低光成像通常需要更好的圖像傳感器像素設計，或者尋找感亮度更好的光轉換材料。如今，美國威斯康辛大學(xué)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，設計出一種可大幅提高傳感器光輸入的獨特光學(xué)透鏡，能夠進(jìn)一步打造出可夜視的人工眼。
研究人員的靈感來(lái)自于龍蝦的重迭復眼以及小型象鼻魚(yú)視網(wǎng)膜結構的組合。象鼻魚(yú)的視網(wǎng)膜內覆充滿(mǎn)數千個(gè)結晶的微杯。
象鼻魚(yú)的眼睛與人工眼示意圖（來(lái)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)現一種由數千個(gè)微型光收集器(μ-PC)制造的光學(xué)透鏡，每一個(gè)μ-PC都包含具有拋物線(xiàn)反射側壁的玻璃微柱，可透過(guò)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構排列，因而可仿真龍蝦的重迭復眼，讓多個(gè)光輸入埠匯聚入射光線(xiàn)至個(gè)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(shí)的感亮度提高了4倍。
為了制造高度僅120um的拋物線(xiàn)微杯結構，工程師采用混合雷射燒蝕過(guò)程。
“首先，我們用雷射燒蝕方式在玻璃上形成拋物線(xiàn)微杯結構。然后，藉由回焊Su-8光阻劑平整側壁表面，接著(zhù)涂覆鋁作為反射(鏡)層，”UW–Madison電子與計算機系以及生物醫療工程系教授江洪睿解釋。
這些微杯接著(zhù)被移植到一個(gè)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(shí)際上就是一個(gè)可用于提升任何成像系統的魚(yú)眼鏡頭，無(wú)論是否使用圖像傳感器。
人工眼與BPE的制造過(guò)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(lái)源：UW Madison）
如圖所示，每一個(gè)μ-PC透過(guò)射線(xiàn)追蹤模式收集入射光，并透過(guò)反射4個(gè)拋物線(xiàn)側壁將光線(xiàn)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(gè)像素來(lái)說(shuō)，整體結構作用就像具有多個(gè)入射光埠的重迭復眼一樣。
為了驗證這個(gè)概念，研究人員在一個(gè)直徑為8mm的虹膜中心設計一個(gè)配備球形透鏡的完整魚(yú)眼，在一個(gè)25mm直徑的圓頂(PDMS半球型薄膜)內部以48×48數組排列的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構，以及在多個(gè)μ-PC上的圖像傳感器建置（來(lái)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(jiǎn)潔、清晰的圖像。
不過(guò)，江洪睿與其研究團隊指望僅微縮這些微鏡模式來(lái)聚集更多的光線(xiàn)嗎？
“我們研究過(guò)杯狀結構的幾何效應。其尺寸并非完全優(yōu)化，但確實(shí)考慮了幾何效應。結構太小會(huì )造生繞射作用，因而效果可能不夠好，”江洪睿表示，未來(lái)希望能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該技術(shù)以實(shí)現商用化，或者透過(guò)IP授權。
至于大規模的制造，“模塑制程或許可行。也就是說(shuō)，使用雷射燒蝕打造主結構，然后用于模塑微杯數組。不過(guò)，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(xiàn)聚集的頂部，在這些微型結構的玻璃中使用摻雜劑使光線(xiàn)擴展成某種形式的作法可行嗎？
“這是個(gè)有趣的想法。我還沒(méi)有仔細思考這一點(diǎn)，不過(guò)，這可能會(huì )十分具有挑戰性，”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。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(huì )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(shuō)，如果結合二者的話(huà)，將會(huì )十分有趣。”
透過(guò)進(jìn)一步的處理和幾何優(yōu)化，研究人員希望未來(lái)能使人工眼的感亮度提高10倍以上。
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