據(jù)麥姆斯咨詢報道，韓國基礎科學研究所（IBS）的一個研究項目開發(fā)出一種鈣鈦礦多光譜相機，其設計模仿了鳥類的眼睛，增強了在動態(tài)環(huán)境中檢測和跟蹤遠程物體的能力。該項目的相關研究成果以“Avian eye–inspired perovskite artificial vision system for foveated and multispectral imaging”為題，發(fā)表在Science Robotics期刊上。

近年來，仿生視覺系統(tǒng)得到了大量研究與應用，其動機是新穎的光學結構和成像能力。昆蟲的眼睛是一個特別富有成果的來源，例如美國加州大學洛杉磯分校開發(fā)的模仿蒼蠅眼睛的3D相機。

韓國基礎科學研究所的研究項目轉而研究鳥類的眼睛，鳥類的視網膜在進化過程中形成了中央凹，有助于匯聚入射光并形成目標的放大圖像——視錐密度最高的區(qū)域位于中央凹內，鳥類能夠通過放大能力清晰地感知遠處的物體。鳥類需要敏銳的視力來捕獵和感知捕食者，因此眼睛的中央凹特別深。

鳥類眼睛的結構和功能特征

鳥類的眼睛還有四個視錐光感受器，可以對紫外光（UV）以及可見光（RGB）作出反應。這種多光譜四色視覺使鳥類能夠獲得豐富的視覺信息，并在動態(tài)環(huán)境中有效地檢測目標物體。

“盡管模擬動物視覺的人工視覺系統(tǒng)取得了顯著的進展，但是鳥類的眼睛通過中央凹和多光譜成像的卓越物體檢測和瞄準能力仍未得到充分探索。”韓國基礎科學研究所的研究人員在其論文中評論道。

該研究項目首先設計了一種具有高斯分布的人工中央凹，并利用透明彈性體制作了它，以此來模擬鳥類的眼睛。然后將其集成在一組四個垂直堆疊的鈣鈦礦層上，每個鈣鈦礦層通過精細的帶隙控制對從紫外光（UV）到可見光（RGB）的不同波長做出響應。

用于中央凹成像的人工中央凹模塊的光學模擬

受鳥類眼睛啟發(fā)的相機：（a）相機示意圖；（b）人造中央凹；（c）多光譜圖像傳感器結構示意圖；（d）多光譜圖像傳感器。

快速準確地發(fā)現(xiàn)遠處的物體

韓國基礎科學研究所Jinhing Park評論道：“我們開發(fā)的新的轉移工藝來實現(xiàn)垂直堆疊光電探測器。通過使用之前開發(fā)的鈣鈦礦圖案化方法，我們能夠制造出無需額外濾光片的多光譜圖像傳感器，可以檢測紫外光（UV）和可見光（RGB）。”

優(yōu)化多光譜圖像傳感器中的各個像素，以實現(xiàn)無需彩色濾光片的顏色檢測

多光譜圖像傳感器的詳細結構

新的相機設計旨在克服成像系統(tǒng)的一個關鍵限制，即中心目標物體可能聚焦，但其周圍環(huán)境卻不聚焦。韓國基礎科學研究所開發(fā)的相機通過中央凹區(qū)域的放大來感知遠處物體，并通過外圍區(qū)域感知近處的物體，從而區(qū)分這些區(qū)域中的紫外光（UV）和可見光（RGB）。

根據(jù)韓國基礎科學研究所的項目介紹，通過比較上述兩個區(qū)域的視野內容，受鳥類眼睛啟發(fā)的相機可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)相機更強大的運動檢測能力。此外，新的相機更具成本效益且重量更輕，無需添加濾光片等組件即可區(qū)分紫外光（UV）和可見光（RGB）。

使用受鳥類眼睛啟發(fā)的鈣鈦礦多光譜相機進行注視點和多光譜成像演示

在模擬實驗中，新相機在物體識別中的置信度得分為0.76，據(jù)稱是現(xiàn)有相機系統(tǒng)置信度得分0.39的兩倍。與現(xiàn)有相機相比，新相機的運動檢測率也提高了3.6倍，表明對運動的靈敏度顯著增強。

使用受鳥類眼睛啟發(fā)的鈣鈦礦多光譜相機的物體/運動檢測能力

韓國基礎科學研究所Dae-Hyeong Kim評論道：“鳥類的眼睛已經進化到可以在飛行中快速準確地檢測遠處物體。我們研發(fā)的受鳥類眼睛啟發(fā)的相機可用于需要清晰檢測及跟蹤目標物體的領域，例如移動機器人和自動駕駛汽車等。該相機在與鳥類生活環(huán)境相似的無人機上具有巨大的應用潛力?！?/p>