仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的制作與測(cè)試研究*

陳德沅，石云波 *，鄒 坤，賀 婷

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

現(xiàn)階段，精確制導(dǎo)已經(jīng)成為現(xiàn)代武器的一大亮點(diǎn)，各國爭(zhēng)相開展精確制導(dǎo)技術(shù)研究。仿生光學(xué)復(fù)眼具有體積小、視場(chǎng)大、重量輕、靈敏度高、可測(cè)速等優(yōu)點(diǎn)，在國防尖端武器裝備及民用工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，因而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。而如何制備出與昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)極其類似的器件成為了現(xiàn)今研究領(lǐng)域的主要問題［1-4］。

我國在仿生復(fù)眼成像方面的研究現(xiàn)處于起步階段，目前在微透鏡及其陣列的制備方法上已有了研究成果-平面離子交換工藝、光敏玻璃法、軟磨熱壓印法、光刻膠熔融法和激光刻蝕法等［5］。其共同特點(diǎn)是它們所用的材料都是有機(jī)玻璃、SU-8光刻膠和PDMS等。從中可以看出選擇一種光學(xué)性能好的材料是十分重要的。而平面微透鏡陣列相比曲面微透鏡陣列，很明顯的弱勢(shì)在于其視場(chǎng)小。但是曲面微透鏡陣列制備工藝復(fù)雜，沒能得到很大的發(fā)展，這無疑喪失了復(fù)眼的許多優(yōu)點(diǎn)［6-8］。中國科學(xué)院的張紅鑫等人提出了兩種曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)：?jiǎn)螌忧鎻?fù)眼成像系統(tǒng)和三層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)。但是此種工藝過程復(fù)雜，不利于批量生產(chǎn)。再者，平面微透鏡陣列和曲面微透鏡陣列與生物復(fù)眼的真實(shí)結(jié)構(gòu)還有一定的差距，并不能完全地模擬生物復(fù)眼的功能［9-10］。另外，華中科技大學(xué)的劉浩提出用自聚焦的方法制備傳統(tǒng)復(fù)眼結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是能將透鏡和晶椎成功的制作出來，透鏡和頸椎對(duì)準(zhǔn)良好，但是晶椎制作復(fù)雜，SU-8材料的光學(xué)性能差，統(tǒng)一性不好，集成光纖后光損耗大。因此，尋找一種新工藝和新結(jié)構(gòu)來模仿昆蟲復(fù)眼成為當(dāng)前研究工作的重中之重。

本文創(chuàng)新地提出了一種由兩種微透鏡陣列背靠背組成的新型仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)，并且找到了一種制備此種結(jié)構(gòu)的新型光學(xué)材料。NOA73即Norland紫外固化光學(xué)膠，它是一種光學(xué)透明、暴露在長(zhǎng)波紫外光下即可快速固化的液態(tài)粘合劑，而且比其他光學(xué)材料的光學(xué)性能要好。通過傳統(tǒng)光刻膠熱熔法制備了微透鏡陣列，應(yīng)用PDMS的柔軟性進(jìn)行了倒模，再利用NOA73紫外曝光得到了背靠背的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。并且對(duì)其成像能力進(jìn)行了測(cè)試，最后還用ZEMAX光學(xué)仿真軟件進(jìn)行了分析，可知該仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)成像效果良好，光學(xué)性能優(yōu)異，集成光纖后光損耗小，并且該制備工藝可行，操作方便，對(duì)今后仿生復(fù)眼的研究具有重大意義。

1 實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)總體可以分為兩大步：第一步制作平面微透鏡陣列，然后對(duì)平面微透鏡陣列進(jìn)行兩次PDMS倒膜，第一步是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)；第二步，制作曲面微透鏡陣列及背靠背的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)測(cè)試、分析［11］。

1.1 設(shè)計(jì)

利用熱熔法制作出50 μm直徑的微透鏡，厚度分別為8 μm、30 μm，分別進(jìn)行PDMS倒膜，然后在兩層PDMS微透鏡副模中擠壓一層很薄很薄的NOA73，紫外固化，得到透鏡和晶椎。如圖1所示。

