专利名称：基于光波的龙虾眼透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种基于光波的龙虾眼透镜，能够实现光波的大视场、无色差、无轴
外球差成像，属于仿生光学技术领域。
背景技术：
龙虾眼透镜由若干微通道管1构成，见图1所示，每个微通道管1都有自己的光 轴，微通道管1呈正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为反射壁2，各微通道管1 轴线为同一球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管1构成的龙虾眼透镜是一个球体， 该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，称为球冠龙虾眼透镜。龙虾眼透镜的成像过程如 下，见图1、图2所示，入射光分三种情况通过龙虾眼透镜，第一种情况是入射光a、b经反射 壁2—次反射，汇集在球面焦面3的十字焦线上，在成像器件4上形成十字像。第二种情况 是入射光c经相邻反射壁2两次反射，汇集在球面焦面3上的十字焦线的中心，在成像器件 4上形成理想的像点。第三种情况是入射光d未经反射直接透射到球面焦面3上，在成像 器件4上形成背景光。并且，龙虾眼透镜成像为实像。 一个龙虾眼透镜有若干光轴，任何位 置的物点与龙虾眼透镜中心0的连线都可以看做是光轴，光线最终都会汇聚到球面焦面3 上，所以龙虾眼透镜只有轴上像差，具体是轴上球差，无轴外球差。由于龙虾眼透镜成像为 反射式，所以无任何色差。完整的龙虾眼透镜是一个球体，所以，能够大视场成像，视场达到 360° 。龙虾眼透镜作为光学成像器件具有单一结构的特征，结构简单、紧凑、重量轻。
现有技术将龙虾眼透镜用于x射线成像，其微通道管的宽纵比很小，呈细长状，以 确保x射线以掠入射的方式接触反射壁，反射壁具有x射线反射膜，实现反射成像。
在现有基于光波的光学成像技术领域也有一些扩大视场、消除像差的方案，例如 广角镜头的视场在60 85。，超广角镜头的视场在95 120° ，鱼眼镜头的视场接近 230° 。然而，这些方案都是多结构光学部件或光学系统，结构复杂、成本高、装校困难、重量 大。虽然视场较大，但是，尽管各种像差不同程度减小，但是，依然不同程度存在。并且，随 视场角的增大其像差增大，原因是透镜只有一根光轴，如果入射光的角度与光轴之间的角 度越大，单色像差和色差就越大。尤其其中的鱼眼镜头结构比较复杂，并且像差极大，图像 还有桶形畸变，因此，鱼眼镜头只是在摄影等领域为了展示某些视觉冲击效果才使用，在通 信、预警等方面几乎无法应用。
发明内容
为了控制龙虾眼透镜的球差，实现龙虾眼透镜的光波成像，实现光波成像的大视 场、高质量，需要确定适合光波的微通道管宽纵比和反射膜，为此，我们发明了本发明之基 于光波的龙虾眼透镜。 本发明是这样实现的，见图3、图4所示，龙虾眼透镜微通道管1的宽纵比m/n符合 下式要求w _ sin夕sin((9 + ci0
"
2 公式中m是反射壁2作用孔径；n是反射壁2等腰梯形的腰长；9是边缘微通道 管1反射边缘入射光e的反射壁2与入射光波光轴的夹角；a是微通道管1四棱台锥角。 同时，反射壁2镀有光波反射膜。 所述方案的技术效果在于，光波成像涉及到几何光学，在龙虾眼透镜成像过程中， 会产生轴上点球差，其中包括垂轴球差，垂轴球差通过在球面焦面3上所呈现的圆形的弥 散斑表现出来。如果所采用的成像器件4为CCD或者CMOS,则要求这个弥散斑小于一个像 素。另外，影响龙虾眼透镜的微通道管1宽纵比的因素还有光波某一入射方向的有效口径 2d和龙!l!下眼透镜焦距f。 龙虾眼透镜成像与其他透镜成像一样，形成一个高亮光锥5，见图5所示，高亮光 锥5的界面近似为一个圆锥面，该圆锥面的顶点位于龙虾眼透镜对应光波某一入射方向的 焦点F上。锥角为90°的高亮光锥5内所包含的能量是入射光波能量中参与成像部分的 95%以上。即使锥角减小到60。，也包含80%以上的能量。所述的弥散斑主要分布在高亮 光锥5内。 球差导致弥散斑的产生，需要通过离焦方能得到清晰的像，实现龙虾眼透镜的正 常成像。离焦量的大小由入射光波的边缘入射光e决定，这个边缘光线e又由有效口径2d 决定，有效口径2d又由离焦面6处的弥散斑决定，弥散斑的大小又是由离焦面6上的像素 大小决定。 边缘入射光e入射到龙虾眼透镜的微通道管1反射壁2上。以入射点A到龙虾眼 透镜中心0的距离r为半径的球面为龙虾眼透镜的作用球面7。作用球面7与微通道管1 相对的两个反射壁2的交点之间的距离称为微通道管1的作用孔径m，也称为微通道管1的 宽。反射壁2等腰梯形的腰长n为微通道管1的长，n被入射点A分为p、q两部分，即n = p+q。半径巧=r+p的球面为龙虾眼透镜的外球面，半径1~2 = r-q的球面为龙虾眼透镜的 内球面。龙虾眼透镜焦距f = r/2。边缘入射光e的反射光e'与高亮光锥5的后一个交 点C到入射光波光轴的距离为弥散斑半径s/2， s为弥散斑直径，产生轴上球差w， s与w的 关系为 S-2w二rx(^——1)。
cos6> 通过离焦消除轴上球差W，离焦量也是W，离焦面6的半径1为
, 广
"W + s。w = 2rsmy， p =-^-^" — r，
sin 6《"一~tt;;~~;，
