在机器人、医疗设备、航空航天、制导武器、光电子等高科技领域的迅速发展下,由于单眼镜头已无法满足多模式拍摄、全息拍摄、快速追踪拍摄等多种场合应用需求,多镜头集成光学元件的应用逐渐成为视觉系统的发展趋势。仿生复眼具有灵敏度高、结构紧凑、分辨率高等优点,被广泛应用于微型追踪器、微型飞行器、医疗影像等精密视觉领域。但是现有的仿生复眼结构存在着光能透过率低、视场角小、图像缺失或重叠等问题,导致仿生复眼成像质量较低,应用领域受限。为解决上述问题,本文建立了一种高透光率、大视场角、精准成像的曲面仿生复眼模型,并开展了结构分析设计、边缘像质优化、微米级一体化加工以及光学性能测试等研究工作。首先,本文通过昆虫复眼中各组成元件的仿生分析,提出一种由微透镜阵列层和针孔阵列层耦合的曲面仿生复眼结构,该仿生复眼的理论视场角可达107.48°×97.97°。本文对所设计复眼结构进行了光线追踪、光能透过率分析以及模拟成像检测,结果表明:该复眼结构与单层曲面复眼结构相比,相邻子眼通道间的光学信息串扰的现象明显减少;与平面仿生复眼相比,光能透过率更高;该仿生复眼结构具有较高的分辨率,但边缘处的子眼成像质量较差,这是目前曲面仿生复眼存在的普遍问题,也是本文后续要解决的问题。其次,为解决曲面复眼边缘子眼像质低的问题,通过对子眼同光轴系统中光线传播、转换、接收的分析,建立了仿生复眼模型的光线矩阵,阐明了导致边缘像质较差的原因。通过分析针孔末端与像面的相对位置关系,提出针孔长度逐级递减的优化方法。通过对优化前后的结构进行模拟成像仿真分析,验证了优化后的曲面仿生复眼结构对边缘子眼成像畸变校正的有效性。最后,为避免仿生复眼各组成部分在安装调试过程中的误差,本文利用飞秒激光双光子聚合加工技术,实现了微米级仿生复眼的一体化加工。通过研究不同激光功率对子眼尺寸及光学性能的影响关系,实现了激光功率的优化。分别利用扫描电镜和白光干涉仪对加工结构进行检测,获得了仿生复眼的自装配结构图像。结构尺寸与理论设计尺寸的基本吻合,且光学表面质量较高。为检测本文设计及优化后仿生复眼结构的光学性能,自主搭建了成像检测系统,并对优化前后的仿生复眼进行光斑分析和图像采集对比。结果证明,本文设计的仿生复眼结构具有与昆虫复眼相似的成像功能,验证了所提优化方法在解决曲面复眼边缘像质低的有效性。