人工復(fù)眼的研究進(jìn)展

張 良，戴 博，張大偉

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

在自然界中，有兩種主要視覺(jué)系統(tǒng)，一種是單眼視覺(jué)系統(tǒng)，一種是復(fù)眼視覺(jué)系統(tǒng)。哺乳動(dòng)物多數(shù)為單眼視覺(jué)系統(tǒng)，受其光學(xué)成像原理的啟發(fā)，人們?cè)O(shè)計(jì)出了廣泛的、無(wú)處不在的類似照相機(jī)的成像系統(tǒng)，包括手機(jī)相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)和工業(yè)相機(jī)[1]。受益于當(dāng)前半導(dǎo)體制造業(yè)成熟的技術(shù)，類相機(jī)眼成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率。此外，高效的光學(xué)設(shè)計(jì)工具可通過(guò)降低像差來(lái)進(jìn)一步提高圖像的分辨率。然而這種類型的成像系統(tǒng)的應(yīng)用受到其狹窄的視場(chǎng)角（FOV）的限制，無(wú)論是在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面還是在軍事應(yīng)用方面都需要有大視場(chǎng)角的成像系統(tǒng)，例如內(nèi)窺鏡、機(jī)器視覺(jué)、牙科醫(yī)療等[2-3]。到目前為止，僅使用魚(yú)眼鏡頭（依賴于幾塊笨重且昂貴的鏡頭）、折反射鏡頭和旋轉(zhuǎn)照相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)90°視場(chǎng)角的傳統(tǒng)類似照相機(jī)眼睛的成像系統(tǒng)[4]。但這種系統(tǒng)會(huì)在圖像邊緣出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變，對(duì)于許多需要高質(zhì)量圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，這是一個(gè)重要的限制因素。此外，由于這種系統(tǒng)總是由多個(gè)彎月形透鏡組成，因此其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴并且體積大。如何減小尺寸和簡(jiǎn)化系統(tǒng)也是一個(gè)需要解決的重要且有意義的問(wèn)題。一個(gè)明智而有趣的想法是從自然界中尋找靈感，并研究自然界動(dòng)物是如何成功地解決了這個(gè)問(wèn)題。節(jié)肢動(dòng)物給了我們最好的參照，因其擁有復(fù)眼視覺(jué)系統(tǒng)，能通過(guò)觀察去探測(cè)和接受周圍環(huán)境。擁有者具有超大的視場(chǎng)角，低像差和失真，響應(yīng)速度靈敏和無(wú)限景深，能實(shí)現(xiàn)定位食物、導(dǎo)航、識(shí)別伴侶等功能[5-8]。這些功能是目前工業(yè)成像系統(tǒng)所不具有的，值得去研究。在過(guò)去的幾十年中，人們付出了巨大的努力去研究復(fù)眼，利用其突出的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)眼成像光學(xué)性質(zhì)，在此有必要回顧和總結(jié)一下已有的復(fù)眼制作工藝及成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 人工復(fù)眼的制作工藝

復(fù)眼的最小成像單位是單個(gè)小眼，天然復(fù)眼的小眼數(shù)量范圍從不到十到數(shù)萬(wàn)個(gè)，每個(gè)小眼都可以視為一個(gè)單獨(dú)的成像系統(tǒng)，系統(tǒng)通常由角膜、晶狀體及感光細(xì)胞組成。根據(jù)成像原理，已知的自然復(fù)眼可以分為三種類別：并置眼、疊置眼和神經(jīng)性疊置眼。其中：并置眼的單眼通過(guò)色素細(xì)胞在光學(xué)上各自獨(dú)立，每個(gè)眼有自己的視場(chǎng)方向，其優(yōu)點(diǎn)是高分辨率，缺點(diǎn)是感光差；疊置眼的單眼并不完全光學(xué)獨(dú)立，相鄰的小眼的視場(chǎng)會(huì)有重疊，感光強(qiáng)；神經(jīng)性疊置眼是小眼獨(dú)立，但神經(jīng)錯(cuò)節(jié)造成圖像重疊。因此，人工復(fù)眼的制作大多是仿照并置眼的形式。

