣列采用平版印刷技術制造，為了確保每個透鏡都有自己的視角，細孔之間的距離大小不一。
[0005]與平面型基底仿生復眼相比，曲面型基底仿生復眼有更大的視角。
[0006]2006年我國張紅鑫等研究了兩種曲面型光學復眼成像系統:單層曲面成像系統和三層曲面成像系統。將曲面場鏡陣列引入曲面復眼成像系統，使其邊緣視場的成像質量進一步提尚，視場角進一步加大。
[0007]目前這些人造仿生復眼在制造過程中，需用聚合體材料在相鄰兩小眼之間構建光線保護透明墻，從而減少像元的重疊，以此獲得較高的分辨率。而光纖作為一種導光纖維具有通信容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾等優點，它就像天然的生物視神經，因此在仿生復眼領域引起了各國學者的重視。
[0008]2007年，英國BAE系統公司提出一種可用機載平臺的多孔徑成像系統。該系統由球面分布的微型透鏡陣列，中繼光學元件(光纖面板F0FP)和CCD傳感器組成微型多孔徑復眼攝像組件。
[0009]2011年我國譚雪春等基于光纖耦合的光信號接收成像技術，設計了一種可應用于凝視激光雷達的新型光學復眼接收系統。該系統由16個透鏡陣列構成，將單根光纖一端用機械裝置固定于單個透鏡的成像焦點，另一端連接在探測器上來實現光纖耦合光路精確對準。
[0010]有關涉及到本發明技術的文獻和報道包括:[l]Tanida J,Kumagai T,Yamada K，et al.Thin observat1n module by bound optics(Τ0Μ-Β0): concept andexperimental verificat1n!! J].Appl Opt，2001，40( 10): 1806-1813.[ 2]Tanida J，Kumagai T,Yamada K,et al.0bservat1n module by bound optics(TOMBO):anoptoelectronic image capturing system[C].SPIE,2000,4089:1030-1036.[3]JACQUESDuparre，PETER Dannberg.Micro-opticalIy fabricated artificial apposit1ncompound eye[J].SPIE,2004,5301:25-33.[4]PAUL Tudela，ANDREAS BrucknerJACQUESDuparre,et al.An image restorat1n approach for artificial compound eyes[J].SPIE，2008，6812，D01:10.1117/12.765328[5]張紅鑫，盧振武，王瑞庭，等.曲面復眼成像系統的研究[J].光學精密工程，2006，14(3):346-349.[6]L C Laycock,V A Handererk,Mult1-aperture imaging device for airborne platforms[C].Electro-Optical andInfrared Systems:Technology and Applicat1ns IV，SPIE，2007，6737:1-11.[7]譚雪春，武志超，梁柱.仿生復眼接收系統設計與實驗[J].光學精密工程，2011，19(5):992-997.
[0011]目前平面型(微透鏡平面陣列+光隔離層)、曲面型(透鏡曲面陣列+光隔離層)、部分光纖型(微透鏡陣列+光纖束)仿生復眼具有一個共同的特點:在小眼仿生時都采用了微透鏡陣列、微透鏡陣列與傳光器件相分離(需對準組合)、整個系統采用特種加工方法加工，從而增加了制造的難度。從目前的研究結果來看，制作的仿生復眼從微透鏡陣列到傳光器件成像時光損耗大，造成成像模糊;而多層曲面組合系統雖然提高了復眼分辨率，但由于仿生復眼尺寸太小，增加了系統組合的難度，不易獲得實用化的復眼系統。如何設計一種易于實用化、提高能量耦合效率、成像清晰的大視場仿生復眼，是推動仿生復眼實際應用的關鍵技術。
(三)
【發明內容】
[0012]本發明的目的在于提供一種高集成度、高耦合光功率的全光纖仿生復眼成像系統。
[0013]為達到上述目的，本發明的技術方案為:
[0014]本發明包括全光纖仿生復眼:所述全光纖仿生復眼是由一根端面經過微加工的特種光纖如多芯光纖或光子晶體光纖構成，也可由多個仿生單眼按照一定形式組合構成，每個仿生單眼由一條端面加工成微透鏡的光纖構成。光纖端面的微透鏡就像仿生復眼的“角膜”，光纖就像仿生復眼的“視神經”，因此外界物體反射光經光纖端面的微透鏡會聚后會在光纖中傳輸，最后由感光元件進行成像，從而構成一個完整的仿生復眼成像系統。
[0015]本發明還可以包括這樣一些特征:
[0016]1、所述的透鏡可以利用光纖研磨技術，也可采用激光微刻或其它加工技術進行制作，如化學刻蝕法、化學沉積法或其他各種先進加工技術，但制作位置為光纖端面。
[0017]2、所述的光纖端面加工制成的透鏡可以是圓形凸起，也可以是六邊形凸起或其它形狀關起。
[0018]3、所述的全光纖仿生復眼指的是微透鏡與傳光通道集成在一根光纖或多根光纖組合構成的傳光器件。
[0019]4、所述的端面經過加工的多芯光纖或其它類似特種光纖可以一根也可以多根構造仿生復眼傳光器件。
[0020]本發明具有如下優點:
[0021](I)用端面經過加工的微結構光纖代替角膜、晶椎使光信號一次聚焦，且可直接與光電探測器連接，可極大地提尚親合光功率，提尚系統的光成像能力。
[0022](2)光纖體積小、重量輕、抗電磁干擾且傳光效率高，就像天然的生物視神經。
