“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
近日，吉林大学张永来教授、清华大学孙洪波教授和北京航空航天大学潘翀教授团队合作，通过飞秒激光双光子聚合（FL-TPP）制造具有19~160个对数轮廓小眼的曲面人工复眼（CE），解决了微型曲面复眼镜头的离焦问题，实现了质量仅为230 mg的光电集成微型复眼（μ-CE）相机，并且基于复眼相机的多目视觉原理实现了对微观运动目标轨迹的3D重构。
相关成果以“Miniature optoelectronic compound eye camera”为题于2022年9月26日发表在Nature Communications上。2022 | 前沿进展经过数百万年的进化，节肢动物进化出先进且复杂的视觉系统，为开发紧凑型的微型相机提供了灵感。通常，昆虫复眼（CE）由许多紧密排列且呈半球形分布的小眼组成，每个小眼作为一个独立的感光单元、相互配合，从而实现猎物识别和敌人防御。值得注意的是，昆虫复眼具有体积小、无失真成像、宽视场（FOV）和灵敏的运动跟踪能力等优势，激发了人工复眼的创新，旨在克服现有成像技术的局限性，提高其在医疗内窥镜、全景成像、微导航和机器人视觉方面的性能。受昆虫复眼的启发，开发在尺寸和功能上可与昆虫媲美的微型光电CE相机成为研究热点。然而，昆虫CE成像依赖感光细胞，而人造CE相机要想获得类似的成像能力，必须将复杂的3D复眼镜头与光电探测器集成。实现这一目标的主要挑战是：当光电系统的特征尺寸减小到微尺度时，如何克服三维分布小眼的非平面成像和商用微型CCD/CMOS探测器的平面检测之间的不匹配问题。针对微型复眼相机光电集成困难的问题，该研究团队通过飞秒激光双光子聚合（FL-TPP）制造具有对数轮廓小眼的曲面人工CE。与存在散焦问题的具有球形小眼的μ-CE相比，所制备的对数轮廓小眼的μ-CE因为小眼的景深和聚焦范围都显著增加，可以有效避免散焦问题从而实现与商用微型CMOS探测器的直接集成。
图1展示了这种光电μ-CE相机的设计思路和制造过程。通过这种方式，所获得的μ-CEs可以很好地与商业CMOS探测器（OV9734，Omnivision）集成，形成光电μ-CEs相机。重要的是，μ-CE的特征尺寸仅为~400 μm，类似于天然蚊子的CE；制备的μ-CEs相机的总重量仅为230 mg。对数CE的使用使得曲面CE与商用平面CMOS探测器的集成成为可能；制备的光电μ-CE相机可以直接捕获不同类型目标物体的图像。如图2所示，每个小眼都可以形成包括明场/暗场“F”和各种昆虫在内的清晰图像。图2 不同目标的照片（上）和光电μ-CE相机采集的图像（下）众所周知，昆虫CE视觉对移动物体非常敏感。当目标移动时，不同位置的小眼会产生闪烁效果。通过这种方式，昆虫可以实时感知捕食者或猎物的移动轨迹和速度，并立即做出有效的反馈。受昆虫CE的启发，光电μ-CE相机有望实现类似的功能。如图3所示，在校准了μ-CE相机的物像关系后，μ-CE相机可用于记录活体甲虫的运动轨迹。此外，μ-CE相机可以基于多目视觉原理对微观运动目标轨迹进行实时3D重构。作为概念验证，通过将μ-CE相机与微流控芯片集成，提出了一种先进、微型和便携式的片上相机系统，该系统进一步用于监控活体微生物草履虫的实时运动轨迹。3D重构原理和片上相机及其核心部件（μ-CE相机）的照片如图4所示。在真实案例观察中，与藻类共生的绿色活草履虫作为动态目标；它被困在μ-CE相机下方的微流控芯片的腔室中。作为代表性演示，μ-CE 相机记录了草履虫运动视频，并以每秒 24 帧的速率进行实时轨迹重建。μ-CE相机展现了微观运动目标的3D轨迹实时重建的能力，在微观立体成像、微观流场测量和微观动态目标实时跟踪监测方面非常有前景。简而言之，具有集成光电系统的微型复眼相机的开发非常重要，这使得从昆虫的角度看世界成为可能。这款微型复眼相机具有小尺寸、轻量化、便携性和多向全方位成像能力等特点，特别是基于多目视觉成像原理可以实现运动目标的实时3D重构，在机器人视觉、医学内窥镜、微型导航、运动目标跟踪和许多其他显微视觉领域的尖端应用中前景广阔。
论文的第一作者为吉林大学博士生胡志勇。吉林大学为论文第一完成单位，论文通讯作者为吉林大学张永来教授。该研究得到了国家自然科学基金的资助。论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33072-8
END
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