多焦距曲面仿生复眼双光子聚合精密加工与检测技术研究.pdf

摘要

摘要

生物复眼在视觉成像方面具有独特的优势。它的视场更大、结构更为紧凑，对运

动更为敏感。这些特性引起了众多研究人员的兴趣。人们仿照生物复眼的结构和功能

制备了曲面仿生复眼，并将其广泛用于目标识别、医疗影像、动态监测、全景成像等

多个领域。但目前的曲面仿生复眼存在体积较大、结构不够紧凑、加工复杂、像场弯

曲边缘离焦等问题，使得其在微视觉应用领域受到了限制。为解决这些问题，本文提

出了一种结构简单的具有负弯月基底的多焦距曲面仿生复眼，并开展了以下的研究工

作。

（1）多焦距曲面仿生复眼的结构设计。本文提出了一种具有负弯月基底的多焦

距曲面仿生复眼。通过光学仿真研究了不同曲率半径和厚度的基底对光线聚焦的影响，

并通过比较聚焦光斑的大小确定了基底的几何参数。通过设计微透镜的曲率半径调整

了各级微透镜的焦距，实现了曲面仿生复眼在平面内的光聚焦。利用光学仿真展示了

仿生复眼内各级微透镜的均一聚焦光强，证明了设计结构解决了曲面复眼的离焦问题。

利用点列图和光学传递函数对设计结构进行了成像质量评价，证明了其符合光学系统

的成像要求。并通过与对比仿生复眼相比较，证明了负弯月基底对减小球差的有效性。

（2）多焦距曲面仿生复眼的结构制备。双光子聚合技术作为一项微纳级加工技

术，有着高制造精度和出色的三维加工能力，是制备曲面仿生复眼的有力工具。本文

应用双光子聚合技术对多焦距曲面仿生复眼进行结构制备。探究了不同扫描方式、加

工路径、激光功率、扫描速度和分层厚度对结构加工表面质量的影响。通过实验证明

了利用横向扫描方式，在激光功率为69mW、扫描速度0.02mm/s、分层厚度为0.2μm

时结构质量最优。采用最优加工参数对多焦距曲面仿生复眼结构进行了结构制备。

（3）多焦距曲面仿生复眼的光学检测。采用扫描电子显微镜和白光干涉仪对加

工结构进行了形貌检测。通过光学检测平台对多焦距曲面仿生复眼和对比仿生复眼分

别进行了光学聚焦和光学成像检测，检测结果表明了多焦距曲面仿生复眼聚焦能力更

好，有效解决了曲面复眼的离焦问题，提高了边缘的成像质量。应用仿生复眼捕获的

成像图像对多焦距曲面仿生复眼进行了调制传递函数测量，证明了其分辨能力优于对

比仿生复眼。研究了图像配准算法和图像融合方法，并应用SURF算法和图像融合方

法对仿生复眼捕获的子图像进行了拼接。

关键词：仿生复眼光学仿真双光子聚合成像检测图像拼接

I

Abstract

Abstract

Biologicalcompoundeyehasuniqueadvantagesinvisualimaging.Ithasalarger

fieldofview,ismorecompactandsensitivetomotion.Thesepropertieshaveattractedthe

interestofmanyresearchers.Curvedbioniccompoundeyeshavebeenpreparedby

imitatingthestructureandfunctionofthebiologicalcompoundeye,andhavebeenwidely

usedinmanyfieldssuchastargetrecognition,medicalimaging,dynamicmonitoringand

panoramicimaging.However,thecurrentcurvedbioniccompoundeyeshaveproblems

suchaslargesize,insufficientcompactstructure,complicatedprocessinganddefocusingat

edgesofi