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图1 研制的计算微型复眼的成像原理
1. 导读
微型曲面复眼由于具有大视场成像、大景深成像、体积较小的优势，在机器视觉、无人机导航、生物灵感机器人等领域引起了广泛关注。然而，传统的微型曲面复眼存在设计/加工复杂、成像分辨率有限等问题。此外，传统微型曲面复眼与商业CMOS集成时普遍存在离焦问题，导致成像模糊、分辨率受限的现象。
针对这些问题，近日四川大学李磊研究员团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套计算微型仿生复眼系统的方案，利用3D打印和微纳工艺技术制备PDMS微型曲面复眼，引入基于距离调控的多尺度深度学习成像架构，形成了宽视场成像、高清晰度成像以及灵敏的活体轨迹三维重建任务（见图1），并进行了一系列的成像实验验证。团队在视场角测量实验的基础上，在可见光波段实验实现了不同距离下的活体生物清晰成像以及三维轨迹重建等。所有成像实验结果均优先于传统成像模式，这也充分证明了该成像策略的有效性。
该研究成果不仅为实现微型曲面复眼与CMOS相机的兼容成像提供了清晰的理论和设计指导，并为未来微型曲面复眼在大视场成像、高分辨成像、三维重建等领域的研究与应用打开了新思路。
2. 研究背景
微型曲面复眼是一种仿生光学器件，模仿昆虫的复眼结构设计而成。与传统的单孔径透镜相比，微型曲面复眼具有多个微小的凸透镜单元，每个单元都能够独立接收光线。这种器件可以同时获取多个视角的信息，实现广角成像、高速成像以及立体感知，具有广泛的应用潜力。然而，传统微型曲面复眼尚且不能满足实际应用中的复杂需求，与商业CMOS相机的集成存在不兼容性，由于曲面复眼的微透镜阵列会聚光线的聚焦面是一个曲面，因此会导致离焦模糊的现象发生。
为解决这些实际问题，科学家们引入特殊面形设计和多焦融合的概念，即通过特殊的设计实现微透镜阵列会聚面的统一，或者通过不同距离下的多焦图像融合技术实现清晰度的恢复效果，为实现大视场、高分辨率成像的曲面微型复眼系统提供了可能性。科学家们对于微型曲面复眼相机的集成化研究也有初步尝试，却设计/加工复杂、成像效率低的问题。如何在不依赖于前端复杂设计，保证微型曲面复眼集成化的同时，实现宽视场情况下的清晰成像，是当下面临的重要科学问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从PDMS微型复眼制备方法出发，提出了一套基于距离调控的计算微型复眼成像的新方法。基于微纳加工原理，研究者制备一个具有271个小眼组成的PDMS复眼，并集成到CMOS成像探测器上（见图2），通过比较可以看出PDMS微型复眼的尺寸要远小于美分硬币。研究人员将整个实验装置固定在一个距离可调的滑轨上，区别于传统多焦融合技术，引入基于距离调控的多分支成像策略实现单帧重建任务（见图3），从硬件和软件两方面验证此方法的可行性。提出的计算微型曲面复眼相机视场角达到102°，重量仅为5.4g、厚度为5mm、面积仅为3×3cm2，实现了微纳光学器件的智能化与集成化。
图2 基于PDMS复眼的实验装置
传统多焦融合技术需要将不同距离处采集的多帧模糊进行重建，算法复杂且耗时。研究人员将不同距离导致的图像模糊程度不同考虑进去，通过设计基于距离调控的多分支成像架构，从而实现采集图像的单帧重建任务。在完整的理论指导下，团队在可见光波段实验实现了在远、中、近距离下对静态目标以及活体动态目标的超分辨重建实验，验证了多分支成像策略在超分辨重建任务中的优势。此外，根据微型复眼的多视图原理，团队在可见光波段验证了活体甲壳虫在整个三维空间的位置感知功能，重建了活体甲壳虫在整个三维轨道爬行的空间坐标。
图3 多焦融合技术与多分支模型成像策略的比较
团队进一步验证了计算微型曲面复眼对不同目标进行成像的能力。从实验结果可以看出（见图4），计算微型曲面复眼对不同尺度、不同距离处的目标进行成像的清晰度远高于传统曲面微型复眼，对比度结果证明该策略具有更好的成像效果。
图4 传统曲面复眼与计算微型曲面复眼的成像比较与结果分析
4. 应用与展望
研究团队提出的基于距离调控的计算微型复眼成像的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法，通过充分利用多分支成像策略，可以在远中近不同距离下，实现微型复眼成像系统的单帧重建任务，该方法具备宽视场成像、三维轨迹重建以及高清晰度成像的优势。计算微型复眼原理在多通道成像、内窥镜成像、生命科学、微型机器人等领域都有广阔的应用前景。
文章来源：沃特德古意特纳米光子学
作者：Shu-Bin Liu, Xu-Ning Liu, Wei-Jie Fan, Meng-Xuan Zhang,和Lei Li，其中前两位作者为共同第一作者，Lei Li研究员为通讯作者。李磊研究员团队隶属于四川大学电子信息学院。
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