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最新人工复眼成像系统综述
摘要：
天然复眼具有视场大、结构紧凑、对运动物体敏感等特点，近年来受到了广泛的关注。许多研究致力于模拟自然复眼的成像体系。本文综述了目前最先进的人工复眼成像系统。首先介绍了三种自然复眼的成像原理。然后，根据结构组成的不同，将现有的人工复眼成像系统分为四类。读者可以从结构构成的角度轻松掌握构建人工复眼成像系统的方法。此外，我们还比较了目前最先进的人工复眼成像系统的成像性能，为读者设计人工复眼成像系统的系统参数提供了参考。接下来，我们将介绍人工复眼成像系统的应用，包括大视场成像、高分辨率成像、目标距离检测、医学成像、自我运动估计和导航。最后，对人工复眼成像系统前景进行展望。
- 引言
脊椎动物和昆虫是动物界的两种主要生物。生物通过眼睛构建外部世界的图像并捕获外界环境信息来搜寻食物、导航和寻找配偶等。脊椎动物的眼睛和昆虫的眼睛是大自然创造的两个精致、优秀的视觉系统。脊椎动物的眼睛，如人眼，收集外部环境中物体的入射光，并通过单通道透镜将光聚焦到视眼上。受光学成像原理的启发，人们设计了众多的、无处不在的仿生相机成像系统，应用于许多领域，包括手机相机、数码相机和工业相机。受益于目前半导体制造技术的成熟，可以使相机的光感受器高密度分布，相机成像系统可以实现高空间分辨率。此外，还能使用有效的光学设计工具通过降低像差（球差、彗差、像散、场曲率、畸变、色差）来进一步提高成像分辨率。然而，这种成像系统的视场很窄。视场的定义是由成像系统成像的给定场景的角度范围，即场景在成像系统处的立体角。一个拥有大视场的成像系统具有从医学到军事应用的巨大潜力，如内窥镜、机器人视觉、安全防护和牙病治疗。到目前为止，只有鱼眼镜头（依靠几块笨重且昂贵的镜头）、折反射镜头和旋转摄像机才能实现视场超过90°的传统仿生相机成像系统。鱼眼镜头的主要缺点是图像边缘出现严重失真。对于许多需要高质量图像的应用来说，这是一个重要的限制因素。此外，鱼眼透镜是由几个半月板透镜组成，不仅体积庞大，而且复杂、昂贵。就折反射镜头和旋转摄像机而言，由于机械旋转结构的存在，它们只能为静态场景提供较大的视场。此外，虽然由于制造技术的提高，微型相机(包括光学系统和成像传感器)已经小型化，但因为物理和技术限制阻碍了相机尺寸的进一步缩小，现今的微型相机很难小于5times;5times;5mm^3。而且即使光学系统和成像传感器小型化，成像分辨率和图像适合度(如视场)也会由于衍射限制效应而显著降低。如何克服这一限制，即在获得较大视场的同时减小尺寸，是另一个需要解决的重要且有意义的问题。从自然中寻找灵感是个明智的想法，研究自然是如何成功地解决这个问题。
昆虫的复眼，在5亿多年前首次出现在地球上，并通过自然选择优化形成了一个成熟的光学系统。据我们所知，人们从20世纪20年代开始研究复眼的视觉系统。在过去的几十年里，由于复眼突出的光学特性，人们致力于实现复眼成像。与脊椎动物的单孔眼睛相比，昆虫的复眼具有视场极大、像差和畸变小、时间分辨率高和景深无限的特点。然而，这些优势是以降低固有成像分辨率为代价的，这取决于基本成像单元的数量和大小，即小眼。一项研究表明，如果复眼的图像分辨率提高到与人的单孔眼睛相同的水平，那么整个镜头的半径将至少为1米。到目前为止，已经提出了许多人工复眼成像系统来模拟昆虫眼睛的光学系统。有必要对这些前人的作品进行回顾、总结、比较。与其他人工复眼成像系统(主要从平面和曲面两种类型)不同的是，我们从其它不同结构组成的角度对其进行了综述，并将其分为四种类型。读者可以很容易地掌握实现人工复眼成像的方法，然后选择一种类型来构建人工复眼成像系统。此外，我们还对目前最先进的人工复眼成像系统的成像性能进行了比较，为读者设计人工复眼成像系统的系统参数提供了参考，展示了该人工复眼成像系统的应用，读者可以了解到人工复眼成像系统的成像能力。本文还对四种类型的人工复眼成像系统的研究方向进行了展望。本文的其余部分组织如下：第二节考察了三种类型的天然复眼，第三节介绍了目前最先进的人工复眼成像系统，第四节讨论了人工复眼成像系统的应用，第五节给出了结论和对人工复眼成像系统的展望。
