昆虫复眼的仿生研究进展

昆虫复眼的仿生研究进展

第32卷增刊Vol.32Suppl.

2006年8月OPTICALTECHNIQUEAugust 2006

光学技术

0010 03 文章编号:1002 1582(2006)S

昆虫复眼的仿生研究进展

徐琰,颜树华,周春雷,张军

对昆虫复眼的研究近况进行了综述,并展望了其发展趋势。

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键

词:生物光学;昆虫复眼;人工仿生

中图分类号:Q63 文献标识码:A

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073)

摘 要:作为生物光学发展的一个重要部分,对昆虫复眼的研究越来越重要,从结构、分类、人工仿生及应用等方面

Advancesinbionicstudyoninsects compoundeyes

XUYan,YANShu hua,ZHOUChun lei,ZHANGJun

(CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha 410073,China)

Abstract:Asoneimportantpartofbiologicalopticstheresearchoninsect compoundeyesbecomesmoreandmoreimpor tant,therecentresearchingprogressesoninsect compoundeyesarereviewedfromaspectsofstructure,classifying,artificialbionicsandapplication.Inthemeantime,thefuturedevelopmentisforecasted.

Keywords:biologicaloptics;insect compoundeye;artificialbionics

1 引 言

生物界是个奇妙的世界,许多动物某些器官结构的精巧、功能的完善,令人惊叹不已。单透镜眼(如人眼)和多透镜眼(如蝇眼)是大自然在亿万年进化中的杰出创造。鉴于大多数动物在进化过程中都选择了复眼,说明复眼必然在某些方面比单眼有优势,诸如大视场、高时间分辨率、高敏感性等。近年来,固体探测器和数字计算科学的迅速发展,使单孔径光学系统在自动化、图像识别、军事目标探测等领域显得有些不尽人意[1]。复眼是天然存在的多孔径光学系统,这就从需要和类比的角度引起了国内外许多学者的极大兴趣。早在1891年,Exner就提出了复眼的光重叠理论[2];德国马克斯 普朗克生物控制论研究所创始人Reichardt教授提出了昆虫运动感知模型[3],该模型具有检测目标运动方向和速度的功能;1980年,美国科学家已经将昆虫复眼信息原理用于空对地导弹的制导研究,接着又研制出一次能拍摄1329张高分辨率相片的蝇眼照相机等

[4]

本结构如图1所示。一般地,每只复眼有几千个小眼,多则两万多个小眼,少则几十个小眼。从复眼的外面向内部由屈光器、感光器、隔光器和视觉中枢组成。

复眼中的小眼包括屈光器和感光器两部分。屈光器包括角膜和晶锥,它的作用是把光聚焦到感光器上,其本质相当于一个精致的微透镜。感光器由8个小网膜细胞组成,并围绕着小眼轴形成一束圆柱体,即小网膜,每个小网膜细胞伸出一根神经纤维与脑的视觉中枢相连。隔光器位于小眼之

间由主色素细胞和附色素细胞组成,其色素颗粒能够随着外界环境的变化而移动。隔光器能够控制和调节进入小眼内的光线。视叶是把复眼的感光器和脑联系起来的复杂神经网络,它一般分为三个突触层,从外向内分为薄板神经节、髓和小叶。

根据不同类型的复眼成像原理,可以把复眼分

图1 复眼结构的模式图

1 屈光器;2 感光器;3 基底膜;4 薄板神经节;

5 外交叉;6 髓;7 内交叉;8 小叶。

。

2 复眼的结构和分类

复眼由许多结构和功能相同的小眼组成,其基

收稿日期:2005 11 21 E mail:xuyan12xuyan13@

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275145)

作者简介:徐琰(1982 ),男,江西省人,国防科技大学机电工程与自动化学院硕士研究生,主要从事二元光学技术的研究。

昆虫复眼的仿生研究进展

增刊徐琰,等: 昆虫复眼的仿生研究进展

成并列型复眼和重叠型复眼,而重叠型复眼又包括光学折射重叠、神经重叠和光学反射重叠三类,所以复眼总共可分为四大类:并列型复眼、光学折射重叠复眼、神经重叠眼和光学反射重叠眼,不同类型复眼的成像原理[5]如图2所示。

不同类型的复眼的网膜像形成方式不同,而不同的成像方式在某些条件下又可以相互转变,详细情况见文献[6]

。

孔径的各个像元在成像面上重新!镶嵌 成目标像。 3.2 重叠型复眼的仿制

重叠型复眼也可以通过在玻璃胶片上紫外线光刻印刷进行仿制,但它与并列型复眼的成像原理不同,所以结构也很不相同。其成像原理如图4(a)所示,它由三层透镜阵列和成像面传感器组成,第一阵列的每个通道只对一定角度范围内的目标进行成像,第二阵列孔径的大小决定了各个像元的交叠程度,然后利用第三阵列对各个像元进行空间合并,在成像面将得到一个独立的正像。图4(b)就是通过光刻技术仿制并进行集成包装的侧面示图。对于重叠型复眼,为了矫正由斜入射光引起的色散,通常将透镜按一定参数制成椭圆形[9],而不是常见的圆

[8]

图2 不同类型复眼成像原理图解

形透镜,如图4(c)

所示。

3 复眼的人工仿生

大量证据表明,昆虫复眼不论在结构上还是在功能上都是非常巧妙的,因此复眼仿生学为科学研究提供了许多新的方法和思路。

复眼里小眼的仿生问题已经基本上解决了,人们已能从熔盐法或双坩埚法制作自聚焦玻璃纤维或者通过胶片紫外线光刻印刷方法,制成微透镜。抛物线形折射率分布的圆柱形微透镜的光学性质已有理论总结,圆锥形微透镜的理论计算公式也已公布,因此可以设计并仿制昆虫复眼系统。 3.1

