張 良，戴 博，張大偉

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

在自然界中，有兩種主要視覺系統(tǒng)，一種是單眼視覺系統(tǒng)，一種是復眼視覺系統(tǒng)。哺乳動物多數(shù)為單眼視覺系統(tǒng)，受其光學成像原理的啟發(fā)，人們設計出了廣泛的、無處不在的類似照相機的成像系統(tǒng)，包括手機相機，數(shù)碼相機和工業(yè)相機[1]。受益于當前半導體制造業(yè)成熟的技術，類相機眼成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)高空間分辨率。此外，高效的光學設計工具可通過降低像差來進一步提高圖像的分辨率。然而這種類型的成像系統(tǒng)的應用受到其狹窄的視場角（FOV）的限制，無論是在醫(yī)學應用方面還是在軍事應用方面都需要有大視場角的成像系統(tǒng)，例如內(nèi)窺鏡、機器視覺、牙科醫(yī)療等[2-3]。到目前為止，僅使用魚眼鏡頭（依賴于幾塊笨重且昂貴的鏡頭）、折反射鏡頭和旋轉(zhuǎn)照相機就可以實現(xiàn)超過90°視場角的傳統(tǒng)類似照相機眼睛的成像系統(tǒng)[4]。但這種系統(tǒng)會在圖像邊緣出現(xiàn)嚴重的畸變，對于許多需要高質(zhì)量圖像的應用場合，這是一個重要的限制因素。此外，由于這種系統(tǒng)總是由多個彎月形透鏡組成，因此其結構復雜、價格昂貴并且體積大。如何減小尺寸和簡化系統(tǒng)也是一個需要解決的重要且有意義的問題。一個明智而有趣的想法是從自然界中尋找靈感，并研究自然界動物是如何成功地解決了這個問題。節(jié)肢動物給了我們最好的參照，因其擁有復眼視覺系統(tǒng)，能通過觀察去探測和接受周圍環(huán)境。擁有者具有超大的視場角，低像差和失真，響應速度靈敏和無限景深，能實現(xiàn)定位食物、導航、識別伴侶等功能[5-8]。這些功能是目前工業(yè)成像系統(tǒng)所不具有的，值得去研究。在過去的幾十年中，人們付出了巨大的努力去研究復眼，利用其突出的特點，實現(xiàn)了復眼成像光學性質(zhì)，在此有必要回顧和總結一下已有的復眼制作工藝及成像系統(tǒng)設計。

1 人工復眼的制作工藝

復眼的最小成像單位是單個小眼，天然復眼的小眼數(shù)量范圍從不到十到數(shù)萬個，每個小眼都可以視為一個單獨的成像系統(tǒng)，系統(tǒng)通常由角膜、晶狀體及感光細胞組成。根據(jù)成像原理，已知的自然復眼可以分為三種類別：并置眼、疊置眼和神經(jīng)性疊置眼。其中：并置眼的單眼通過色素細胞在光學上各自獨立，每個眼有自己的視場方向，其優(yōu)點是高分辨率，缺點是感光差；疊置眼的單眼并不完全光學獨立，相鄰的小眼的視場會有重疊，感光強；神經(jīng)性疊置眼是小眼獨立，但神經(jīng)錯節(jié)造成圖像重疊。因此，人工復眼的制作大多是仿照并置眼的形式。

1.1 飛秒激光刻蝕

Qu等[9]、Bian等[10]提出了一種利用飛秒激光加工和化學腐蝕來制造凹面微透鏡陣列的簡便方法。在直徑為5 mm的聚合物半球上緊密堆積了3 000 個95 μm直徑的正微透鏡陣列，該人工復眼的制作工藝如圖1所示。首先，將直徑為6 mm的球面平凹透鏡用作彎曲基板并固定在3D平臺上，平臺上只有一個x-y-z線性位移臺。0.5 s的飛秒激光（800 nm，50 fs，1 kHz，3 mW）聚焦在凹面的中心，可以快速形成一個個坑。其次，因為z軸位置在每次飛秒激光曝光之前已經(jīng)過單獨調(diào)整過，所以制作一個密密麻麻的六邊形坑狀陣列無需復雜的基板對齊和旋轉(zhuǎn)。然后將透鏡浸入在HF（10%）超聲波浴中，浸泡80 min以進行化學蝕刻，將六角形微觀結構變?yōu)榍蛐挝⒂^結構。最后，將液態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入凹透鏡后進行脫模。從流程中，我們可以看到曲面微透鏡陣列直接在曲面上制作模子。因此，這種制作方法包括其轉(zhuǎn)移過程與其他方法相比是無失真的。

