撰稿 | 朱琳（吉林大學）

| 作者薦語 |

生物界的復眼（例如蜻蜓眼，果蠅眼等）是一種小巧而又精密的光學器官，每只復眼由排列在球面上的成千上萬的小眼組成，其中每個小眼都具有獨立的感光單元，由角膜，晶錐和感桿束組成，是一種多孔徑的光學成像系統。與單眼（如人眼）相比，它具有小體積、輕重量、大視場角、無限景深以及高時間分辨率等優點。基于此，仿生復眼引起了科學家們的探索和研究，并展示了其在機器人視覺導航，無人駕駛，生物醫療診斷等先進領域巨大的發展前景。

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

宏觀仿生復眼是由幾個甚至幾十個商業化的單孔徑相機組成的宏觀相機陣列，通過調控每個相機擺放的角度和聚焦深度，能夠實現大視場成像甚至不同景深的成像。這種系統的難點在與對各個相機數據的收集以及后續的重構算法等處理。

緊湊型集成仿生復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，其中每個微透鏡作為復眼中的一個小眼成像。相比于多相機陣列來說，緊湊型集成仿生復眼的體積大大減小（微米至厘米級別），其小型化和與其他組件的可集成性使其為制造先進的仿生復眼成像器件提供了可能，在微機器人，體內醫療設備等領域受到了關注。

制備緊湊型集成仿生復眼依賴于先進的微納制造技術，因此，聚焦小型仿生復眼，來自清華大學的孫洪波教授和吉林大學的張永來教授在 Light: Advanced Manufacturing 發表綜述論文,題目為：“Miniaturising artificial compound eyes based on advanced micronanofabrication techniques”。

本篇綜述重點對小型仿生復眼的微納制造技術進行了詳細的總結和介紹，并對各制造技術的優缺點進行了分析。其次，討論了仿生復眼器件在不同領域的潛在應用。最后，對于仿生復眼領域存在的挑戰和未來的前景進行了總結和展望。

仿生復眼藝術效果圖（圖源：LAM新媒體/VEER）

一、仿生復眼透鏡的微納制造技術

自仿生復眼的概念出現以來，關于仿生復眼透鏡制造的工作不可枚舉。作者根據發展的時間線將其分為四種類型：基于光刻的微納制造技術，基于微液滴操控的微納制造技術，金剛石超精密加工技術，基于飛秒激光的微納制造技術。

圖1 人工仿生復眼制造技術

（1）基于光刻的微納制造技術

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

光刻是一種發展較早較成熟微納加工方式，利用光刻加工仿生復眼能夠滿足一定的精度。不過作為一種傳統的平面加工技術，光刻技術的主要缺陷之一就是無法制備曲面分布的透鏡，這限制了仿生復眼在大視場角成像方面的應用。為了克服這個缺點，近年來科學家們提出了例如外力輔助平面變形以及空間光調制等手段，實現曲面仿生復眼的制備。

（2）基于微液滴操控的微納制造技術

19世紀90年代，基于微液滴操控的仿生復眼微納制造技術被提出，包括微液滴噴射技術和浸潤性調控微液滴排布。微液滴噴射技術又稱為噴墨打印技術，通過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。浸潤性調控微液滴排布則是通過改變襯底的微結構或化學組分，使其不同位置對液滴的浸潤性不同，以此操控液滴的分布，形成微透鏡陣列。

（3）超精密加工技術

金剛石超精密加工技術以金剛石超硬材料作為刀具，對模板進行單點減材切削，通過規劃加工路徑，能夠實現自由曲面的制備，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，超精密加工技術在制備三維仿生復眼方面具有很大優勢。

（4）飛秒激光加工技術

飛秒激光具有極短的脈沖（10?1?-10?12 s），極高的峰值功率(瞬時功率密度能達到百萬億瓦量級)，幾乎能夠與任意一種材料作用。同時它的超高瞬時功率使它在與材料作用時表現出雙光子/多光子非線性吸收，由于只作用在一個很小的區域內，因此能夠實現納米尺度的高精度加工。此外，作為一種逐點掃描技術，飛秒激光加工能夠制備任意三維結構，使它在制備微光學器件領域引起了廣泛關注。因此，飛秒激光加工技術在制備小尺寸，高精度，可設計形狀的仿生復眼透鏡方面具有獨到的優勢。

飛秒激光加工制備仿生復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加工的方式，其加工周期較長，為了解決這個問題，科研人員還提出了空間光調制，像素調制等多種方案來同時滿足高效率和高精度的加工。

綜上所述，仿生復眼的加工方式多種多樣，各個方法都有自己的優點和不足，本綜述對各種加工方式的特點進行了總結（圖2）。在實際制備中，研究者可以根據需求，來選擇相應的加工手段，也可以結合不同的加工方式，取長補短來制備高質量的仿生復眼微透鏡。

圖2 人工仿生復眼制造技術特點

二 、仿生復眼透鏡的應用

小體積，大視場，高時間分辨率等優勢使小型化仿生復眼在微機器人視覺導航，無人機駕駛及醫療診斷等先進應用方面具有重要的研究價值。目前為止，仿生復眼已經實現了大視場成像，深度估計，三維成像等功能，在多種學科領域顯示了巨大的應用潛力。

圖3 人工仿生復眼的應用

三 、結論與展望

綜上所述，科學家們對小型化仿生復眼開展了一系列的研究，提出了多種多樣的制備方式并成功的展示了其廣泛的應用前景。仿生復眼作為最有發展前景的光學成像設備之一，在生物，機器人，成像等先進行業具有重要的研究價值。

與此同時，隨著微納制備技術日新月異的發展和面向實際應用的緊迫需求，對仿生復眼結構的小巧性，緊湊性，復眼成像質量等方面也提出了更高的要求，為人工仿生復眼領域帶來了新的挑戰。例如，面向曲面仿生復眼與商業化平面傳感器的不兼容問題，提出了制備柔性傳感器陣列。面向曲面仿生復眼成像分辨率低的問題，提出了優化計算機算法等方式；另一方面，新型微透鏡例如超表面透鏡也為實現高質量的成像帶來了新的機遇。

相信在不久的將來，小型化仿生復眼有機會作為新一代的光學成像器件，為微飛行器、智能機器人導航、體內醫療診斷等應用領域的發展錦上添花。

| 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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