鞏憲偉，魚衛(wèi)星 ，張紅鑫，盧振武，孫 強，沈宏海

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所光電技術(shù)研發(fā)中心，吉林長春130033;4.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所航空光學(xué)成像與測量重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

隨著探測器和計算機科學(xué)的發(fā)展，單孔徑光學(xué)系統(tǒng)在自動化、圖像識別、軍事目標(biāo)探測等領(lǐng)域的表現(xiàn)不盡人意，且受衍射極限等因素的影響，實現(xiàn)小型化越來越難。受啟于昆蟲復(fù)眼體積小、視場角大以及對高速移動物體敏感等優(yōu)點［1-2］，人們提出了人工復(fù)眼成像系統(tǒng)。國際上，仿生復(fù)眼的研究成果已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、微型飛行器、艦艇搜索與跟蹤系統(tǒng)、精確末制導(dǎo)武器等［3］國防科技發(fā)展中，這對全球戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜化起著至關(guān)重要的作用;同時這些成果也已經(jīng)應(yīng)用于夜視設(shè)備、微型復(fù)眼相機、運動機器人［2-7］等國民經(jīng)濟領(lǐng)域中。

早在1826年米勒就提出了復(fù)眼的鑲嵌理論，1891年Exner又提出了重要的復(fù)眼光重疊理論。從上世紀(jì)60年代開始，人們從解剖學(xué)、形態(tài)學(xué)的角度對蠅眼視覺系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)研究;70年代，Reichardt等人開展了通過視覺來引導(dǎo)飛行與追蹤等系列行為的實驗。20世紀(jì)中后期，在H.B.Barlow、G.A.Horridge、M.F.Land、Snyder等學(xué)者的不斷深入研究下［4-9］，人們對復(fù)眼的理解也從初期的生物學(xué)角度過渡到光學(xué)角度。1980年，美國某研究小組把昆蟲復(fù)眼信息原理應(yīng)用于空對地導(dǎo)彈的制導(dǎo)研究，并研制出一次可拍攝1 329張高分辨率圖片的蠅眼相機［3］。上世紀(jì)90年代，國內(nèi)外學(xué)者開始探索設(shè)計仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)，并根據(jù)理論和實驗來驗證其設(shè)計方案［10-12］。進入本世紀(jì)后，仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究伴著微細(xì)加工技術(shù)的不斷進步而取得了顯著進展。

仿生復(fù)眼的光學(xué)設(shè)計分為平面型和曲面型，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要以平面型為主。但從人造復(fù)眼成像系統(tǒng)的設(shè)計過程到獲得的實驗結(jié)果來看，人造復(fù)眼仍存在著諸如成像清晰度低、成像死角等缺陷。本文將從平面型和曲面型仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的設(shè)計綜述仿生復(fù)眼的研究并概述其應(yīng)用。

2 復(fù)眼的結(jié)構(gòu)及分類

昆蟲的復(fù)眼是由許多個結(jié)構(gòu)與功能相同的小眼通過曲面陣列的形式組合而成，每個小眼截面呈多邊形(蠅的復(fù)眼截面呈六邊形［5］)。單個復(fù)眼的小眼個數(shù)從幾十到幾萬個不等，小眼的數(shù)目越多視場就越大，對運動物體的分辨能力就越強。每個小眼的直徑在10～140 μm，相鄰小眼之間的夾角一般在1～4°。與單孔徑光學(xué)系統(tǒng)相同，小眼的光學(xué)系統(tǒng)同樣遵守相應(yīng)的光學(xué)規(guī)律。復(fù)眼的分辨率不高，視距一般是人的1/60～1/80，這是由小眼的小尺寸和小數(shù)值孔徑?jīng)Q定的。然而復(fù)眼卻有很高的靈敏度［7，9］，例如:當(dāng)一個目標(biāo)物從眼前閃過，人眼需要0.05 s才可辨別物體的模糊輪廓，而蠅眼只需0.01 s便能看清其形狀大小。此外，呈曲面陣列分布的小眼使得整個復(fù)眼具有高達(dá)360°的大視場，。圖1定性地闡明了單、復(fù)眼的視場角和分辨率的對比情況［13］。

