低光成像通常需要更好的圖像傳感器像素設(shè)計，或者尋找感亮度更好的光轉(zhuǎn)換材料。如今，美國威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin–Madison；UW Madison)的工程師從自然界中得到了靈感，設(shè)計出一種可大幅提高傳感器光輸入的獨特光學透鏡，能夠進一步打造出可夜視的人工眼。
研究人員的靈感來自于龍蝦的重迭復眼以及小型象鼻魚視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的組合。象鼻魚的視網(wǎng)膜內(nèi)覆充滿數(shù)千個結(jié)晶的微杯。
象鼻魚的眼睛與人工眼示意圖（來源：UW Madison）
在一篇主題為《仿生全光感光增強器打造夜視人工眼》(Artificial eye for scotopic vision with bioinspired all-optical photosensitivity enhancer)的研究報告中，研究人員發(fā)現(xiàn)一種由數(shù)千個微型光收集器(μ-PC)制造的光學透鏡，每一個μ-PC都包含具有拋物線反射側(cè)壁的玻璃微柱，可透過微小的輸出埠聚集微弱的入射光。
微型的光收集器采用圓頂形結(jié)構(gòu)排列，因而可仿真龍蝦的重迭復眼，讓多個光輸入埠匯聚入射光線至個別傳感器像素中。
研究人員使用這種獨特的鏡頭，使其得以在漆黑環(huán)境中讓成像物體時的感亮度提高了4倍。
為了制造高度僅120um的拋物線微杯結(jié)構(gòu)，工程師采用混合雷射燒蝕過程。
“首先，我們用雷射燒蝕方式在玻璃上形成拋物線微杯結(jié)構(gòu)。然后，藉由回焊Su-8光阻劑平整側(cè)壁表面，接著涂覆鋁作為反射(鏡)層，”UW–Madison電子與計算機系以及生物醫(yī)療工程系教授江洪睿解釋。
這些微杯接著被移植到一個300微米厚的PDMS半球形薄膜，打造出所謂的仿生感光增強器(BPE)，實際上就是一個可用于提升任何成像系統(tǒng)的魚眼鏡頭，無論是否使用圖像傳感器。
人工眼與BPE的制造過程。(A-F)顯示制造步驟；(G、H)是μ-PC橫切面圖像；(I與J)BPE傳送至半球形PDMS薄膜上(比例尺：G-50μm；H-1μm；I-200μm；J-100μm)（來源：UW Madison）
如圖所示，每一個μ-PC透過射線追蹤模式收集入射光，并透過反射4個拋物線側(cè)壁將光線集中至較窄的輸出埠(從77μm輸入埠至20μm輸入埠)。
由于緊密排列的μ-PC全向式列在全景透鏡上，對于成像器上的每個像素來說，整體結(jié)構(gòu)作用就像具有多個入射光埠的重迭復眼一樣。
為了驗證這個概念，研究人員在一個直徑為8mm的虹膜中心設(shè)計一個配備球形透鏡的完整魚眼，在一個25mm直徑的圓頂(PDMS半球型薄膜)內(nèi)部以48×48數(shù)組排列的μ-PC上，產(chǎn)生半球形的圖像層。
從分解的人工眼圖示可看到微型光收集器結(jié)構(gòu)，以及在多個μ-PC上的圖像傳感器建置（來源：UW Madison）
他們采用多步圖像擷取和超高解析圖像重建算法，補償了重迭復眼原生的模糊，從而產(chǎn)生簡潔、清晰的圖像。
不過，江洪睿與其研究團隊指望僅微縮這些微鏡模式來聚集更多的光線嗎？
“我們研究過杯狀結(jié)構(gòu)的幾何效應(yīng)。其尺寸并非完全優(yōu)化，但確實考慮了幾何效應(yīng)。結(jié)構(gòu)太小會造生繞射作用，因而效果可能不夠好，”江洪睿表示，未來希望能進一步開發(fā)該技術(shù)以實現(xiàn)商用化，或者透過IP授權(quán)。
至于大規(guī)模的制造，“模塑制程或許可行。也就是說，使用雷射燒蝕打造主結(jié)構(gòu)，然后用于模塑微杯數(shù)組。不過，奈米壓印可能不適用，因為我們所談?wù)摰氖?0x微米寬度和100微米深度，”研究人員表示。
那么，在此全光光線聚集的頂部，在這些微型結(jié)構(gòu)的玻璃中使用摻雜劑使光線擴展成某種形式的作法可行嗎？
“這是個有趣的想法。我還沒有仔細思考這一點，不過，這可能會十分具有挑戰(zhàn)性，”江洪睿表示。
“摻雜玻璃是否有幫助仍值得商榷。我們的機制是以反射與聚光為基礎(chǔ)。除非摻雜玻璃能減少散射，否則意義不大。我們的機制并不像雷射一樣提高光的強度。入射光并不會像那樣地觸發(fā)。你所形容的情況更像是PMT，但那是全然不同的機制。也就是說，如果結(jié)合二者的話，將會十分有趣。”
透過進一步的處理和幾何優(yōu)化，研究人員希望未來能使人工眼的感亮度提高10倍以上。
移動設(shè)備訪問
