薄膜晶狀型仿人眼結(jié)構(gòu)和成像視覺(jué)技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造、機(jī)器人、智能裝備、航空航天和軍工等眾多領(lǐng)域，但是其視覺(jué)成像系統(tǒng)與視覺(jué)功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的程度。因此，通過(guò)模仿人眼創(chuàng)造出更小巧、更靈活、性能更好的光學(xué)成像系統(tǒng)，通過(guò)模仿人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)提出更完善的仿人機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)成像領(lǐng)域和機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)仿人機(jī)器人的發(fā)展有著重要的意義。本課題從人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的生物解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)角度，以理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，

2、一方面針對(duì)制約光學(xué)成像技術(shù)微型化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，深入系統(tǒng)地研究了仿人眼結(jié)構(gòu)和光學(xué)成像系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方式，另一方面通過(guò)模仿人眼單目立體視覺(jué)的形成機(jī)理，探索具有人類(lèi)視覺(jué)功能的仿人機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。本論文共分七章，各章主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一章，介紹了本課題的研究背景，通過(guò)分析傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的局限性和計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論的不完善性，突出本課題研究的重要意義。簡(jiǎn)要概述了人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)、視覺(jué)形成機(jī)理及光學(xué)特性，根據(jù)

3、變焦透鏡和仿人視覺(jué)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀探討了相關(guān)研究的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問(wèn)題，最后闡明了本課題的來(lái)源及主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，針對(duì)薄膜型液體變焦透鏡中廣泛使用的PDMS材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了PDMS薄膜的制各條件，測(cè)量了不同配比的PDMS試樣的應(yīng)力應(yīng)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(xué)模型，推導(dǎo)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(guò)有限元仿真，深入研究了載荷及薄膜尺寸對(duì)PD

4、MS薄膜形變和表面形狀的影響，重點(diǎn)研究了液體重力對(duì)PDMS薄膜形變、表面形狀以及表面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的影響，為后續(xù)變焦透鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)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(xué)特性及各類(lèi)像差與焦距的關(guān)系。針對(duì)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(wèn)題和液體重力問(wèn)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(jié)構(gòu)的PDMS透鏡，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?qū)崟r(shí)有效地校正變焦范圍內(nèi)的球差，同時(shí)，PDMS透鏡能在一定程度上解決液體重力問(wèn)題，為薄膜型液體變焦透鏡在變焦過(guò)程中成像質(zhì)量不穩(wěn)定問(wèn)題以及液體重力問(wèn)題提供有效的解決途徑。
　　第四章，針對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)交焦系統(tǒng)的局限性，根據(jù)人眼調(diào)焦機(jī)制和Gullstrand精密眼模型，提出了模仿晶狀體外皮內(nèi)核結(jié)構(gòu)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(xué)成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅰ，具有

6、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)邊緣厚、中心薄的設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的自由度，提高成像質(zhì)量和光學(xué)性能，還能有效解決液體重力問(wèn)題。通過(guò)成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，ZJU SY-Ⅰ具有可觀的變焦能力和良好的成像質(zhì)量;通過(guò)光線追蹤仿真，探討分析了ZJU SY-Ⅰ的光學(xué)性能。
　　第五章，針對(duì)ZJU SY-Ⅰ在大視場(chǎng)下軸外像差顯著問(wèn)題，根據(jù)人眼生理結(jié)構(gòu)，提出了模

7、仿晶狀體層狀分布結(jié)構(gòu)和折射率由外向內(nèi)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(duì)稱(chēng)型仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅱ。通過(guò)進(jìn)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(guò)成像實(shí)驗(yàn)和光線追蹤仿真驗(yàn)證，ZJU SY-Ⅱ能夠有效校正軸外像差，大幅度提高成像質(zhì)量和光學(xué)性能，具有更大的視場(chǎng)角、更高的目視分辨率，對(duì)仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要的研究?jī)r(jià)值。
　　第六章，根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的生

8、理結(jié)構(gòu)和神經(jīng)控制機(jī)制，重點(diǎn)研究了人類(lèi)單眼依靠視網(wǎng)膜的特殊結(jié)構(gòu)、人眼調(diào)焦機(jī)制以及眼球的運(yùn)動(dòng)形成深度感知的機(jī)理，提出了基于變焦透鏡的仿人眼單目立體視覺(jué)技術(shù)，并采用仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)ZJU SY-Ⅰ和攝像頭旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)研制了具有雙自由度的仿人眼單目立體視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該立體視覺(jué)技術(shù)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(wèn)題，同時(shí)研制的立體視覺(jué)系統(tǒng)和人眼一樣具備小、巧、靈的優(yōu)點(diǎn)，具備主動(dòng)性和目的性，無(wú)需額外的光源設(shè)備，擁有可