仿生复眼结构的制作与测试研究*

陈德沅，石云波 *，邹 坤，贺 婷

（1.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

现阶段，精确制导已经成为现代武器的一大亮点，各国争相开展精确制导技术研究。仿生光学复眼具有体积小、视场大、重量轻、灵敏度高、可测速等优点，在国防尖端武器装备及民用工业中有着广泛的应用前景，因而引起了国内外学者的广泛关注。而如何制备出与昆虫复眼结构极其类似的器件成为了现今研究领域的主要问题［1-4］。

我国在仿生复眼成像方面的研究现处于起步阶段，目前在微透镜及其阵列的制备方法上已有了研究成果-平面离子交换工艺、光敏玻璃法、软磨热压印法、光刻胶熔融法和激光刻蚀法等［5］。其共同特点是它们所用的材料都是有机玻璃、SU-8光刻胶和PDMS等。从中可以看出选择一种光学性能好的材料是十分重要的。而平面微透镜阵列相比曲面微透镜阵列，很明显的弱势在于其视场小。但是曲面微透镜阵列制备工艺复杂，没能得到很大的发展，这无疑丧失了复眼的许多优点［6-8］。中国科学院的张红鑫等人提出了两种曲面复眼成像系统：单层曲面复眼成像系统和三层曲面复眼成像系统。但是此种工艺过程复杂，不利于批量生产。再者，平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列与生物复眼的真实结构还有一定的差距，并不能完全地模拟生物复眼的功能［9-10］。另外，华中科技大学的刘浩提出用自聚焦的方法制备传统复眼结构，它的优点是能将透镜和晶椎成功的制作出来，透镜和颈椎对准良好，但是晶椎制作复杂，SU-8材料的光学性能差，统一性不好，集成光纤后光损耗大。因此，寻找一种新工艺和新结构来模仿昆虫复眼成为当前研究工作的重中之重。

本文创新地提出了一种由两种微透镜阵列背靠背组成的新型仿生复眼结构，并且找到了一种制备此种结构的新型光学材料。NOA73即Norland紫外固化光学胶，它是一种光学透明、暴露在长波紫外光下即可快速固化的液态粘合剂，而且比其他光学材料的光学性能要好。通过传统光刻胶热熔法制备了微透镜阵列，应用PDMS的柔软性进行了倒模，再利用NOA73紫外曝光得到了背靠背的仿生复眼结构。并且对其成像能力进行了测试，最后还用ZEMAX光学仿真软件进行了分析，可知该仿生复眼结构成像效果良好，光学性能优异，集成光纤后光损耗小，并且该制备工艺可行，操作方便，对今后仿生复眼的研究具有重大意义。

1 实验

本次实验总体可以分为两大步：第一步制作平面微透镜阵列，然后对平面微透镜阵列进行两次PDMS倒膜，第一步是整个实验的基础；第二步，制作曲面微透镜阵列及背靠背的仿生复眼结构，并对结构进行光学测试、分析［11］。

1.1 设计

利用热熔法制作出50 μm直径的微透镜，厚度分别为8 μm、30 μm，分别进行PDMS倒膜，然后在两层PDMS微透镜副模中挤压一层很薄很薄的NOA73，紫外固化，得到透镜和晶椎。如图1所示。

图1 背靠背形式的NOA73仿生复眼示意图

1.2 工艺

本工艺主要分为2个步骤：如图2所示，在第一步中，首先需要分别使用苏州瑞红胶、AZ4620胶利用传统的光刻胶热熔技术制作厚度为3 μm、21 μm的微透镜阵列［12］，然后进行倒模，得到两种PDMS微透镜阵列副模；在第二步中，通过倒模得到PDMS材料的凹透镜，然后在两层PDMS副模中填充NOA73液体，通过紫外曝光固化得到背靠背形式的NOA73仿生复眼结构。

图2 背靠背形式的NOA73仿生复眼结构的制作工艺

工艺流程如图2所示。（a）甩胶，在硅基底上甩上一层苏州瑞红（AZ4620）；（b）光刻，在10 mw/cm2（12 mw/cm2）的光刻机下曝光6 s（10 s）；（c）显影，用显影液显影20 s（140 s），曝光的地方被洗掉，形成圆柱状结构；（d）热熔，在160℃（140℃）的烘箱内烘烤20 min（45 min），热熔形成微透镜阵列；（e）把抽完真空的PDMS液体倒在热熔好的微透镜阵列上，进行PD⁃MS倒模；（f）将PDMS揭下，得到凹透镜阵列的副模1；（g）把光刻胶和相关参数换成以上各括号中的数据重复进行以上步骤便可得到凹透镜阵列的副模2；（h）对一个曲率已知的凸透镜进行PDMS倒模；（i）将PDMS揭下，得到PDMS材料的凹透镜；（j）将（f）、（g）得到的微透镜阵列副模固定在（i）得到的凹透镜内，在两层PDMS副模中填充NOA73液体，进行紫外曝光；（k）将PDMS揭下，得到NOA73材料的仿生复眼结构。

2 结果与分析

2.1 平面微透镜阵列

在图2的工艺过程中的第一步，我们制作出了PDMS平面微透镜阵列和NOA73平面微透镜阵列。最后在激光显微镜下对其分别进行观察，并且用Matlab进行了分析，得到了它们的聚焦效果图以及光强分布图［13］，如图3所示。

图3 平面微透镜阵列聚焦效果图。

通过聚焦效果图比较可知，NOA73微透镜具有更好的聚焦效果；通过光强分布图比较可知，NOA73微透镜的聚焦顶点的光强明显比PDMS微透镜的大。这样验证了NOA73材料的微透镜具有更好的光学性能。