圖1 單眼和復(fù)眼的對比Fig.1 Comparison between single eye and compound eye

復(fù)眼由外到內(nèi)分別是屈光器、感光器、隔光器及視覺中樞，其中的小眼又包含了屈光器和感光器。屈光器由晶錐和角膜組成，相當(dāng)于一個微透鏡;感光器即感桿束，由8個與腦的視覺中樞相連的小網(wǎng)膜細(xì)胞組成。隔光器位于小眼之間由色素細(xì)胞組成，圖2(b)是復(fù)眼及其小眼的結(jié)構(gòu)圖［3］。

圖2 復(fù)眼及其小眼結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition of compound eye and its ommatidium

根據(jù)成像原理不同，復(fù)眼分并列型和重疊型兩種，其中重疊型復(fù)眼又由光學(xué)反射重疊、光學(xué)折射重疊以及神經(jīng)重疊三類組成［14］。圖3(a)是并列型復(fù)眼的示意圖［13］。這種復(fù)眼的特點是:每一感桿束接收的光只是它上面對應(yīng)的一個小眼的視場范圍內(nèi)的光線。圖3(b)是重疊型復(fù)眼的示意圖，與圖3(a)的不同之處是:每一感桿束可接收由若干小眼折射過來的光線。

3 平面型仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究進展

圖3 并列型和折射重疊型復(fù)眼示意圖Fig.3 Schematic diagram of apposition compound eye and superposition compound eye

2000年，日本的研究小組在Tanida J帶領(lǐng)下提出TOMBO(Thin Observation Module by Bound Optics)的復(fù)眼成像系統(tǒng)［15-17］，該系統(tǒng)為平面結(jié)構(gòu)，是以蜻蜓的并列復(fù)眼結(jié)構(gòu)原理為參考而設(shè)計的。系統(tǒng)以微透鏡作為光采集組件，以光探測器作為接收組件，各光通道之間通過光隔離層得以分離，獲取的信息經(jīng)計算機數(shù)字處理后達(dá)到目標(biāo)像重組。由于采用了普通折射型微透鏡陣列，使得系統(tǒng)厚度減小很多，達(dá)到了真正意義上的微縮成像。又因為TOMBO系統(tǒng)各組件完全分離制作，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便組裝、視場大等優(yōu)點，且便于以后的結(jié)構(gòu)改進。

2004年，德國研究小組在JACQUES帶領(lǐng)下提出并制成了同樣基于并列復(fù)眼設(shè)計理念的人造并列復(fù)眼成像系統(tǒng)(Artificial Apposition Compound Eye Objective，APCO)［18-19］。在結(jié)構(gòu)上 APCO 與TOMBO比較相似，都是平面結(jié)構(gòu)，且它們的成像都是通過把微透鏡陣列用于光通道分離的金屬孔洞陣列以及光傳感器陣列結(jié)合來實現(xiàn)的。與TOMBO不同的是，APCO系統(tǒng)的微透鏡陣列與孔洞陣列被制作在同一塊玻璃基片兩側(cè)，而且光傳感陣列與它們緊密相連。系統(tǒng)的平面模型如圖4所示［16］，由透鏡陣列、感光層和小孔陣列組成。整個復(fù)眼成像系統(tǒng)由透鏡層、玻璃層和金屬層組成，厚度為320 μm，對角線視野為 21°，微透鏡陣列采用微細(xì)加工技術(shù)制造［11］，實物如圖 5所示［18］。

圖4 光學(xué)并列復(fù)眼平面模型Fig.4 Plane model of apposition compound eye

圖5 并列復(fù)眼結(jié)構(gòu)組成圖Fig.5 Structure diagram of apposition compound eye

圖6為用該復(fù)眼系統(tǒng)所制作的復(fù)眼照相機獲得的像。APCO系統(tǒng)體積小、視場大，但空間分辨率低，靈敏度甚至比單孔徑成像系統(tǒng)還要低。

圖6 復(fù)眼相機所成的像Fig.6 Captured images by compound-eye based on APCO camera

2005年，JACQUES等人又提出了用啁啾微透鏡陣列替換普通微透鏡陣列后改進的APCO系統(tǒng)［20-22］。該系統(tǒng)可以根據(jù)光線入射角度對微透鏡形狀、孔徑大小以及光軸方向進行調(diào)整，以糾正由于場曲和像散所引起的成像失真，從而得到更為理想的成像效果。圖7是應(yīng)用普通均勻微透鏡陣列與啁啾微透鏡陣列獲取的圖像的對比［21］，可以看出，采用啁啾微透鏡陣列有效地矯正了視場邊緣的像差，提高了分辨率。

