眼睛的設計（六）

A．照相機眼

B．針孔眼

C. 反射鏡眼

D．並列型複眼

E．並列神經重疊複眼

F.折射型重疊複眼

圖2.13a重疊型複眼的結構

圖2.13a為重疊型複眼的結構示意圖。圖中,a表示複眼的重疊孔徑;b表示角膜透鏡;c表示晶錐,d表示感桿束;CZ為透明區,也被稱作空區。重疊型複眼與並列型複眼的主要區別在於:每個小眼單元所對應的感桿束可以同時接收到來自多個小眼單元所折射的光線。或者說,每一個光接收器都可以同時接收到來自多個角膜透鏡視場範圍的光線;同時,每一個角膜透鏡會聚到的不同方向的光線可以傳播到多個光接收器上。可以將此結構形象的描述成「多對多」的關係。

從進化論的點來看,重疊型複眼的光學結構的存在有一個原因:生物需要提高捕獲光子的能力,即提高光能量利用率和靈敏度來適應黑暗的環境。重疊型複眼的顯著特點是每個小眼不是獨立的單元,而是相互關聯的。根據其內部的結構又可以分為折射重疊型、反射重疊型和拋物線重疊型三種。

像以前的設計一樣，這種光學設計也同樣很難適應其他的眼睛設計。這些眼睛在蛾，多數蒼蠅，一些甲殼蟲以及蝦身上都有。這種光學設計可能是一種更難的一體化眼睛，但它確實為小昆蟲視覺提供了相當大的設計靈活性。這種設計是將透明折射的（或者透射的）圓錐陣列組合，像望遠系統一樣在視網膜上成倒像。

圖2.13b折射式的重疊複眼

圖2.14反射式和折射式的重疊複眼

在圖2.14b是反射式重疊複眼。現如今MEMS技術能夠實現類似的光學結構的製造，但是處理特徵取決於軟體的智能（大腦解讀從眼睛獲得的輸入信號的量）重疊複眼的兩種不同形式見圖2.14反射式和折射式重疊複眼。

折射式重疊複眼的光學設計與梯度折射率透鏡陣列很相似，這種陣列目前被用來代替需要光學距離非常短和平均視場寬的傳統的透鏡。梯度折射率透鏡能夠很大地縮短光學系統的光路，但是這種光學系統要求獲得直立像。就像非常小的透鏡陣列一樣，梯度折射可以使透鏡在一個短距離上成像。這些小眼可能不會要求精確的排布在一個球面。通過在每一個小眼的光導中的梯度折射率使光束彎曲來矯正像差。這些梯度折射率陣列小眼對光線的折射就像一個小透鏡陣列一樣。

圖2.14飛蛾的折射式重疊，擁有很龐大數量的面

梯度折射率材料在很多自然眼睛中都存在。需要在細胞級別上控制材料（折射率）的變數來使光線彎曲達到成像系統的作用。梯度折射率細胞會隨機布置在眼睛的各個小眼裡在不考慮智能控制的情況下是幾乎不可能的。每一個小眼都形成一個等效的小開普勒望遠鏡，這種等效開普勒望遠鏡包含使兩個透鏡成直立象。圖2.14b所示就是個折射式重疊複眼。

圖2.15b所示是重疊眼睛的一個截面圖。它闡明了光學系統設計嘗試的模擬非常複雜的方法。如果他們能夠被非常經濟地複製下來，這種形式上的光學系統會有很大的應用。這種光學系統有非常小的體積。這種眼睛能夠提供給小昆蟲以及一些體型龐大的動物一個寬的視場。

上圖2.15c說明了重疊眼睛是怎樣適應各種光強條件的。

圖2.15a飛蛾的眼睛的詳圖

圖2.15b典型的重疊複眼的截面圖

圖2.15c重疊眼睛黑暗條件下的適應方法

在重疊複眼中，對光照和黑暗的適應機制主要有兩種：第一種是通過各個小眼結構的變化來改變重疊孔徑的大小，即光照強度大時縮小重疊孔徑，光照強度小時擴大重疊孔徑；第二種是改變反射組織的反射率，即光照強度大時降低反射率,光照強度小時提高反射率。同時,色素顆粒的作用仍然適用於重疊複眼。所示,在黑暗的情況下，色素會移動到晶錐的中間,以使空區的光被充分吸收,由此來增大光強;在光照的情況下，色素會移動到空區中間，並吸收一些光，由此來減小光強。