1.1 飛秒激光刻蝕

Qu等[9]、Bian等[10]提出了一種利用飛秒激光加工和化學(xué)腐蝕來(lái)制造凹面微透鏡陣列的簡(jiǎn)便方法。在直徑為5 mm的聚合物半球上緊密堆積了3 000 個(gè)95 μm直徑的正微透鏡陣列，該人工復(fù)眼的制作工藝如圖1所示。首先，將直徑為6 mm的球面平凹透鏡用作彎曲基板并固定在3D平臺(tái)上，平臺(tái)上只有一個(gè)x-y-z線性位移臺(tái)。0.5 s的飛秒激光（800 nm，50 fs，1 kHz，3 mW）聚焦在凹面的中心，可以快速形成一個(gè)個(gè)坑。其次，因?yàn)閦軸位置在每次飛秒激光曝光之前已經(jīng)過(guò)單獨(dú)調(diào)整過(guò)，所以制作一個(gè)密密麻麻的六邊形坑狀陣列無(wú)需復(fù)雜的基板對(duì)齊和旋轉(zhuǎn)。然后將透鏡浸入在HF（10%）超聲波浴中，浸泡80 min以進(jìn)行化學(xué)蝕刻，將六角形微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)榍蛐挝⒂^結(jié)構(gòu)。最后，將液態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入凹透鏡后進(jìn)行脫模。從流程中，我們可以看到曲面微透鏡陣列直接在曲面上制作模子。因此，這種制作方法包括其轉(zhuǎn)移過(guò)程與其他方法相比是無(wú)失真的。

圖1 飛秒激光刻蝕制作復(fù)眼透鏡Fig.1 Compound eyes produced by femtosecond laser etching

1.2 利用壓強(qiáng)差制作復(fù)眼透鏡

Jeong等制作了一個(gè)密排六邊形彎曲微透鏡陣列（約8 370個(gè)微透鏡），該陣列球形排列在直徑為2.5 mm的半球形圓頂上。圖2顯示了整個(gè)制造過(guò)程。首先，將具有蜂窩狀六邊形排列的平面光刻膠微透鏡陣列放置在硅基板上，并通過(guò)將PDMS彈性體（厚度為22 mm）模制到平面光刻膠微透鏡陣列上來(lái)獲得微透鏡模板。其次，通過(guò)機(jī)械沖壓結(jié)合到厚度為22 mm的PDMS彈性體上，制造出厚度為5 mm的可重構(gòu)PDMS微透鏡陣列模板。在氧氣等離子體處理之后，微透鏡陣列副本從可重新配置的PDMS微透鏡陣列模板中釋放出來(lái)。然后，在微流體通道中施加負(fù)氣壓（5～30 kPa），以使復(fù)制的PDMS膜具有凹形微透鏡而變形。將可紫外線固化的環(huán)氧樹(shù)脂（NOA68）精確倒入變形的復(fù)制PDMS膜中。在用紫外線（0.5 mW/cm2）完全固化2 h后，制造出彎曲凹面微透鏡陣列的母模。最后，在母模中分配體積為40 μL的名為NANO SU-8的光敏聚合物樹(shù)脂。在120 ℃的溫度下預(yù)烘烤20 min并冷卻至室溫后，就制成了彎曲的微透鏡陣列，如圖2所示。該人造彎曲微透鏡陣列的接受角為4.4°，而枕間角約為1.5°。最大微透鏡直徑為25 μm，光圈數(shù)為1.8～2.9。

圖2 利用壓強(qiáng)差制作復(fù)眼透鏡Fig.2 Fabrication of compound eyes by using pressure difference

