第二部分生物眼睛的设计
A．照相机眼
B．针孔眼
D．并列型复眼
不同种类昆虫复眼中的小眼,其数量有多有少。据科学工作者研究,蜻蜓的复眼是由一个小眼组成的;蝶类复眼由一个小眼组成;在水中生活的龙虱的复眼由大约个小眼聚集而成;家蝇的复眼有一个小眼;蚊虫的复眼只有大约50个小眼;甲虫的复眼有大约只小眼;同是一种蜜蜂,工蜂的复眼由大约个小眼组成,蜂王的复眼为大约个小眼,而雌蜂的复眼是由大约1个小眼组成的。复眼的小眼直径一般从几个微米到几十个微米不等,相邻两个小眼之间的光轴夹角一般为1-4°,不要认为昆虫会把人类看成可怕的庞然大物,其实多数昆虫根本看不清物体的大小,有点接近于人类的近视眼,即分辨率很低,距离目标稍远,昆虫就看不出形状,例如,家蝇的视觉距离只有40-70mm;蜻蜓可达1一2米。在昆虫眼中,人只是运动的带一些颜色的模糊光影。昆虫能感受到的波长范围为nm至nm。虽然昆虫看不清物体的细节,但它们对物体移动的觉察能力却很敏锐。有运动物体快速在面前经过,人的眼睛要在百分之五秒的时间内,才能看到其轮廓,而且是模糊的;而果蝇的复眼只要在百分之一秒内就能识别其形状,并辨别其大小。根据这种现象,人们从雄蝇追逐雌蝇的飞行路线中发现,苍蝇的复眼有很强的跟踪能力。一另外,复眼与单眼相比的另外一大优点是:它有将近度的视场和很小的体积。
并列型复眼的设计，在每个小眼没有形成完整的图像。每个小眼形成图像的一部分。由很多小眼或单独的传感器模块复合。这是一个较为普遍的小眼的设计。如蚂蚁，黄蜂，蜻蜓，蜜蜂，蟑螂等昆虫。这些小眼或或子透镜，每个都是独立的光传感器。大脑把每个小眼的图像处理，并由各个传感器输出。每个小眼的透镜（包含其自身的传感器）探测一个特定角度的光。对于小眼，这是一个极其复杂的方法。每一个小小眼传感器单元或模块包含一个镜头和导光管，以收集整体图像的各部分。然后图像信号从各个单元传递到大脑。
这种类型的复眼的优势之一是能够检测到的部分场景内的移动，同时使用大脑的处理时间比大脑充分处理一幅完整图像所需的时间总量少。相对于相机和针孔眼睛的好处是，可以覆盖非常宽的视场，总体积少，因为缩短了每个小眼的光路。这些眼睛部分类似于透镜阵列或正在开发小型先进相机的新传感器，但一体化设计是比较难的。图2.9帮助我们想象这些眼睛是如何设计的。
图2.9并列复眼
图2.9a一个并列眼睛结构
图2.9b一个并列眼睛结构
并列型复眼的结构示意图。图中a、b、c、d分别是复眼中各小眼的光轴、角膜透镜、晶锥和感杆束。每一小眼都有一定角度视场,外界的光线经由角膜透镜与晶锥传向感奸束,到达视觉中枢。这种复眼的特点是:每一感杆束只接收它对应的那个小眼的视场范围内的光。
如果我们采取了出现在许多昆虫中复眼技术，应用在人类的视力要求中，我们会得到一个非常大的眼睛。如果我们要始终保持眼睛的大角度，和人眼分辨率不下降的话。那么这个复眼会占据人类的头部。如图2.9c在人眼的分辨率下的等效复眼与人体的比例。
复眼具有适应光线变化的独特方式。其中许多是相当多样化的，这是微米级非常复杂的设计。图2.9e几种复眼适应光线的方式。
一些螃蟹使用这种设计，还有一些其他的光学设计，如分布的眼睛。昆虫和海洋动物的复眼每个小眼包含传感器。每个小眼包含一个晶体透镜和一个小的渐变折射率导光管。下面是几种具有复眼的生物的例子，每个生物的小眼数目不同，以及眼睛的功能不同。
生物
小眼数量
视觉感受特点
木虱
小苍蝇
龙虾
蜻蜓
25
5,
14,
30,
简单二维运动
复杂三维运动
复杂二维运动
复杂三维运动
图2.9b衍射，分辨率，眼睛大小
这个例子是关于限制了复合眼中每个单元，由上述图2.9b衍射，分辨率，眼睛大小。
图2.9c应用在人眼分辨率等效复眼。
图2.9e复眼的光适应