- 三种天然复眼
复眼的最小成像单位命名为小眼。天然复眼的小眼数从不到十个到几万个不等。每个小眼都可以看作是一个单独的成像系统，通常包括角膜、晶锥和视杆，如图1所示。根据成像原理，已知的自然复眼大体上可分为三类：并列型复眼、光学重叠式复眼和神经重叠式复眼。对于并列型复眼，每个小透镜聚焦来自单个通道的光，并且在两个相邻通道之间没有光学串扰，而对于光学重叠式复眼，每个接收器接收来自几个相邻通道的光。因此，与并列型复眼相比，光学重叠复眼对光的敏感度要高得多，而很多常见的深水生物据此能生活在深海昏暗的光线下。与光学重叠式复眼不同的是，神经重叠式复眼在一个小眼上有好几个晶锥，一个视神经将众多的小眼结合在一起，从而在不增加小眼数量的情况下，提高了分辨率，增加了加法器输出的信噪比。
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- 并列型复眼
并列型复眼常见于白天活动的昆虫(如苍蝇、蜜蜂和蜻蜓)。自然并列型复眼由角膜透镜阵列、晶锥阵列和视杆阵列组成。这三个阵列排列在相应的曲面上。如图2所示，每个单独的角膜-晶锥-视杆结构形成一个单独的光学通道，并被视为一个小眼。入射光通过一个单独的晶锥聚焦在一个视杆上，为了避免光学串扰，有色素的不透明壁将相邻的小眼光学隔离，即入射光聚焦在每个通道各自的视杆上，否则，会导致图像重影、图像对比度和分辨率降低。每个小眼只传输大视场的一小部分图像(大约1°)，大视场的最终图像是所有小眼视场的连续累加。不同的并列型复眼有不同数量的小眼，从几百个(水蝇)到几万个(蜜蜂或蜻蜓)。并列型复眼体积小，视野大，但这是以低空间分辨率和不时的低灵敏度为代价的。
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- 光学重叠式复眼
与并列型复眼相比，光学重叠式复眼对于入射光具有更高的光敏度。光学重叠式复眼允许多个角膜透镜的平行光被引导并叠加到一个相同的视杆。许多小眼协作形成一个叠加的图像，在每个视杆上汇集周围光场的重要信息。因此，光学重叠式复眼单个小眼的瞳孔大小与采光效率大于并列型复眼。此外，光学重叠式复眼的成像分辨率比并列型复眼高10倍左右。然而，来自多个角度的入射光引起的球面像差导致分辨率与衍射极限相去甚远。拥有光学重叠式复眼的昆虫主要是在夜间活动的昆虫(如飞蛾)和中层或深层水域昆虫(如大量的甲虫)。根据晶锥内光传播路径的不同，光学重叠式复眼大致可分为三类：折射型、反射型和抛物型重叠复眼。在接下来的部分中，我们将简要介绍这三个类别。
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- 折射型重叠复眼
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对于折射型重叠复眼(如飞蛾)，光学性能不是由单个小眼决定的，而是好几个小眼决定的。折射型重叠复眼的特点在于晶锥，如图3所示，来自多个角膜透镜(通常是数百个)的入射光被一个相同的视杆上的晶锥折射收集。通常，对于具有梯度折射率的晶锥，其中心具有最高的折射率，并且反射率向晶锥的边缘递减。
