基于復(fù)眼設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)有寬廣的視角和無限的景深。節(jié)肢動(dòng)物的眼睛有著哺乳動(dòng)物不能相比的光學(xué)特性。節(jié)肢動(dòng)物的眼睛，是由一種叫做小眼的獨(dú)立成像元件組成的彎曲陣列，這種眼睛能夠提供寬視角和大幅度增加的景深。
圖1：用不同的方式看世界：仿生節(jié)肢動(dòng)物相機(jī)
伊利諾伊大學(xué)香檳分校John Rogers領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，把這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)復(fù)制到相機(jī)上。他們使用彈性復(fù)合光學(xué)元件和由超薄硅光電探測(cè)器組成的可變形矩陣，制造了一種仿生節(jié)肢動(dòng)物相機(jī)。這項(xiàng)成果發(fā)表在《自然》雜志上。
以前，將復(fù)眼結(jié)構(gòu)復(fù)制到相機(jī)上，使用的方法包括制造大規(guī)模手工復(fù)制品，將獨(dú)立CCD芯片或光電探測(cè)器與大量透鏡置于半圓頂室中；使用固定在CCD芯片上的平面微透鏡矩陣。這兩種方法證都沒有獲得完全的成功。
Rogers說：“第一種方法不能輕易地縮小尺寸或者提高分辨率，而第二種方法則無法利用半球外形關(guān)鍵的獨(dú)有特點(diǎn)。”為了克服這些束縛，新設(shè)計(jì)由兩個(gè)主要的子系統(tǒng)構(gòu)成，兩個(gè)子系統(tǒng)最初都借助于平面幾何學(xué)完成制作。
光學(xué)成像功能是由一個(gè)微凸透鏡組成的彈性矩陣提供的，這些微凸透鏡的材料是PDMS聚合物。在光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)上方的位置，布滿了聚酰亞胺經(jīng)壓縮形成的細(xì)小絲狀物。這種光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)中，硅二極管在特定的焦點(diǎn)處排列成一個(gè)匹配的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
這些光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)一旦結(jié)合在一起，被小心地塑造成半圓形結(jié)構(gòu)，可以模擬節(jié)肢動(dòng)物眼睛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
“平面裝置結(jié)構(gòu)學(xué)和制造技術(shù)是用于傳統(tǒng)CCD和集成電路的，但是我們卻用其中的基本流程來實(shí)現(xiàn)半球形狀的設(shè)計(jì)，這是工作的一個(gè)關(guān)鍵方面。”他說。“我們把彈性微系統(tǒng)光學(xué)和可伸縮電子元件的概念結(jié)合起來，再加入了一些額外的想法，構(gòu)成了一個(gè)奇特的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以先在平面布局中構(gòu)造出來，隨后就像一個(gè)氣球一樣膨脹起來，實(shí)現(xiàn)我們需要的3D半球形構(gòu)造，這個(gè)過程是可以精確控制的。”其最終結(jié)構(gòu)有180個(gè)成像元件，這些元件呈160度半球形狀。
圖2：復(fù)眼系統(tǒng)在某些方面超越了人類眼睛
這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的分辨率在根本上取決于視覺元件的數(shù)目。但是在自然界中，這個(gè)缺陷就被某些哺乳動(dòng)物所不具備的光學(xué)特性彌補(bǔ)掉了。而且這種相機(jī)已經(jīng)開始展示這些特性如何投入實(shí)際使用。
該系統(tǒng)不僅可以在不存在離軸像差的情況下實(shí)現(xiàn)廣角視場(chǎng)，而且具有幾乎無限的景深。他們通過安裝在電路板上的完整相機(jī)，為帶有幾何形狀和線條藝術(shù)的插圖成像，證明了系統(tǒng)的兩種特性。
Rogers說：“從目前我們所能實(shí)現(xiàn)的——火螞蟻或者樹皮甲蟲的眼睛，發(fā)展到蜻蜓或者螳螂的眼睛。如果發(fā)展得更進(jìn)一步，可以涵蓋生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的任何生物。”
系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是光刻蝕和薄膜處理的使用方式，小眼數(shù)目越多，自然意味著更小的尺寸和更高的分辨率。Rogers提出，無塵設(shè)備、制造能力等相關(guān)的限制，是目前影響小眼數(shù)量實(shí)現(xiàn)的主要因素。
既然這種新設(shè)計(jì)已經(jīng)顯示出其優(yōu)越性，隨著該相機(jī)的商業(yè)化，也許可以替代小型飛行器和醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中的魚眼鏡頭。
此外，還提供了一條生產(chǎn)更大、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造業(yè)路線。Rogers評(píng)論道：“據(jù)我們所知，這臺(tái)仿生相機(jī)是第一個(gè)把可伸縮材料和生產(chǎn)工藝用于仿生昆蟲眼相機(jī)的范例。”
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