圖1 背靠背形式的NOA73仿生復(fù)眼示意圖

1.2 工藝

本工藝主要分為2個(gè)步驟：如圖2所示，在第一步中，首先需要分別使用蘇州瑞紅膠、AZ4620膠利用傳統(tǒng)的光刻膠熱熔技術(shù)制作厚度為3 μm、21 μm的微透鏡陣列［12］，然后進(jìn)行倒模，得到兩種PDMS微透鏡陣列副模；在第二步中，通過倒模得到PDMS材料的凹透鏡，然后在兩層PDMS副模中填充NOA73液體，通過紫外曝光固化得到背靠背形式的NOA73仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。

圖2 背靠背形式的NOA73仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的制作工藝

工藝流程如圖2所示。（a）甩膠，在硅基底上甩上一層蘇州瑞紅（AZ4620）；（b）光刻，在10 mw/cm2（12 mw/cm2）的光刻機(jī)下曝光6 s（10 s）；（c）顯影，用顯影液顯影20 s（140 s），曝光的地方被洗掉，形成圓柱狀結(jié)構(gòu)；（d）熱熔，在160℃（140℃）的烘箱內(nèi)烘烤20 min（45 min），熱熔形成微透鏡陣列；（e）把抽完真空的PDMS液體倒在熱熔好的微透鏡陣列上，進(jìn)行PD?MS倒模；（f）將PDMS揭下，得到凹透鏡陣列的副模1；（g）把光刻膠和相關(guān)參數(shù)換成以上各括號(hào)中的數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)行以上步驟便可得到凹透鏡陣列的副模2；（h）對(duì)一個(gè)曲率已知的凸透鏡進(jìn)行PDMS倒模；（i）將PDMS揭下，得到PDMS材料的凹透鏡；（j）將（f）、（g）得到的微透鏡陣列副模固定在（i）得到的凹透鏡內(nèi)，在兩層PDMS副模中填充NOA73液體，進(jìn)行紫外曝光；（k）將PDMS揭下，得到NOA73材料的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 平面微透鏡陣列

在圖2的工藝過程中的第一步，我們制作出了PDMS平面微透鏡陣列和NOA73平面微透鏡陣列。最后在激光顯微鏡下對(duì)其分別進(jìn)行觀察，并且用Matlab進(jìn)行了分析，得到了它們的聚焦效果圖以及光強(qiáng)分布圖［13］，如圖3所示。

圖3 平面微透鏡陣列聚焦效果圖。

通過聚焦效果圖比較可知，NOA73微透鏡具有更好的聚焦效果；通過光強(qiáng)分布圖比較可知，NOA73微透鏡的聚焦頂點(diǎn)的光強(qiáng)明顯比PDMS微透鏡的大。這樣驗(yàn)證了NOA73材料的微透鏡具有更好的光學(xué)性能。

2.2 曲面微透鏡陣列及晶椎

圖4是通過電子掃描顯微鏡觀察到的NOA73曲面微透鏡陣列及晶椎SEM圖以及放大圖片［14-15］。整個(gè)仿生復(fù)眼面積為1 cm×1 cm，曲率半徑為6 mm，單個(gè)微透鏡和晶椎孔徑均為50 μm，微透鏡厚度為8 μm，晶椎高度為30 μm，共有有效微透鏡陣列及晶椎對(duì)數(shù)約為3萬個(gè)。由圖4可以看出，制作的微透鏡陣列和晶椎陣列均勻、一對(duì)一的對(duì)稱分布在兩側(cè)，整個(gè)結(jié)構(gòu)分布在曲面上，跟生物復(fù)眼的表面形貌相似，通過放大圖可以看出單個(gè)微透鏡具有良好的形貌和光滑度。

圖4 曲面微透鏡陣列及晶椎SEM圖

2.3 成像分析

為了對(duì)微透鏡陣列及晶椎結(jié)構(gòu)的成像能力進(jìn)行測(cè)試，我們搭建了簡(jiǎn)單的成像測(cè)試平臺(tái)，如下圖5所示。

圖5 微透鏡成像測(cè)試平臺(tái)

