薄膜晶状型仿人眼结构和成像视觉技术研究

摘要

机器视觉技术已经广泛应用于先进制造、机器人、智能装备、航空航天和军工等众多领域，但是其视觉成像系统与视觉功能还远远无法达到人类视觉系统的程度。因此，通过模仿人眼创造出更小巧、更灵活、性能更好的光学成像系统，通过模仿人类视觉系统提出更完善的仿人机器视觉系统，对光学成像领域和机器视觉领域都具有广泛的应用前景和重要的实用价值，对仿人机器人的发展有着重要的意义。本课题从人类视觉系统的生物解剖学和神经生理学角度，以理论研究和实验验证相结合的方式，一方面针对制约光学成像技术微型化、智能化发展的关键问题，深入系统地研究了仿人眼结构和光学成像系统相关技术的基本原理及实现方式，另一方面通过模仿人眼单目立体视觉的形成机理，探索具有人类视觉功能的仿人机器视觉系统。本论文共分七章，各章主要研究内容如下:
　　第一章，介绍了本课题的研究背景，通过分析传统光学成像系统的局限性和计算机视觉理论的不完善性，突出本课题研究的重要意义。简要概述了人类视觉系统的生理结构、视觉形成机理及光学特性，根据变焦透镜和仿人视觉系统的研究现状探讨了相关研究的关键技术和存在的问题，最后阐明了本课题的来源及主要研究内容。
　　第二章，针对薄膜型液体变焦透镜中广泛使用的PDMS材料，通过实验确定了PDMS薄膜的制各条件，测量了不同配比的PDMS试样的应力应变特性。根据薄膜型液体变焦透镜的原理模型，建立PDMS薄膜的力学模型，推导了小挠度情况下挠曲线方程以及大挠度情况下径向位移和挠度的微分平衡方程。通过有限元仿真，深入研究了载荷及薄膜尺寸对PDMS薄膜形变和表面形状的影响，重点研究了液体重力对PDMS薄膜形变、表面形状以及表面旋转对称性的影响，为后续变焦透镜和光学成像系统的设计及应用提供理论依据。
　　第三章，根据薄膜型液体变焦透镜的变焦原理，深入研究了其光学特性及各类像差与焦距的关系。针对薄膜型液体变焦透镜在小焦距情况下球差显著且变化剧烈问题和液体重力问题，提出了具有球差校正功能的双胶合固-液混合变焦透镜以及边缘厚、中心薄结构的PDMS透镜，通过实验验证，该变焦透镜具有可观的变焦范围和良好的连续变焦能力，且能够实时有效地校正变焦范围内的球差，同时，PDMS透镜能在一定程度上解决液体重力问题，为薄膜型液体变焦透镜在变焦过程中成像质量不稳定问题以及液体重力问题提供有效的解决途径。
　　第四章，针对传统光学交焦系统的局限性，根据人眼调焦机制和Gullstrand精密眼模型，提出了模仿晶状体外皮内核结构的晶状型固-液混合变焦透镜以及基于晶状型固-液混合变焦透镜的仿人眼光学成像系统ZJU SY-Ⅰ，具有体积小、结构紧凑、控制简单、成本低廉等优点。根据边缘厚、中心薄的设计原则，提出了具有一定厚度且厚度非均匀分布的抛物面型PDMS透镜，不仅能够增加光学系统优化设计的自由度，提高成像质量和光学性能，还能有效解决液体重力问题。通过成像实验验证，ZJU SY-Ⅰ具有可观的变焦能力和良好的成像质量;通过光线追踪仿真，探讨分析了ZJU SY-Ⅰ的光学性能。
　　第五章，针对ZJU SY-Ⅰ在大视场下轴外像差显著问题，根据人眼生理结构，提出了模仿晶状体层状分布结构和折射率由外向内递增变化特性的层状固-液混合变焦透镜以及基于层状固-液混合变焦透镜的对称型仿人眼光学成像系统ZJU SY-Ⅱ。通过进一步增加PDMS透镜的边缘厚度，减少因液体重力引起的轴外像差。通过成像实验和光线追踪仿真验证，ZJU SY-Ⅱ能够有效校正轴外像差，大幅度提高成像质量和光学性能，具有更大的视场角、更高的目视分辨率，对仿人眼光学成像系统的实际应用具有重要的研究价值。
　　第六章，根据人类视觉系统的生理结构和神经控制机制，重点研究了人类单眼依靠视网膜的特殊结构、人眼调焦机制以及眼球的运动形成深度感知的机理，提出了基于变焦透镜的仿人眼单目立体视觉技术，并采用仿人眼光学成像系统ZJU SY-Ⅰ和摄像头旋转控制平台研制了具有双自由度的仿人眼单目立体视觉系统，通过实验验证，该立体视觉技术能够有效获取空间物体的三维几何信息，避免了立体匹配问题，同时研制的立体视觉系统和人眼一样具备小、巧、灵的优点，具备主动性和目的性，无需额外的光源设备，拥有可观的变焦能力和灵活的运动能力，无需改变系统的空间位置就能获取大范围空间场景的三维信息，适用于空间全景的三维重建，对立体视觉技术的发展具有重要的研究价值。
　　第七章，对本课题的研究工作做了总结，指出了研究工作中的创新点，并对后续的相关研究做了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 人类视觉系统概述和光学特性研究现状