圖1 飛秒激光刻蝕制作復眼透鏡Fig.1 Compound eyes produced by femtosecond laser etching

1.2 利用壓強差制作復眼透鏡

Jeong等制作了一個密排六邊形彎曲微透鏡陣列（約8 370個微透鏡），該陣列球形排列在直徑為2.5 mm的半球形圓頂上。圖2顯示了整個制造過程。首先，將具有蜂窩狀六邊形排列的平面光刻膠微透鏡陣列放置在硅基板上，并通過將PDMS彈性體（厚度為22 mm）模制到平面光刻膠微透鏡陣列上來獲得微透鏡模板。其次，通過機械沖壓結合到厚度為22 mm的PDMS彈性體上，制造出厚度為5 mm的可重構PDMS微透鏡陣列模板。在氧氣等離子體處理之后，微透鏡陣列副本從可重新配置的PDMS微透鏡陣列模板中釋放出來。然后，在微流體通道中施加負氣壓（5～30 kPa），以使復制的PDMS膜具有凹形微透鏡而變形。將可紫外線固化的環(huán)氧樹脂（NOA68）精確倒入變形的復制PDMS膜中。在用紫外線（0.5 mW/cm2）完全固化2 h后，制造出彎曲凹面微透鏡陣列的母模。最后，在母模中分配體積為40 μL的名為NANO SU-8的光敏聚合物樹脂。在120 ℃的溫度下預烘烤20 min并冷卻至室溫后，就制成了彎曲的微透鏡陣列，如圖2所示。該人造彎曲微透鏡陣列的接受角為4.4°，而枕間角約為1.5°。最大微透鏡直徑為25 μm，光圈數(shù)為1.8～2.9。

圖2 利用壓強差制作復眼透鏡Fig.2 Fabrication of compound eyes by using pressure difference

1.3 旋涂法制作復眼透鏡

光學流體復眼的制造過程如圖3所示。首先制造用于制造凸微透鏡陣列的模具。使用光刻技術制備光刻膠微柱陣列，在光刻期間，將鈦層涂覆在硅晶片上，然后氧化成二氧化鈦，以提高微柱與基底之間的粘合強度。微型柱的直徑為50 μm，高度為60 μm。將質(zhì)量比為12∶1（有機硅彈性體與固化劑）的液態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒在硅片上，并在80°C下固化4 h。從微柱陣列上剝離PDMS，并在PDMS上形成微孔陣列。在空氣等離子體中進行表面改性后，PDMS粘合到一塊玻璃上。之后，將微孔與氬氣和氧氣的混合物（氣體混合比為100∶1）暴露在等離子體中，以改變PDMS的疏水性。表面改性是在13 MHz射頻、600 mTorr壓力、11 W等離子功率和60 mL/min氣體流速的條件下進行的。接下來，以3 000 r/s的旋涂速率將丙烯酸酯樹脂（粘度：500 mPa·s，密度：1.02 g/cm2，折射率：1.487）旋轉(zhuǎn)在微孔上2 min。旋涂后，將樣品放入真空機中抽真空，以確保丙烯酸酯樹脂完全填充到微孔中，并在波長為365 nm的紫外線（UV光）中暴露8 min以使樹脂固化。微孔中的樹脂呈現(xiàn)出凹面，樹脂表面的曲率與旋涂之前的表面改性密切相關，并直接確定復眼上產(chǎn)生的微透鏡的曲率。較長的表面改性時間會導致較大的曲率，為了實現(xiàn)微透鏡的大曲率，短焦距和高數(shù)值孔徑，將表面修飾時間設置為200 s。固化的丙烯酸酯樹脂具有很高的機械強度（斷裂伸長率：40%）和熱強度（熱膨脹率：3×10?6/°C，工作溫度：?50 ～150 °C）。因此，凹形樹脂陣列可以用作復制微透鏡陣列的模具[11]。