微透鏡成像測(cè)試平臺(tái)主要由4部分組成：光源、微透鏡陣列、CCD鏡頭以及顯示屏組成。

我們分別進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)：①單獨(dú)對(duì)局部曲面微透鏡陣列進(jìn)行光學(xué)成像檢測(cè)，得到像1；②單獨(dú)對(duì)局部曲面晶椎陣列進(jìn)行光學(xué)成像檢測(cè)，得到像2；③對(duì)由上述曲面微透鏡陣列及晶椎陣列組成的局部背靠背復(fù)眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)成像測(cè)試，得到像3；④將復(fù)眼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，重新進(jìn)行光學(xué)成像檢測(cè)。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6（a）微透鏡陣列成像以及光強(qiáng)分布圖；圖6（b）晶椎陣列成像以及光強(qiáng)分布圖；圖6（c）微透鏡陣列及晶椎成像以及光強(qiáng)分布圖，正反放置的結(jié)果相同。

通過以上測(cè)試我們可以得到以下結(jié)論：由兩種微透鏡陣列背靠背組成的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成像與其放置的正反沒有關(guān)系；通過Matlab軟件對(duì)圖6中三種像的大小進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)背靠背仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)所成的像的大小要比微透鏡陣列及晶椎陣列成的像都要小，即像3＜像2＜像1。

圖6 微透鏡陣列及晶椎成像測(cè)試圖。

2.4 理論分析

圖7所示為我們對(duì)上述現(xiàn)象所做的原理分析。

圖7 成像原理圖

如光路圖7所示：相比微透鏡陣列與晶椎陣列，由于微透鏡和晶椎都有一定的曲率，因此入射光線在經(jīng)過仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)發(fā)生兩次折射，使得成像的點(diǎn)即焦點(diǎn)2比微透鏡或晶椎成像的點(diǎn)靠前，即仿生復(fù)眼的焦距小于微透鏡的焦距，也小于晶椎的焦距。因?yàn)榉律鷱?fù)眼的焦距最小，所以成像最小［16］。說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合現(xiàn)實(shí)原理。

另一方面考慮此種仿生復(fù)眼與傳統(tǒng)錐形晶椎的區(qū)別。如圖8所示，為傳統(tǒng)晶椎仿生復(fù)眼與背靠背仿生復(fù)眼的光傳輸圖。兩者后面都接入光纖，入射光為相同光源的平行光，兩者的孔徑與厚度均一致，即只有晶椎結(jié)構(gòu)不同，一個(gè)為傳統(tǒng)的錐形晶椎的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)，一個(gè)為本文中所設(shè)計(jì)的背靠背仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。理論分析可知，光在仿生復(fù)眼中傳輸時(shí)要經(jīng)過兩次折射，然后會(huì)聚到一點(diǎn)。

通過分析圖形可知：①背靠背仿生復(fù)眼的焦距比傳統(tǒng)仿生復(fù)眼的焦距要大，在光纖中會(huì)聚的時(shí)間比較長(zhǎng)，即焦點(diǎn)2到復(fù)眼的距離大于焦點(diǎn)1到復(fù)眼的距離；②背靠背仿生復(fù)眼的出射光線經(jīng)過兩次折射后與光纖內(nèi)壁的夾角小于傳統(tǒng)仿生復(fù)眼的夾角大小，及入射角1小于入射角2；③由于光線在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有全反射和透射的情況，在入射角比較小的情況下，透射的光線比較少，這樣在傳輸過程中的光損耗會(huì)小。

這樣就可以得出一個(gè)結(jié)論：背靠背仿生復(fù)眼的光損耗比傳統(tǒng)錐形晶椎仿生復(fù)眼的光損耗小，即本文設(shè)計(jì)的仿生復(fù)眼的一大優(yōu)點(diǎn)為光損耗小。

圖8 仿生復(fù)眼接入光纖后的光傳輸圖

2.5 仿真分析

ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。ZEMAX不只是透鏡設(shè)計(jì)軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件，具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)。為了再次證明實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性，我們采用ZEMAX光學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真［17-19］。

我們分別對(duì)微透鏡、晶椎以及背靠背組成的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。在仿真過程中，我們對(duì)同一個(gè)字母“F”進(jìn)行了成像。對(duì)微透鏡仿真，在微透鏡焦點(diǎn)處呈現(xiàn)最清楚的像，成像大小為3.6 μm×3.4 μm；對(duì)晶椎仿真，在晶椎焦點(diǎn)處呈現(xiàn)最清楚的像，成像大小為2.2 μm×2.1 μm；對(duì)仿生復(fù)眼仿真，在仿生復(fù)眼焦點(diǎn)處呈現(xiàn)最清楚的像，成像大小為1.5 μm×1.5 μm；用Origin分析得到圖9。

