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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(dòng)檢測(cè)

更新時(shí)間：2025-03-07點(diǎn)擊次數(shù)：216
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(dòng)物，如昆蟲(chóng)和甲殼動(dòng)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(xiàn)，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(dòng)感知能力。科學(xué)家們?cè)噲D通過(guò)人工復(fù)眼來(lái)模擬這種自然視覺(jué)系統(tǒng)，以期在機(jī)器人視覺(jué)、無(wú)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(dòng)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(chǎng)角、成像質(zhì)量和動(dòng)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(dòng)態(tài)感知速度。通過(guò)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(dòng)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(mǎn)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(lái)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(chǎng)（FOV）、良好的深度感知和快速運(yùn)動(dòng)跟蹤能力。與之相比，以往的ACEs通常局限于較小的視場(chǎng)和較低的成像質(zhì)量。ACEcam的設(shè)計(jì)克服了這些限制，通過(guò)模仿自然復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了180°的全景視場(chǎng)和實(shí)時(shí)、高分辨率的成像。


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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(dòng)態(tài)檢測(cè)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(guò)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(xiàn)。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(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(guò)程。圖2e描述了錐形微透鏡光纖的制造流程。這個(gè)過(guò)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(guò)電鍍和模塑工藝來(lái)制造光纖。

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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。


figure 5

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(guò)從多個(gè)角度（從-90°到90°，步長(zhǎng)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(chǎng)。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(guò)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(xiàn)性關(guān)系來(lái)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(wú)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(wú)人機(jī)領(lǐng)域，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。


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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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的先進(jìn)性能，包括其對(duì)光學(xué)流的高靈敏度響應(yīng)、對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中心的準(zhǔn)確識(shí)別、以及對(duì)超高角速度的快速感知能力。如圖5a所示，ACEcam在垂直移動(dòng)面前的棋盤(pán)格圖案時(shí)，能夠捕捉到均勻方向和長(zhǎng)度的光學(xué)流矢量，證明了其在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的可靠性和穩(wěn)定性。圖5b通過(guò)識(shí)別旋轉(zhuǎn)中心，展示了ACEcam在追蹤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面的能力。圖5c至圖5e通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，包括接近人類(lèi)視覺(jué)極限的光流響應(yīng)測(cè)試和超快速角速度下的光流響應(yīng)測(cè)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(dòng)態(tài)檢測(cè)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。最后，圖5f和g通過(guò)對(duì)比自然復(fù)眼和人工復(fù)眼的信號(hào)傳輸路徑，揭示了ACEcam在信號(hào)處理效率上的優(yōu)勢(shì)，這是其超快速動(dòng)態(tài)感知能力的關(guān)鍵所在。這些測(cè)試結(jié)果共同證明了ACEcam在動(dòng)態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，特別是在需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合，如機(jī)器人視覺(jué)跟蹤、高速運(yùn)動(dòng)分析等。


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圖5. ACEcam的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)檢測(cè) a：垂直移動(dòng)中的光學(xué)流檢測(cè) b：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的光學(xué)流檢測(cè) c：超高角速度響應(yīng)測(cè)試裝置 d：超高角速度響應(yīng)測(cè)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(hào)傳輸路徑 g：人工復(fù)眼的信號(hào)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(guò)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(chǎng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，使其在監(jiān)控、無(wú)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(guò)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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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。