针对采用滤光片转轮配合普通相机实现光谱分离与成像的多谱成像系统体积大, 结构复杂,操作不便等问题,本文基于微机电系统技术提出了一种新的多谱成像系统的设计方案和加工方法。 该方法将人造复眼结构和多通道彩色滤光片集成在同一块基片上来实现多谱成像结构。该结构具有多个光通道,分别对应红、绿、蓝、近红外4个波段,每个通道能独立获取对应波段的图像信息。以这种复眼结构作为镜头搭建了多谱成像系统并进行了成像实验,获取了多组对比图像。得到的图像说明该结构能够实现预期的色彩分离和多通道成像。由于这种复眼结构高度集成且具有可见光及近红外多波段图像并行捕捉能力,因此在多谱成像领域很有应用前景。

针对传统三点支承平台的欠约束和欠驱动问题, 基于运动学原理提出了一种双驱动六点支承平台。该平台在自然状态下具有确定位姿, 在输入状态下具有确定运动, 由此解决了三点支承平台的欠约束和欠驱动问题。以加速度计作为测量传感元件, 提出了一种基于重力加速度方向矢量的两输入调平算法, 并利用平台法线矢量运动变换获得了平台的转动角度。该平台调平范围±5°, 水平重复精度优于0.001 7°, 具有运动确定以及稳定性高的特点, 可用于精密仪器及机械的自动调平。最后, 指出了调平的二转动自由度姿态控制的运动学本质。

为了研制面向精密工程的微动角位移机构, 采用旋量代数分析了3-HSE和3-HSVR三螺旋角位移机构的自由度和约束模式。分析表明, 基于“不共线三点确定一个平面”设计的角位移机构存在欠约束和欠确定运动问题, 由此导致机构的位姿和运动具有不确定性。因此, 提出了双螺旋式精确约束二自由度角位移机构。这种机构在自然状态下采用六点约束, 具有确定位姿; 在输入状态下自由度数等于输入数, 具有确定运动。采用矢量运动变换方法证明了机构在不同输入模式下的姿态调整原理并利用机构运动几何关系分析了机构灵敏度, 结果表明, 该角位移机构灵敏度优于0.83 μrad。这种角位移机构仅采用两个螺旋支链, 结构简单、位姿和运动确定、稳定性高, 可用于两个自由度的姿态调整。

与传统曲面复眼结构不同,提出了在曲面基底上设计非均一微透镜阵列的构想。整个透镜阵列呈环状对称分布,沿径向排列的各级透镜其焦距由所处位置决定,与基底到光探测阵列的距离相吻合。根据几何光学成像原理计算了各级透镜的设计参数并通过光线追迹加以验证。仿真结果表明,这种设计可对全视场在光探测阵列上聚焦,解决了传统曲面复眼边缘视场成像质量急剧下降的问题。同时还论证了采用光刻胶热熔法在曲面基底上制作非均一微透镜阵列的可行性。

人造复眼成像系统具有体积小、功耗低、视角范围广等优点，是一种应用前景非常广阔的光成像系统。综述了人造复眼成像系统的研究背景及最新的研究进展，其中包括基于不同仿生设计理念的各种新型人造复眼结构以及能够实现诸如彩色成像、指纹识别、全视角成像等新功能的实验系统；展望了人造复眼成像系统今后的研究方向。