基于光纖的人工復(fù)眼用于直接靜態(tài)成像和超快運(yùn)動檢測

更新時(shí)間：2025-03-07

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隨著光子學(xué)和微納米技術(shù)的飛速發(fā)展，人工復(fù)眼（ACE）技術(shù)受到研究者們的極大關(guān)注。自然界中的許多節(jié)肢動物，如昆蟲和甲殼動物，擁有由許多小眼組成的復(fù)眼，每個(gè)小眼都是一個(gè)單獨(dú)的感光單元，能夠從不同的角度捕捉光線，共同構(gòu)建一幅完整的圖像。這種結(jié)構(gòu)賦予了它們廣闊的視野和敏捷的運(yùn)動感知能力。科學(xué)家們試圖通過人工復(fù)眼來模擬這種自然視覺系統(tǒng)，以期在機(jī)器人視覺、無人機(jī)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破。然而，當(dāng)前的人工復(fù)眼技術(shù)在靜態(tài)圖像捕捉和動態(tài)目標(biāo)跟蹤方面仍存在局限，難以與自然復(fù)眼相媲美。大多數(shù)人工復(fù)眼采用平面微透鏡陣列，這種設(shè)計(jì)易于制造，但在視場角、成像質(zhì)量和動態(tài)響應(yīng)等方面存在諸多不足。

為了解決這些挑戰(zhàn)，香港理工大學(xué)的張需明教授及其團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)了一種新型人工復(fù)眼。該設(shè)計(jì)采用了271個(gè)透鏡聚合物光纖，模擬自然復(fù)眼的構(gòu)造，以期實(shí)現(xiàn)更廣泛的視野和更高的動態(tài)感知速度。通過深入研究自然復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)其半球形形狀和小眼的排列是實(shí)現(xiàn)高效成像和快速運(yùn)動感知的關(guān)鍵。因此，新型人工復(fù)眼在光學(xué)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在《Light: Science & Applications》上，標(biāo)題為“Optical fibre based artificial compound eyes for direct static imaging and ultrafast motion detection"。

圖1展示了自然復(fù)眼（NCEs）和人工復(fù)眼（ACEs）的比較，以及人工復(fù)眼ACEcam的設(shè)計(jì)靈感來源。自然復(fù)眼由許多小眼組成，這些小眼排列在曲面上，具有全景視場（FOV）、良好的深度感知和快速運(yùn)動跟蹤能力。與之相比，以往的ACEs通常局限于較小的視場和較低的成像質(zhì)量。ACEcam的設(shè)計(jì)克服了這些限制，通過模仿自然復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了180°的全景視場和實(shí)時(shí)、高分辨率的成像。

圖1. ACEcam的人造復(fù)眼的概念和原理 a：自然復(fù)眼的圖像 b：自然小眼面的原理 c：自然復(fù)眼的構(gòu)造 d：靜態(tài)全景成像和動態(tài)檢測的比較 e：人工小眼面的構(gòu)造 f：人工復(fù)眼的構(gòu)造。

圖2揭示了ACEcam的組裝和工作原理。如圖a所示，是塑料光纖末端的錐形微透鏡的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖中可以清晰地看到微透鏡的形狀和結(jié)構(gòu)。這種錐形微透鏡設(shè)計(jì)有助于控制光纖的接收角度，從而提高成像分辨率。圖2b展示了ACEcam的光接收頭部的頂視圖。通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch^® S140，精度：10μm）制造的圓頂結(jié)構(gòu)，集成了271個(gè)帶有錐形微透鏡的光纖末端（圖3）。這些光纖的排列模擬了自然復(fù)眼的排列方式，使得ACEcam能夠從不同角度收集光線。圖2c提供了ACEcam的完整組裝圖?？梢钥吹?，光纖被集成到3D打印的圓頂結(jié)構(gòu)中，并且與成像透鏡和成像傳感器芯片相結(jié)合，形成了一個(gè)完整的成像系統(tǒng)。圖2d闡釋了ACEcam的圖像形成過程。圖2e描述了錐形微透鏡光纖的制造流程。這個(gè)過程包括使用3D打印技術(shù)制造帶有錐形槽的模板，然后通過電鍍和模塑工藝來制造光纖。

圖2. ACEcam 的工作原理和制備 a：光纖上錐形微透鏡的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像 b：ACEcam光接收頭的俯視圖 c：組裝好的ACEcam照片 d：圖像形成的概念 e：錐形微透鏡光纖的制造工藝流程。