圖3 旋涂法制作復眼透鏡Fig.3 Spin-coating method to produce compound eye lens

1.4 球壓法制作復眼透鏡

Cherng等[12]證明了一種采用多重復制工藝制造彎曲微透鏡陣列的新穎方法。制造過程主要由兩部分組成，平面PDMS微透鏡陣列和彎曲PDMS微透鏡陣列。平面PDMS微透鏡陣列的制造過程如圖4所示。

圖4 平面透鏡陣列制作Fig.4 Fabrication of planner lens array

首先，將AZ P4620光刻膠旋涂在硅基板上，并通過光刻工藝制造微透鏡陣列的光刻膠圓柱體。然后，將光刻膠圓柱體熱回流（80 ℃，2 h）以形成光刻膠透鏡，再將PDMS倒在基板上，并在固化至室溫后剝離。最后，將凹面PDMS鹽化（使用三氯硅烷）后視為模具，以減少模具和復制品之間的粘附力。

從鹽化凹面PDMS模具復制平面凸面PDMS微透鏡陣列。在制造平面PDMS微透鏡陣列之后，有必要將平面PDMS微透鏡陣列變形為彎曲的PDMS微透鏡陣列。彎曲的PDMS微透鏡陣列的制造過程如圖5所示。

圖5 球壓法制作復眼透鏡Fig.5 Fabrication of compound eyes by ball pressure method

首先，將制造的平面PDMS微透鏡陣列放置在裝有液體PDMS的容器頂部；其次，將球形物體（3 kg，直徑10 mm）壓在平面PDMS微透鏡陣列上并使平面PDMS微透鏡陣列變形以形成球形表面；再次，在固化至室溫之后，去除變形的微透鏡陣列和球形物體，同時彎曲的PDMS模具也被硅烷化為模具；最后，將液態(tài)PDMS倒入硅烷化的模具中，并在80 °C下固化2 h。

在冷卻至室溫并進行剝離工藝之后，在球形表面上制造出PDMS微透鏡陣列。球形表面的直徑和下垂高度分別為10 mm和2.6 mm。彎曲的微透鏡陣列的焦距為0.44 mm。彎曲微透鏡的平均直徑為230.27 μm，理論視場為110 μm[12-14]。

2 人工復眼的成像系統(tǒng)

2.1 曲面透鏡與平面圖像傳感器

Shi等[15]提出了一種球形復眼相機（SCECam）的人工復眼成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)（曲面微透鏡陣列，光中繼系統(tǒng)和商用CMOS成像傳感器）組成。除了通過軟光刻和熱壓印來制造彎曲微透鏡的透鏡之外，該成像系統(tǒng)的顯著新穎之處在于設計了中間光學中繼系統(tǒng)，這樣可以將彎曲微透鏡陣列的彎曲焦平面轉(zhuǎn)換為平面成像傳感器。SCECam的光學結構如圖6所示。中間光中繼系統(tǒng)的FOV為120°，在Nyquist頻率下具有1/3數(shù)值孔徑以及大于0.35的MTF值。不僅校正了場曲和漸暈，而且還抵消了彎曲微透鏡陣列的畸變。SCECam的小眼數(shù)為4 400（直徑500 μm，焦距1.28 mm），并且具有較大的FOV（最大360°×122.4°）。SCECam半球的半徑是20 mm，接受角和枕間角分別為2.4°和1.7°，外形尺寸為40 mm×40 mm×80 mm，集成的SCECam的幀速率為35 幀/s[15-16]。同時，Gu等[17]提出了另一種方式，將每個透鏡所得的信息通過先進的鈣鈦礦納米線將信息耦合進平面的光電傳感器中，取得了較好的結果。

圖6 曲面透鏡與平面圖像傳感器成像系統(tǒng)Fig.6 Curved lens and flat image sensor imaging system

2.2 曲面透鏡與曲面圖像傳感器

Song等[18]制作了一種節(jié)肢動物風格的相機，幾乎呈半球形（約160°）。該相機將彈性復合光學元件與可變形的薄硅光電探測器陣列結合在一起，如圖7所示。

