受生物启发的微透镜阵列相机用于高分辨率大视场成像

在狭小空间中看得更多

从智能手机到医疗探头，相机常常被压缩进越来越小的空间，而我们仍然期望获得清晰、广阔的视野。这项研究描述了一种纸片般薄的相机，它借用了某种不寻常昆虫复眼的技巧，在笨重镜头无法放入的地方捕捉到细致的全景图像，为机器人技术、医疗保健和可穿戴设备开辟了新路径。

从微小昆虫眼中学到的经验

在自然界中，动物已经进化出多种在不携带沉重光学器件的情况下获得广阔视野的方式。具有复眼的昆虫使用许多微小透镜来覆盖广阔的视场，但每个透镜像素化程度高，图像较为粗糙。其他生物，例如跳蛛、变色龙和猛禽，会通过排列多个眼或眼区将清晰的中心视野与广阔的周边覆盖结合起来。一个小型寄生昆虫Xenos peckii尤为突出：它在弯曲的表面上密集排列了数十个微小眼点，每个眼点采集一个小的定向视角。它们合在一起在保持整体眼体积紧凑的同时，形成了周围环境的宽阔而细致的图像。这种对不同方向进行“块状采样”的方式启发了本研究中的相机设计。

像许多微小眼睛一样工作的平面相机

作者设计了一种空间偏移椭球微透镜阵列相机（SOEMLA），使用现代微加工技术模拟昆虫的这些小眼点。相较于单一大透镜，该相机使用一组微小透镜和配对孔径，置于平面电子传感器之上。每个光学单元由两个横向偏移的开口和一个微小的椭球透镜组成，整体略微指向不同方向，并映射到其自身的一组像素。通过在阵列中精细地偏移这些开口，系统将整个视域分割为许多互相重叠的方向切片，使其在厚度不足一毫米的情况下覆盖约140度对角视场。捕获后，计算机会对每个切片的亮度衰减和畸变进行校正，并将它们拼接成一幅单张百万像素图像。

通过塑形透镜抑制模糊边缘

广角镜头常在画面边缘出现模糊和形变，尤其是当光线以陡峭角度入射时。在普通的球面微透镜阵列中，这些离轴光线在两个方向上的聚焦不同，产生称为像散的问题，且焦平面会从平面传感器弯曲离开。SOEMLA在硬件上同时解决了这两个问题。微小透镜为椭球形而非球形，在两个轴向上具有略微不同的曲率。它们的形状经过调校，使来自斜入射方向的光能聚焦为清晰且对称的像点。同时，每个透镜的焦距从阵列中心到边缘被调节，从而将所有视角的成像拉回到共同的平面传感器上。实验和模拟表明，该设计使得聚焦光斑在不同视角下几乎保持相同尺寸，与传统微透镜相机和一款商业广角模组相比，大大提高了清晰度。

从微芯片到牙齿与面部

为了验证实用价值，团队对若干真实场景目标进行了近距离成像。一块带有彩色液道的大型微流控芯片在仅20毫米处被拍摄，尽管距离很近，该相机仍解析出约70微米的细小通道，同时覆盖了比标准微透镜相机大得多的区域。在牙模内部，装置被放置在真实口腔内窥镜可能所在的位置，距牙齿约30毫米。一次拍摄中，它记录了上下牙齿的全部视野，细节足以看见小缝隙和脊状结构，表现优于球面微透镜设计和一款紧凑广角镜头。安装在眼镜框上时，同一相机在臂展距离和完整面部视角下记录了佩戴者改变目光和表情的情况，显示出在目光跟踪和面部监测方面的潜在用途。

这对日常设备意味着什么

简而言之，研究人员构建了一台在更薄于一粒米的厚度下仍能清晰观察大范围的相机。通过在一片平玻璃上雕刻许多精心设计且倾斜的小透镜，并将它们的小视角在数字上组合，系统绕开了广角光学中尺寸与图像质量之间的常见权衡。这种受生物启发的方法可能帮助未来的机器、医疗工具和可穿戴设备在狭小空间中更清晰地“看见”，正如微小昆虫数百万年来所做到的那样。

引用: 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

关键词: 微透镜阵列相机, 大视场成像, 仿生光学, 紧凑相机设计, 可穿戴成像