2.2 曲面微透镜阵列及晶椎

图4是通过电子扫描显微镜观察到的NOA73曲面微透镜阵列及晶椎SEM图以及放大图片［14-15］。整个仿生复眼面积为1 cm×1 cm，曲率半径为6 mm，单个微透镜和晶椎孔径均为50 μm，微透镜厚度为8 μm，晶椎高度为30 μm，共有有效微透镜阵列及晶椎对数约为3万个。由图4可以看出，制作的微透镜阵列和晶椎阵列均匀、一对一的对称分布在两侧，整个结构分布在曲面上，跟生物复眼的表面形貌相似，通过放大图可以看出单个微透镜具有良好的形貌和光滑度。

图4 曲面微透镜阵列及晶椎SEM图

2.3 成像分析

为了对微透镜阵列及晶椎结构的成像能力进行测试，我们搭建了简单的成像测试平台，如下图5所示。

图5 微透镜成像测试平台

微透镜成像测试平台主要由4部分组成：光源、微透镜阵列、CCD镜头以及显示屏组成。

我们分别进行了三组实验：①单独对局部曲面微透镜阵列进行光学成像检测，得到像1；②单独对局部曲面晶椎阵列进行光学成像检测，得到像2；③对由上述曲面微透镜阵列及晶椎阵列组成的局部背靠背复眼结构进行光学成像测试，得到像3；④将复眼结构旋转180°，重新进行光学成像检测。

测试结果如图6所示。图6（a）微透镜阵列成像以及光强分布图；图6（b）晶椎阵列成像以及光强分布图；图6（c）微透镜阵列及晶椎成像以及光强分布图，正反放置的结果相同。

通过以上测试我们可以得到以下结论：由两种微透镜阵列背靠背组成的仿生复眼结构的成像与其放置的正反没有关系；通过Matlab软件对图6中三种像的大小进行检测，发现背靠背仿生复眼结构所成的像的大小要比微透镜阵列及晶椎阵列成的像都要小，即像3＜像2＜像1。

图6 微透镜阵列及晶椎成像测试图。

2.4 理论分析

图7所示为我们对上述现象所做的原理分析。

图7 成像原理图

如光路图7所示：相比微透镜阵列与晶椎阵列，由于微透镜和晶椎都有一定的曲率，因此入射光线在经过仿生复眼结构时会发生两次折射，使得成像的点即焦点2比微透镜或晶椎成像的点靠前，即仿生复眼的焦距小于微透镜的焦距，也小于晶椎的焦距。因为仿生复眼的焦距最小，所以成像最小［16］。说明实验结果符合现实原理。

另一方面考虑此种仿生复眼与传统锥形晶椎的区别。如图8所示，为传统晶椎仿生复眼与背靠背仿生复眼的光传输图。两者后面都接入光纤，入射光为相同光源的平行光，两者的孔径与厚度均一致，即只有晶椎结构不同，一个为传统的锥形晶椎的仿生复眼结构，一个为本文中所设计的背靠背仿生复眼结构。理论分析可知，光在仿生复眼中传输时要经过两次折射，然后会聚到一点。

通过分析图形可知：①背靠背仿生复眼的焦距比传统仿生复眼的焦距要大，在光纤中会聚的时间比较长，即焦点2到复眼的距离大于焦点1到复眼的距离；②背靠背仿生复眼的出射光线经过两次折射后与光纤内壁的夹角小于传统仿生复眼的夹角大小，及入射角1小于入射角2；③由于光线在光纤中传输时会有全反射和透射的情况，在入射角比较小的情况下，透射的光线比较少，这样在传输过程中的光损耗会小。

这样就可以得出一个结论：背靠背仿生复眼的光损耗比传统锥形晶椎仿生复眼的光损耗小，即本文设计的仿生复眼的一大优点为光损耗小。

图8 仿生复眼接入光纤后的光传输图

2.5 仿真分析

ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。为了再次证明实验结论的正确性，我们采用ZEMAX光学仿真软件进行仿真［17-19］。

我们分别对微透镜、晶椎以及背靠背组成的仿生复眼结构进行了仿真。在仿真过程中，我们对同一个字母“F”进行了成像。对微透镜仿真，在微透镜焦点处呈现最清楚的像，成像大小为3.6 μm×3.4 μm；对晶椎仿真，在晶椎焦点处呈现最清楚的像，成像大小为2.2 μm×2.1 μm；对仿生复眼仿真，在仿生复眼焦点处呈现最清楚的像，成像大小为1.5 μm×1.5 μm；用Origin分析得到图9。

图9 ZEMAX仿真成像大小图

对比可知，仿生复眼所成的像最小，该结果与实验所得结果相吻合，证明了实验结果是正确的。

3 结论

本文利用传统的光刻热熔法制作出了曲面微透镜阵列，然后创新地提出了一种背靠背的仿生复眼结构，并且利用PDMS倒模和NOA73紫外曝光技术成功地制备出了此类结构。最后，我们对其的成像能力进行了测试，并且用ZEMAX光学仿真软件对其进行了仿真，得到此类结构的成像为1.5 μm×1.5 μm，要比微透镜阵列单独成的像要小，其光学性能优异，传输损耗小。在工艺方面，利用PDMS的柔韧性和NOA73紫外固化，实验简单、操作方便、倒模良好，而且成本低，这为仿生复眼的实际应用打下良好基础。

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