研究背景

昆虫眼睛中的复眼是一种天然的多孔径光学成像系统，由多个紧密排列在曲面上的子眼组成，这种独特的结构赋予了其结构紧凑、重量轻和对移动物体敏感的特性。虽然目前人工仿生复眼成像系统具有优异的成像性能，但由于子眼的焦距缺乏可调性，这些成像系统无法对不同距离的物体连续变倍成像。通过液体透镜和液晶透镜制作的复眼系统，由于其变焦能力有限，使得复眼系统变倍比较小且离散。

来自北京理工大学郝群教授团队的程阳副研究员在Biomimetics 期刊发表了文章，提出了一种基于介电弹性体 (DE) 驱动的Alvarez透镜的连续光学变倍复眼成像系统，如图1所示，该项研究对于自适应变焦仿生复眼成像具有重要意义。

图1.连续光学变倍复眼成像系统模型和Alvarez透镜变焦原理图。

研究过程与结果

文中提出的系统的光学部分主要由一个曲面Alvarez透镜阵列和两个Alvarez透镜组成。曲面Alvarez透镜阵列和两个垂直于光轴的Alvarez透镜均由介电弹性体驱动实现运动。曲面Alvarez透镜阵列和两个Alvarez透镜的焦距可以独立改变，实现连续光学变倍复眼成像。曲面Alvarez透镜阵列包括七个Alvarez透镜，以两层形式分布在曲面基底上，用于模拟并列型复眼的成像特性：第一层为中间一个透镜，第二层为呈六边形排布的六个透镜。随后，两个Alvarez透镜构成开普勒系统的光学结构，将入射的光线折射使得与图像传感器靶面垂直。Alvarez透镜周围的两个扇形区域的上下侧都涂有柔性电极，通过对柔性电极施加驱动电压使介电弹性体产生垂直光轴的横向位移。在初始状态下，这些相位板沿着光轴精准的组装在一起。当施加驱动电压时，介电弹性体产生指向中心相位板的径向压缩力，并随之拉动相位板向边缘横向移动。通过对不同的扇形柔性电极施加驱动电压，可以使两个相位板向不同方向移动，从而实现变焦功能。

图2.连续变倍复眼系统光路图。

系统的制作工艺如图3所示。首先，利用3D打印机制造带有七个透镜孔的曲面基底的上壳体，并将曲面Alvarez透镜阵的七个相位板精确嵌入上壳体的孔中。然后，将经过等双轴拉伸200%的介电弹性体用两个内径为50 mm，外径为54 mm的PMMA框固定，并在介电弹性体的扇形区域的上下两侧涂上碳粉作为柔性电极。在显微相机下，将带有七个相位板曲面Alvarez透镜阵列上壳体的精确地安装在介电弹性体的中心区域上。下曲面Alvarez透镜阵的制作工艺与上曲面Alvarez透镜阵相同。将下曲面Alvarez透镜阵旋转180°并与上曲面Alvarez透镜阵结合，形成由介电弹性体驱动的曲面Alvarez透镜阵。第二部分是由介电弹性体驱动的两个Alvarez透镜变倍系统制作，其制造工艺与由介电弹性体驱动的曲面Alvarez透镜阵相同。最后，将曲面Alvarez透镜阵和2个Alvarez透镜安装在3D打印的镜筒中形成连续光学变倍复眼成像系统，其尺寸为54 mm×36 mm×60 mm。

图3.介电弹性体驱动的Alvarez透镜的连续光学变倍复眼成像装置制作过程。

搭建如图4(a) 所示的系统测试复眼成像系统连续变倍能力。一块标有彩色字母“A-Z”和数字“1-27”的纸板被一个均匀的白色光源照射作为成像目标。通过调节两个稳压源的驱动电压，可以改变由介电弹性体驱动的曲面Alvarez透镜阵列和Alvarez透镜1的焦距，从而调节成像系统的放大倍率。成像结果如图4(b)-(e) 所示。近轴放大率定义为近轴图像高度与物体高度的比值。结果表明，当稳压源1产生的驱动电压为0 V~2.5 V，稳压源2产生的驱动电压为0 V~1.5 V时，近轴放大倍数可以在0.3×~0.9×之间变化。该成像系统的变倍比可达3×。

图4.(a) 复眼变倍成像系统光学变倍能力的实验原理图；(b)-(e) 获得的不同倍率物体图像。

研究总结

本文提出了一种基于介电弹性体驱动的Alvarez透镜的连续光学变倍复眼成像系统，该系统的主要光学成像部分由一个曲面Alvarez透镜阵列和两个Alvarez透镜组成，系统的近轴放大倍数范围为0.30×~0.90×，响应时间为180 ms，变倍比可达3×。复眼成像系统的中心子眼和边缘子眼在光学变倍过程中的分辨率可达到50 lp/mm。

原文出自 Biomimetics 期刊：https://www.mdpi.com/2837612

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

Biomimetics 期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2023 Impact Factor：3.4

2023 CiteScore：3.5

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