本文關(guān)鍵詞： 仿人眼 光學(xué)成像系統(tǒng) 單目立體視覺 變焦透鏡 雙膠合 固-液混合 PDMS透鏡　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：機器視覺技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進制造、機器人、智能裝備、航空航天和軍工等眾多領(lǐng)域,但是其視覺成像系統(tǒng)與視覺功能還遠遠無法達到人類視覺系統(tǒng)的程度。因此,通過模仿人眼創(chuàng)造出更小巧、更靈活、性能更好的光學(xué)成像系統(tǒng),通過模仿人類視覺系統(tǒng)提出更完善的仿人機器視覺系統(tǒng),對光學(xué)成像領(lǐng)域和機器視覺領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實用價值,對仿人機器人的發(fā)展有著重要的意義。本課題從人類視覺系統(tǒng)的生物解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)角度,以理論研究和實驗驗證相結(jié)合的方式,一方面針對制約光學(xué)成像技術(shù)微型化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵問題,深入系統(tǒng)地研究了仿人眼結(jié)構(gòu)和光學(xué)成像系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的基本原理及實現(xiàn)方式,另一方面通過模仿人眼單目立體視覺的形成機理,探索具有人類視覺功能的仿人機器視覺系統(tǒng)。本論文共分七章,各章主要研究內(nèi)容如下:第一章,介紹了本課題的研究背景,通過分析傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的局限性和計算機視覺理論的不完善性,突出本課題研究的重要意義。簡要概述了人類視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)、視覺形成機理及光學(xué)特性,根據(jù)變焦透鏡和仿人視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀探討了相關(guān)研究的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題,最后闡明了本課題的來源及主要研究內(nèi)容。第二章,針對薄膜型液體變焦透鏡中廣泛使用的PDMS材料,通過實驗確定了PDMS薄膜的制備條件,測量了不同配比的PDMS試樣的應(yīng)力應(yīng)變特性。根據(jù)薄膜型液體變焦透鏡的原理模型,建立PDMS薄膜的力學(xué)模型,推導(dǎo)了小撓度情況下?lián)锨�方程以及大撓度情況下徑向位移和撓度的微分平衡方程。通過有限元仿真,深入研究了載荷及薄膜尺寸對PDMS薄膜形變和表面形狀的影響,重點研究了液體重力對PDMS薄膜形變、表面形狀以及表面旋轉(zhuǎn)對稱性的影響,為后續(xù)變焦透鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用提供理論依據(jù)。第三章,根據(jù)薄膜型液體變焦透鏡的變焦原理,深入研究了其光學(xué)特性及各類像差與焦距的關(guān)系。針對薄膜型液體變焦透鏡在小焦距情況下球差顯著且變化劇烈問題和液體重力問題,提出了具有球差校正功能的雙膠合固-液混合變焦透鏡以及邊緣厚、中心薄結(jié)構(gòu)的PDMS透鏡,通過實驗驗證,該變焦透鏡具有可觀的變焦范圍和良好的連續(xù)變焦能力,且能夠?qū)崟r有效地校正變焦范圍內(nèi)的球差,同時,PDMS透鏡能在一定程度上解決液體重力問題,為薄膜型液體變焦透鏡在變焦過程中成像質(zhì)量不穩(wěn)定問題以及液體重力問題提供有效的解決途徑。第四章,針對傳統(tǒng)光學(xué)變焦系統(tǒng)的局限性,根據(jù)人眼調(diào)焦機制和Gullstrand精密眼模型,提出了模仿晶狀體外皮內(nèi)核結(jié)構(gòu)的晶狀型固-液混合變焦透鏡以及基于晶狀型固-液混合變焦透鏡的仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)ZJUSY-Ⅰ,具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單、成本低廉等優(yōu)點。根據(jù)邊緣厚、中心薄的設(shè)計原則,提出了具有一定厚度且厚度非均勻分布的拋物面型PDMS透鏡,不僅能夠增加光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的自由度,提高成像質(zhì)量和光學(xué)性能,還能有效解決液體重力問題。通過成像實驗驗證,ZJUSY-Ⅰ具有可觀的變焦能力和良好的成像質(zhì)量;通過光線追蹤仿真,探討分析了ZJUSY-Ⅰ的光學(xué)性能。第五章,針對ZJUSY-Ⅰ在大視場下軸外像差顯著問題,根據(jù)人眼生理結(jié)構(gòu),提出了模仿晶狀體層狀分布結(jié)構(gòu)和折射率由外向內(nèi)遞增變化特性的層狀固-液混合變焦透鏡以及基于層狀固-液混合變焦透鏡的對稱型仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅱ。通過進一步增加PDMS透鏡的邊緣厚度,減少因液體重力引起的軸外像差。通過成像實驗和光線追蹤仿真驗證,ZJUSY-Ⅱ能夠有效校正軸外像差,大幅度提高成像質(zhì)量和光學(xué)性能,具有更大的視場角、更高的目視分辨率,對仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有重要的研究價值。第六章,根據(jù)人類視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)和神經(jīng)控制機制,重點研究了人類單眼依靠視網(wǎng)膜的特殊結(jié)構(gòu)、人眼調(diào)焦機制以及眼球的運動形成深度感知的機理,提出了基于變焦透鏡的仿人眼單目立體視覺技術(shù),并采用仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅰ和攝像頭旋轉(zhuǎn)控制平臺研制了具有雙自由度的仿人眼單目立體視覺系統(tǒng),通過實驗驗證,該立體視覺技術(shù)能夠有效獲取空間物體的三維幾何信息,避免了立體匹配問題,同時研制的立體視覺系統(tǒng)和人眼一樣具備小、巧、靈的優(yōu)點,具備主動性和目的性,無需額外的光源設(shè)備,擁有可觀的變焦能力和靈活的運動能力,無需改變系統(tǒng)的空間位置就能獲取大范圍空間場景的三維信息,適用于空間全景的三維重建,對立體視覺技術(shù)的發(fā)展具有重要的研究價值。第七章,對本課題的研究工作做了總結(jié),指出了研究工作中的創(chuàng)新點,并對后續(xù)的相關(guān)研究做了展望。
[Abstract]:鏈哄櫒瑙嗚鎶，

本文編號：1455210