撰稿 | 朱琳（吉林大學(xué)）

| 作者薦語(yǔ) |

生物界的復(fù)眼（例如蜻蜓眼，果蠅眼等）是一種小巧而又精密的光學(xué)器官，每只復(fù)眼由排列在球面上的成千上萬(wàn)的小眼組成，其中每個(gè)小眼都具有獨(dú)立的感光單元，由角膜，晶錐和感桿束組成，是一種多孔徑的光學(xué)成像系統(tǒng)。與單眼（如人眼）相比，它具有小體積、輕重量、大視場(chǎng)角、無(wú)限景深以及高時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)?；诖耍律鷱?fù)眼引起了科學(xué)家們的探索和研究，并展示了其在機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航，無(wú)人駕駛，生物醫(yī)療診斷等先進(jìn)領(lǐng)域巨大的發(fā)展前景。

人工仿生復(fù)眼可以分為兩大類：多相機(jī)陣列組成的宏觀仿生復(fù)眼和緊湊型集成仿生復(fù)眼。

宏觀仿生復(fù)眼是由幾個(gè)甚至幾十個(gè)商業(yè)化的單孔徑相機(jī)組成的宏觀相機(jī)陣列，通過(guò)調(diào)控每個(gè)相機(jī)擺放的角度和聚焦深度，能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)成像甚至不同景深的成像。這種系統(tǒng)的難點(diǎn)在與對(duì)各個(gè)相機(jī)數(shù)據(jù)的收集以及后續(xù)的重構(gòu)算法等處理。

緊湊型集成仿生復(fù)眼是由微透鏡陣列以及圖像傳感器組成的多孔徑成像系統(tǒng)，其中每個(gè)微透鏡作為復(fù)眼中的一個(gè)小眼成像。相比于多相機(jī)陣列來(lái)說(shuō)，緊湊型集成仿生復(fù)眼的體積大大減?。ㄎ⒚字晾迕准?jí)別），其小型化和與其他組件的可集成性使其為制造先進(jìn)的仿生復(fù)眼成像器件提供了可能，在微機(jī)器人，體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域受到了關(guān)注。

制備緊湊型集成仿生復(fù)眼依賴于先進(jìn)的微納制造技術(shù)，因此，聚焦小型仿生復(fù)眼，來(lái)自清華大學(xué)的孫洪波教授和吉林大學(xué)的張永來(lái)教授在 Light: Advanced Manufacturing 發(fā)表綜述論文,題目為：“Miniaturising artificial compound eyes based on advanced micronanofabrication techniques”。

本篇綜述重點(diǎn)對(duì)小型仿生復(fù)眼的微納制造技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)和介紹，并對(duì)各制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。其次，討論了仿生復(fù)眼器件在不同領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。最后，對(duì)于仿生復(fù)眼領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)和未來(lái)的前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。

仿生復(fù)眼藝術(shù)效果圖（圖源：LAM新媒體/VEER）

一、仿生復(fù)眼透鏡的微納制造技術(shù)

自仿生復(fù)眼的概念出現(xiàn)以來(lái)，關(guān)于仿生復(fù)眼透鏡制造的工作不可枚舉。作者根據(jù)發(fā)展的時(shí)間線將其分為四種類型：基于光刻的微納制造技術(shù)，基于微液滴操控的微納制造技術(shù)，金剛石超精密加工技術(shù)，基于飛秒激光的微納制造技術(shù)。

圖1 人工仿生復(fù)眼制造技術(shù)

（1）基于光刻的微納制造技術(shù)

光刻技術(shù)是制備仿生復(fù)眼透鏡的主要微納制造技術(shù)之一，也是最早使用的技術(shù)，自19世紀(jì)80年代起被廣泛用于制備仿生復(fù)眼透鏡。將其進(jìn)行細(xì)致的分類，可以將其劃分為光刻膠熱熔技術(shù)、光刻離子交換技術(shù)、刻蝕輔助光刻技術(shù)。

光刻是一種發(fā)展較早較成熟微納加工方式，利用光刻加工仿生復(fù)眼能夠滿足一定的精度。不過(guò)作為一種傳統(tǒng)的平面加工技術(shù)，光刻技術(shù)的主要缺陷之一就是無(wú)法制備曲面分布的透鏡，這限制了仿生復(fù)眼在大視場(chǎng)角成像方面的應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近年來(lái)科學(xué)家們提出了例如外力輔助平面變形以及空間光調(diào)制等手段，實(shí)現(xiàn)曲面仿生復(fù)眼的制備。

（2）基于微液滴操控的微納制造技術(shù)

