自然界中昆蟲復(fù)眼是天然存在的多孔徑曲面光學(xué)系統(tǒng)，具有視場(chǎng)大、體積小、靈敏度高、對(duì)運(yùn)動(dòng)物體敏感，且能夠?qū)崟r(shí)對(duì)進(jìn)行圖像分析和處理等優(yōu)點(diǎn)。模擬昆蟲復(fù)眼設(shè)計(jì)和制作的仿生復(fù)眼系統(tǒng)在照明系統(tǒng)、工業(yè)檢測(cè)、自主導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)、安防設(shè)備等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景與良好的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，有關(guān)仿生復(fù)眼系統(tǒng)的研究引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有的仿生復(fù)眼系統(tǒng)大多是采用固定焦距的子眼透鏡陣列，一旦復(fù)眼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定，系統(tǒng)的成像焦平面隨之確定，即只能對(duì)景深范圍內(nèi)物體進(jìn)行清晰成像，不利于對(duì)景深范圍外目標(biāo)物的探測(cè)和接收。

為解決這一問(wèn)題，可變焦仿生復(fù)眼系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院微流控光學(xué)技術(shù)研究中心梁忠誠(chéng)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于介電潤(rùn)濕液體透鏡曲面陣列的仿生復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用介電潤(rùn)濕液體透鏡的自適應(yīng)變焦能力，解決由于物體或者系統(tǒng)成像接收器移動(dòng)造成的系統(tǒng)離焦像差；分析曲面基底的曲率半徑及液體透鏡子單元的尺寸對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，計(jì)算系統(tǒng)接收器可移動(dòng)范圍。結(jié)果表明：系統(tǒng)成像的視場(chǎng)角隨著基底曲率的增大而增大。相比于非均勻透鏡陣列，均勻透鏡陣列可明顯降低系統(tǒng)的離焦像差。適當(dāng)減小子透鏡單元尺寸，也可以達(dá)到降低邊緣透鏡離焦像差的目的。當(dāng)物距或者接收器位置發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)調(diào)整子透鏡單元焦距降低系統(tǒng)的離焦像差。系統(tǒng)接收器可移動(dòng)范圍為 1.9 mm~15 mm。相關(guān)研究將推動(dòng)仿生復(fù)眼系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，也為合理利用液體透鏡提供理論依據(jù)。

基于液體透鏡的仿生復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)主要由雙液體透鏡、曲面基底、光闌和平面探測(cè)器組成，如圖1(a)所示。透鏡曲面陣列均勻排布如圖1(b)所示，分為4環(huán)(位于曲面基底正中心為第一環(huán))，環(huán)與環(huán)之間以及同一環(huán)子透鏡尺寸相同且緊密相切排布，則每環(huán)子眼透鏡的個(gè)數(shù)依次為 1、 6、 12、 18。該仿生復(fù)眼系統(tǒng)的子眼透鏡單元為基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)的雙液體可變焦透鏡，其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。子透鏡側(cè)壁由外到內(nèi)依次為腔體、絕緣層和疏水層。其中透鏡的腔體和基底都采用導(dǎo)電 PET (polyethyleneterephthalate)材料，這種 PET 材料是涂覆有導(dǎo)電ITO(indium tin oxide)的柔性材料。絕緣層是通過(guò)在透鏡腔體上蒸鍍一定厚度的派瑞林(Parylene)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最后涂覆一層氟化聚合物作為疏水層。腔內(nèi)為兩種密度相同且折射率不同的液體組合，其中上層液體為導(dǎo)電液體，下層為絕緣液體。根據(jù)Young-Lippman 方程，控制工作電壓可以改變雙液體界面曲率，調(diào)節(jié)液體透鏡子眼單元焦距，從而使得每個(gè)子眼透鏡單元成像于同一接收平面上。圖1(d)給出了仿生復(fù)眼系統(tǒng)的成像示意，物體經(jīng)液體透鏡曲面陣列成像在探測(cè)接收器上。當(dāng)物距或像距發(fā)生移動(dòng)時(shí)，光線聚焦位置將偏離探測(cè)器接收面，此時(shí)只需調(diào)整工作電壓，改變子眼透鏡焦距，使得光線重新聚焦于探測(cè)接收器上。由于液體透鏡曲面陣列均勻排布，相鄰液體透鏡夾角(Δφ)相等，故可得第n環(huán)透鏡主光軸與透鏡陣列主光軸之間的夾角αn為αn=(n–1)Δφ，其中Δφ= 2arcsin(D/2R)，整個(gè)復(fù)眼系統(tǒng)的視場(chǎng)角為2αn。