1.3 旋涂法制作復(fù)眼透鏡

光學(xué)流體復(fù)眼的制造過(guò)程如圖3所示。首先制造用于制造凸微透鏡陣列的模具。使用光刻技術(shù)制備光刻膠微柱陣列，在光刻期間，將鈦層涂覆在硅晶片上，然后氧化成二氧化鈦，以提高微柱與基底之間的粘合強(qiáng)度。微型柱的直徑為50 μm，高度為60 μm。將質(zhì)量比為12∶1（有機(jī)硅彈性體與固化劑）的液態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒在硅片上，并在80°C下固化4 h。從微柱陣列上剝離PDMS，并在PDMS上形成微孔陣列。在空氣等離子體中進(jìn)行表面改性后，PDMS粘合到一塊玻璃上。之后，將微孔與氬氣和氧氣的混合物（氣體混合比為100∶1）暴露在等離子體中，以改變PDMS的疏水性。表面改性是在13 MHz射頻、600 mTorr壓力、11 W等離子功率和60 mL/min氣體流速的條件下進(jìn)行的。接下來(lái)，以3 000 r/s的旋涂速率將丙烯酸酯樹(shù)脂（粘度：500 mPa·s，密度：1.02 g/cm2，折射率：1.487）旋轉(zhuǎn)在微孔上2 min。旋涂后，將樣品放入真空機(jī)中抽真空，以確保丙烯酸酯樹(shù)脂完全填充到微孔中，并在波長(zhǎng)為365 nm的紫外線（UV光）中暴露8 min以使樹(shù)脂固化。微孔中的樹(shù)脂呈現(xiàn)出凹面，樹(shù)脂表面的曲率與旋涂之前的表面改性密切相關(guān)，并直接確定復(fù)眼上產(chǎn)生的微透鏡的曲率。較長(zhǎng)的表面改性時(shí)間會(huì)導(dǎo)致較大的曲率，為了實(shí)現(xiàn)微透鏡的大曲率，短焦距和高數(shù)值孔徑，將表面修飾時(shí)間設(shè)置為200 s。固化的丙烯酸酯樹(shù)脂具有很高的機(jī)械強(qiáng)度（斷裂伸長(zhǎng)率：40%）和熱強(qiáng)度（熱膨脹率：3×10?6/°C，工作溫度：?50 ～150 °C）。因此，凹形樹(shù)脂陣列可以用作復(fù)制微透鏡陣列的模具[11]。

圖3 旋涂法制作復(fù)眼透鏡Fig.3 Spin-coating method to produce compound eye lens

1.4 球壓法制作復(fù)眼透鏡

Cherng等[12]證明了一種采用多重復(fù)制工藝制造彎曲微透鏡陣列的新穎方法。制造過(guò)程主要由兩部分組成，平面PDMS微透鏡陣列和彎曲PDMS微透鏡陣列。平面PDMS微透鏡陣列的制造過(guò)程如圖4所示。

圖4 平面透鏡陣列制作Fig.4 Fabrication of planner lens array

首先，將AZ P4620光刻膠旋涂在硅基板上，并通過(guò)光刻工藝制造微透鏡陣列的光刻膠圓柱體。然后，將光刻膠圓柱體熱回流（80 ℃，2 h）以形成光刻膠透鏡，再將PDMS倒在基板上，并在固化至室溫后剝離。最后，將凹面PDMS鹽化（使用三氯硅烷）后視為模具，以減少模具和復(fù)制品之間的粘附力。

從鹽化凹面PDMS模具復(fù)制平面凸面PDMS微透鏡陣列。在制造平面PDMS微透鏡陣列之后，有必要將平面PDMS微透鏡陣列變形為彎曲的PDMS微透鏡陣列。彎曲的PDMS微透鏡陣列的制造過(guò)程如圖5所示。

圖5 球壓法制作復(fù)眼透鏡Fig.5 Fabrication of compound eyes by ball pressure method

首先，將制造的平面PDMS微透鏡陣列放置在裝有液體PDMS的容器頂部；其次，將球形物體（3 kg，直徑10 mm）壓在平面PDMS微透鏡陣列上并使平面PDMS微透鏡陣列變形以形成球形表面；再次，在固化至室溫之后，去除變形的微透鏡陣列和球形物體，同時(shí)彎曲的PDMS模具也被硅烷化為模具；最后，將液態(tài)PDMS倒入硅烷化的模具中，并在80 °C下固化2 h。