1．2．1 人类视觉系统

1．2．2 人眼光学特性

1．3 仿人视觉系统研究现状

1．3．1 仿人眼视觉系统

1．3．2 单目立体视觉技术

1．4 交焦透镜研究现状

1．4．1 基于液晶的变焦透镜

1．4．2 基于电润湿效应的变焦透镜

1．4．3 基于可形交材料的交焦透镜

1．5 课题目标和主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 论文研究目标及主要内容

1．6 本章小结

第2章 PDMS薄膜机械性能研究分析

2．1 引言

2．2 PDMS应力应交特性

2．3 PDMS薄膜力学模型理论分析

2．4 PDMS薄膜力学模型有限元仿真分析

2．4．1 载荷及薄膜尺寸对薄膜形变和表面形状的影响

2．4．2 液体重力对薄膜形交和表面形状的影响

2．5 本章小结

第3章 双胶合固-液混合变焦透镜研究

3．1 引言

3．2 结构设计和参数优化

3．2．1 薄膜型液体交焦透镜像差分析

3．2．2 双胶合液体交焦透镜球差理论分析

3．2．3 双胶合固-液混合交焦透镜结构

3．2．4 光学参数优化设计

3．3 加工制备和装配检验

3．3．1 PDMS薄膜和PDMS透镜制备

3．3．2 零部件加工

3．3．3 几何尺寸和光学参数测量

3．3．4 装配检验

3．4 形变测量和拟合

3．4．1 PDMS薄膜和PDMS透镜表面形状测量

3．4．2 PDMS薄膜和PDMS透镜表面形状抛物线拟合

3．4．3 液体重力对PDMS透镜表面形状的影响

3．5 实验验证

3．6 本章小结

第4章 晶状型固-液混合变焦透镜及仿人眼光学成像系统研究

4．1 引言

4．2 结构设计和参数优化

4．2．1 晶状型固-液混合变焦透镜研究设计

4．2．2 仿人眼光学成像系统研究设计

4．2．3 光学参数优化设计

4．3 PDMS透镜形变测量、仿真和拟合

4．3．1 PDMS透镜前表面形变的测量与拟合

4．3．2 PDMS透镜形变有限元仿真分析

4．3．3 液体重力对PDMS透镜形交的影响

4．4 成像质量和光学性能评估

4．4．1 成像实验

4．4．2 光学性能评估

4．5 本章小结

第5章 层状固-液混合变焦透镜及对称型仿人眼光学成像系统研究

5．1 引言

5．2 结构设计和参数优化

5．2．1 层状固-液混合变焦透镜研究设计

5．2．2 对称型仿人眼光学成像系统研究设计

5．2．3 光学参数优化设计

5．3 成像质量和光学性能评估

5．3．1 成像实验

5．3．2 光学性能评估

5．4 本章小节

第6章 基于变焦透镜的仿人眼单目立体视觉技术研究

6．1 引言

6．2 人眼立体视觉机理

6．2．1 双目立体视觉机理

6．2．2 单目立体视觉机理

6．3 基于交焦透镜的仿人眼单目立体视觉原理

6．3．1 仿人眼单目立体视觉技术光学原理

6．3．2 空间物点三维信息获取原理

6．3．3 图像处理和变焦控制

6．4 单目立体视觉实验研究

6．4．1 初参标定

6．4．2 立体目标空间三维信息测量实验

6．5 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间获得的科研成果及奖励