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。絕緣層是通過在透鏡腔體上蒸鍍一定厚度的派瑞林(Parylene)來實(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