仿生复眼视觉系统：多类型结构设计、制备与光学性能评估

近日，上海理工大学张大伟教授/戴博教授团队发表“Engineering Biomimetic Compound Eyes for Insect-Eye Visual Systems"文章发表在《ACS Photonics》。本文通过解析自然复眼的结构与功能机制，设计并利用微流控辅助摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术制备了五种不同构型的仿生复眼（BCE），系统评估了其视场角、光学串扰、成像性能等关键指标，成功复刻了自然复眼的宽视场、大景深等核心特性，明确了结构参数与光学性能的关联，为微型机器人、医用内窥镜等新一代光学设备的研发提供了重要的设计思路与技术支撑。

自然复眼作为昆虫的核心视觉器官，具备宽视场、高运动敏感性、无限景深等独特优势，但其微型化、集成化的结构特性难以被传统技术复刻。传统仿生复眼存在制造局限，如仅能模拟外部3D轮廓、内部结构加工困难、体积庞大、光学串扰严重等问题，限制了其实际应用。因此，亟需开发新型制造技术，优化仿生复眼的结构设计，解决光学性能与集成性的矛盾。

• 实验方法

仿生设计：基于自然复眼的并列眼（昼行昆虫）和重叠眼（夜行昆虫）分类，设计了五种构型的仿生复眼（I-V型），涵盖半球壳状、带光波导、球形帽状等结构。

制造技术：采用微流控辅助3D打印技术，通过摩方精密nanoArch® P140（精度：10μm）3D打印含半球形凹槽的模具、涂覆SU-8光刻胶并UV固化、气相硅烷化提升模具耐用性，再填充RTV硅酮等材料，按需制备不同类型复眼。

性能测试：利用COMSOL多物理场软件进行光线追踪模拟，测试视场角（AOV）、光学串扰、插入损耗、空间分辨率等指标，通过掩模成像实验验证成像效果。

• 核心结果

结构与光学特性：I型无眼小面间隔，存在1.45dB光学串扰；II型增设遮光间隔，串扰降至10.63dB但插入损耗略高（0.62dB）；III型窄光波导导致图像马赛克化；IV型宽光波导保留图像细节，可在160°视角成像；V型球形帽结构存在视场角（最大76°）与空间分辨率的权衡。

关键性能指标：仿生复眼最大视场角达165°，IV型在宽物距范围内保持<40μm的高空间分辨率，V型展现大景深成像能力，所有类型均可与平面传感器直接集成。

成像效果：IV型能清晰还原“8"字和三角形掩模图案，经计算后处理可校正波导反射畸变；V型多眼小面协同成像，适应不同物距变化。

• 研究结论：

微流控辅助摩方微纳3D打印技术突破了传统微制造的局限，实现了复杂内部结构仿生复眼的规模化制备，结构参数（壳厚、波导尺寸、间隔设计）对光学串扰、视场角等性能起关键调控作用。不同构型复眼各有适配场景：I、II型适用于弱光监控，III、IV、V型适配高画质紧凑设备。目前研究虽处于概念验证阶段，但为微型光学系统提供了全新设计框架。未来需通过优化材料稳定性、集成自适应光学元件、发展传感-算法协同设计，推动其在机器人导航、医疗成像等领域的实际应用。