中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院張永來(lái)教授課題組通過(guò)飛秒激光雙光子聚合制備了具有19~160個(gè)對數輪廓型小眼的聚合物復眼（compound eye，CE），成功開(kāi)發(fā)一種光電集成微型復眼（μ-CE）相機，可實(shí)現大視場(chǎng)成像（90°）、空間位置識別和運動(dòng)目標的靈敏軌跡監測。仿生昆蟲(chóng)的光電微型復眼相機為成熟的平面成像傳感器與復雜的微光學(xué)元件集成提供了一條實(shí)用的途徑，在內窺鏡和機器人視覺(jué)的前沿應用方面具有廣闊的前景。
昆蟲(chóng)的天然復眼是一種先進(jìn)而復雜的成像系統，由許多緊密排列且半球形分布的小眼組成。每個(gè)小眼作為一個(gè)獨立的光敏單元，且彼此相互合作形成一個(gè)整體，以實(shí)現獵物識別和敵人防御。值得注意的是，昆蟲(chóng)復眼具有體積小、無(wú)失真成像、寬視場(chǎng)（FOV）和靈敏的運動(dòng)跟蹤能力等優(yōu)勢，激發(fā)了人工復眼的創(chuàng )新，旨在克服現有成像技術(shù)的局限性，提高其在醫療內窺鏡、全景成像、微導航和機器人視覺(jué)方面的性能。
為了開(kāi)發(fā)光電集成復眼系統，可以將獨立的小眼（微透鏡）連接到單個(gè)光電探測器上。具有曲面分布的相機陣列可以協(xié)同工作，并作為光電復眼發(fā)揮功能。然而，由于復雜復眼和商用成像傳感器的不兼容性，導致整個(gè)復眼系統的進(jìn)一步小型化變得十分具有挑戰。目前，關(guān)于特征尺寸與昆蟲(chóng)復眼相當的光電集成復眼相機的報道仍然很少。
在本項研究中，面臨的主要挑戰是當光電系統的特征尺寸減小到微米級時(shí)，如何克服全向分布小眼的非平面成像與商用CCD/CMOS探測器的平面探測之間的不匹配。為了克服離焦問(wèn)題，研究人員通過(guò)飛秒激光雙光子聚合（FL-TPP）制備了具有特殊表面輪廓的聚合物復眼，其特征尺寸與蚊子復眼相近。特別地，每個(gè)小眼的輪廓是按照對數函數設計的，可以顯著(zhù)增加小眼的景深和焦距。所獲得的微型復眼可與商用CMOS圖像傳感器（豪威OV9734）集成，形成光電集成微型復眼相機。
光電復眼相機的設計和制造
研究人員所開(kāi)發(fā)的光電微型復眼相機具有19~160個(gè)對數小眼，可以獨立或同時(shí)成像，能夠實(shí)現大視場(chǎng)成像（90°）、空間位置識別和移動(dòng)目標的靈敏軌跡監控。在一個(gè)典型的演示中，可以根據微型復眼相機記錄的實(shí)時(shí)視頻重建活甲蟲(chóng)的運動(dòng)軌跡。此外，利用其小尺寸和獨特的成像能力，微型復眼相機可以與微流控器件集成，用作實(shí)時(shí)監測活微生物的片上相機。采用基于反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的機器學(xué)習方法對微型復眼相機進(jìn)行標定，首先對已知參數目標進(jìn)行成像，在此基礎上，從實(shí)時(shí)視頻中重建出草履蟲(chóng)在5s內的三維運動(dòng)軌跡?。
光電微型復眼相機的成像能力
用于活微生物監測的片上相機
簡(jiǎn)而言之，具有集成光電系統的微型復眼相機的開(kāi)發(fā)非常重要，這使得從昆蟲(chóng)的角度看世界成為可能。這款微型復眼相機具有小尺寸、輕量化、便攜性和多向全方位成像能力等特點(diǎn)，在機器人視覺(jué)、醫學(xué)內窺鏡、微型導航、運動(dòng)目標跟蹤和許多其他顯微視覺(jué)領(lǐng)域的尖端應用中前景廣闊。