G.反射式重疊複眼

在反射式重疊複眼光學設計中，一定數量的反射管道代替了折射光管道（透鏡）部分一起工作在一系列像元組成的面上（類似一個視網膜）形成圖像。這裡的光學部分是反射鏡而不是像眼鏡一樣的透鏡，少量的全反射表面被用來形成圖像。

圖2.13a反射式的重疊複眼

圖2.16反射式重疊複眼光學設計

光線在小眼的內表面被反射聚焦成像在一小組感測器上面。擁有這種光學設計結構的典型生物包括蝦和小龍蝦。這種光學設計結構與其他的重疊性複眼結構是十分相似的。圖2.16闡明了反射式重疊光學設計結構，圖2.17所示的是一個關於反射式重疊眼睛的例子。

由於錐角、反射表面的面形和裝配精度要求，比前述複眼設計更為關鍵。這種設計由於反射可以是多光譜的，包括UV和IR。這種光學方法得光學系統比視網膜感測器陣列的空間更緊湊的。在使用這種光學設計的小動物大腦體積很小的情況下，圖像處理仍然很難完成。

圖2.17小龍蝦的反射式重疊複眼

H.拋物線狀的重疊混合

這是最新提出的複眼結構,是首先從叫Macropipus的一種螃蟹中發現的。這種結構的特點是角膜透鏡的焦距短，晶錐有光學均勻的內部結構，空區非常寬闊，角膜透鏡大約聚焦在晶錐的尖端，傾斜的光線被反射。晶錐的反射壁從橫截面來看是環形的,很明顯,這與反射型重疊的結構不同。從晶錐的剖面來看，光路呈拋物線狀，所以稱其為拋物線重疊。

在拋物線狀的重疊混合眼睛設計中，每一個面里的拋物面將光線是從反射聚焦到感測器陣列上的。拋物反射表面就像透鏡陣列一樣一起工作去在接收器上產生圖像，就如同視網膜一樣。這種小眼設計使用的是折射透鏡而不是反射拋物表面。每一個小眼都扮演著如同伽利略望遠鏡的角色。

一個小望遠鏡陣列的這種設想能夠起源於螃蟹眼睛嗎？

圖2.18拋物面狀重疊複眼光學設計

圖像處理依舊是比較難的，但是這種設計能夠增強環境適應性。這種短焦距光學設計部分或多或少的與反射式X射線成像光學系統相似。上面的圖2.18就闡述了拋物面狀重疊光學設計。圖2.19所示的是一個拋物面狀重疊眼睛的例子。

圖2.19寄生蟹的拋物面狀重疊眼睛的例子

這種高級設計的變型出現在一些浮游生物身上。似乎這種設計用在那些相當短命的動物身上大材小用了。如圖2.20所示。

這種智能設計跡象又一次鮮明的出現在光學設計當中，同時也鮮明地區分開其它相似的光學設計。

圖2.20浮遊動物拋物面狀重疊眼睛的例子

I.多重感測器類型以及組合類型

許多動物都有特殊的接收器眼睛和分布式的眼睛，這些眼睛用來補充他們的主眼。這種形式的視覺出現在許多螃蟹和蝦身上，並且在其他動物身上還有著許多形式的工作在一起的眼睛。這種組合讓我們能夠提出新的問題。

任何動物都可以控制他們產生的小眼的數量嗎？

為什麼這種多重視覺技術沒有得到更廣泛的應用呢？

為了解答這些相關問題，我們要從每一個細胞的生物化學需求方面來考慮深層的建築模塊的組成。例如，眼睛的材料變得和我們為不同光譜區域考慮不同材料一樣重要。透鏡也是由不同材料所組成的，其中有許多都是由不同材料組成的細胞分布。甚至元素周期表格描述的基本原理，超越已知原理中的分子水平的設計的證據，這些已知的原理與能夠看清東西的彩色眼睛有關。

為了一些不同的工作視覺系統，視覺功能已經被必不可少地保留下來下來。這裡我們考慮到眼睛光學系統，細胞，以及在細胞水平上的DNA生物化學進程。

下面的部分將把重點放在生物光學設計應用的特殊例子上來。我們將從每個主要設計形式中考慮幾個奇特眼睛的例子。

（下一部分會更有趣，期待下次分解）

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