為進一步提高空間分辨率和靈敏度，2008年，JACQUES等人對并列復(fù)眼作了進一步的改進，在每個透鏡后均采用了N×N孔陣列取代單孔陣列［23］，如圖8 所示。

圖7 啁啾微透鏡陣列與普通微透鏡陣列獲取的圖像的對比Fig.7 Comparison of the images formed by using a chirped lens array and a regular lens array

圖8 改進后的并列復(fù)眼平面模型Fig.8 Plane model of improved apposition compound eye

實驗證明采用N×N型小孔陣列形式可以有效地提高復(fù)眼的靈敏度。圖9所示為改進后的復(fù)眼成像系統(tǒng)獲得的圖片［23］。

圖9 改進后并列復(fù)眼所成的像Fig.9 Images captured by improved apposition compound eye

2009年，國內(nèi)中科院邸思等人［24］設(shè)計了基于MEMS工藝技術(shù)的平面型并列復(fù)眼成像系統(tǒng)。他們在平面玻璃基底上采用光刻膠回流法制成一個9×9的微透鏡陣列，其橫截面積為0.9 cm ×0.9 cm，厚度為0.7 mm。在微透鏡陣列后方放置一個CMOS相機獲取物體的圖像信息。由于陣列中每個微透鏡都能有效成像，CMOS相機得到一個9×9的多重像，最后經(jīng)數(shù)字處理得到重建的像。圖10為熱回流法加工微透鏡陣列流程，圖11是經(jīng)數(shù)字處理后得到的字符“A”的像。

圖10 熱回流法加工微透鏡陣列流程Fig.10 Process for the fabrication of microlens array by photoresist thermal reflow method

圖11 經(jīng)數(shù)字處理后得到的“A”的像Fig.11 Reconstructed image of“A”achieved by digital image processing method

需要說明的是，由于并列復(fù)眼中各小眼感桿束和角膜透鏡的“一對一”關(guān)系，各小眼成像獨立，形成“鑲嵌像”。因此，以上方案均在相鄰小眼間加入屏蔽，以便有效消除相鄰小眼接收范圍射來光線的干涉，從而使成像效果得到了較大的提高［25］。

2004年JACQUES小組提出了基于重疊復(fù)眼設(shè)計理念的“簇眼”結(jié)構(gòu)［26-27］，其成像系統(tǒng)仍是平面結(jié)構(gòu)，3個不同功能的微透鏡陣列(聚焦陣列、場陣列以及中繼陣列)構(gòu)成了系統(tǒng)的主體部分，且與感光陣列相連。由于3個微透鏡陣列的排列間隔不同，該系統(tǒng)獲得的視場比APCO的視場更大。目標(biāo)物體的光信號依次通過聚焦透鏡陣列、中繼透鏡陣列和傳感器陣列，最終獲得整個目標(biāo)物體的正立像［28］。圖12為重疊復(fù)眼的簡圖;圖13(a)為重疊復(fù)眼透鏡排列形式，圖13(b)為重疊復(fù)眼側(cè)視圖。

圖12 重疊復(fù)眼的簡圖Fig.12 Schematic diagram of superposition compound eye

圖13 重疊復(fù)眼透鏡的排列形式和側(cè)視圖Fig.13 Lens array and side view of superposition compound eye

復(fù)眼厚度為1.96 mm，視場為70°×10°，采用了21×3的透鏡陣列。為矯正因斜入射光導(dǎo)致的像散，他們將傳統(tǒng)的圓形透鏡陣列制作成橢圓形透鏡陣列。圖14是利用該成像系統(tǒng)拍攝的圖片。

圖14 利用重疊復(fù)眼成像系統(tǒng)拍攝的圖片F(xiàn)ig.14 Images captured by superposition compound eye