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula> 入射光波为平行光。当入射光波由反射壁2反射时，见图4所示，反射角e '应当 大于等于45° ，否则光线会向回反射汇聚。反射角e '的余角e 〃则应当小于45。，而余 角e〃等于反射壁2与入射光波光轴的夹角e。因此，e等于45°的微通道管l为球冠
龙虫下眼透镜的边缘微通道管。入射到边缘微通道管的入射光线为边缘入射光e。所述球冠 的球心角为29 。对应的有效孔径为2d。在360°范围内的每一个角度方向上，龙虾眼透镜 都具有2d的有效口径，因此，球形龙虾眼透镜的视场角为360° 。
图1是龙虾眼透镜成像系统示意图。图2是入射光波通过龙虾眼透镜成像情况示 意图。图3是龙虾眼透镜微通道管参数示意图，该图兼作为摘要附图。图4是入射光波边 缘光线经龙虫下眼透镜成像示意图。图5是通过离焦减小龙虫下眼透镜成像球差示意图。
具体实施例方式
本发明具体是这样实现的，见图3、图4所示，龙虾眼透镜微通道管1的宽纵比m/n
符合下式要求
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula> 公式(1)中m是反射壁2作用孔径；n是反射壁2等腰梯形的腰长；9是边缘微 通道管l反射边缘入射光e的反射壁2与入射光波光轴的夹角，0。 < e《45° ;a是微 通道管1四棱台锥角。0 < m/n < 0. 5。在e = 45° 、 a = 0°的极限情况中，m/n = 0. 5， 不能实现光波成像。如果m/n > 0. 5，则会引起相当大的杂散光。 同时，反射壁2镀有光波反射膜，是一种高反射的反射膜系，由多层折射率高低交 替的两种不同材料反射膜构成。对于可见和近红外波段成像，反射膜材料是折射率为2. 3 的氧化钛和折射率为1. 46的氧化硅；对于紫外波段成像，反射膜材料是折射率为2. 0的氧 化铪和折射率为1. 38的氟化镁；对于中远红外波段成像，反射膜材料是折射率为2. 3的硫 化锌和折射率为1. 5的氟化钇。龙虾眼透镜的基体材料为金属、晶体、玻璃、塑料中的一种。 采用哪一种结合反射膜材料而定。
权利要求
一种基于光波的龙虾眼透镜，由若干微通道管(1)构成，每个微通道管(1)都有自己的光轴，微通道管(1)呈正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为反射壁(2)，各微通道管(1)轴线为同一球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管(1)构成的龙虾眼透镜是一个球体，该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，其特征在于，龙虾眼透镜微通道管(1)的宽纵比m/n符合下式要求 <mrow><mfrac> <mi>m</mi> <mi>n</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><mi></mi><mi>θ</mi><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>α</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>α</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mfrac> <mi>α</mi> <mn>2</mn></mfrac> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>公式中m是反射壁(2)作用孔径；n是反射壁(2)等腰梯形的腰长；θ是边缘微通道管(1)反射边缘入射光e的反射壁(2)与入射光波光轴的夹角；α是微通道管(1)四棱台锥角；同时，反射壁(2)镀有光波反射膜。
2. 根据权利要求l所述的龙虾眼透镜，其特征在于，O。 < e《45° ;0<m/n<0. 5。
3. 根据权利要求1所述的龙虾眼透镜，其特征在于，所述光波反射膜是一种高反射的 反射膜系，由多层折射率高低交替的两种不同材料反射膜构成。
4. 根据权利要求3所述的龙虾眼透镜，其特征在于，对于可见和近红外波段成像，反射 膜材料是折射率为2. 3的氧化钛和折射率为1. 46的氧化硅；对于紫外波段成像，反射膜材 料是折射率为2. 0的氧化铪和折射率为1. 38的氟化镁；对于中远红外波段成像，反射膜材 料是折射率为2. 3的硫化锌和折射率为1. 5的氟化钇。
5. 根据权利要求1所述的龙虾眼透镜，其特征在于，龙虾眼透镜的基体材料为金属、晶 体、玻璃、塑料中的一种。
全文摘要
一种基于光波的龙虾眼透镜，属于仿生光学技术领域。现有技术将龙虾眼透镜用于x射线成像，其微通道管的宽纵比很小，呈细长状，以确保x射线以掠入射的方式接触反射壁，反射壁具有x射线反射膜，实现反射成像。在现有基于光波的光学成像技术领域也有一些扩大视场、消除像差的方案，例如广角镜头、鱼眼镜头等，结构复杂、成本高，依然存在较大像差和色差。本发明之龙虾眼透镜微通道管的宽纵比m/n符合下式要求同时，反射壁镀有光波反射膜。用于光波成像，具有大视场、无色差、无轴外球差的特点。
文档编号G02B27/00GK101738729SQ20091021798
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者付跃刚, 刘韬, 林澎 申请人:长春理工大学