光學(xué)系統(tǒng)作為人類視覺的延伸,在圖像識(shí)別、天文觀測(cè)、醫(yī)療儀器、武器制導(dǎo)等方面起著不可或缺的作用。隨著人類科技水平的不斷發(fā)展,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的體積、集成度、視場(chǎng)和精確度的要求也愈來愈高,采用傳統(tǒng)透鏡的單孔徑光學(xué)系統(tǒng)受衍射極限、自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素的影響,在實(shí)現(xiàn)這些要求時(shí)面臨諸多困難,采用新的光學(xué)理論和成像方式勢(shì)在必行。微透鏡陣列便是滿足這一要求的新型光學(xué)器件,它由一系列孔徑在微米至毫米級(jí)的微小透鏡按照一定規(guī)律排列而成,具有尺寸小、集成度高、便于制造、傳輸損耗小、有特殊功能等優(yōu)點(diǎn),在光學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文對(duì)微透鏡陣列在兩個(gè)典型成像領(lǐng)域:光場(chǎng)成像和復(fù)眼成像中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。基于平面微透鏡陣列的光場(chǎng)成像系統(tǒng)可以同時(shí)記錄入射光線的方向和位置信息,以四維光場(chǎng)的形式存儲(chǔ)并通過算法實(shí)現(xiàn)“先拍照,后對(duì)焦”的大景深圖像重構(gòu)。平面微透鏡陣列的透鏡單元尺度、填充系數(shù)和一致性直接影響光場(chǎng)信息的采集質(zhì)量;基于曲面微透鏡陣列的復(fù)眼成像系統(tǒng)通過對(duì)昆蟲復(fù)眼自然結(jié)構(gòu)的模擬,突破了傳統(tǒng)單孔徑光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)限制,可極大的擴(kuò)展視場(chǎng)范圍。曲面微透鏡陣列的透鏡面型結(jié)構(gòu)和排布方式直接影響大視場(chǎng)成像質(zhì)量及視場(chǎng)范圍。結(jié)合微透鏡陣列在兩個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求,圍繞陣列器件的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行了深入研究,提升了成像系統(tǒng)的性能。本文對(duì)光場(chǎng)的概念和光場(chǎng)成像理論進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析;指出了現(xiàn)有光場(chǎng)系統(tǒng)在傳感器利用率上的不足,提出了采用緊密排列方式的方形孔徑透鏡陣列配合特制的方形光闌提升光能利用率;運(yùn)用超精密銑削加工和微注塑技術(shù)分別制作了方形和圓形孔徑的微透鏡陣列模具及成品,并搭建光場(chǎng)成像系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn);完成了光場(chǎng)圖像的多視角、多景深及超分辨率圖像重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,方形孔徑透鏡陣列相較于原系統(tǒng),填充率增高了27%,在相同編碼方式下對(duì)光場(chǎng)信息的利用率提升了96%,景深及視角范圍提升了1.4倍,超分辨率圖像具有更豐富的局部細(xì)節(jié)。以昆蟲復(fù)眼的生理結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理的研究分析為基礎(chǔ),對(duì)仿生復(fù)眼設(shè)計(jì)過程中小眼排列方式、光軸夾角和小眼視場(chǎng)角的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)論證,為仿生復(fù)眼的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則;設(shè)計(jì)制造了一個(gè)采用光學(xué)自由曲面的七子眼仿生復(fù)眼,達(dá)成了40°視場(chǎng)范圍的圖像采集,對(duì)復(fù)眼視場(chǎng)重疊理論進(jìn)行了驗(yàn)證;結(jié)合現(xiàn)有各種曲面仿生復(fù)眼的優(yōu)勢(shì)及問題,提出了模擬生物復(fù)眼結(jié)構(gòu)的大視場(chǎng)仿生復(fù)眼,將16塊平面CCD傳感器組成一個(gè)2×8曲面陣列,并配合配套的單層結(jié)構(gòu)的曲面微透鏡陣列,消除了傳統(tǒng)復(fù)眼的離軸像差;通過引入光學(xué)自由曲面和非球面,保證了單層結(jié)構(gòu)透鏡陣列的成像質(zhì)量,降低了系統(tǒng)的制造及裝配難度;達(dá)成了180°×75°視場(chǎng)范圍內(nèi)的無盲區(qū)高分辨率圖像采集。本課題對(duì)典型結(jié)構(gòu)特征微透鏡陣列的設(shè)計(jì)制造以及在應(yīng)用中的系統(tǒng)原理及光學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究,通過引入新的制造方法、更精密的光學(xué)面型、更合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升了傳統(tǒng)大視場(chǎng)、大景深光學(xué)系統(tǒng)的性能,明確了微透鏡陣列的發(fā)展前景、技術(shù)優(yōu)勢(shì)及難點(diǎn),為今后的工作提供了指導(dǎo)及參考。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH74;TP391.41
【部分圖文】：

放在原膠片位置，再經(jīng)由同一個(gè)透鏡陣列還原時(shí)，由原始圖像中的一部分組成的集成圖像(Integral Image）即可被人眼觀察到。隨著人眼的觀察位置不同，可以看到的對(duì)應(yīng)位置的相應(yīng)圖像，從而實(shí)現(xiàn)了被拍攝物體的三維重建。集成攝影術(shù)是最早提出的三維成像技術(shù)，也是百年之后光場(chǎng)成像技術(shù)的始祖。

圖 1-2 離子交換法制作微透鏡陣列原理示意圖[12]法是在基片上涂抹一層厚度均勻的光刻膠，在膠掩膜板并用紫外光照射。光刻膠在紫外光的作用柱陣列。再將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，令光刻膠

圖 1-3 光刻熱熔膠法原理示意圖[16]法主要利用激光光束與材料間的相互作用實(shí)現(xiàn)透鏡陣為兩類：激光刻蝕技術(shù)使用高能量激光光束直接聚焦表面，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行破壞性蝕刻，并對(duì)蝕刻后的透
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2839378