4 曲面型仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究進展

2006年，中科院長春光機所張紅鑫等［29］針對之前設(shè)計的仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)視場小、邊緣成像質(zhì)量差等缺陷，提出兩種曲面型仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)，即單層曲面與三層曲面成像系統(tǒng)，這是首次在曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)中引入曲面場鏡陣列。他們利用Lighttools軟件進行了成像系統(tǒng)的建模和光線追跡，設(shè)計出的兩種系統(tǒng)的體積為0.9 mm×0.9 mm×0.5mm與0.9mm×0.9mm×0.75 mm，視場角均達(dá)到了60°與88°。采用激光直寫法在曲面基底上制作［30-31］了曲面復(fù)眼透鏡陣列。圖15為兩種復(fù)眼模型和兩種成像系統(tǒng)的光線追跡。

圖15 兩種復(fù)眼模型和兩種成像系統(tǒng)的光線追跡Fig.15 Two kinds of compound eye models and their image system ray traces

2007年，德國的JACQUES小組在曲面結(jié)構(gòu)上應(yīng)用并列復(fù)眼的設(shè)計理念，提出球面仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)［32-33］。圖16是球面仿生并列復(fù)眼系統(tǒng)示意圖，由微透鏡陣列、孔洞陣列、變換場鏡和圖像傳感器陣列構(gòu)成。該復(fù)眼結(jié)構(gòu)由兩部分組成，凸、凹兩個體透鏡構(gòu)成系統(tǒng)的主體部分。采用曲面激光直寫技術(shù)將微透鏡陣列制作在凹透鏡曲面上，金屬孔洞陣列被制作在凸透鏡表面，微透鏡與金屬孔洞一一對應(yīng)。該復(fù)眼采用112×112的透鏡陣列，凹、凸球面鏡視場分別為10.3°×10.3°和31°×31°，球面鏡直徑、針孔直徑和微透鏡直徑分別為 40 mm、2.5 μm、120 μm，圖 17 為該系統(tǒng)所成的像［32］。

圖16 球面仿生并列復(fù)眼Fig.16 Technical realization of spherical apposition compound eye objective

圖17 球面仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)所成的像Fig.17 Sample images by spherical artificial compound eye objective

基于微透鏡和自寫入聚合物波導(dǎo)［34］，2005年 J.Kim 等人提出了人造“小眼”結(jié)構(gòu)［35］，該“小眼”由三部分組成，分別是人造橡膠微透鏡、光敏聚合物波導(dǎo)以及光探測器。其制作過程分兩個步驟:首先把帶有微透鏡的人造橡膠薄膜粘在光敏聚合物的一端，光敏聚合物另一端與光探測器相連。然后用紫外光照射微透鏡，在光敏聚合物上形成高折射率的錐體結(jié)構(gòu)。當(dāng)紫外光強度達(dá)到某一極限值后，聚合物會發(fā)生聚合而使折射率升高，利用該效應(yīng)可以在透鏡焦點附近形成長度可達(dá)襯底(光探測器)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因透鏡-波導(dǎo)-光探測器伴隨著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成完成自對準(zhǔn)，從根本上解決了裝調(diào)誤差問題。以此為基礎(chǔ)，J.Kim等人在一半球曲面上排列多個這種人造“小眼”，得到自對準(zhǔn)曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)［35］。圖18(a～c)是人造“小眼”精密加工過程，圖19為人造小眼的結(jié)構(gòu)［36］。

圖18 人造“小眼”的精密加工過程Fig.18 Microfabrication procedure of artificial ommatidia

與上述幾種仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)不同，這種自對準(zhǔn)的復(fù)眼成像系統(tǒng)從根本上解決了因各組件分階段在同一載體上制作或單獨制作后組裝而出現(xiàn)的誤差［37］。

圖19 帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的人造小眼的電子顯微照片F(xiàn)ig.19 Pictures of an artificial ommatidium with attached waveguide

近幾年又有多位學(xué)者提出不同的仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)［38-43］，其中包括2011年墨西哥研究小組提出的應(yīng)用圓柱形微雙合透鏡設(shè)計的曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)［43］。具有代表性的是2010年美國的一個研究小組用超精密加工的方法制造的基于3D微棱鏡結(jié)構(gòu)的并列復(fù)眼成像系統(tǒng)［44］，該系統(tǒng)由3D微棱鏡陣列、小孔陣列和微透鏡陣列組成的曲面復(fù)眼系統(tǒng)。圖20所示為3D微棱鏡陣列的超精密加工流程。

