仿生复眼的先进微纳制造技术

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作者荐语

Light: Advanced Manufacturing

生物界的复眼（例如蜻蜓眼，果蝇眼等）是一种小巧而又精密的光学器官，每只复眼由排列在球面上的成千上万的小眼组成，其中每个小眼都具有独立的感光单元，由角膜，晶锥和感杆束组成，是一种多孔径的光学成像系统。与单眼（如人眼）相比，它具有小体积、轻重量、大视场角、无限景深以及高时间分辨率等优点。基于此，仿生复眼引起了科学家们的探索和研究，并展示了其在机器人视觉导航，无人驾驶，生物医疗诊断等先进领域巨大的发展前景。

人工仿生复眼可以分为两大类：多相机阵列组成的宏观仿生复眼和紧凑型集成仿生复眼。

宏观仿生复眼是由几个甚至几十个商业化的单孔径相机组成的宏观相机阵列，通过调控每个相机摆放的角度和聚焦深度，能够实现大视场成像甚至不同景深的成像。这种系统的难点在与对各个相机数据的收集以及后续的重构算法等处理。

紧凑型集成仿生复眼是由微透镜阵列以及图像传感器组成的多孔径成像系统，其中每个微透镜作为复眼中的一个小眼成像。相比于多相机阵列来说，紧凑型集成仿生复眼的体积大大减小（微米至厘米级别），其小型化和与其他组件的可集成性使其为制造先进的仿生复眼成像器件提供了可能，在微机器人，体内医疗设备等领域受到了关注。

制备紧凑型集成仿生复眼依赖于先进的微纳制造技术，因此，聚焦小型仿生复眼，来自清华大学的孙洪波教授和吉林大学的张永来教授在Light: Advanced Manufacturing发表综述论文,题目为：“Miniaturising artificial compound eyes based on advanced micronanofabrication techniques”。

本篇综述重点对小型仿生复眼的微纳制造技术进行了详细的总结和介绍，并对各制造技术的优缺点进行了分析。其次，讨论了仿生复眼器件在不同领域的潜在应用。最后，对于仿生复眼领域存在的挑战和未来的前景进行了总结和展望。

仿生复眼艺术效果图（图源：Light: Advanced Manufacturing 新媒体工作组）

一、仿生复眼透镜的微纳制造技术

自仿生复眼的概念出现以来，关于仿生复眼透镜制造的工作不可枚举。作者根据发展的时间线将其分为四种类型：基于光刻的微纳制造技术，基于微液滴操控的微纳制造技术，金刚石超精密加工技术，以及基于飞秒激光的微纳制造技术。

图1 人工仿生复眼制造技术

（1）基于光刻的微纳制造技术

光刻技术是制备仿生复眼透镜的主要微纳制造技术之一，也是最早使用的技术，自19世纪80年代起被广泛用于制备仿生复眼透镜。将其进行细致的分类，可以将其划分为光刻胶热熔技术、光刻离子交换技术、以及刻蚀辅助光刻技术。

光刻是一种发展较早较成熟微纳加工方式，利用光刻加工仿生复眼能够满足一定的精度。不过作为一种传统的平面加工技术，光刻技术的主要缺陷之一就是无法制备曲面分布的透镜，这限制了仿生复眼在大视场角成像方面的应用。为了克服这个缺点，近年来科学家们提出了例如外力辅助平面变形以及空间光调制等手段，实现曲面仿生复眼的制备。

（2）基于微液滴操控的微纳制造技术

19世纪90年代，基于微液滴操控的仿生复眼微纳制造技术被提出，包括微液滴喷射技术和浸润性调控微液滴排布。微液滴喷射技术又称为喷墨打印技术，通过程序化控制微针喷头喷出液滴，将其排布在衬底上成为微透镜并固化成型。浸润性调控微液滴排布则是通过改变衬底的微结构或化学组分，使其不同位置对液滴的浸润性不同，以此操控液滴的分布，形成微透镜阵列。

（3）超精密加工技术

金刚石超精密加工技术以金刚石超硬材料作为刀具，对模板进行单点减材切削，通过规划加工路径，能够实现自由曲面的制备，适用于加工多种材料包括金属（铝合金、铜合金），聚合物以及硬脆材料。由于其具有较高的精度和制备自由曲面的能力，超精密加工技术在制备三维仿生复眼方面具有很大优势。

（4）飞秒激光加工技术

飞秒激光具有极短的脉冲（10^-15-10^-12s），极高的峰值功率(瞬时功率密度能达到百万亿瓦量级)，几乎能够与任意一种材料作用。同时它的超高瞬时功率使它在与材料作用时表现出双光子/多光子非线性吸收，由于只作用在一个很小的区域内，因此能够实现纳米尺度的高精度加工。此外，作为一种逐点扫描技术，飞秒激光加工能够制备任意三维结构，使它在制备微光学器件领域引起了广泛关注。因此，飞秒激光加工技术在制备小尺寸，高精度，可设计形状的仿生复眼透镜方面具有独到的优势。

飞秒激光加工制备仿生复眼透镜可以分为飞秒激光烧蚀加工（飞秒激光减材制造）和飞秒激光双光子加工（飞秒激光增材制造），其中飞秒激光烧蚀进一步可划分为干/湿法辅助的烧蚀和退火辅助的烧蚀。由于飞秒激光加工是一种逐点加工的方式，其加工周期较长，为了解决这个问题，科研人员还提出了空间光调制，像素调制等多种方案来同时满足高效率和高精度的加工。

综上所述，仿生复眼的加工方式多种多样，各个方法都有自己的优点和不足，本综述对各种加工方式的特点进行了总结（图2）。在实际制备中，研究者可以根据需求，来选择相应的加工手段，也可以结合不同的加工方式，取长补短来制备高质量的仿生复眼微透镜。

图2 人工仿生复眼制造技术特点

二 、仿生复眼透镜的应用

小体积，大视场，高时间分辨率等优势使小型化仿生复眼在微机器人视觉导航，无人机驾驶及医疗诊断等先进应用方面具有重要的研究价值。目前为止，仿生复眼已经实现了大视场成像，深度估计，三维成像等功能，在多种学科领域显示了巨大的应用潜力。

图3 人工仿生复眼的应用

三 、结论与展望

综上所述，科学家们对小型化仿生复眼开展了一系列的研究，提出了多种多样的制备方式并成功的展示了其广泛的应用前景。仿生复眼作为最有发展前景的光学成像设备之一，在生物，机器人，成像等先进行业具有重要的研究价值。

与此同时，随着微纳制备技术日新月异的发展和面向实际应用的紧迫需求，对仿生复眼结构的小巧性，紧凑性，复眼成像质量等方面也提出了更高的要求，为人工仿生复眼领域带来了新的挑战。例如，面向曲面仿生复眼与商业化平面传感器的不兼容问题，提出了制备柔性传感器阵列。面向曲面仿生复眼成像分辨率低的问题，提出了优化计算机算法等方式；另一方面，新型微透镜例如超表面透镜也为实现高质量的成像带来了新的机遇。

相信在不久的将来，小型化仿生复眼有机会作为新一代的光学成像器件，为微飞行器、智能机器人导航、体内医疗诊断等应用领域的发展锦上添花。

文章信息

Lin Zhu, Yong-Lai Zhang, Hong-Bo Sun. Miniaturising artificial compound eyes based on advanced micronanofabrication techniques[J]. Light: Advanced Manufacturing.

☞ 本文编辑：赵阳