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新的超小型相机捕捉高对比度和超分辨率的图像

独特的生物视觉系统结构启发科学家设计出超紧凑的成像系统。由Ki-Hun Jeong教授领导的一个研究小组已经制造出一种能够捕捉高对比度和高分辨率图像的超小型相机。完全打包与反向微镜头等光学元件,多层针孔阵列,图像传感器和差距定位器,摄像机拥有总轨道长度740μm和73°的视野。

受纸蜂Xenos peckii眼睛结构的启发,研究小组在减少相机厚度的同时,完全抑制了微透镜之间的光学噪声。该相机已经成功地演示了从微透镜获取的高对比度清晰阵列图像。为了进一步提高捕获图像的图像质量,该团队通过超分辨率成像将阵列图像合成为一幅图像。

昆虫的复眼具有良好的视觉特性,如视角广,运动灵敏度高,视野深度大,同时保持小体积的视觉结构和较小的焦距。其中,Xenos peckii的眼睛和纸上发现的一种内寄生虫在一个晶状体中有数百个感光器,这与传统的复眼不同。特别是,成年Xenos peckii的眼睛结构在单个小孔上显示出数百个感光器,这为超薄相机或成像应用提供了工程灵感,因为它们比其他复眼具有更高的视觉敏锐度。

例如,Xenos peckii的以眼睛为灵感的相机提供的空间分辨率是基于节肢动物眼睛的相机的50倍。此外,利用邻近小眼之间的图像重叠可以进一步提高Xenos peckii的眼睛的有效图像分辨率。这种独特的结构提供了比其他昆虫眼睛更高的视觉分辨率。

该团队通过一种新颖的微光学元件阵列设计实现了高对比度和超分辨率的成像,这种阵列包括多层孔径阵列和直接堆叠在图像传感器上的倒置微透镜阵列。该光学元件与互补的金属氧化物半导体图像传感器集成。

这是首次演示的超分辨率成像,获得一个单一的综合图像与高对比度和高分辨率重建高对比度阵列图像。这种超薄阵列相机有望用于进一步开发移动设备、先进的监视车辆和内窥镜。

这项研究导致了成像技术的进步。我们将继续努力在微技术和纳米技术领域的多学科研究项目中产生重大影响,从自然的光子结构中寻找灵感。”

基亨Jeong教授

韩国高等科学技术学院(KAIST)

Kim, K., et al.(2020)生物启发超薄阵列相机用于高对比度和高分辨率成像。光:科学,应用程序。doi.org/10.1038/s41377 - 020 - 0261 - 8。