圖20 3D微棱鏡陣列的超精密加工流程Fig.20 Ultraprecision machining process for the 3D microprism array

小孔陣列安裝于微棱鏡陣列與微透鏡陣列之間，以消除相鄰?fù)ǖ篱g光線的影響。該系統(tǒng)包含了微棱鏡和微透鏡在內(nèi)的601個單元微組件，所有組件被組裝在半徑為20 mm的區(qū)域內(nèi)，配置中最大的光入射角是18.43°。該小組設(shè)計了如圖21所示的3D復(fù)眼相機結(jié)構(gòu)。

圖21 3D復(fù)眼相機的結(jié)構(gòu)圖Fig.21 Structure diagram of 3D compound eye camera

5 仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的應(yīng)用進展

當(dāng)前，仿生復(fù)眼的研究成果已在國防尖端裝備和民用工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，如在飛行器前視紅外探測、夜視設(shè)備以及預(yù)警衛(wèi)星、戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等武器精確制導(dǎo)系統(tǒng)［44］，還有大型紅外望遠(yuǎn)鏡、微型復(fù)眼相機［45-47］、微型飛行器及運動機器人、基于視覺的自動導(dǎo)航儀等工程技術(shù)領(lǐng)域［48-49］。此外，人們致力于拓展仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的新功能，以彌補其平面黑白成像的不足。通過改進數(shù)字處理方法與結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn)諸如全視角成像、目標(biāo)定位、3D信息提取、指紋提取、彩色成像、多譜成像等拓展功能［37］。下面分類對其應(yīng)用進行闡述:

(1)在導(dǎo)彈精確末制導(dǎo)裝置中的應(yīng)用［44］。生物界的昆蟲能夠?qū)崟r有效地跟蹤和截獲目標(biāo)，其原理是它可以結(jié)合復(fù)眼及其后神經(jīng)系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速地處理視覺信息，及時分析目標(biāo)物運行信息并實時發(fā)放指令，從而校正并控制自身飛行速度與方向。為使導(dǎo)彈可獲取目標(biāo)物的3D信息，可模擬復(fù)眼功能，在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭上用1個成像探測器和2個調(diào)制盤構(gòu)造出一個多模導(dǎo)引系統(tǒng)。這類仿生制導(dǎo)導(dǎo)引頭不僅繼承了復(fù)眼視場大、質(zhì)量輕、焦距短及體積小的優(yōu)點，而且還具備高度的容錯能力、自適應(yīng)能力與較強搜索和跟蹤能力等特點，可用在紫外光與可見光波段下的復(fù)合制導(dǎo)，例如反艦導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、以及空空導(dǎo)彈與空地導(dǎo)彈等各類導(dǎo)彈的精確末制導(dǎo)。仿生復(fù)眼末制導(dǎo)裝置的優(yōu)點使得它在航船、飛機的夜視設(shè)備及前視紅外探測等方面有廣泛應(yīng)用前景。可以預(yù)見，下一代智能武器將用復(fù)眼觀測目標(biāo)，復(fù)眼成像系統(tǒng)在國內(nèi)外軍事領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹碓蕉嗟闹匾暫蛻?yīng)用。

(2)在智能機器人的視覺導(dǎo)航裝置中的應(yīng)用［50］。由于復(fù)眼系統(tǒng)的小體積、大視場、速度可測與重量輕等諸多優(yōu)勢，使其系統(tǒng)不僅可在360°視場范圍內(nèi)監(jiān)控目標(biāo)，而且有利于減少系統(tǒng)的體積及承載它的系統(tǒng)所需的能量。仿生復(fù)眼探測器收集到的光信息經(jīng)過該系統(tǒng)的處理，可實現(xiàn)對目標(biāo)物的識別、測速與跟蹤。智能機器人的視覺系統(tǒng)可準(zhǔn)確辨別周圍環(huán)境目標(biāo)的位置與方向，并能夠清晰判斷它與目標(biāo)物的距離，因此可順利穿行于有障礙物的環(huán)境中。很多危險的任務(wù)，諸如油井大火的撲滅、核物質(zhì)的運輸?shù)榷伎梢杂冒惭b了仿生復(fù)眼的智能機器人來完成。