圖9 ZEMAX仿真成像大小圖

對(duì)比可知，仿生復(fù)眼所成的像最小，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相吻合，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的。

3 結(jié)論

本文利用傳統(tǒng)的光刻熱熔法制作出了曲面微透鏡陣列，然后創(chuàng)新地提出了一種背靠背的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)，并且利用PDMS倒模和NOA73紫外曝光技術(shù)成功地制備出了此類結(jié)構(gòu)。最后，我們對(duì)其的成像能力進(jìn)行了測(cè)試，并且用ZEMAX光學(xué)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真，得到此類結(jié)構(gòu)的成像為1.5 μm×1.5 μm，要比微透鏡陣列單獨(dú)成的像要小，其光學(xué)性能優(yōu)異，傳輸損耗小。在工藝方面，利用PDMS的柔韌性和NOA73紫外固化，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單、操作方便、倒模良好，而且成本低，這為仿生復(fù)眼的實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

［1］陳明君，劉業(yè)勝，李子昂.仿生光學(xué)復(fù)眼設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011(01)：161-168.

［2］甘代偉.微透鏡陣列制作技術(shù)研究［J］.裝備制造技術(shù).2011，39(9)：44-45.

［3］劉浩.基于微透鏡陣列的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)研究［D］.湖北：華中科技大學(xué)，2008.

［4］許琰，顏樹華，周春雷.昆蟲復(fù)眼的仿生研究進(jìn)展［J］.光學(xué)技術(shù)，2006(32)：10-12.

［5］張鴻海，胡曉峰，范細(xì)秋.納米壓印光刻技術(shù)的研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(12)：57-61.

［6］Sanders J S，Halford C E.Design and Analysis of Apposition Com?pound Eye Optical Sensors［J］.Optical Engineering(S0091-3286)，1995，34(1)：222-235.

［7］Hamanaka K，Koshi H.An Artificial Compound Eye Using a Mi?crolens Array and its Application to Scale Invariant Processing［J］.Optical Review，1996，3：264-268.

［8］Tanida J，Kumagai T，Yamada K，et al.Thin Observation Module by Bound Optics(TOMBO)：Concept and Experimental Verifica?tion［J］.Applied Optics，2001，40(10)：1806-1813.

［9］張紅鑫，盧振武，王瑞庭.曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究［J］.光學(xué)精密工程，2006，14(03)：346-350.

［10］邸思，杜如虛.單層曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光電工程，2010，37(2)：27-31.

［11］XIE D，Zhang H H，Shu X Y.Fabrication of polymer micro-lens array with pneumatically diaphragm-driven drop-on-demand ink?jet technology［J］.Optics Express，2012，20(14)：267-270.

［12］劉建林，張斌珍，崔敏，等.基于SU-8的微透鏡陣列的設(shè)計(jì)和制作［J］.微納電子技術(shù)，2012(3)：55-59.

［13］Chang S I，Yoon J B，et al.Micro-lens array diffuser for a lightemitting diode backlight system［J］.Optics Letters，2006，31(20)：3016-3018.

［14］楊春平，康美苓，王豹亭.新型零差激光干涉儀振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)［J］.光電子 激光，2011，22(1)：95-98.

［15］馬龍，郭彤，趙健.基于白光傾斜掃描干涉術(shù)的微結(jié)構(gòu)測(cè)量方法［J］.光電子 激光，2011，22(1)：91-94.

［16］鐘錫華，現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003，10-19.

［17］代會(huì)娜.基于ZEMAX的LCOS微型投影鏡頭設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

［18］曾毅波，陳觀生，趙祖光.采用硅和PDMS的堆棧式微型直接甲醇燃料電池的設(shè)計(jì)和制作［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(2)：143-149.

［19］丁宇凱，唐軍，王飛.仿生復(fù)眼光學(xué)偏振傳感器及其大氣偏振E矢量檢測(cè)應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(12)：1644-1648.