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3D打印微米级鹰眼摄像头

3D打印微米级鹰眼摄像头

供稿人:钟琪 田小永 李涤尘   发布日期:2017-06-26
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近日,来自德国斯图加特大学的研究团队利用微纳3D打印技术,在一枚芯片上打印了4组微型透镜,来模拟那些掠食鸟类的视觉系统,如图1。这些沙粒大小的微型透镜适合安装到微型及小型无人机上,用于导航和对周围环境摄像。

图1 四组3D打印一体成型的透镜系统

这些微型透镜的工作原理模仿了人类和很多脊椎类动物的“漏斗状”视觉("foveated" vision),即视觉中心最清晰,而边缘则比较模糊,如图2。与常规图像相比,这相机能够快速而准确的采集视野中心的物体,并可以减少所需的功率和处理时间。该优点可允许小型机器人在保证其自我安全的同时,还能够将绝大部分的“精力”用于处理手头的任务上。

图3 漏斗状视野汇聚了更多的细节在图像中央,而外围逐渐模糊

这个相机不像普通相机采用单独1组透镜,而是在同一个CMOS图像传感器上安装了4组有不同焦距和视角的透镜,形成一个多孔径的相机。图像传感器可以综合四组透镜采集的图像信息合成一张图像,如图3。这种独特的多镜头设计,使其具有极高的分辨率并能够获取远处的细节图像,而其他周边的镜头则能提供优异的广角视野(其分辨率略小于前者)。为此,其视觉系统可以与那些掠食鸟类相媲美。研究人员也将其戏称为“鹰眼”相机。

图3 (A) 位于图像传感器上,四组不同焦距与视角的透镜组; (B) 四组透镜获取的图像信息融合; (C) 透镜组的电镜图像; (D) 透镜组的光学显微图像

虽然斯图加特大学的“鹰眼”镜头仍然有微观层的分离,但是镜头的设计掩盖这个缺点,让它变得无伤大体。根据光学原理,光线自上而下透过,而不是从侧面透过,这样微观层的问题就不会影响光线的走向。同时,这项技术有一定的局限性。例如,现在只能使用一种类型的塑料材料来附加地制造透镜。而多材料透镜可以提供更好的平衡色差,这将减少视觉失真的机会。

“3D 相机”研究团队的下一步计划,是进一步减小相机的尺寸。德国斯图加特大学的应用物理学家阿罗伊斯·赫尔科默说道,“目前,我们使用的是商业图像传感器,其周围还附带了其他电子元器件与电路。但是从本质上来看,这项技术已经能够用于仅由镜头、传感器与电池组成的超微型系统,这类系统的尺寸将仅为1毫米见方。因此,你可以将这一系统用于负责安保监视的无人机,或者是工厂中的机械臂上。”

参考文献:

  1. Thiele S, Arzenbacher K, Gissibl T, et al. 3D-printed eagle eye: Compound microlens system for foveated imaging[J]. Science Advances, 2017, 3(2).