「盡收眼底」!仿魚眼小型廣角相機

拍風光的時候，想把全部的風景裝進鏡頭；拍女友的時候，想把她拍得高一點、瘦一點，這些時候怎麼辦？我知道有朋友肯定會說用廣角相機啊！對啦，就是廣角相機！

近日，韓國首爾大學的研究人員及其合作者受魚類眼睛結構的啟發，首次製造了一個小型的廣角相機，該相機具有120度的視野，和20釐米至無窮遠的景深，該性能可與當前其他廣角相機相媲美。該文章發表在 Nature Electronics，題為「An aquatic-vision-inspired camera based on a monocentric lens and a silicon nanorod photodiode array」。

相機鏡頭按照焦距及視角的大小，可分為標準鏡頭、廣角鏡頭和魚眼鏡頭。具體來講，廣角鏡頭是一種介於標準鏡頭和魚眼鏡頭的攝影鏡頭，其焦距短於標準鏡頭，但是長於魚眼鏡頭；另外由於焦距越短，視角越大，其視角大於標準鏡頭，但是小於魚眼鏡頭。通常我們將視角在70°至120°之間，焦距在13-20 mm之間，景深在20釐米至無窮遠的鏡頭稱為廣角鏡頭。由於廣角相機具有更大的視角，更深的景深，因此其可以為相機等電子設備提供更為廣泛的視野。

另外，移動電子設備的最新進展極大地增加了對具有廣角成像功能的小型輕巧相機的需求。此外，此類攝像頭對於包括無人機和飛行機器人在內的下一代行動裝置至關重要，它可以避免障礙物並有效地跟蹤物體。但是，傳統的寬視場攝像機需要大量笨重的鏡頭才能將全景場景聚焦到平面圖像傳感器上，以減少由焦平面之間的強烈不匹配（彎曲）引起的光學像差。

傳統的廣角鏡頭往往由多個透鏡組合而成，例如一個典型的視角約為120°的廣角鏡頭，其所需要的透鏡在8-12個之間（圖 1），這就導致這些鏡頭都是十分笨重。

圖 1.  傳統廣角鏡頭的透鏡組裝示意圖，及其相關參數。圖源：Nat Electron, 2020, DOI:10.1038/s41928-020-0429-5. (Fig. S1)「道法自然」永遠是人類創造力的主要來源之一，自然界中水生動物的眼睛結構為廣角相機小型化的設計提供了思路。如圖 2顯示了魚眼的解剖結構，它由具有拋物體狀輪廓的晶狀體，帶有光敏杆狀細胞的半球形曲面視網膜，用於阻擋雜散光的虹膜以及用於牽引晶狀體移動的肌肉組成。由於這些結構和功能特性，在保持很小的外形尺寸的條件下，其具有最大可達160°的廣角視覺能力，並且具有很高的視敏度和很深的景深，這些特徵符合下一代廣角相機的關鍵要求。

圖 2.魚眼的結構示意圖，其由一個圓形的晶狀體和半圓形的視網膜組成。圖源：Nat Electron, 2020, DOI:10.1038/s41928-020-0429-5. (Fig. 1)受魚類眼球結構的啟發，如圖3所示，研究人員開發了一種核-殼結構的中心透鏡來模擬魚眼的晶狀體，利用它可以實現對多個入射角度光線的聚焦。另外研究人員還開發了一個半球形矽基納米棒光電二極體陣列，其形狀與由中心透鏡形成的半球形焦平面相匹配。由於納米棒型紋理化和表面鈍化的技術處理，使它也顯示出出色的成像性能。

圖3. 研究人員模仿魚眼所製備的人工大視野照相機。

圖源：Nat Electron, 2020, DOI:10.1038/s41928-020-0429-5. (Fig. 2)

這兩個關鍵器件的組合，成功構築了仿生廣角相機（圖4）。進一步的測試結果表明，該仿生照相機具有可與當前帶有凸透鏡的相機相媲美的光學特性,它具有120°的視角和20釐米至無窮遠的景深。研究人員使用該相機以各種角度進行拍攝，以測試其廣角視覺能力，所得如圖4所示：

圖源：Nat Electron, 2020, DOI:10.1038/s41928-020-0429-5. (Fig. 3)

移動電子技術的最新進展極大地增加了對具有廣角成像功能的小型輕巧相機的需求。例如，這種攝像機對於包括無人機和飛行機器人在內的下一代行動裝置都至關重要。另外，小型化的廣角鏡頭也可以安裝在智慧型手機等小型化設備上。

文章信息：

該文章以「 An aquatic-vision-inspired camera based on a monocentric lens and a silicon nanorod photodiode array 」為題發表在 Nature Electronics 。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0429-5

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開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

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