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仿生人工眼让人类夜间视力提升10倍

低光成像通常需要更好的图像传感器像素设计,或者寻找感亮度更好的光转换材料。科学家从自然界中得到了灵感,设计出一种可大幅提高传感器光输入…

低光成像通常需要更好的图像传感器像素设计,或者寻找感亮度更好的光转换材料。如今,美国威斯康辛大学麦迪逊分校(University of Wisconsin–Madison;UW Madison)的工程师从自然界中得到了灵感,设计出一种可大幅提高传感器光输入的独特光学透镜,能够进一步打造出可夜视的人工眼。1KAesmc

研究人员的灵感来自于龙虾的重迭复眼以及小型象鼻鱼视网膜结构的组合。象鼻鱼的视网膜内覆充满数千个结晶的微杯。
20160324-NV-1 象鼻鱼的眼睛与人工眼示意图(来源:UW Madison)1KAesmc

在一篇主题为《仿生全光感光增强器打造夜视人工眼》(Artificial eye for scotopic vision with bioinspired all-optical photosensitivity enhancer)的研究报告中,研究人员发现一种由数千个微型光收集器(μ-PC)制造的光学透镜,每一个μ-PC都包含具有抛物线反射侧壁的玻璃微柱,可透过微小的输出埠聚集微弱的入射光。1KAesmc

微型的光收集器采用圆顶形结构排列,因而可仿真龙虾的重迭复眼,让多个光输入埠汇聚入射光线至个别传感器像素中。1KAesmc

研究人员使用这种独特的镜头,使其得以在漆黑环境中让成像物体时的感亮度提高了4倍。1KAesmc

为了制造高度仅120um的抛物线微杯结构,工程师采用混合雷射烧蚀过程。1KAesmc

“首先,我们用雷射烧蚀方式在玻璃上形成抛物线微杯结构。然后,藉由回焊Su-8光阻剂平整侧壁表面,接着涂覆铝作为反射(镜)层,”UW–Madison电子与计算机系以及生物医疗工程系教授江洪睿解释。1KAesmc

这些微杯接着被移植到一个300微米厚的PDMS半球形薄膜,打造出所谓的仿生感光增强器(BPE),实际上就是一个可用于提升任何成像系统的鱼眼镜头,无论是否使用图像传感器。1KAesmc

20160324-NV-2人工眼与BPE的制造过程。(A-F)显示制造步骤;(G、H)是μ-PC横切面图像;(I与J)BPE传送至半球形PDMS薄膜上(比例尺:G-50μm;H-1μm;I-200μm;J-100μm)(来源:UW Madison)1KAesmc

如图所示,每一个μ-PC透过射线追踪模式收集入射光,并透过反射4个抛物线侧壁将光线集中至较窄的输出埠(从77μm输入埠至20μm输入埠)。1KAesmc

由于紧密排列的μ-PC全向式列在全景透镜上,对于成像器上的每个像素来说,整体结构作用就像具有多个入射光埠的重迭复眼一样。1KAesmc

为了验证这个概念,研究人员在一个直径为8mm的虹膜中心设计一个配备球形透镜的完整鱼眼,在一个25mm直径的圆顶(PDMS半球型薄膜)内部以48×48数组排列的μ-PC上,产生半球形的图像层。1KAesmc

20160324-NV-3从分解的人工眼图示可看到微型光收集器结构,以及在多个μ-PC上的图像传感器建置(来源:UW Madison)1KAesmc

他们采用多步图像撷取和超高解析图像重建算法,补偿了重迭复眼原生的模糊,从而产生简洁、清晰的图像。1KAesmc

不过,江洪睿与其研究团队指望仅微缩这些微镜模式来聚集更多的光线吗?1KAesmc

“我们研究过杯状结构的几何效应。其尺寸并非完全优化,但确实考虑了几何效应。结构太小会造生绕射作用,因而效果可能不够好,”江洪睿表示,未来希望能进一步开发该技术以实现商用化,或者透过IP授权。1KAesmc

至于大规模的制造,“模塑制程或许可行。也就是说,使用雷射烧蚀打造主结构,然后用于模塑微杯数组。不过,奈米压印可能不适用,因为我们所谈论的是10x微米宽度和100微米深度,”研究人员表示。1KAesmc

那么,在此全光光线聚集的顶部,在这些微型结构的玻璃中使用掺杂剂使光线扩展成某种形式的作法可行吗?1KAesmc

“这是个有趣的想法。我还没有仔细思考这一点,不过,这可能会十分具有挑战性,”江洪睿表示。1KAesmc

“掺杂玻璃是否有帮助仍值得商榷。我们的机制是以反射与聚光为基础。除非掺杂玻璃能减少散射,否则意义不大。我们的机制并不像雷射一样提高光的强度。入射光并不会像那样地触发。你所形容的情况更像是PMT,但那是全然不同的机制。也就是说,如果结合二者的话,将会十分有趣。”1KAesmc

透过进一步的处理和几何优化,研究人员希望未来能使人工眼的感亮度提高10倍以上。1KAesmc

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Julien Happich
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