供稿人:钟琪 田小永 李涤尘 发布日期：2017-06-26
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。”