Science Robotics 封面论文:一种使用半球形纳米线阵列实现机器人视觉的超宽视场针孔复眼

研究背景

从生物复眼中汲取灵感,拥有一系列生动多样视觉功能特征的人工视觉系统最近脱颖而出。然而,这些人工系统中的大多数都依赖于可转换的电子设备,这些电子设备受到全局变形的复杂性和受限几何形状的影响,以及光学和探测器单元之间潜在的不匹配。

创新点

香港科技大学Zhiyong Fan课题组展示了一种独特的针孔复眼,它将三维打印的蜂窝光学结构与半球形、全固态、高密度钙钛矿纳米线光电探测器阵列相结合。无透镜针孔结构可以设计和制造任意布局,以匹配底层图像传感器。光学模拟和成像结果相互匹配,证实了我们系统的关键特性和功能,包括超宽视场、精确的目标定位和运动跟踪功能。通过成功完成移动目标跟踪任务,作者进一步展示了我们独特的复眼在高级机器人视觉方面的潜力。

文章解析

图1A显示了PHCE的原理图,包括两个主要组件。在这种器件结构中,3D打印的针孔阵列用作无透镜光学通道,与钙钛矿纳米线成像仪对齐。如图1B所示,生长在半球形多孔氧化铝膜(PAM)内的钙钛矿纳米线用作感光器,而与金属线连接的残余铅(Pb)纳米线用作视觉信号传输通道。引入铟 (In) 以改善 Pb 和镓 (Ga) 之间的接触。在扫描电子显微镜(SEM)图像中可以观察到PAM内部的典型钙钛矿纳米线(间距,~500 nm;直径,~300 nm)(图1C),表明高密度的均匀排列。图1:针孔复眼(PHCE)相机和集成组件的示意图和图像。

作者构建了一种简约的光电探测器,其配置为In (1 μm)/Pb (1 μm)/MAPbI3 (4 μm)/1,1-双[(二-4-甲苯基氨基)苯基]环己烷(TAPC;10 nm)/氧化铟锡(ITO;150 nm),其中超薄TAPC作为典型的钝化层,钝化钙钛矿/ITO界面的表面缺陷。当照明功率密度降低到2.3 μW/cm2时,响应度可以达到2.9 A/W,验证了PNA光电探测器在昏暗环境中的出色灵敏度。

图2:钙钛矿纳米线光电探测器的光电性能。

图3(A) 由两个PHCE组成的双眼视觉系统的照片。(B) 双目视觉系统的工作原理。(C)计算移动点光源在三维空间中的空间位置和生成的运动路径。(D)无人机运动跟踪的工作原理。(E) 无人机上的PHCE照片。(F 到 H)光源和无人机在运动过程中的照片以及无人机PHCE拍摄的相应图像。插图图标表示前进方向。F、B、R 和 L 分别代表前、后、右和左。

图3:PHCE系统的目标定位和无人机运动跟踪。

读后感

作者受昆虫复眼系统的启发,我们设计并制造了一种独特的PHCE系统,该系统具有广阔的视场效应、精确的目标定位和动态运动跟踪能力。随着未来的进一步改进,包括小型化设备尺寸和增加 ommatidia 数量、成像分辨率和响应速度,此类设备可以在光电子和机器人技术中找到广泛的应用。

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