[0023](3)較之使用多層分離微透鏡陣列、傳光器件且整個系統采用特種加工方法加工的傳統仿生復眼，該全光纖仿生復眼加工制作僅采用端面微加工技術，制作方法更為簡易。
[0024](4)由于仿生角膜和仿生晶椎集成在一根光纖上，不存在光學對準的問題，因此全光纖仿生復眼具有不易損壞、高集成度、高傳輸效率、光學特性穩定等優點。
(四)
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1中的一種全光纖仿生復眼橫截面圖圖
[0026]圖2為實施例1中的單芯光纖剖視圖
[0027]圖3為實施例1中的單眼剖視圖
[0028]圖4為實施例2中的多芯光纖橫截面圖
[0029]圖5為實施例2中的一根多芯光纖構造全光纖仿生復眼三維透視圖
[0030]圖6為實施例2中的采用CXD成像的仿生復眼系統
(五)
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
[0032]本發明是一種全新的全光纖仿生復眼成像系統，該系統包括全光纖仿生復眼和光電探測器件。全光纖仿生復眼整體上具有多個傳光纖芯的特點且光入射端面經過微加工形成至少一個微透鏡。采用的光纖可以是多根端面具有微透鏡結構的單芯光纖組合構造，也可以是端面經過加工的一根多芯光纖或多根該類光纖構造。圖1中光纖I可以是單芯光纖也可以是多芯光纖，下面通過實施案例對本發明做更詳細的描述:
[0033]實施案例I
[0034]用多根端面具有微透鏡結構的單芯光纖構造全光纖仿生復眼
[0035]如圖2所示，單芯光纖是由纖芯3和包層4構成，兩個端面分別為光入射端5和光出射端6。通過對單芯光纖入射光端面5進行加工，將其加工成透鏡2來實現仿生角膜的作用，而單芯光纖的纖芯3的折射率高于包層4的折射率，利用全反射原理光纖能將數值孔徑內入射的光束縛在纖芯中進行傳輸，就像天然的生物視神經。因此外界物體反射光經光纖端面透鏡2會聚后在光纖纖芯3內傳輸，在光纖的出射端6后接CCD或其它光電探測器可以探測出射光場成像。將多個這樣的仿生單眼按圖1或其它形狀組合在一起就可構成全光纖仿生復目艮。光纖I在本案例中是單芯光纖，也可以是多芯光纖或其它類似結構特種光纖，光纖I為多芯光纖時實施案例如下。
[0036]實施案例2
[0037]多芯光纖結構如圖4所示，多芯光纖由多個折射率高的纖芯3和折射率低的包層4組成，多芯光纖的顯著特點是在同一個包層4內有多個纖芯3。多芯光纖傳光原理與單芯光纖相同，即利用全反射原理將數值孔徑內入射的光束縛在纖芯3中進行傳輸。對多芯光纖光入射端面5進行微加工，將光纖入射光端面5加工成具有與纖芯3數目相對應的微透鏡2構成的陣列，目標物體反射光經光纖光入射端面5上的透鏡2會聚后在多芯光纖纖芯3內傳輸，在多芯光纖的光出射端6用CCD或其它光電探測器探測，可得到其出射光場的像。可以用一根多芯光纖制作全光纖仿生復眼，如圖5所示。也可以由多根多芯光纖按圖1所示組合構成全光纖仿生復眼。
[0038]以一根多芯光纖構造的全光纖仿生復眼為例，圖6示出了全光纖仿生復眼成像系統的結構，目標物體7的反射光經由全光纖仿生復眼光入射端面5的透鏡2會聚后進入多芯光纖纖芯3內傳輸，在多芯光纖出射端6出射，可以用透鏡8將出射光場會聚至CCD探測器9上成像10。本發明成像也可以采用其它方式，如在多芯光纖制作時將各纖芯3從端面5分立引出，分別連接光電探測器或光譜儀進行光譜分析、圖像合成等，在此不一一列舉。
[0039]本發明案例2中使用多芯光纖進行說明，也可以使用其它具有類似結構的特種光纖通過端面微加工呈微透鏡陣列構造全光纖仿生復眼。
[0040]盡管結合優選實施方案具體展示和介紹本發明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所屬權利要求書所限定的本發明的精神和范圍內，在形式和細節上可以對本發明做出各種變化，均為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種全光纖仿生復眼，其特征在于該仿生復眼系統包括全光纖仿生復眼，CXD或光電探測器等光電探測裝置。2.根據權利要求1所述的全光纖仿生復眼，其特征在于至少包括一根端面經過微加工的特種光纖或多根端面經過微加工的光纖組合而成。3.根據權利要求2所述的特種光纖，其特征在于:所述特種光纖是一根光纖內具有多個傳光纖芯或傳光通道的光纖，如多芯光纖或光子晶體光纖等。4.根據權利要求2所述的多根端面經過微加工的光纖，其特征在于:所述光纖可為權利要求3所述的特種光纖，也可為在一根光纖內具有一個纖芯的光纖。5.根據權利要求2所述的全光纖仿生復眼，其特征在于利用微加工技術在光纖端面制作凸透鏡模仿生物角膜，利用光纖纖芯或者傳光通道模仿生物視神經。6.根據權利要求5所述的微加工，其特征在于:在光纖的光入射端面加工凸透鏡的技術，該技術可為任何加工工藝的一種，如:可采用光纖端面研磨技術、也可采用激光微刻技術、化學刻蝕法、化學沉積法或其他各種先進加工技術。7.根據權利要求5和6所述的凸透鏡，其特征在于:通過微加工技術在光纖光入射端上加工出至少一個凸透鏡或多個，且位于光纖光入射端面，與光纖渾然一體。8.根據權利要求1所述的光電探測裝置，其特征在于:位于光纖光出射端之后，能將全光纖仿生復眼出射光信號轉換為電信號，用來模仿生物大腦中的視覺中樞，從而實現對探測物的探測。
【文檔編號】G02B3/00GK105911640SQ201610392903
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】朱曉亮
【申請人】浙江工商大學