低光成像通常需要更好的影像感測器畫素設計,或者尋找感光度更好的光轉換材料。如今,美國威斯康辛大學麥迪遜分校(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感測器光輸入的獨特光學透鏡,能夠進一步打造出可夜視的人工眼。

研究人員的靈感來自於龍蝦的重疊複眼以及小型象鼻魚視網膜結構的組合。象鼻魚的視網膜內覆充滿數千個結晶的微杯。

![20160324 NightVision NT02P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/2GDBKjWEsgQ8i2s4iE8Ugm/9af5178b77a8d5b394bee85d93a4b1d9/20160324_NightVision_NT02P1.jpg)
象鼻魚的眼睛與人工眼示意圖
(來源: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,研究人員發現一種由數千個微型光收集器(μ-PC)製造的光學透鏡,每一個μ-PC都包含具有拋物線反射側壁的玻璃微柱,可透過微小的輸出埠聚集微弱的入射光。

微型的光收集器採用圓頂形結構排列,因而可模擬龍蝦的重疊複眼,讓多個光輸入埠匯聚入射光線至個別感測器畫素中。

研究人員使用這種獨特的鏡頭,使其得以在漆黑環境中讓成像物體時的感光度提高了4倍。

為了製造高度僅120um的拋物線微杯結構,工程師採用混合雷射燒蝕過程。

「首先,我們用雷射燒蝕方式在玻璃上形成拋物線微杯結構。然後,藉由回焊Su-8光阻劑平整側壁表面,接著塗覆鋁作為反射(鏡)層,」UW–Madison電子與電腦系以及生物醫療工程系教授江洪睿解釋。

這些微杯接著被移植到一個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),實際上就是一個可用於提升任何成像系統的魚眼鏡頭,無論是否使用影像感測器。

![20160324 NightVision NT02P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/1JsdUwisswgAsWsqWA4mA0/55c0b0e7fac21ee6f2f3af1e3260cacf/20160324_NightVision_NT02P2.jpg)
人工眼與BPE的製造過程。(A-F)顯示製造步驟;(G、H)是μ-PC橫切面影像;(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)
(來源:UW Madison)

如圖所示,每一個μ-PC透過射線追蹤模式收集入射光,並透過反射4個拋物線側壁將光線集中至較窄的輸出埠(從77μm輸入埠至20μm輸入埠)。

由於緊密排列的μ-PC全向式列在全景透鏡上,對於成像器上的每個畫素來說,整體結構作用就像具有多個入射光埠的重疊複眼一樣。

為了驗證這個概念,研究人員在一個直徑為8mm的虹膜中心設計一個配備球形透鏡的完整魚眼,在一個25mm直徑的圓頂(PDMS半球型薄膜)內部以48×48陣列排列的μ-PC上,產生半球形的影像層。

![20160324 NightVision NT02P3](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/Vg47P5K2myWKgmGW0GScm/590f4686c7525d48ffa381e922c57166/20160324_NightVision_NT02P3.jpg)
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μ-PC上的影像感測器建置
(來源:UW Madison)

他們採用多步影像擷取和超高解析影像重建演算法,補償了重疊複眼原生的模糊,從而產生簡潔、清晰的影像。

不過,江洪睿與其研究團隊指望僅微縮這些微鏡模式來聚集更多的光線嗎?

「我們研究過杯狀結構的幾何效應。其尺寸並非完全最佳化,但確實考慮了幾何效應。結構太小會造生繞射作用,因而效果可能不夠好,」江洪睿表示,未來希望能進一步開發該技術以實現商用化,或者透過IP授權。

至於大規模的製造,「模塑製程或許可行。也就是說,使用雷射燒蝕打造主結構,然後用於模塑微杯陣列。不過,奈米壓印可能不適用,因為我們所談論的是10x微米寬度和100微米深度,」研究人員表示。

那麼,在此全光光線聚集的頂部,在這些微型結構的玻璃中使用摻雜劑使光線擴展成某種形式的作法可行嗎?

「這是個有趣的想法。我還沒有仔細思考這一點,不過,這可能會十分具有挑戰性,」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。我們的機制並不像雷射一樣提高光的強度。入射光並不會像那樣地觸發。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,如果結合二者的話,將會十分有趣。」

透過進一步的處理和幾何最佳化,研究人員希望未來能使人工眼的感光度提高10倍以上。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Bio-inspired lens gives image sensors night vision capability,by Julien Happich)