圖1.基于介電潤(rùn)濕液體透鏡的仿生復(fù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(a)側(cè)面圖；(b)透鏡單元排列方式；(c)透鏡結(jié)構(gòu)圖；(d)成像原理示意圖 不同視場(chǎng)下目標(biāo)物字母“F”經(jīng)不同曲率仿復(fù)眼系統(tǒng)的成像情況如圖2所示。從圖中看出，在正入射的情況下，基底曲率半徑越大，子眼透鏡成像越清晰。當(dāng)視場(chǎng)角增大，基底曲率半徑越小，系統(tǒng)成像質(zhì)量越好。這是因?yàn)樵诠鈱W(xué)系統(tǒng)中，軸外光的成像質(zhì)量比軸上光的成像質(zhì)量差，且偏離主光軸越遠(yuǎn)，成像越模糊。在正入射時(shí)，基底曲率半徑越大，各環(huán)子透鏡的光軸與入射光的夾角越小，子透鏡成像越清晰。當(dāng)視場(chǎng)角逐漸增大，入射光線與各環(huán)子透鏡光軸的夾角逐漸變大，成像質(zhì)量逐漸變差。此時(shí)，若減小基底的曲率半徑，可降低入射光與各環(huán)子透鏡光軸的夾角，從而達(dá)到提高成像質(zhì)量的目的。因此，在復(fù)眼透鏡基底曲率半徑的選取上，既要考慮正入射的情況，也要兼顧系統(tǒng)在不同視場(chǎng)角下的工作性能。

圖2.不同視場(chǎng)情況下，不同曲率仿復(fù)眼系統(tǒng)的成像效果。(a) R1=10 mm，正入射；(b) R2=15 mm，正入射；(c) R3=20 mm，正入射；(d) R1=10 mm，視場(chǎng)角 20°；(e) R2=15 mm，視場(chǎng)角 20°；(f) R3=20 mm，視場(chǎng)角 20°；(g) R1=10 mm，視場(chǎng)角 35°；(h) R2=15 mm，視場(chǎng)角 35°；(i) R3=20 mm，視場(chǎng)角35° 曲面基底的曲率半徑和各子透鏡位置保持不變，子眼透鏡直徑分別取 1 mm、 2 mm 和 3 mm時(shí)，復(fù)眼系統(tǒng)的成像效果如圖3所示。從圖中可以看出：當(dāng)透鏡直徑增大至 3 mm 時(shí)，第三環(huán)子眼透鏡對(duì)應(yīng)成像模糊不清。本文認(rèn)為隨著透鏡尺寸變大，對(duì)應(yīng)子眼透鏡的 F 數(shù)()降低，減小了焦深，從而增加了系統(tǒng)對(duì)離焦的敏感性。因此，在保證系統(tǒng)成像分辨率的前提下，盡可能減小子眼透鏡尺寸。

圖3.不同直徑透鏡單元對(duì)復(fù)眼系統(tǒng)成像效果的影響

在分析子眼透鏡單元均勻性對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響時(shí)，非均勻子眼透鏡組成陣列的第一環(huán)子眼透鏡直徑為 1 mm，從里往外每環(huán)依次增加0.2 mm，第 6 環(huán)對(duì)應(yīng)子眼透鏡直徑為 2 mm。均勻子眼透鏡單元組成的陣列，每環(huán)透鏡直徑均為1 mm，且每環(huán)子眼透鏡中心線與非均勻透鏡陣列相應(yīng)的子眼單元中心線重合。調(diào)整每環(huán)液體透鏡焦距，使其聚焦于成像探測(cè)器上。從系統(tǒng)的成像光斑可以發(fā)現(xiàn)：相比于非均勻微透鏡陣列，均勻微透鏡子眼單元組成的曲面陣列可以明顯降低系統(tǒng)的離焦像差。

當(dāng)物體固定不動(dòng)時(shí)，由于子眼透鏡焦距具有可調(diào)性，系統(tǒng)接收探測(cè)器位置也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行一定范圍的調(diào)整。圖4給出了仿生復(fù)眼系統(tǒng)的成像接收器可移動(dòng)范圍，其中圖4(a)為平行子眼透鏡光軸光線，在曲面基底球心處會(huì)聚一點(diǎn)，此位置為成像接收平面的最大位置，距離基底最高位置為 15 mm；調(diào)節(jié)液體透鏡工作電壓，改變液體透鏡單元的焦距，使得光線匯聚到圖 4(b)所示的接收探測(cè)器位置，此時(shí)液體透鏡接觸角已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)探測(cè)器位置為最小位置，距離基底是 1.9 mm。該系統(tǒng)的接收探測(cè)器位置變化范圍為 1.9 mm~15 mm。

圖4.仿生復(fù)眼系統(tǒng)的成像接收面的接收范圍。(a)最遠(yuǎn)接收位置；(b)最近接收位置 該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61775102， 61905117）和基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域基金（2019-JCJQ-JJ-446）的支持。

審核編輯 ：李倩