动物在和外界环境交互时,视觉系统所获取的信息占据总信息量的80%以上,可见视觉系统的重要性。在自然界中,除了人眼这种单眼视觉系统之外还有一种广泛存在的复眼视觉系统,主要分布于节肢类动物中。生活中常见的蜜蜂、蜻蜓、苍蝇和蚱蜢等都有一对复眼。不同于单眼,复眼由很多排列在曲面上的小眼组成。由于复眼视觉系统具有体积小、视场大、灵敏度高和对运动物体敏感等优点,在飞行器和机器人导航、医学检测、探测和跟踪等光学领域有着巨大应用潜力。因此,仿生复眼系统的研究引起了各国研究人员的广泛关注。仿生复眼系统的研究由来已久,刚开始由于制作工艺和技术的限制曲面复眼系统研究进展缓慢,研究人员主要集中于平面型复眼系统的研究。近年来随着柔性材料和微纳加工技术的发展,曲面复眼系统取得很大进展,但仍然存在分辨率低等缺陷且目前仿生复眼的设计制作缺少完善的理论指导。因此,我们在研究生物复眼结构的基础上提出了仿生曲面复眼设计的模型并推导出相关参数约束条件。分类总结出仿生曲面复眼的实现方案主要有两大类:结构仿生曲面复眼和原理仿生曲面复眼。其中,原理仿生曲面复眼又分为多相机式仿生曲面复眼和像面变换式仿生曲面复眼。根据仿生曲面复眼的特性提出了仿生曲面复眼主要功能实现原理,如大视场图像重构原理、目标快速定位原理、目标快速识别原理和精密测速原理等。在提出的仿生曲面复眼设计模型的基础上,我们设计制作了两种仿生曲面复眼系统-微透镜仿生曲面复眼系统和小透镜仿生曲面复眼系统。两种系统都主要包含三个部分:曲面透镜阵列、光学中继转像系统和CMOS图像传感器。系统结构和生物复眼结构(主要包括角膜透镜、晶锥和被感光细胞包围的感杆束)相似。其中,微透镜仿生曲面复眼系统主要采用软光刻技术、热形变技术以及光学加工技术制作而成。包含小眼4400个,视场角为122.4°,相邻小眼夹角为1.7°,小眼视场角为2.4°。小透镜仿生曲面复眼系统主要采用3D打印技术和光学加工技术制作而成。包含小眼117个,视场角为143.6°,相邻小眼夹角为9°,小眼视场角为15°。在设计制作的两种仿生曲面复眼系统基础上,我们编程实现了仿生曲面复眼的大视场图像重构、目标快速定位和识别等功能。其中大视场图像重构不仅重构出大视场球面图像还重构出大视场平面无畸变图像。设计制作的两种仿生曲面复眼系统具有的功能是传统成像系统所不能实现的,从而弥补了传统成像系统的很多缺陷。在大视场监测、飞行器卫星等预警、导弹制导、目标跟踪和定位、精密测速等领域有着巨大的应用潜力。根据以上主要工作内容,本论文主要创新点总结如下:1)在研究生物复眼的基础上建立了仿生曲面复眼模型并推导出主要的参数约束条件。根据仿生曲面复眼的特性提出一些新的功能和应用,如目标快速定位、快速识别以及精密测速等,提出的复眼定位和识别比传统成像系统计算速度快几百至几千倍。2)在提出的仿生曲面复眼设计模型基础上,分类总结出仿生曲面复眼的实现方案共两大类:结构仿生曲面复眼和原理仿生曲面复眼,其中原理仿生曲面复眼又分为多相机式仿生曲面复眼和像面变换式仿生曲面复眼。且对所有分类都给出相应的实现模型。3)在提出的仿生曲面复眼设计模型基础上,我们设计制作了微透镜仿生曲面复眼系统和小透镜仿生曲面复眼系统。系统引入一个像面变换系统,把曲面透镜阵列所成的焦曲面像变换为焦平面像,进而被平面图像传感器采样为数字图像。两种系统都主要包含三个组成部分:曲面透镜阵列、光学中继转像系统和CMOS图像传感器,分别和生物复眼的角膜透镜、晶锥和感杆束相对应。4)在设计制作的两种仿生曲面复眼系统基础上,我们提出一种大视场图像重构算法-逆成像算法。该算法根据图像复原为成像过程的逆过程提出,并在该算法基础上我们实现了大视场图像的球面图像重构和渲染以及大视场平面图像重构。