介电润湿液体透镜仿生复眼的设计与仿真

不同视场下目标物字母“F”经不同曲率仿复眼系统的成像情况如图2所示。从图中看出，在正入射的情况下，基底曲率半径越大，子眼透镜成像越清晰。当视场角增大，基底曲率半径越小，系统成像质量越好。这是因为在光学系统中，轴外光的成像质量比轴上光的成像质量差，且偏离主光轴越远，成像越模糊。在正入射时，基底曲率半径越大，各环子透镜的光轴与入射光的夹角越小，子透镜成像越清晰。当视场角逐渐增大，入射光线与各环子透镜光轴的夹角逐渐变大，成像质量逐渐变差。此时，若减小基底的曲率半径，可降低入射光与各环子透镜光轴的夹角，从而达到提高成像质量的目的。因此，在复眼透镜基底曲率半径的选取上，既要考虑正入射的情况，也要兼顾系统在不同视场角下的工作性能。

 

图2.不同视场情况下，不同曲率仿复眼系统的成像效果。(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，视场角 20°；(e) R2=15 mm，视场角 20°；(f) R3=20 mm，视场角 20°；(g) R1=10 mm，视场角 35°；(h) R2=15 mm，视场角 35°；(i) R3=20 mm，视场角35°

曲面基底的曲率半径和各子透镜位置保持不变，子眼透镜直径分别取 1 mm、 2 mm 和 3 mm时，复眼系统的成像效果如图3所示。从图中可以看出：当透镜直径增大至 3 mm 时，第三环子眼透镜对应成像模糊不清。本文认为随着透镜尺寸变大，对应子眼透镜的 F 数( )降低，减小了焦深，从而增加了系统对离焦的敏感性。因此，在保证系统成像分辨率的前提下，尽可能减小子眼透镜尺寸。

 

图3.不同直径透镜单元对复眼系统成像效果的影响

在分析子眼透镜单元均匀性对系统成像质量的影响时，非均匀子眼透镜组成阵列的第一环子眼透镜直径为 1 mm，从里往外每环依次增加 0.2 mm，第 6 环对应子眼透镜直径为 2 mm。均匀子眼透镜单元组成的阵列，每环透镜直径均为1 mm，且每环子眼透镜中心线与非均匀透镜阵列相应的子眼单元中心线重合。调整每环液体透镜焦距，使其聚焦于成像探测器上。从系统的成像光斑可以发现：相比于非均匀微透镜阵列，均匀微透镜子眼单元组成的曲面阵列可以明显降低系统的离焦像差。

当物体固定不动时，由于子眼透镜焦距具有可调性，系统接收探测器位置也可以根据实际需要进行一定范围的调整。图4给出了仿生复眼系统的成像接收器可移动范围，其中图4(a)为平行子眼透镜光轴光线，在曲面基底球心处会聚一点，此位置为成像接收平面的最大位置，距离基底最高位置为 15 mm；调节液体透镜工作电压，改变液体透镜单元的焦距，使得光线汇聚到图 4(b)所示的接收探测器位置，此时液体透镜接触角已经达到饱和状态，对应探测器位置为最小位置，距离基底是 1.9 mm。该系统的接收探测器位置变化范围为 1.9 mm~15 mm。

 

图4.仿生复眼系统的成像接收面的接收范围。(a) 最远接收位置；(b) 最近接收位置

该工作得到了国家自然科学基金（61775102， 61905117）和基础加强计划技术领域基金（2019-JCJQ-JJ-446）的支持。

论文原文：介电润湿液体透镜仿生复眼的设计与仿真

链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2021.200120