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薄膜的制备条件,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,针对传统光学变焦系统的局限性,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ZJUSY-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,ZJUSY-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ZJUSY-Ⅰ的光学性能。第五章,针对ZJUSY-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,ZJUSY-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。