快速变焦的液态化合物眼系统，用于宽视场成像和多目标聚焦

《Optics & Laser Technology》：Rapid zooming liquid-compound-eye system for wide FOV imaging and multi-target focusing

提出一种集成电调液透镜阵列与多环形结构的液态复合眼成像系统，实现4倍连续光学变焦、109°最大视场角及27ms快速响应，支持多目标深度聚焦，适用于无人机实时侦察与全景监控。

　　

杨成|乔志波|刘琳|魏佳乐|曹杰|郝群

北京工业大学光学与光子学院，中国北京100081

摘要

具有可调焦距的复眼成像系统在捕捉不同工作距离下的移动物体方面具有巨大潜力，尤其适用于广角视野。然而，现有系统存在响应时间慢且缺乏详细成像所需的变焦能力的问题。在这项工作中，我们提出了一种液态复眼（LCE）成像系统，该系统将复眼的多孔设计与电调谐液体透镜相结合，实现了快速和自适应的光学变焦。所提出的LCE系统支持4倍连续光学变焦，最大视场（FOV）为109°，变焦响应时间为27毫秒。实验验证表明，该系统能够进行广角成像、快速变焦以及同时多目标聚焦。这些特性显著提升了侦察和搜索无人机的感知与识别性能。LCE系统在实时目标跟踪、全景监控和动态场景理解等高级视觉任务中展现出巨大潜力。

引言

自然界的复眼具有多个显著优势，如宽视场[1]、[2]、紧凑的尺寸[3]、最小的成像失真[4]以及高时间分辨率[5]、[6]、[7]。这些特点使昆虫能够高效感知环境并躲避威胁。受这些生物能力的启发，人们付出了大量努力来开发模仿其自然结构布局的人工复眼系统。复眼的最小成像单元称为小眼（ommatidium）。每个小眼可以被视为一个独立的成像系统，通常包括视杆细胞（rhabdoms）、微透镜阵列和晶体锥[8]、[9]。光波导[10]、光纤[11]、[12]和钙钛矿纳米线[13]被用来模拟小眼的视杆细胞，并将微透镜阵列形成的图像传输到成像传感器[14]。或者，多个单透镜排列在曲面上也可以模拟复眼的结构[15]、[16]、[17]、[18]。这些仿生系统有效实现了宽视场成像和目标的空间定位。然而，大多数人工复眼系统的小眼焦距是固定的，类似于它们的生物对应物，这限制了它们动态调整焦距以观察不同距离的目标并进行光学变焦以分辨细节的能力[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

为了赋予人工复眼成像系统变焦能力，已经进行了多项尝试。传统的变焦系统使用多个透镜，并通过电动凸轮[24]、[25]将这些透镜沿光轴移动特定距离。然而，它们较大的物理尺寸和较高的结构刚性使得它们与可调复眼架构的空间受限和曲面设计不兼容[26]、[27]。从通过肌肉控制调节焦距的脊椎动物眼睛中获得灵感，基于液体的透镜为无需任何移动部件即可实现动态聚焦提供了有前景的解决方案[28]、[29]。一些使用基于液体透镜的人工复眼采用了形状记忆聚合物[30]和牛血清白蛋白[31]等智能材料。这些设备可以主动调节焦距，响应时间约为1.8秒。液体泵[32]也被用来控制人工复眼液体透镜的焦距，使得焦距和视场可以在300毫秒内灵活调整。微流控技术[33]可以动态调节内部液体的折射率，同时最小化与膜变形相关的光学像差。这使得人工复眼所有子眼的焦距可以在500毫秒内同时调节。尽管取得了这些进展，但最先进的可调复眼系统通常需要笨重的驱动装置，并且响应时间相对较慢。此外，它们有限的变焦能力限制了系统捕捉目标细节的能力。这些限制阻碍了它们在紧凑型、实时和自适应成像应用中的实际部署[34]、[35]。

在这项研究中，我们开发了一种LCE系统，结合了复眼的宽视场优势和脊椎动物眼睛的快速变焦能力。该系统能够实现宽视场成像、快速变焦以及同时多目标聚焦，包括前景、中景和背景，如图1所示。LCE系统由19个子眼组成，呈环形布局。每个子眼都包含一个电磁驱动的液体透镜，响应时间为27毫秒。所提出的系统具有连续可调的焦距，范围从-1.6毫米到-6.4毫米，变焦范围为1倍到4倍。每个子眼的视场可调范围为7.6度到30度。整个系统的最大成像视场为109度。中心子眼在整个变焦范围内的调制传递函数（MTF）为0.4时，空间分辨率超过60线对毫米（lp/mm）。周边子眼在相同的MTF标准下，分辨率超过43线对毫米。实验结果验证了该系统进行宽视场成像、灵活多视角变焦和不同物体距离下快速聚焦的能力。这些特性使LCE系统适用于无人驾驶飞机（UAV）搜索和多视角行为识别等高级视觉任务。

LCE系统的结构与原理

所提出的LCE系统包括三个主要组成部分：基于液体透镜的子眼阵列、基于液体透镜的中继光学组和图像传感器，如图2(a)所示。子眼阵列排列在球形盖壳上，由三个同心环（中心环、中间环和周边环）组成。每个环分别包含1个、6个和12个子眼。由于球形多环结构的固有对称性及其易于扩展到外部

光学仿真设计

在确定初始配置后，我们使用OpticStudio?来模拟和优化系统在三个代表性波长（486纳米、587纳米和656纳米）下的光学性能。由于球形复眼结构的旋转对称性，仿真中只考虑了三个子眼，即中心子眼、中间子眼和周边子眼。每个子眼由五个固体透镜和一个可调液体透镜组成。轴间角度

LCE系统的应用

所提出的LCE系统将可调液体透镜与复眼架构相结合，提供了宽视场和多视角下的快速变焦。该系统在变焦过程中提高了细节分辨率，并在聚焦后增强了边缘清晰度（见补充图S4-6）。它促进了从粗略目标定位到精细细节获取的快速转换。为了展示系统的多功能性，我们验证了其在宽视场成像和变焦方面的性能

讨论

在这项研究中，我们提出了一种新型的LCE系统，并研究了其设计原理和性能优势。通过将可调液体透镜技术集成到复眼架构中，该系统实现了紧凑的光学结构。这种配置使LCE系统能够结合宽视场和快速变焦功能。实验结果证明了其在同时多目标聚焦和基于快速变焦的UAV目标获取方面的优势。这些结果突显了

CRediT作者贡献声明

杨成：撰写原始稿件、获取资金、概念构思。乔志波：撰写原始稿件。刘琳：软件开发、数据管理。魏佳乐：项目管理、研究。曹杰：软件开发。郝群：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。