薄膜晶狀型仿人眼結構和成像視覺技術研究.pdf

1、機器視覺技術已經(jīng)廣泛應用于先進制造、機器人、智能裝備、航空航天和軍工等眾多領域，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)，對光學成像領域和機器視覺領域都具有廣泛的應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)的生物解剖學和神經(jīng)生理學角度，以理論研究和實驗驗證相結合的方式，

2、一方面針對制約光學成像技術微型化、智能化發(fā)展的關鍵問題，深入系統(tǒng)地研究了仿人眼結構和光學成像系統(tǒng)相關技術的基本原理及實現(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)的生理結構、視覺形成機理及光學特性，根據(jù)

3、變焦透鏡和仿人視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀探討了相關研究的關鍵技術和存在的問題，最后闡明了本課題的來源及主要研究內容。
　　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薄膜的制各條件，測量了不同配比的PDMS試樣的應力應變特性。根據(jù)薄膜型液體變焦透鏡的原理模型，建立PDMS薄膜的力學模型，推導了小撓度情況下?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PD

4、MS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對稱性的影響，為后續(xù)變焦透鏡和光學成像系統(tǒng)的設計及應用提供理論依據(jù)。
　　第三章，根據(jù)薄膜型液體變焦透鏡的變焦原理，深入研究了其光學特性及各類像差與焦距的關系。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、中心薄結構的PDMS透鏡，通過實驗驗證，該變焦透鏡具

5、有可觀的變焦范圍和良好的連續(xù)變焦能力，且能夠實時有效地校正變焦范圍內的球差，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)光學交焦系統(tǒng)的局限性，根據(jù)人眼調焦機制和Gullstrand精密眼模型，提出了模仿晶狀體外皮內核結構的晶狀型固-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成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅰ，具有

6、體積小、結構緊湊、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，不僅能夠增加光學系統(tǒng)優(yōu)化設計的自由度，提高成像質量和光學性能，還能有效解決液體重力問題。通過成像實驗驗證，ZJU SY-Ⅰ具有可觀的變焦能力和良好的成像質量;通過光線追蹤仿真，探討分析了ZJU SY-Ⅰ的光學性能。
　　第五章，針對ZJU SY-Ⅰ在大視場下軸外像差顯著問題，根據(jù)人眼生理結構，提出了模

7、仿晶狀體層狀分布結構和折射率由外向內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，ZJU SY-Ⅱ能夠有效校正軸外像差，大幅度提高成像質量和光學性能，具有更大的視場角、更高的目視分辨率，對仿人眼光學成像系統(tǒng)的實際應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

8、理結構和神經(jīng)控制機制，重點研究了人類單眼依靠視網(wǎng)膜的特殊結構、人眼調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，并采用仿人眼光學成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅰ和攝像頭旋轉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，無需額外的光源設備，擁有可