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- 反射型重叠复眼
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与折射型重叠复眼相比，反射型重叠复眼(例如十足类虾和小龙虾)具有另一条入射光的传播路径。通常，晶锥的横截面呈方形，反射面位于晶锥的侧壁上。来自多个角膜透镜的入射光仅被晶状体的侧壁反射，即晶锥中没有折射，然后入射光会聚在一个相同的视杆上，如图4所示。
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- 抛物型重叠复眼
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抛物型重叠复眼在螃蟹身上首次被发现，后来在某些端足甲壳类动物中也发现了它。这种重叠式复眼的特点是角膜晶锥焦距短，晶锥折射率均匀。与上述两种重叠复眼(折射和反射重叠复眼)相比，抛物重叠复眼具有独特的结构，如图5所示，一方面，与反射式重叠复眼一样，来自多个角膜透镜的入射光也通过晶锥的侧壁反射到一个角膜透镜上。这两种重叠复眼不同的是，抛物重叠复眼的晶锥横截面呈圆形。另一方面，与折射重叠复眼不同，抛物型重叠复眼没有晶锥的梯度折射率。从晶锥横截面上看，光路呈抛物线形状，而不是直线。因此，它被命名为抛物重叠复眼。这种天然复眼看起来更像是折射和反射复眼的叠加。
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- 神经重叠式复眼
神经重叠式复眼(许多双翅目苍蝇，如家蝇)的特点是每个小眼有几个视杆(大约6-9个视杆)，这些视杆叠加在同一条视神经上，如图6所示。与其它重叠式复眼相比，神经重叠式复眼中来自不同角膜透镜的入射光被晶锥曲面并在同一小眼的不同视杆上被采集。一条视神经将不同的视杆连接在一起，虽然神经重叠式复眼的结构比并列型复眼更复杂，但它因此在不增加小眼数量的情况下提供了更高的分辨率。
- 人工复眼成像方法
据我们所知，对人工复眼成像系统的研究始于20世纪90年代。到目前为止，实现人工复眼成像的技术途径多种多样，从图像传感器和微透镜阵列的结构组成不同的角度出发，可将这些技术方法分为四类：平面微透镜阵列图像传感器、曲面微透镜阵列平面图像传感器、曲面微透镜阵列曲面图像传感器和多摄像机阵列。这四种划分的根据是微电子和微透镜阵列制造技术的更新换代。以前的微电子制造技术仅限于平面感应器阵列，例如CCD或CMOS图像传感器。此外，由于之前光学加工技术有限，微透镜阵列通常也是平面的。因此，在上世纪末，人工复眼成像系统大多是基于平面微透镜阵列的平面图像传感器。随着光学制造技术的发展，制造曲面微透镜阵列的先进技术发展起来，基于曲面微透镜阵列的平面图像传感器的人工复眼成像系统应运而生。后来，由于柔性微电子材料和柔性PCB(印刷电路板)的发展，曲面图像传感器被应用到人工复眼成像系统中。与上述三种人工复眼成像系统相比，多摄像机阵列有以下两个特点，一方面，虽然基于多摄像机阵列的人工复眼成像系统也采用平面图像传感器，但这些平面图像传感器通常放置在曲面上，以模仿复眼的大视场特征。另一方面，与基于曲面微透镜阵列的曲面图像传感器的人工复眼成像系统不同，基于多相机阵列的人工复眼成像系统使用平面成像传感器，而不需要考虑复杂的曲面图像传感器的制造工艺。
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- 平面微透镜阵列图像传感器