(3)在微型復(fù)眼相機裝置中的應(yīng)用［47］。便攜式光電子產(chǎn)品的微型化趨勢使得僅僅通過縮小系統(tǒng)的機械裝置和電子器件已無法滿足要求。受生物復(fù)眼的啟示，人們提出了基于實時視覺的微光學(xué)超薄光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計出微型復(fù)眼相機。與傳統(tǒng)相機相比其具有體積小、質(zhì)量輕、視場大、便攜等諸多優(yōu)點。實驗證實［47］復(fù)眼相機可達(dá)到視頻圖形陣列的分辨率，且體型長度比具有相同像素的傳統(tǒng)相機小。目前的微納工藝制造水平，可以實現(xiàn)微透鏡陣列的晶圓級制備。2011年10月，Lytro公司推出世界首款光場相機，原理是利用仿昆蟲復(fù)眼的微透鏡陣列，在拍攝的同時記錄包括光線方向等大量復(fù)雜信息，通過軟件對數(shù)據(jù)解碼，實現(xiàn)“先拍攝后對焦”的功能。Lytro強調(diào)該相機最重要的不是其成像質(zhì)量或性能，而是其強大的光場紀(jì)錄與解碼技術(shù)。該相機是首個運用光場技術(shù)的消費產(chǎn)品，被稱為“自攝影發(fā)明以來的首次重大變革”。

(4)應(yīng)用于偏振光導(dǎo)航儀［47-49］。受蜜蜂復(fù)眼的視覺細(xì)胞對偏振光非常敏感的啟示，偏振方向略有差異的偏振片排列在仿生復(fù)眼的相鄰小眼中，將此類仿生復(fù)眼望向天空，明暗圖案會伴隨太陽位置的改變而變化，從而獲得光的偏振方向。利用該原理發(fā)明的偏振光導(dǎo)航儀很早就應(yīng)用于航海中，現(xiàn)在已經(jīng)安裝在汽車、微型飛行器、GPS和自由運動的機器人等裝置上。

(5)應(yīng)用于多孔徑光學(xué)系統(tǒng)裝置［49］。根據(jù)復(fù)眼的多孔徑光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，人們設(shè)計了一種半球形多孔徑光學(xué)系統(tǒng)裝置。由于該系統(tǒng)具有很大的視場，目標(biāo)易被搜索，因此在國內(nèi)外很多重要的裝備中都已得到應(yīng)用。比如在宇宙空間的監(jiān)測、艦艇搜索和跟蹤系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、預(yù)警衛(wèi)星及大型紅外望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域。

(6)應(yīng)用于彩色成像［37］。基于 TOMBO系統(tǒng)，Tanida J小組在2004年提出兩種實現(xiàn)彩色成像的方案:像素分色與單元分色。該方案通過把不同波長的濾波器加在微透鏡陣列之后來實現(xiàn)。像素分色是指TOMBO中所有單元的濾波器排列方式相同且每個單元中不同顏色的濾波器用于相鄰像素;單元分色是指相鄰單元采用不同顏色濾波器且每個單元采用同種顏色濾波器。兩種方案各有所長:采用單元分色法，與成像器件相連的彩色濾波器易于制作，并可放寬成像條件;采用像素分色法，成像器件可以直接選擇已商品化的彩色CCD。

(7)應(yīng)用于指紋與信用卡識別［37，27］。Tanida J小組在2004年提出基于TOMBO的指紋識別系統(tǒng)。在已有的TOMBO中增加光導(dǎo)盤(用于手指定位)，并引入專用的發(fā)光組件，把手指置于光導(dǎo)盤表面，然后用光源照射待測手指就可實現(xiàn)指紋提取。與傳統(tǒng)TOMBO系統(tǒng)的區(qū)別是，用于指紋識別的TOMBO系統(tǒng)要實現(xiàn)對近距離的指紋信號的聚焦，且最后提取結(jié)果是對復(fù)合像經(jīng)過一系列處理得到的。2005年德國科學(xué)家又研制了一種厚度僅有0.4 mm的人工復(fù)眼成像系統(tǒng)［25］，將該系統(tǒng)與一影像分析裝置連接在一起，并粘附于銀行卡上，當(dāng)消費者使用銀行卡時就可以顯示持卡者，從而防他人盜用。

