供稿人:鐘琪 田小永 李滌塵 發(fā)布日期：2017-06-26
近日，來自德國斯圖加特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用微納3D打印技術(shù)，在一枚芯片上打印了4組微型透鏡，來模擬那些掠食鳥類的視覺系統(tǒng)，如圖1。這些沙粒大小的微型透鏡適合安裝到微型及小型無人機(jī)上，用于導(dǎo)航和對周圍環(huán)境攝像。
圖1 四組3D打印一體成型的透鏡系統(tǒng)
這些微型透鏡的工作原理模仿了人類和很多脊椎類動(dòng)物的“漏斗狀”視覺（"foveated" vision），即視覺中心最清晰，而邊緣則比較模糊，如圖2。與常規(guī)圖像相比，這相機(jī)能夠快速而準(zhǔn)確的采集視野中心的物體，并可以減少所需的功率和處理時(shí)間。該優(yōu)點(diǎn)可允許小型機(jī)器人在保證其自我安全的同時(shí)，還能夠?qū)⒔^大部分的“精力”用于處理手頭的任務(wù)上。
圖3 漏斗狀視野匯聚了更多的細(xì)節(jié)在圖像中央，而外圍逐漸模糊
這個(gè)相機(jī)不像普通相機(jī)采用單獨(dú)1組透鏡，而是在同一個(gè)CMOS圖像傳感器上安裝了4組有不同焦距和視角的透鏡，形成一個(gè)多孔徑的相機(jī)。圖像傳感器可以綜合四組透鏡采集的圖像信息合成一張圖像，如圖3。這種獨(dú)特的多鏡頭設(shè)計(jì)，使其具有極高的分辨率并能夠獲取遠(yuǎn)處的細(xì)節(jié)圖像，而其他周邊的鏡頭則能提供優(yōu)異的廣角視野（其分辨率略小于前者）。為此，其視覺系統(tǒng)可以與那些掠食鳥類相媲美。研究人員也將其戲稱為“鷹眼”相機(jī)。
圖3 (A) 位于圖像傳感器上，四組不同焦距與視角的透鏡組; (B) 四組透鏡獲取的圖像信息融合; (C) 透鏡組的電鏡圖像; (D) 透鏡組的光學(xué)顯微圖像
雖然斯圖加特大學(xué)的“鷹眼”鏡頭仍然有微觀層的分離，但是鏡頭的設(shè)計(jì)掩蓋這個(gè)缺點(diǎn)，讓它變得無傷大體。根據(jù)光學(xué)原理，光線自上而下透過，而不是從側(cè)面透過，這樣微觀層的問題就不會影響光線的走向。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)有一定的局限性。例如，現(xiàn)在只能使用一種類型的塑料材料來附加地制造透鏡。而多材料透鏡可以提供更好的平衡色差，這將減少視覺失真的機(jī)會。
“3D 相機(jī)”研究團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃，是進(jìn)一步減小相機(jī)的尺寸。德國斯圖加特大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家阿羅伊斯·赫爾科默說道，“目前，我們使用的是商業(yè)圖像傳感器，其周圍還附帶了其他電子元器件與電路。但是從本質(zhì)上來看，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)能夠用于僅由鏡頭、傳感器與電池組成的超微型系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的尺寸將僅為1毫米見方。因此，你可以將這一系統(tǒng)用于負(fù)責(zé)安保監(jiān)視的無人機(jī)，或者是工廠中的機(jī)械臂上。”