彈性復合光學元件提供了光學成像功能，并定義了整體結構。該成像系統(tǒng)是通過將預聚物澆鑄并固化到PDMS上而形成的，而精密預聚物是用精密的微機械加工的鋁制模具和相關的夾具固定的。彈性體復合光學元件由曲率半徑為400 μm的16×16 個凸微透鏡組成，每個微透鏡都有一個匹配的圓柱形支撐柱，該支撐柱又連接到基膜（厚度為550 μm）。通過在絕緣體上的硅晶片上執(zhí)行的一系列薄膜處理步驟來制造薄硅光電探測器。薄硅光電探測器由匹配的薄硅光電二極管陣列（有效面積為160 μm×160 μm）和隔離二極管組成，它可以實現(xiàn)光電檢測和電讀出。彈性體復合光學元件和薄硅光電探測器的精確對準鍵允許將每個光電二極管放置在相應微透鏡的焦點位置。圖7顯示了半球形變形后的系統(tǒng)圖像和完成的照相機在PCB上的照片。該人工復眼成像系統(tǒng)的接受角和枕間角分別為9.7°和11.0°。

圖7 復眼透鏡成像系統(tǒng)Fig.7 Compound eye lens imaging system

2.3 多相機陣列

Afshari等[19]提出了一種多相機系統(tǒng)（稱為全景相機），如圖8所示。該系統(tǒng)由分布在半球上的30個經(jīng)典CMOS成像傳感器的分層結構組成。Panoptic攝像機是一種全景攝像機，可以記錄光信息，此外，它是一個多折射系統(tǒng)，其中每個面都是一個具有單獨焦平面的微型CMOS相機，如圖8所示。將焦距為1.27 mm的攝像機（PO4010N單芯片，368×304 像素）安裝在半球結構（直徑13 cm）上，攝像機的位置基于半球結構的圓形位置，共有7 層。微型攝像機的對角線、垂直角和水平角FOV分別為72.3°、66°和68°。該系統(tǒng)包含2個集中器現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）板和1個中央FPGA實時捕獲和處理視頻流。所實現(xiàn)的硬件能夠以每秒625 萬像素的速率進行實時視頻流傳輸，并且每個FPGA板的最大圖像分辨率為3 200 萬像素。該系統(tǒng)的幀頻為25 幀/s。

圖8 多相機陣列成像系統(tǒng)Fig.8 Multi-camera array imaging system

3 結 論

人工復眼由于其緊湊的結構、大的視場角以及對運動物體的敏感性而被認為是有希望的下一代緊湊型成像系統(tǒng)。本文對最先進的人工復眼成像系統(tǒng)的制作工藝和成像系統(tǒng)進行了綜述。分析并比較了它們的成像性能，并根據(jù)其成像結構組成將其分為三類：具有彎曲微透鏡陣列的平面圖像傳感器，具有彎曲微透鏡陣列的彎曲圖像傳感器以及多相機陣列。人工復眼成像系統(tǒng)可用于大視場角成像，物距檢測，醫(yī)學成像，導航和其他應用。與類相機眼成像系統(tǒng)和自然復眼相比，人工復眼成像系統(tǒng)的低像素和復雜的成像系統(tǒng)讓其難以實際使用，同時高昂的制作成本和復雜的制作工藝讓其難以產(chǎn)業(yè)化，但其優(yōu)點也是無法被忽視的。在未來的研究中，提高人工復眼成像系統(tǒng)的分辨率和簡化系統(tǒng)結構是主要的研究方向。當其成像系統(tǒng)的性能提升到一定程度時，現(xiàn)有的、固有的成像形式將被改變，例如人們一直追求的3D全景顯示、3D通話等，都可以通過復眼透鏡的光學性能去采集信息再加以透射來復現(xiàn)。那時候，人們的生活習慣就發(fā)生質(zhì)的改變，虛擬世界不僅僅局限于腦神經(jīng)中，在現(xiàn)實生活中亦可達到全浸入式的3D體驗。同時，在軍用機器人方面，復眼透鏡的特點可以被應用于視覺導航與3D定位，并可以使復眼透鏡具有輕量化、小型化、擁有精準打擊能力等特點?？偠灾?，人工復眼的研究有著巨大的潛力。