(8)全視角成像功能。2007年，德國的JACQUES小組實現(xiàn)了基于仿生并列復(fù)眼的全視角成像系統(tǒng)［50］。將可旋轉(zhuǎn)的機械軸應(yīng)用于該系統(tǒng)，即可通過機械軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)微透鏡對各視角光信息的采集，各視角收集的像片段連接起來就可完成全視角成像。這類結(jié)構(gòu)比較簡單的全視角成像系統(tǒng)，可達(dá)到平面仿生并列復(fù)眼的體積水平，特別適用于微小孔洞探測和醫(yī)療內(nèi)窺鏡等方面。

6 結(jié)束語

經(jīng)過幾十年的研究，學(xué)者們已經(jīng)充分認(rèn)識了復(fù)眼的結(jié)構(gòu)及其工作原理，也制造出許多人工復(fù)眼并應(yīng)用于設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)，但是由于目前在微光學(xué)加工工藝、裝調(diào)水平、后期的數(shù)據(jù)融合以及信息處理等方面的種種限制［45］，現(xiàn)有的人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)還比較簡單、粗糙，與生物復(fù)眼的功能相比差距甚大。

當(dāng)前，毫米級以下的仿生復(fù)眼只能達(dá)到平面型水平。這是由于制備仿生復(fù)眼的關(guān)鍵是微透鏡的制造，而受工藝水平的限制，微鏡陣列的制作大多停留在平面型的水平。用于制作平面微透鏡陣列的方法通常有離子交換法、光敏玻璃熱成形法［35］、光刻膠熱熔法［22］、光電反應(yīng)刻蝕法、聚焦離子束刻蝕與沉積法［30-31］等，這些微細(xì)加工方法，可控性較差，難以保證微透鏡陣列形狀精度。平面型微透鏡陣列的仿生復(fù)眼，相對曲面而言視場小且透鏡邊緣成像質(zhì)量差。曲面型仿生復(fù)眼雖具有視場大等諸多優(yōu)點，但目前透鏡曲面陣列形成的人工復(fù)眼中，單個透鏡尺寸很難達(dá)到毫米量級以下，且曲面陣列多數(shù)采用分別制作單個透鏡再拼接的方法，過程復(fù)雜且裝調(diào)困難，也妨礙了它的進一步小型化。不過，當(dāng)前超精密加工技術(shù)已用來加工3D透鏡和中尺度光學(xué)結(jié)構(gòu)，這是一種革新的、綜合的微細(xì)加工方法，可制作精度更高的微透鏡陣列并應(yīng)用于仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)中。與其它微細(xì)加工方法相比，超精密加工能夠生產(chǎn)出覆蓋大小特征尺寸更精密的結(jié)構(gòu)和更好的表面拋光，更重要的是能夠加工出真正的3D微透鏡和微棱鏡結(jié)構(gòu)，且在單一編排中能加工整個光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無需重復(fù)再加工?，F(xiàn)在超精密加工技術(shù)在自由曲面加工方面越來越成熟，可實現(xiàn)的制造精度越來越高，在自由曲面加工中實現(xiàn)了的變切深切削、尺寸一致、表面粗糙度小、可控性強及加工精度高等一系列優(yōu)點。該技術(shù)在光學(xué)遙感、視覺研究和許多光學(xué)和光電子學(xué)的應(yīng)用上有很大的潛力，受到越來越多的關(guān)注。最近，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密研究所已在曲面超精密加工方面開展了深入的研究，并取得了一定的研究成果［3］。

目前，人工仿生復(fù)眼雖然仍存在一些棘手的問題，但發(fā)展速度和獲得的成果已受到廣泛重視，許多科技人員還在復(fù)眼的理論研究和實用方面做了大量的工作。人工復(fù)眼集生物學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、信息處理、數(shù)據(jù)融合、自動控制等多個學(xué)科為一體，已成為具有創(chuàng)新性、邊緣性、交叉性的前沿研究領(lǐng)域［43］，這一領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間有待科技工作者們?nèi)パ芯刻剿?。相信隨著社會的發(fā)展和科技的進步，通過國內(nèi)外學(xué)者潛心研究、不斷努力，人工仿生復(fù)眼會有更光明的前景。

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