Биологически вдохновлённая камера с микролинзовой матрицей для высокоразрешающей съёмки с широким полем зрения

Видеть больше в тесных местах

От смартфонов до медицинских зондов — камеры всё чаще встраивают в ещё более ограниченные пространства, при этом мы по‑прежнему ожидаем получения чётких и широких видов. Это исследование описывает бумажно‑тонкую камеру, позаимствовавшую приёмы у необычных глаз насекомого, чтобы захватывать детализированные панорамные изображения там, где громоздким объективам не место, открывая пути для новых инструментов в робототехнике, здравоохранении и носимых устройствах.

Уроки от крошечных глаз насекомых

В природе животные выработали разные способы широко видеть, не неся тяжёлую оптику. Насекомые с фасеточными глазами используют множество крошечных линз для покрытия обширного поля, но каждая линза действует как отдельный пиксель, из‑за чего изображение грубое. Другие животные, например прыгающие пауки, хамелеоны и хищные птицы, комбинируют несколько глаз или участков глаза, чтобы совмещать острое центральное зрение с широким периферийным обзором. Одно небольшое паразитическое насекомое, Xenos peckii, выделяется: оно упаковывает десятки миниатюрных глазков на изогнутой поверхности, каждый из которых даёт небольшой направленный обзор. Вместе они формируют широкую и детализированную картину окружения, сохраняя общий размер глаза компактным. Эта «кусочная выборка» направлений вдохновила дизайн камеры в данном исследовании.

Плоская камера, действующая как множество крошечных глаз

Авторы спроектировали пространственно смещённую эллипсоидальную матрицу микролинз, или SOEMLA, которая имитирует глазки насекомого с помощью современных микрофабричных методов. Вместо одной большой линзы камера использует сетку крошечных линз и пар отверстий, расположенных над плоским электронным сенсором. Каждый оптический блок состоит из двух латерально смещённых апертур и одной крошечной эллипсоидальной линзы, все направлены под немного разными углами и проецируются на свою группу пикселей. Тщательно смещая апертуры по массиву, система делит полный купол обзора на множество перекрывающихся направленных срезов, что позволяет покрыть диагональное поле примерно 140 градусов при общей толщине менее миллиметра. После захвата компьютер корректирует падение яркости и искажения для каждого среза и сшивает их в единое изображение разрешением около мегапикселя.

Формирование линз для борьбы с размытыми краями

Широкоугольные объективы часто страдают от размытия и геометрических искажений, особенно по краям кадра, потому что свет падает под крутыми углами. В обычных матрицах микролинз со сферическими линзами эти внеосевые лучи фокусируются по-разному в двух направлениях — проблема, называемая астигматизмом — и фокусная плоскость изгибается относительно плоского сенсора. SOEMLA решает обе проблемы аппаратно. Крошечные линзы выполнены не сферическими, а эллипсоидальными, с немного разной кривизной вдоль двух осей. Их формы настроены так, чтобы свет с косых направлений сходился в резкую, симметричную точку фокусировки. Одновременно фокусное расстояние каждой линзы корректируется от центра к краю массива, чтобы свести все направления обзора к общей плоской поверхности сенсора. Эксперименты и моделирование показывают, что такой дизайн сохраняет размер сфокусированных пятен света почти постоянным по углам обзора, значительно улучшая резкость по сравнению с традиционными микролинзовыми камерами и коммерческим широкоугольным модулем.

От микрочипов до зубов и лиц

Чтобы продемонстрировать практическую ценность, команда сфотографировала несколько реальных объектов на близком расстоянии. Большая микрофлюидная пластина с цветными каналами была заснята с расстояния всего 20 миллиметров, при этом камера разрешила тонкие каналы порядка 70 микрометров, охватив при этом гораздо большую площадь, чем стандартная камера на микролинзах. Во внутриоральном фантоме устройство разместили там, где могло бы находиться реальное стоматологическое мини‑устройство — примерно в 30 миллиметрах от зубов. В одном кадре камера зафиксировала и верхние, и нижние зубы с достаточной детализацией, чтобы увидеть мелкие щели и гребни, превосходя как сферическую микролинзовую схему, так и компактный широкоугольный объектив. Смонтированная на оправе очков, та же камера записывала оба глаза на расстоянии вытянутой руки и полные виды лица при смене направления взгляда и выражения, что указывает на возможные применения в отслеживании взгляда и мониторинге лица.

Что это значит для повседневных устройств

Проще говоря, исследователи создали камеру, которая чётко видит большую область, будучи тоньше рисового зерна. Вырезая множество аккуратно сформованных, наклонённых микролинз в плоском куске стекла и объединяя их небольшие виды цифровой обработкой, система обходит типичное компромиссное соотношение между размером и качеством изображения в широкоугольной оптике. Этот биологически вдохновлённый подход может помочь будущим машинам, медицинским инструментам и носимым устройствам яснее видеть в стеснённых пространствах, подобно тому, как крошечные насекомые делают это на протяжении миллионов лет.

Цитирование: Kwon, JM., Kwon, Y., Cha, YG. et al. Biologically inspired microlens array camera for high-resolution wide field-of-view imaging. Nat Commun 17, 4343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70967-2

Ключевые слова: камера с матрицей микролинз, съёмка с широким полем зрения, биовдохновлённая оптика, компактный дизайн камеры, носимая визуализация