圖3. a：一張用鑷子夾住的圓頂?shù)恼掌?b：圓頂的設(shè)計(jì) c：打孔堆的照片 d：螺紋空心管的設(shè)計(jì)，將用于容納圓頂和堆料器。

圖4展示了基于光纖的人工復(fù)眼（ACEcam）在靜態(tài)成像和深度估計(jì)方面的能力。通過從多個(gè)角度（從-90°到90°，步長為22.5°）照射激光斑點(diǎn)，ACEcam能夠捕捉到大小、亮度和角度位置高度一致的圖像，證明了其180°的廣闊視場。此外，ACEcam還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)全景直接成像，并且能夠估計(jì)物體的距離，這通過分析不同距離下圖像的點(diǎn)擴(kuò)散參數(shù)與物體距離的倒數(shù)之間的線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。圖中還展示了在不同極坐標(biāo)角度下捕捉到的“HK"字母圖像，以及用于驗(yàn)證ACEcam幾乎無限景深的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，即使在不同距離下，圖像焦點(diǎn)仍然保持清晰。這些特性使ACEcam在多種應(yīng)用領(lǐng)域，如監(jiān)控和無人機(jī)領(lǐng)域，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖4. ACEcam的靜態(tài)成像和深度估計(jì) a：不同角度下的激光斑點(diǎn)圖 b：大學(xué)標(biāo)志的圖像 c和d：深度估計(jì) e：不同極角下的HK圖像 f：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 g：不同距離下的物體圖像。

圖5展示了ACEcam在動態(tài)運(yùn)動檢測領(lǐng)域的先進(jìn)性能，包括其對光學(xué)流的高靈敏度響應(yīng)、對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中心的準(zhǔn)確識別、以及對超高角速度的快速感知能力。如圖5a所示，ACEcam在垂直移動面前的棋盤格圖案時(shí)，能夠捕捉到均勻方向和長度的光學(xué)流矢量，證明了其在動態(tài)運(yùn)動檢測中的可靠性和穩(wěn)定性。圖5b通過識別旋轉(zhuǎn)中心，展示了ACEcam在追蹤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方面的能力。圖5c至圖5e通過一系列實(shí)驗(yàn)，包括接近人類視覺極限的光流響應(yīng)測試和超快速角速度下的光流響應(yīng)測試，驗(yàn)證了ACEcam能夠響應(yīng)高達(dá)5.6×10^6度/秒的角速度，這在高速動態(tài)檢測應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。最后，圖5f和g通過對比自然復(fù)眼和人工復(fù)眼的信號傳輸路徑，揭示了ACEcam在信號處理效率上的優(yōu)勢，這是其超快速動態(tài)感知能力的關(guān)鍵所在。這些測試結(jié)果共同證明了ACEcam在動態(tài)檢測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，特別是在需要快速響應(yīng)的場合，如機(jī)器人視覺跟蹤、高速運(yùn)動分析等。

圖5. ACEcam的動態(tài)運(yùn)動檢測 a：垂直移動中的光學(xué)流檢測 b：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中的光學(xué)流檢測 c：超高角速度響應(yīng)測試裝置 d：超高角速度響應(yīng)測試裝置 e：超高角速度下的光流響應(yīng) f：自然復(fù)眼的信號傳輸路徑 g：人工復(fù)眼的信號傳輸路徑。

總結(jié)：這篇文獻(xiàn)介紹了一種創(chuàng)新的基于光纖的人工復(fù)眼（ACEcam），它通過集成271個(gè)帶錐形微透鏡的聚合物光纖，成功模仿了自然復(fù)眼的寬視場和高分辨率成像能力。ACEcam不僅實(shí)現(xiàn)了180°的全景直接成像，還具備了超快的動態(tài)響應(yīng)能力，使其在監(jiān)控、無人機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。制造過程中，研究人員采用了3D打印、電鍍和模塑工藝精確地將微透鏡安裝在光纖末端，優(yōu)化了光纖的光學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了ACEcam在靜態(tài)成像和深度估計(jì)上的高準(zhǔn)確性，以及在動態(tài)運(yùn)動檢測上的超快速響應(yīng)，展示了其在模擬自然復(fù)眼結(jié)構(gòu)和功能方面的巨大潛力。