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新型相机利用复眼光学系统看世界

2013-07-31 09:46
论恒
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  基于复眼设计的光学系统有宽广的视角和无限的景深。节肢动物的眼睛有着哺乳动物不能相比的光学特性。节肢动物的眼睛,是由一种叫做小眼的独立成像元件组成的弯曲阵列,这种眼睛能够提供宽视角和大幅度增加的景深。

  伊利诺伊大学香槟分校John Rogers领导的科研小组,把这种复眼结构复制到相机上。他们使用弹性复合光学元件和由超薄硅光电探测器组成的可变形矩阵,制造了一种仿生节肢动物相机。这项成果发表在《自然》杂志上。

  以前,将复眼结构复制到相机上,使用的方法包括制造大规模手工复制品,将独立CCD芯片或光电探测器与大量透镜置于半圆顶室中;使用固定在CCD芯片上的平面微透镜矩阵。这两种方法证都没有获得完全的成功。

  Rogers说:“第一种方法不能轻易地缩小尺寸或者提高分辨率,而第二种方法则无法利用半球外形关键的独有特点。”为了克服这些束缚,新设计由两个主要的子系统构成,两个子系统最初都借助于平面几何学完成制作。

图1:用不同的方式看世界:仿生节肢动物相机

  光学成像功能是由一个微凸透镜组成的弹性矩阵提供的,这些微凸透镜的材料是PDMS聚合物。在光学探测系统上方的位置,布满了聚酰亚胺经压缩形成的细小丝状物。这种光学探测系统中,硅二极管在特定的焦点处排列成一个匹配的网格结构。

  这些光学探测系统一旦结合在一起,被小心地塑造成半圆形结构,可以模拟节肢动物眼睛的结构设计。

  “平面装置结构学和制造技术是用于传统CCD和集成电路的,但是我们却用其中的基本流程来实现半球形状的设计,这是工作的一个关键方面。”他说。“我们把弹性微系统光学和可伸缩电子元件的概念结合起来,再加入了一些额外的想法,构成了一个奇特的系统。这个系统可以先在平面布局中构造出来,随后就像一个气球一样膨胀起来,实现我们需要的3D半球形构造,这个过程是可以精确控制的。”其最终结构有180个成像元件,这些元件呈160度半球形状。

图2:复眼系统在某些方面超越了人类眼睛

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