并列型复眼的仿制

并列型复眼的仿制是在一块很薄的玻璃胶片上利用紫外线进行光刻印刷,将玻璃的一面刻成微透镜阵列,另一面刻成孔径阵列。玻璃的厚度与透镜在玻璃中的焦距是相关的,通过对孔径位置的调整就能实现每个小眼通道的不同视角。图3(a)是并列型复眼的侧截面图,其中 是相邻小眼之间的夹角,D是微透镜的直径,L是薄玻璃的厚度。

(b)复眼的前端示图

[7]

图4

3.3 仿制单孔径眼与复眼性能比较

各种类型的仿制眼都有其优点和缺点,它们的性能比较见表1。

表1 仿制单孔径眼与复眼的性能比较

特征F/#成像系统的长度

放大倍率分辨率敏感度视场

单孔径眼

低#4mm低高高小一个完整像(经典原理)

重叠型复眼

高0.5-3mm

高低低大一个完整像(光学合并)

并列型复眼

低0.05-1mm

低低高大能通过孔径的图案

(a)并列型复眼的侧截面图

成像信息

3.4 改进复眼分辨率的方法

通过上面比较可看出:仿复眼具有同昆虫复眼一样的大视场、高时间分辨率、高敏感性等特性,但其空间分辨率都很低[10,11]。如何提高仿复眼的成像分辨率成为复眼仿生的一个重要问题,以下提出几个改进复眼分辨率的方法:

(1)对复眼分辨率影响最基本的因素就是相邻两小眼光轴的夹角 。从图3(a)可看出,由每个小眼的直径D和整个复眼的曲率半径R,可得D=R 。因为复眼的分辨率随着 的减小而增加,而小眼的敏感度随着直径D的增加而加强,从中可看出,只要加大复眼的曲率半径R,可同时获得分

图3

图3(b)是复眼的前端示图,从图中可看出,可以将微透镜的直径做的很小(可达到100 m)。

并列型复眼的每个小眼只在一个固定的小角度对目标的一小部分进行采样成像,然后将通过光学

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光 学 技 术

第32卷

辨率和敏感性的加强。但是复眼的小型化、集成化是以后复眼的发展方向,所以该方法应用前景并不广泛。

(2)在并列性复眼的制造过程中,用聚合体材料在相邻两小眼之间构建光线保护透明墙,用来减少各相邻小眼之间光路和视场外光线的干扰,从而减少像元的重叠,以达到较高的分辨率。

(3)在大多数仿制复眼的成像过程中,成像像元的个数一般与复眼的小眼个数相同,像元的个数越多所得到的像的分辨率也就越高,但是制造高密度的成像系统是很难的,所以一个比较好的解决办法就是让每一个小眼单独且同时对整个目标成像,虽然说单个小眼成像分辨率很低,但是通过对这一系列低分辨率像进行数字图像处理,将获得一个高分辨率的像[12]。

外光、复合制导等空空导弹、空地导弹、巡航导弹、反坦克导弹、反舰导弹等各类导弹的精确末制导,下一代智能武器将用复眼!看 目标。此外,在飞机的前视红外探测、夜视设备等方面也有广泛的应用前景。

(4)仿复眼还可以用于运动机器人的视觉导航装置[13,14]:该视觉系统能正确判断机器人与周围环境目标物的方向、位置和距离,能在有障碍物的环境中顺利穿行,具有仿复眼的机器人可设计用来运输核物质、扑灭油井大火和从事其他危险任务。

5 复眼仿生的发展趋势

通过对昆虫复眼的高速实时光信息处理和光神经网络模型深入研究以及新型昆虫复眼的研究,将为复眼的仿生研究提供新的生物原型和更加完善的理论依据,尤其是通过对由大量的有机特殊光学器件组成的子系统阵列、敏锐的脑神经和感觉器官处理信号的本领结构和功能的研究,将进一步推进昆虫复眼视觉系统仿生研究,可以促使传统光学实现微型化、阵列化、集成化和经济化,并且使其能与电子技术的发展相匹配,实现传统光学难以完成的许多功能。把昆虫复眼视觉系统仿生技术应用于合成孔径雷达及成像处理、空间轻型大口径综合孔径光学望远镜技术以及光波导器件等高新技术领域的研究,将是一个即具有深刻的理论意义又具有广泛的应用前景的课题。参考文献:

4 昆虫复眼仿生的应用

在国际上,许多关于昆虫复眼视觉系统的加工

研究成果已在国防上和工程技术领域内得到应用。

(1)偏振光导航仪:根据蜜蜂复眼对偏振光敏感的视细胞结构,在单个小眼相邻的排列着偏振方向稍有差别的偏振片,将这种人工复眼向天空望去,可随着太阳位置的改变明暗图案发生变化,由此可知光的偏振方向。研制的偏振光导航仪早就在航海中使用(如图5)。

(2)多孔径光学系统装置:根据复眼多孔径光学系统的结构特点,设计了一种半球形多孔径光学系统装置(如图6)。该装

置视场大,容易搜索到目标,所以国外已经在一些重要装备中使用。比如用在大型红外望远镜、预警卫星、雷达系统、舰艇搜索和跟踪系统及宇宙空间的监测等。

(3)在军事方面,主要是仿昆虫复眼寻的末制导装置:该仿制制导导引头具有体积小、焦距短、重量轻、大视场、全天候、较强的跟踪和搜索能力、自适应能力和高度的容错能力,将来它可用于可见光、紫图6 半球大视场红外装置

图5 偏振光导航仪

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5s7j.html