不同視場下目標物字母“F”經(jīng)不同曲率仿復眼系統(tǒng)的成像情況如圖2所示。從圖中看出，在正入射的情況下，基底曲率半徑越大，子眼透鏡成像越清晰。當視場角增大，基底曲率半徑越小，系統(tǒng)成像質(zhì)量越好。這是因為在光學系統(tǒng)中，軸外光的成像質(zhì)量比軸上光的成像質(zhì)量差，且偏離主光軸越遠，成像越模糊。在正入射時，基底曲率半徑越大，各環(huán)子透鏡的光軸與入射光的夾角越小，子透鏡成像越清晰。當視場角逐漸增大，入射光線與各環(huán)子透鏡光軸的夾角逐漸變大，成像質(zhì)量逐漸變差。此時，若減小基底的曲率半徑，可降低入射光與各環(huán)子透鏡光軸的夾角，從而達到提高成像質(zhì)量的目的。因此，在復眼透鏡基底曲率半徑的選取上，既要考慮正入射的情況，也要兼顧系統(tǒng)在不同視場角下的工作性能。

 

圖2.不同視場情況下，不同曲率仿復眼系統(tǒng)的成像效果。(a) R1=10 mm，正入射；(b) R2=15 mm，正入射；(c) R3=20 mm，正入射；(d) R1=10 mm，視場角 20°；(e) R2=15 mm，視場角 20°；(f) R3=20 mm，視場角 20°；(g) R1=10 mm，視場角 35°；(h) R2=15 mm，視場角 35°；(i) R3=20 mm，視場角35°

曲面基底的曲率半徑和各子透鏡位置保持不變，子眼透鏡直徑分別取 1 mm、 2 mm 和 3 mm時，復眼系統(tǒng)的成像效果如圖3所示。從圖中可以看出：當透鏡直徑增大至 3 mm 時，第三環(huán)子眼透鏡對應成像模糊不清。本文認為隨著透鏡尺寸變大，對應子眼透鏡的 F 數(shù)( )降低，減小了焦深，從而增加了系統(tǒng)對離焦的敏感性。因此，在保證系統(tǒng)成像分辨率的前提下，盡可能減小子眼透鏡尺寸。

 

圖3.不同直徑透鏡單元對復眼系統(tǒng)成像效果的影響

在分析子眼透鏡單元均勻性對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響時，非均勻子眼透鏡組成陣列的第一環(huán)子眼透鏡直徑為 1 mm，從里往外每環(huán)依次增加 0.2 mm，第 6 環(huán)對應子眼透鏡直徑為 2 mm。均勻子眼透鏡單元組成的陣列，每環(huán)透鏡直徑均為1 mm，且每環(huán)子眼透鏡中心線與非均勻透鏡陣列相應的子眼單元中心線重合。調(diào)整每環(huán)液體透鏡焦距，使其聚焦于成像探測器上。從系統(tǒng)的成像光斑可以發(fā)現(xiàn)：相比于非均勻微透鏡陣列，均勻微透鏡子眼單元組成的曲面陣列可以明顯降低系統(tǒng)的離焦像差。

當物體固定不動時，由于子眼透鏡焦距具有可調(diào)性，系統(tǒng)接收探測器位置也可以根據(jù)實際需要進行一定范圍的調(diào)整。圖4給出了仿生復眼系統(tǒng)的成像接收器可移動范圍，其中圖4(a)為平行子眼透鏡光軸光線，在曲面基底球心處會聚一點，此位置為成像接收平面的最大位置，距離基底最高位置為 15 mm；調(diào)節(jié)液體透鏡工作電壓，改變液體透鏡單元的焦距，使得光線匯聚到圖 4(b)所示的接收探測器位置，此時液體透鏡接觸角已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，對應探測器位置為最小位置，距離基底是 1.9 mm。該系統(tǒng)的接收探測器位置變化范圍為 1.9 mm~15 mm。

 

圖4.仿生復眼系統(tǒng)的成像接收面的接收范圍。(a) 最遠接收位置；(b) 最近接收位置

該工作得到了國家自然科學基金（61775102， 61905117）和基礎加強計劃技術領域基金（2019-JCJQ-JJ-446）的支持。

論文原文：介電潤濕液體透鏡仿生復眼的設計與仿真

鏈接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2021.200120