在冷卻至室溫并進(jìn)行剝離工藝之后，在球形表面上制造出PDMS微透鏡陣列。球形表面的直徑和下垂高度分別為10 mm和2.6 mm。彎曲的微透鏡陣列的焦距為0.44 mm。彎曲微透鏡的平均直徑為230.27 μm，理論視場(chǎng)為110 μm[12-14]。

2 人工復(fù)眼的成像系統(tǒng)

2.1 曲面透鏡與平面圖像傳感器

Shi等[15]提出了一種球形復(fù)眼相機(jī)（SCECam）的人工復(fù)眼成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)（曲面微透鏡陣列，光中繼系統(tǒng)和商用CMOS成像傳感器）組成。除了通過(guò)軟光刻和熱壓印來(lái)制造彎曲微透鏡的透鏡之外，該成像系統(tǒng)的顯著新穎之處在于設(shè)計(jì)了中間光學(xué)中繼系統(tǒng)，這樣可以將彎曲微透鏡陣列的彎曲焦平面轉(zhuǎn)換為平面成像傳感器。SCECam的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖6所示。中間光中繼系統(tǒng)的FOV為120°，在Nyquist頻率下具有1/3數(shù)值孔徑以及大于0.35的MTF值。不僅校正了場(chǎng)曲和漸暈，而且還抵消了彎曲微透鏡陣列的畸變。SCECam的小眼數(shù)為4 400（直徑500 μm，焦距1.28 mm），并且具有較大的FOV（最大360°×122.4°）。SCECam半球的半徑是20 mm，接受角和枕間角分別為2.4°和1.7°，外形尺寸為40 mm×40 mm×80 mm，集成的SCECam的幀速率為35 幀/s[15-16]。同時(shí)，Gu等[17]提出了另一種方式，將每個(gè)透鏡所得的信息通過(guò)先進(jìn)的鈣鈦礦納米線將信息耦合進(jìn)平面的光電傳感器中，取得了較好的結(jié)果。

圖6 曲面透鏡與平面圖像傳感器成像系統(tǒng)Fig.6 Curved lens and flat image sensor imaging system

2.2 曲面透鏡與曲面圖像傳感器

Song等[18]制作了一種節(jié)肢動(dòng)物風(fēng)格的相機(jī)，幾乎呈半球形（約160°）。該相機(jī)將彈性復(fù)合光學(xué)元件與可變形的薄硅光電探測(cè)器陣列結(jié)合在一起，如圖7所示。

彈性復(fù)合光學(xué)元件提供了光學(xué)成像功能，并定義了整體結(jié)構(gòu)。該成像系統(tǒng)是通過(guò)將預(yù)聚物澆鑄并固化到PDMS上而形成的，而精密預(yù)聚物是用精密的微機(jī)械加工的鋁制模具和相關(guān)的夾具固定的。彈性體復(fù)合光學(xué)元件由曲率半徑為400 μm的16×16 個(gè)凸微透鏡組成，每個(gè)微透鏡都有一個(gè)匹配的圓柱形支撐柱，該支撐柱又連接到基膜（厚度為550 μm）。通過(guò)在絕緣體上的硅晶片上執(zhí)行的一系列薄膜處理步驟來(lái)制造薄硅光電探測(cè)器。薄硅光電探測(cè)器由匹配的薄硅光電二極管陣列（有效面積為160 μm×160 μm）和隔離二極管組成，它可以實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)和電讀出。彈性體復(fù)合光學(xué)元件和薄硅光電探測(cè)器的精確對(duì)準(zhǔn)鍵允許將每個(gè)光電二極管放置在相應(yīng)微透鏡的焦點(diǎn)位置。圖7顯示了半球形變形后的系統(tǒng)圖像和完成的照相機(jī)在PCB上的照片。該人工復(fù)眼成像系統(tǒng)的接受角和枕間角分別為9.7°和11.0°。