19世紀(jì)90年代，基于微液滴操控的仿生復(fù)眼微納制造技術(shù)被提出，包括微液滴噴射技術(shù)和浸潤(rùn)性調(diào)控微液滴排布。微液滴噴射技術(shù)又稱為噴墨打印技術(shù)，通過(guò)程序化控制微針噴頭噴出液滴，將其排布在襯底上成為微透鏡并固化成型。浸潤(rùn)性調(diào)控微液滴排布則是通過(guò)改變襯底的微結(jié)構(gòu)或化學(xué)組分，使其不同位置對(duì)液滴的浸潤(rùn)性不同，以此操控液滴的分布，形成微透鏡陣列。

（3）超精密加工技術(shù)

金剛石超精密加工技術(shù)以金剛石超硬材料作為刀具，對(duì)模板進(jìn)行單點(diǎn)減材切削，通過(guò)規(guī)劃加工路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)自由曲面的制備，適用于加工多種材料包括金屬（鋁合金、銅合金），聚合物以及硬脆材料。由于其具有較高的精度和制備自由曲面的能力，超精密加工技術(shù)在制備三維仿生復(fù)眼方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

（4）飛秒激光加工技術(shù)

飛秒激光具有極短的脈沖（10?1?-10?12 s），極高的峰值功率(瞬時(shí)功率密度能達(dá)到百萬(wàn)億瓦量級(jí))，幾乎能夠與任意一種材料作用。同時(shí)它的超高瞬時(shí)功率使它在與材料作用時(shí)表現(xiàn)出雙光子/多光子非線性吸收，由于只作用在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度的高精度加工。此外，作為一種逐點(diǎn)掃描技術(shù)，飛秒激光加工能夠制備任意三維結(jié)構(gòu)，使它在制備微光學(xué)器件領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。因此，飛秒激光加工技術(shù)在制備小尺寸，高精度，可設(shè)計(jì)形狀的仿生復(fù)眼透鏡方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

飛秒激光加工制備仿生復(fù)眼透鏡可以分為飛秒激光燒蝕加工（飛秒激光減材制造）和飛秒激光雙光子加工（飛秒激光增材制造），其中飛秒激光燒蝕進(jìn)一步可劃分為干/濕法輔助的燒蝕和退火輔助的燒蝕。由于飛秒激光加工是一種逐點(diǎn)加工的方式，其加工周期較長(zhǎng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，科研人員還提出了空間光調(diào)制，像素調(diào)制等多種方案來(lái)同時(shí)滿足高效率和高精度的加工。

綜上所述，仿生復(fù)眼的加工方式多種多樣，各個(gè)方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，本綜述對(duì)各種加工方式的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)（圖2）。在實(shí)際制備中，研究者可以根據(jù)需求，來(lái)選擇相應(yīng)的加工手段，也可以結(jié)合不同的加工方式，取長(zhǎng)補(bǔ)短來(lái)制備高質(zhì)量的仿生復(fù)眼微透鏡。

圖2 人工仿生復(fù)眼制造技術(shù)特點(diǎn)

二 、仿生復(fù)眼透鏡的應(yīng)用

小體積，大視場(chǎng)，高時(shí)間分辨率等優(yōu)勢(shì)使小型化仿生復(fù)眼在微機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航，無(wú)人機(jī)駕駛及醫(yī)療診斷等先進(jìn)應(yīng)用方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。目前為止，仿生復(fù)眼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)成像，深度估計(jì)，三維成像等功能，在多種學(xué)科領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用潛力。

圖3 人工仿生復(fù)眼的應(yīng)用

三 、結(jié)論與展望

綜上所述，科學(xué)家們對(duì)小型化仿生復(fù)眼開(kāi)展了一系列的研究，提出了多種多樣的制備方式并成功的展示了其廣泛的應(yīng)用前景。仿生復(fù)眼作為最有發(fā)展前景的光學(xué)成像設(shè)備之一，在生物，機(jī)器人，成像等先進(jìn)行業(yè)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

與此同時(shí)，隨著微納制備技術(shù)日新月異的發(fā)展和面向?qū)嶋H應(yīng)用的緊迫需求，對(duì)仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的小巧性，緊湊性，復(fù)眼成像質(zhì)量等方面也提出了更高的要求，為人工仿生復(fù)眼領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。例如，面向曲面仿生復(fù)眼與商業(yè)化平面?zhèn)鞲衅鞯牟患嫒輪?wèn)題，提出了制備柔性傳感器陣列。面向曲面仿生復(fù)眼成像分辨率低的問(wèn)題，提出了優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法等方式；另一方面，新型微透鏡例如超表面透鏡也為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成像帶來(lái)了新的機(jī)遇。

相信在不久的將來(lái)，小型化仿生復(fù)眼有機(jī)會(huì)作為新一代的光學(xué)成像器件，為微飛行器、智能機(jī)器人導(dǎo)航、體內(nèi)醫(yī)療診斷等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展錦上添花。

| 文章信息 |

Zhu et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:7

https://doi.org/10.37188/lam.2021.007

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