香港科技大学工程师和机器人专家团队以昆虫复眼为原型设计打造了一种基于半球形纳米线阵列的超宽视场针孔复合眼系统。该系统结合了3D打印技术和高性能光电探测器技术，通过设计一个独特的针孔阵列来模拟昆虫复合眼系统中的小眼排列，从而实现超宽视场和准确的动态运动跟踪。该系统能够为机器人视觉和其他相关领域提供一种新型、高性能的人工视觉解决方案。该研究成果已在《Science Robotics》杂志发表，研究团队详细介绍了设计的灵感来源，以及在飞行机器人上进行测试时的效果。
▍半球形纳米线阵列的超宽视场针孔复合眼系统设计思路：
研究团队深入探讨了生物复合眼系统在昆虫视觉功能中的核心作用，特别是在超宽视场和动态运动跟踪方面的卓越性能。这些特性不仅使昆虫在复杂的自然环境中得以生存和繁衍，同时也激发了研究者对开发类似性能的人工视觉系统的兴趣。
自然界中，昆虫的复合眼系统由成千上万个单独的光感受器单元（称为小眼）组成，这些小眼以特定的几何形状排列在眼球表面，使得昆虫能够同时观测到周围环境中的多个不同方向，实现超宽视场。每个小眼都能够独立捕捉光线并转换为电信号，这些信号随后在昆虫的神经系统中集成，形成完整的视觉图像。这种独特的结构使得昆虫即使在高速运动中也能准确跟踪目标，并在极短的时间内做出反应。
受昆虫复合眼系统的启发，研究人员一直致力于开发类似的人工视觉系统，以期能够模拟昆虫的超宽视场和动态运动跟踪能力。然而，传统的人工视觉系统主要基于平面图像传感器，其视场受限于传感器的物理尺寸和光学镜头的特性，难以达到昆虫复合眼系统的水平。此外，传统系统在动态运动跟踪方面的性能也受限于其数据处理能力和算法复杂性。
为了克服这些限制，研究团队提出了一种基于半球形纳米线阵列的超宽视场针孔复合眼系统。该系统结合了3D打印技术和高性能光电探测器技术，通过设计一个独特的针孔阵列来模拟昆虫复合眼系统中的小眼排列，从而实现超宽视场和准确的动态运动跟踪。
▍无透镜复眼（PHCE）设计方法与制造过程：
香港科技大学研究团队提出了一种独特的无透镜复眼（PHCE）设计方法，该方法结合了三维打印的蜂窝状光学结构与半球形、全固态、高密度钙钛矿纳米线光电探测器阵列。这一设计的目标是克服传统复眼系统因转移过程复杂性和三维光学结构与平面商业成像器之间不匹配而带来的成像能力限制。
光学结构部分采用三维打印技术，构建了具有蜂窝状布局的针孔阵列。通过精心设计的参数（如针孔尺寸、间距和排列角度），研究团队成功实现了对相邻小眼之间盲区的消除，并提高了光利用效率。这一设计确保了系统在宽视场角下的成像性能。
光电探测器阵列采用了半球形结构，内部集成了高密度的钙钛矿纳米线（PNA）。这种结构不仅提高了成像的角度选择性，还扩展了系统的光谱响应范围，覆盖了可见光和近红外光谱。此外，PNA光电探测器展现出了优良的光电性能，包括快速响应时间和高重复性。
通过将三维打印的针孔阵列与半球形PNA光电探测器阵列进行组合，研究团队构建了一个完整的PHCE系统。为了验证系统的成像能力和动态追踪功能，团队设计了一系列实验，包括在不同光照条件下对静态和动态目标的成像测试，以及在无人机平台上进行的实时目标追踪实验。这些实验充分证明了PHCE系统具有宽广的视野、准确的目标定位能力和高效的动态追踪性能。
▍PNA光电探测器验证性测试
在深入研究PNA光电探测器的性能后，研究团队在不同条件下的表现进行了进一步验证。在光功率密度变化的条件下，PNA光电探测器展现出了卓越的响应能力。通过详细的光电流密度和响应率与光功率密度的函数关系分析，研究团队发现随着光照强度的增加，光电流显著增大，而响应率则呈现下降趋势。这一趋势与先前在PNA光电探测器中的研究结果相吻合，验证了其可靠的光电转换机制。
在昏暗环境中，即当照明功率密度降低至2.3μW/cm2时，PNA光电探测器的响应率仍可高达2.9 A/W。这一结果不仅展现了PNA光电探测器在低光强度下的高灵敏度，也为其在弱光条件下的应用提供了有力的支持。
为了更全面地评估PNA光电探测器的性能，研究团队还对其光谱响应进行了测量。通过测量不同光波长下的光谱响应率，研究人员发现PNA光电探测器具有宽带响应特性，且在798纳米处存在明显的截止边。这一结果表明，PNA光电探测器对不同波长的光都具有较强的响应能力，从而拓展了其在多光谱成像和检测领域的应用前景。
除了光谱响应外，团队还对PNA光电探测器的稳定性和可重复性进行了深入测试。通过长时间的环境存储和开关行为跟踪，研究人员发现非封装器件在存放10个月后仍能保持80%以上的原始光响应，并且在超过4000秒的开关行为跟踪中几乎没有观察到性能下降。这些结果充分证明了PNA光电探测器极佳的操作稳定性和可靠性。
▍基于半球复合眼系统未来商业应用潜力
通过定制设计的半球形成像系统和3D打印的无透镜针孔阵列，PHCE系统能够捕获来自宽广视角的光学信息。这种设计不仅极大地扩展了成像系统的视野范围，而且有效避免了相邻小眼（ommatidia）之间的盲区，从而确保了成像的连续性和完整性。在实际应用中，这种宽视角成像能力对于需要实时监控大范围场景的机器人系统来说至关重要。
得益于PHCE系统中电绝缘特性明确的PAM通道设计，研究团队成功实现了对目标的精确定位。在实验中，系统能够准确捕获并识别出不同形状和颜色的图案，如圆形、十字形和三角形等。这种精确的目标定位能力使得PHCE系统能够胜任诸如目标跟踪和路径规划等高级视觉任务。
通过将PHCE系统与可编程无人机集成，研究人员进一步验证了其在空中实时运动跟踪地面机器人的能力。这一功能的实现不仅证明了PHCE系统的高性能，同时也为机器人视觉系统的未来发展提供了新的思路和方法。通过不断优化和升级，PHCE系统有望在更广泛的领域，如环境监测、安防监控等，发挥重要作用。
▍结语与未来：
尽管PHCE系统已经展现出了其强大的性能和应用潜力，但仍有很大提升空间。例如，通过探索更高密度的背接触、采用合理的扫描方法和算法实现高分辨率和无限深度成像、优化光学设计以适应两栖视觉需求，以及开发多样化的几何形状和布局来扩展设备功能等，我们有理由相信PHCE系统将在更多领域展现出其独特的价值和潜力。