圖7 復(fù)眼透鏡成像系統(tǒng)Fig.7 Compound eye lens imaging system

2.3 多相機(jī)陣列

Afshari等[19]提出了一種多相機(jī)系統(tǒng)（稱為全景相機(jī)），如圖8所示。該系統(tǒng)由分布在半球上的30個(gè)經(jīng)典CMOS成像傳感器的分層結(jié)構(gòu)組成。Panoptic攝像機(jī)是一種全景攝像機(jī)，可以記錄光信息，此外，它是一個(gè)多折射系統(tǒng)，其中每個(gè)面都是一個(gè)具有單獨(dú)焦平面的微型CMOS相機(jī)，如圖8所示。將焦距為1.27 mm的攝像機(jī)（PO4010N單芯片，368×304 像素）安裝在半球結(jié)構(gòu)（直徑13 cm）上，攝像機(jī)的位置基于半球結(jié)構(gòu)的圓形位置，共有7 層。微型攝像機(jī)的對(duì)角線、垂直角和水平角FOV分別為72.3°、66°和68°。該系統(tǒng)包含2個(gè)集中器現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）板和1個(gè)中央FPGA實(shí)時(shí)捕獲和處理視頻流。所實(shí)現(xiàn)的硬件能夠以每秒625 萬(wàn)像素的速率進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻流傳輸，并且每個(gè)FPGA板的最大圖像分辨率為3 200 萬(wàn)像素。該系統(tǒng)的幀頻為25 幀/s。

圖8 多相機(jī)陣列成像系統(tǒng)Fig.8 Multi-camera array imaging system

3 結(jié) 論

人工復(fù)眼由于其緊湊的結(jié)構(gòu)、大的視場(chǎng)角以及對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的敏感性而被認(rèn)為是有希望的下一代緊湊型成像系統(tǒng)。本文對(duì)最先進(jìn)的人工復(fù)眼成像系統(tǒng)的制作工藝和成像系統(tǒng)進(jìn)行了綜述。分析并比較了它們的成像性能，并根據(jù)其成像結(jié)構(gòu)組成將其分為三類：具有彎曲微透鏡陣列的平面圖像傳感器，具有彎曲微透鏡陣列的彎曲圖像傳感器以及多相機(jī)陣列。人工復(fù)眼成像系統(tǒng)可用于大視場(chǎng)角成像，物距檢測(cè)，醫(yī)學(xué)成像，導(dǎo)航和其他應(yīng)用。與類相機(jī)眼成像系統(tǒng)和自然復(fù)眼相比，人工復(fù)眼成像系統(tǒng)的低像素和復(fù)雜的成像系統(tǒng)讓其難以實(shí)際使用，同時(shí)高昂的制作成本和復(fù)雜的制作工藝讓其難以產(chǎn)業(yè)化，但其優(yōu)點(diǎn)也是無(wú)法被忽視的。在未來(lái)的研究中，提高人工復(fù)眼成像系統(tǒng)的分辨率和簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主要的研究方向。當(dāng)其成像系統(tǒng)的性能提升到一定程度時(shí)，現(xiàn)有的、固有的成像形式將被改變，例如人們一直追求的3D全景顯示、3D通話等，都可以通過(guò)復(fù)眼透鏡的光學(xué)性能去采集信息再加以透射來(lái)復(fù)現(xiàn)。那時(shí)候，人們的生活習(xí)慣就發(fā)生質(zhì)的改變，虛擬世界不僅僅局限于腦神經(jīng)中，在現(xiàn)實(shí)生活中亦可達(dá)到全浸入式的3D體驗(yàn)。同時(shí)，在軍用機(jī)器人方面，復(fù)眼透鏡的特點(diǎn)可以被應(yīng)用于視覺(jué)導(dǎo)航與3D定位，并可以使復(fù)眼透鏡具有輕量化、小型化、擁有精準(zhǔn)打擊能力等特點(diǎn)?？偠灾?，人工復(fù)眼的研究有著巨大的潛力。