这一种经典的人工复眼成像系统是Tanida等人受蜻蜓并列型复眼启发，提出的Tombo系统(基于束缚光学的薄型观测模块)。Tombo系统由三个组件组成：微透镜阵列、隔离层和成像传感器，如图7所示。Tombo系统的一个显著特点是，每个微透镜将光信号采集到成像传感器上的多个光敏单元，构成一个成像单元。相邻单元由信号分离器隔开，以防止光学串扰。由于这三个组件的尺寸小，Tombo系统的结构比基于多镜头的传统成像系统更简单和更轻薄。Tombo系统组建容易，因为每个部分都是可分离的，用户可以根据实际应用灵活调整Tombo系统的参数(如成像单元数、成像单元宽度、每个成像单元的感光单元数等)。图8给出了一个封装的Tombo系统样板。微透镜阵列(16times;12)的焦距和直径分别为650micro;m和250micro;m。CMOS图像传感器的像素间距为12.5micro;m，每个单元的像素数为20times;20。成像单元的16times;12微透镜阵列捕获的子图像的复合图像具有320times;240像素且有8位深度。
Tombo系统的微透镜排列规则、均匀，只能在特定的目标距离上获得均匀的采样信息。然而，随着目标距离的增加，采样信息会混杂在一起，当距离为无穷大时，采样信息完全退化。为了解决Tombo系统的性能在很大程度上依赖于目标距离的问题，提出了一种不规则排列的微透镜。如图9所示，与规则微透镜排列的Tombo系统相比，不规则微透镜排列的Tombo系统在远目标距离下的成像性能显著提高。
为了使Tombo系统获得彩色图像，Tanida等人设计了两种分色结构，如图10所示。一种结构是按单位分色，即将颜色通道(红色、绿色和蓝色)分配给各个成像单元。该结构较容易制造滤色器，并且具有相对宽松的成像条件。另一种结构是按像素分色，即将颜色通道分配给各个像素。这种结有明显的优点，它适用于现有的商用彩色成像传感器。
Tombo系统的一个缺点是它的视场很窄。目前已经提出了一些方法放大Tombo系统的成像视场，如以下三种人工复眼成像系统。
- 第一个系统采用自由形式的微透镜阵列，而不是传统的微透镜阵列。基于自由形状微透镜阵列的人工复眼成像系统原理图如图11所示，它由三个主要部件组成：自由形状微透镜阵列、光圈阵列和CCD/CMOS传感器。自由形状微透镜阵列的每个微透镜都经过精确设计，可以将特定方向角的光引导到CCD/CMOS传感器，然后输出单独的图像。通过自由形状的微透镜阵列和光圈阵列将人工复眼成像系统分成8个部分。四个小节在右边，其他四个小节在左边。采用超精密金刚石拉削工艺和微注射成型相结合的方法制备了8times;8自由形状的微透镜阵列。图12显示了自由形状微透镜阵列组装的人工复眼相机，每个自由形状微透镜的视场、孔径和厚度分别为plusmn;3.2°times;plusmn;3.2°、0.72 mm和0.8 mm。CMOS图像传感器的分辨率为1280times;1024，像素间距为6.7micro;m。自由形状微透镜阵列的视场为48°times;48°，厚度仅为1.6 mm。
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另一种由邓等人提出称为屈光平面复眼成像系统，用于扩展Tombo系统的视场，如图13所示，该人工复眼成像系统由两个光学元件组成，即反射元件和折射元件。一方面，由一个主镜和一个副镜组成的光学反射部分被设计成以尽可能宽的视场将入射光反射到光学折射部分。主镜被设计为抛物曲面，而副镜被设计为自由曲面。另一方面，由微透镜阵列组成的折射部分将反射光聚焦在图像传感器上进行成像。微透镜阵列被制作成4 mmtimes;4 mm的正方形、焦距8.95 mm的3times;3阵列。这些双面反射镜的表面是用3D打印制造的。CMOS图像传
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