在并列型复眼中,一种方法是利用改变焦距来改变光强,这需要透镜非常灵活。这种结构在黑夜的适应中不仅影响感杆束接收到的光能量,而且也使接收角度增大,如图2.9e所示,其中,LA为白天,DA为夜间。同样的一种适应性变化是用改变感杆束的直径来达到此目的的,如图2.9e(b)所示,例如,在一种动物中,晚上时,感杆束的直径是白天的3倍,从而使光强变为原来的9倍。另一种方法是使敏感度和接收角都产生变化,在鲎中有这种结构。如图2.10(c)所示,在适应黑暗时,色素细胞的放松使得晶锥的尾部扩大并对应3个感杆束。还有一种方法是改变感杆束周围的介质。如前面所说的那样,复眼内的色素颗粒会吸收光能量。在苍蝇,蝴蝶,蜜蜂中,这些颗粒会随着照度的变化而迁移改变。如图2.9e(d)所示,在光照的状态下,色素颗粒会聚集在感杆束周围,从而减少感杆束接收的光量。在黑暗的状态下,色素颗粒会散开,从而增大感杆束接收的光量。色素颗粒仅仅需要移动几微米就可以产生很大的影响,所以这个过程非常快,通常只有5~20秒。也有些动物是靠改变感杆束周围介质的折射率从而改变感束杆作为光波导的性质。
图2.10并列复眼的例子
由于每个小眼镜头和光管是非常小的，在这些狭窄的导光管可能形成干涉条纹。甚至有些眼睛波形的优势，以获得更高的效率。这意味着，小眼在非常紧凑的空间内能产生清晰的视野。在图2.10所示的蜻蜓并列型复眼。
图2.10b无焦型并列复眼
无聚焦并列型复眼是最先从蝴蝶中发现的一种新的复眼结构。这与前面提到的简单并列型很相似,不同之处在于晶锥。如图2.10b所示,这里的角膜透镜本身就足够聚焦到感束杆的末端,晶锥起到了加强会聚的作用。这样的光学系统很明显要比简单并列型复杂。从角膜进入的平行光被聚焦到了晶锥的内部,从晶锥出射后,又以平行光束入射到感束杆上,这样的系统是无焦系统,具有这种结构的复眼被称为无聚焦并列型复眼。在这种系统中,与光轴有偏角的入射光在到达感束杆时,偏角被放大了6到7倍。由于解剖学方面的限制,还无法更详细的展示出这个系统。
图2.10c透明并列型复眼
透明并列型复眼的结构广泛存在于甲壳类动物中,它是并列型复眼中比较特殊的一种结构,如图2.10c所示。因为复眼中没有色素,所以被称之为透明并列型复眼。透明的性质使其在水中游动的时候不易被发现,可以把它看作是动物的一种伪装手段。长晶锥和缺少色素的特点,若没有其它的替代结构使其各个单位保持独立的话,整个系统将失去并列型复眼的性质。如图2.10c(b)一(d),有三种专门为此而设计的晶锥结构,使其在晶锥之间没有色素的情况下,也能保持各自的独立性。
E．并列神经重叠复眼
神经或脑部重叠眼有一些小镜头按一个紧凑的排列，每个镜头收集总视场中的一小部分。大脑把所有的小图片使用神经叠加的方法，从大量小眼面的各个传感器输出。每个小眼都包含非常小的光导传感器。每个小眼的传感器都有自己光学设计的唯一角度的光轴并识别视野中得一部分。但多重小眼的复合使光输入的每个部分都相结合形成图像。多个小眼中的每个小眼都包含多个像素。输出的信号是由各个小眼合成的。可以在弱光条件下提供更多更好视觉灵敏度。在通常情况下，小苍蝇有这种类型的光学设计。尺寸是至关重要的，需要大角度的视野，这种设计比较适合小的低分辨率的相机眼。
许多动物的视杆并不是聚焦到单独的一个感束杆上,这被称为“开放感束杆”:同时,不同的感杆束又以一定的方式重叠到同一个视觉神经上,这被称为“神经重叠”,如图2.11所示,具有这种结构的复眼被称为“并列神经重叠”型复眼。
图2.11神经重叠复眼。
图2.11阐明了关于神经中枢的重叠眼睛的光学设计的鲜明的差异。对于这种眼睛的图像处理是独一无二的。对于任何眼睛来说，图像处理都是复杂的，但是在这里，当你考虑到拥有这种光学设计形式的苍蝇小的头脑尺寸的时候，你会感到更加吃惊。
（苍蝇复眼水平剖面图：Li，角膜透镜；Kr，伪圆锥体；Sz，图像接收细胞；O，小眼；La，薄层；Me，髓质）
图2.12a并列神经重叠单一化小苍蝇眼睛
图2.12b昆虫复眼
这种光学设计要求考虑到视觉数据的平行处理，用以提供快速回应的图像识别。他们可以利用从图像上的每一点获得的多重方面的联合输出来获得更高的敏感度，这是这些眼睛就能够在光强很低的条件下工作。
（其他种眼睛我们期待下几期分解）
如果你也喜欢研究眼睛，喜欢仿生光学，欢迎报考长春理工大学光电工程学院！
