受昆虫复眼启发，吉林大学开发出微型光电复眼相机
2022-10-02 11:11:32 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

吉林大学电子科学与工程学院张永来教授课题组通过飞秒激光双光子聚合制备了具有19~160个对数轮廓型小眼的聚合物复眼（CE），成功开发一种光电集成微型复眼相机，可实现大视场成像、空间位置识别和运动目标的灵敏轨迹监测。

据麦姆斯咨询报道，近日，吉林大学电子科学与工程学院张永来教授课题组通过飞秒激光双光子聚合制备了具有19~160个对数轮廓型小眼的聚合物复眼（compound eye，CE），成功开发一种光电集成微型复眼（μ-CE）相机，可实现大视场成像（90°）、空间位置识别和运动目标的灵敏轨迹监测。仿生昆虫的光电微型复眼相机为成熟的平面成像传感器与复杂的微光学元件集成提供了一条实用的途径，在内窥镜和机器人视觉的前沿应用方面具有广阔的前景。

昆虫的天然复眼是一种先进而复杂的成像系统，由许多紧密排列且半球形分布的小眼组成。每个小眼作为一个独立的光敏单元，且彼此相互合作形成一个整体，以实现猎物识别和敌人防御。值得注意的是，昆虫复眼具有体积小、无失真成像、宽视场（FOV）和灵敏的运动跟踪能力等优势，激发了人工复眼的创新，旨在克服现有成像技术的局限性，提高其在医疗内窥镜、全景成像、微导航和机器人视觉方面的性能。

为了开发光电集成复眼系统，可以将独立的小眼（微透镜）连接到单个光电探测器上。具有曲面分布的相机阵列可以协同工作，并作为光电复眼发挥功能。然而，由于复杂复眼和商用成像传感器的不兼容性，导致整个复眼系统的进一步小型化变得十分具有挑战。目前，关于特征尺寸与昆虫复眼相当的光电集成复眼相机的报道仍然很少。

在本项研究中，面临的主要挑战是当光电系统的特征尺寸减小到微米级时，如何克服全向分布小眼的非平面成像与商用CCD/CMOS探测器的平面探测之间的不匹配。为了克服离焦问题，研究人员通过飞秒激光双光子聚合（FL-TPP）制备了具有特殊表面轮廓的聚合物复眼，其特征尺寸与蚊子复眼相近。特别地，每个小眼的轮廓是按照对数函数设计的，可以显著增加小眼的景深和焦距。所获得的微型复眼可与商用CMOS图像传感器（豪威OV9734）集成，形成光电集成微型复眼相机。

光电复眼相机的设计和制造

研究人员所开发的光电微型复眼相机具有19~160个对数小眼，可以独立或同时成像，能够实现大视场成像（90°）、空间位置识别和移动目标的灵敏轨迹监控。在一个典型的演示中，可以根据微型复眼相机记录的实时视频重建活甲虫的运动轨迹。此外，利用其小尺寸和独特的成像能力，微型复眼相机可以与微流控器件集成，用作实时监测活微生物的片上相机。采用基于反向传播（back propagation，BP）神经网络的机器学习方法对微型复眼相机进行标定，首先对已知参数目标进行成像，在此基础上，从实时视频中重建出草履虫在5s内的三维运动轨迹。

光电微型复眼相机的成像能力