德工程师做鹰眼3D打印镜头 可高空看清蚂蚁

一只老鹰必须能看清楚远方的物体，从而发现可以捕获的猎物，或者察觉周边的威胁。鹰可以看的距离比人远四到五倍。如果你拥有鹰一样的视力，你可以站在10层楼上看到地面一只的蚂蚁。坐在球场最远处的位置，也能看清篮球远动员脸上的表情。

对无人机来说，这种出色的视力也十分重要，虽然无人机的眼睛很小，只有圆珠笔的笔尖那么大。

现在德国的工程师团队给出了一个不错的选择。

德国斯图加特大学做了一个3D打印镜头，可以用来做小型摄像机的监视系统，比如昆虫大小的无人机。也可以用于医疗方面，比如说内窥镜检查，或者用于小型机器人，尤其是用于测量、探索或者调查的机器人。该项目的最终目标是开发鹰眼3D打印相机镜头。

这项新技术发表2月15日发表在期刊Science Advances上。我们来具体看下这是个什么样的镜头。

这个镜头里面装了4个小的3D打印熟料镜头，每一个具有不同的焦距，且已经3D打印到单个图像芯片上。

如下所示，这四个镜头的视界从大到小，分辨率从低到高都能涵盖，几个镜头汇聚的图像可以集合到一个靶心，从而达到锐利如鹰的“视力”。

这是第一次将一个复杂的成像系统成功地3D打印到芯片上，形成了一个多孔径的相机。

3D打印的透镜系统不仅产生更接近有机视场的图像，与常规图像相比，还可以减少所需的功率和处理时间。这是因为只有捕获的图像的中心将需要密集处理。

图1：加特大学的鹰眼摄像机拍摄的图像

不过，这样也不是没有缺点。这项研究报的主要作者Simon Thiele指出，因为光线会较多地汇聚到中间，对外围事物信息的获取将会减少。

需要指出的是，这种镜头占据的空间，占据的面积只有300μm×300μm（长度和宽度上相当于人类的6倍）。因此，这种镜头完全可以安装到小型的无人机和机器人当中，在巡航的过程中，记录周围环境的图像。

虽然镜头这么小，但是德国的科学家们对这项技术的前景仍然非常期待。

“最让我兴奋的是应用领域是内镜和无人机，如果我们可以提供使用药丸大小的‘鹰眼’摄像头，我们就可以改善人体内部的成像。无人机也是一样，它携带的‘鹰眼’摄像机视力可能会跟普通相机一样好。”

图2：漏斗状视野汇聚了更多的细节在女人的眼镜上，外围逐渐模糊

人类和很多脊椎类动物的视野呈现“漏斗状”（"foveated" vision）。视觉中心最清晰，而边缘则比较模糊。而这种设计和技术，其实是在模仿人眼或者动物眼镜的成像原理。人会用两只眼睛收集光线，然后大脑会把很多图像的碎片，来汇聚成一个完整、清晰的图像。

由于顶部有一定的曲率，四个镜头当中的每一个都有特定的视线，透过每个镜头去看，会发现中心清晰而边缘模糊。把他们聚合在一块（如图1右下角所示），他们就会从多个视角收集光线，来共同形成一个图片。

人眼示意图

在这个过程当中，一个主要的障碍是通过层状材料（layering material），做成一个具备光学性能的镜头。为了做成一个完整的相机，设计师Amos Dudley不得不通过各种处理方法，来避免人肉眼能辨别出镜片分层的问题。

虽然斯图加特大学的“鹰眼”镜头仍然有微观层的分离，但是镜头的设计掩盖这个缺点，让它变得无伤大体。根据光学原理，光纤自上而上透过，而不是从侧面透过，这样微观层的问题就不会影响光线的走向。

目前，这项技术有一定的局限性。例如，现在只能使用一种类型的塑料材料来附加地制造透镜。而多材料透镜可以提供更好的平衡色差，这将减少视觉失真的机会。另外，相机的大小也受到芯片大小的限制，Thiele说将会努力打印到更小的芯片上。

其实，之前也有一些无人机厂商在无人机上装上了眼镜。

比如说，The Verge 2015年6月曾报道，大疆发布了首款导航系统——超声波传感器和立体照相机组合，使得无人机能探测到65英尺(大约20米)远的物体，并与物体保持一定(预先设置)的距离。