基于光纖的人工復眼用于直接靜態成像和超快運動檢測

更新時間：2025-03-07

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隨著光子學和微納米技術的飛速發展，人工復眼（ACE）技術受到研究者們的極大關注。自然界中的許多節肢動物，如昆蟲和甲殼動物，擁有由許多小眼組成的復眼，每個小眼都是一個單獨的感光單元，能夠從不同的角度捕捉光線，共同構建一幅完整的圖像。這種結構賦予了它們廣闊的視野和敏捷的運動感知能力。科學家們試圖通過人工復眼來模擬這種自然視覺系統，以期在機器人視覺、無人機導航、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等領域實現技術突破。然而，當前的人工復眼技術在靜態圖像捕捉和動態目標跟蹤方面仍存在局限，難以與自然復眼相媲美。大多數人工復眼采用平面微透鏡陣列，這種設計易于制造，但在視場角、成像質量和動態響應等方面存在諸多不足。

為了解決這些挑戰，香港理工大學的張需明教授及其團隊最近研發了一種新型人工復眼。該設計采用了271個透鏡聚合物光纖，模擬自然復眼的構造，以期實現更廣泛的視野和更高的動態感知速度。通過深入研究自然復眼的結構，他們發現其半球形形狀和小眼的排列是實現高效成像和快速運動感知的關鍵。因此，新型人工復眼在光學設計上進行了優化，并在結構上進行了創新，以更好地滿足實際應用的需求。相關內容發表在《Light: Science & Applications》上，標題為“Optical fibre based artificial compound eyes for direct static imaging and ultrafast motion detection"。

圖1展示了自然復眼（NCEs）和人工復眼（ACEs）的比較，以及人工復眼ACEcam的設計靈感來源。自然復眼由許多小眼組成，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量。ACEcam的設計克服了這些限制，通過模仿自然復眼的結構，實現了180°的全景視場和實時、高分辨率的成像。

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

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構。這種錐形微透鏡設計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（nanoArch^® S140，精度：10μm）制造的圓頂結構，集成了271個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。可以看到，光纖被集成到3D打印的圓頂結構中，并且與成像透鏡和成像傳感器芯片相結合，形成了一個完整的成像系統。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。這個過程包括使用3D打印技術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的照片 b：圓頂的設計 c：打孔堆的照片 d：螺紋空心管的設計，將用于容納圓頂和堆料器。

圖4展示了基于光纖的人工復眼（ACEcam）在靜態成像和深度估計方面的能力。通過從多個角度（從-90°到90°，步長為22.5°）照射激光斑點，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還能夠進行實時全景直接成像，并且能夠估計物體的距離，這通過分析不同距離下圖像的點擴散參數與物體距離的倒數之間的線性關系來實現。圖中還展示了在不同極坐標角度下捕捉到的“HK"字母圖像，以及用于驗證ACEcam幾乎無限景深的實驗設置，即使在不同距離下，圖像焦點仍然保持清晰。這些特性使ACEcam在多種應用領域，如監控和無人機領域，具有潛在的應用價值。

圖4. ACEcam的靜態成像和深度估計 a：不同角度下的激光斑點圖 b：大學標志的圖像 c和d：深度估計 e：不同極角下的HK圖像 f：實驗裝置示意圖 g：不同距離下的物體圖像。

圖5展示了ACEcam在動態運動檢測領域的先進性能，包括其對光學流的高靈敏度響應、對旋轉運動中心的準確識別、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，能夠捕捉到均勻方向和長度的光學流矢量，證明了其在動態運動檢測中的可靠性和穩定性。圖5b通過識別旋轉中心，展示了ACEcam在追蹤旋轉運動方面的能力。圖5c至圖5e通過一系列實驗，包括接近人類視覺極限的光流響應測試和超快速角速度下的光流響應測試，驗證了ACEcam能夠響應高達5.6×10^6度/秒的角速度，這在高速動態檢測應用中具有顯著優勢。最后，圖5f和g通過對比自然復眼和人工復眼的信號傳輸路徑，揭示了ACEcam在信號處理效率上的優勢，這是其超快速動態感知能力的關鍵所在。這些測試結果共同證明了ACEcam在動態檢測領域的廣泛應用潛力，特別是在需要快速響應的場合，如機器人視覺跟蹤、高速運動分析等。

圖5. ACEcam的動態運動檢測 a：垂直移動中的光學流檢測 b：旋轉運動中的光學流檢測 c：超高角速度響應測試裝置 d：超高角速度響應測試裝置 e：超高角速度下的光流響應 f：自然復眼的信號傳輸路徑 g：人工復眼的信號傳輸路徑。

總結：這篇文獻介紹了一種創新的基于光纖的人工復眼（ACEcam），它通過集成271個帶錐形微透鏡的聚合物光纖，成功模仿了自然復眼的寬視場和高分辨率成像能力。ACEcam不僅實現了180°的全景直接成像，還具備了超快的動態響應能力，使其在監控、無人機和虛擬現實等領域具有廣泛的應用潛力。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，優化了光纖的光學性能。實驗結果驗證了ACEcam在靜態成像和深度估計上的高準確性，以及在動態運動檢測上的超快速響應，展示了其在模擬自然復眼結構和功能方面的巨大潛力。