曲面复眼的制备与研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 1.57MB 51 页 15积分

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摘要

本论文主要介绍了人造复眼在国内外的发展现状和研究进展，以及在研究过

程中所面临的问题和解决的方案。人造复眼是集生物学、光学、电子学、信息处

理、数据融合、自动控制等多个学科为一体,具有创新性、边缘性、交叉性的前

沿研究领域，人工仿生复眼的发展历史虽然时间不长,但由于它具有体积小、重

量轻、视场大、灵敏度高等优点,已经引起了人们的广泛重视,成为新的研究热点。

目前的人造复眼成像系统的发展还仅仅局限于平面复眼，还没有制作出曲面复

眼。这严重阻碍了人造复眼的发展和实际应用。本人根据国内实际的研究条件提

出了用简单、高效、经济的吹气法制作曲面人造复眼，通过AUTOCAD设计了复

眼成像系统掩膜板，并用PRO/E设计了曲面复眼的试验平台，成功制作出曲面复

眼，通过正交实验和方差分析获得了曲面人造复眼光学成像系统的最佳设计参

数，并通过和CCD传感器连接拍摄了图片用来做实验分析,为进一步深入研究人

造复眼奠定基础。相信随着社会经济的发展和科学技术的不断进步,通过广大科

技研究者不懈的努力和深入的研究,一定会使人造复眼拥有更加光明的应用前

景。从而加速人造复眼成像系统从小型化过渡到微型化的进程，降低光学成像系

统的制作成本，提高光学成像系统的制作精度，简化光学成像系统的工艺制作流

程，加速彩色成像、指纹识别、全视角成像以及导弹的导引装置等方面的应用，

促进生物学、光学、电子学、信息处理、数据融合、自动控制等多个学科的进一

步发展，为国民经济和国防科技做出更新更大的贡献。

关键词：曲面人造复眼光刻胶薄膜沉积吹气法

ABSTRACT

This paper mainly introduced the development of artificial compound eyes at

home and abroad and the research progress and status in the research process, existing

problems and solutions. Artificial compound eyes synthetic biology,optical,electronics,

information processing, automatic control and data fusion for such multiple disciplin-

es, innovative, marginal, cross the frontier research field .With the advantages of

small volume 、

light weight、

large FOV、

high sensitivity, the artificial compound eye

system has got more and more attention, and becomes a new research hot topic.

Currently the development of artificial compound eyes imaging system is just only

surface compound eyes , haven't made curved compound eyes. It has seriously

hindered the development of artificial compound eyes and actual application. I

according to the actual conditions of the study with the simple, efficient and

economical blow for curved compound eyes successfully, compound eyes mask

board imaging system was designed through the AUTOCAD, curved compound eyes

of experimental platform designed by PRO/E, through orthogonal experiment and

analysis of variance of curved artificial compound eyes optical imaging system won

the best design parameters, and took pictures through connoected CCD sensor used to

experimental analysis,managed to create curved acompound eyes for the further

research man-made foundation. With the development of social economy and science

and technology progress, through the scientific researchers unremitting efforts and

in-depth research, will make artificial compound eyes have brighter prospect. Thus

accelerate artificial compound eyes imaging system transition to miniaturization of

miniaturization from process, reduce production cost of optical imaging system,

improve the production precision optical imaging system, optical imaging system,

accelerate the process flow, fingerprint identification, colored image and the

perspective of missile seeker imaging device etc, to promote the application of

biological, optics, electronics and information processing, data fusion and automatic

control of multiple disciplines, and for the further development of national economy

and national defense science and technology make greater contribution to update.

Key Words: Curved artificial Compound eyes, Photoresist, Thin

film deposition，Blow

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 人造复眼的简介 ................................................................................................1

§1.1.1 复眼的形态学研究 ..................................................................................2

§1.1.2 复眼的生理学研究 ..................................................................................3

§1.1.3 复眼的光学研究 ......................................................................................3

§1.1.4 复眼的仿生学研究 ..................................................................................4

§1.2 复眼的结构与分类 ............................................................................................4

第二章人造复眼的发展情况及研究意义 .................................................................... 8

§2.1 人造复眼的发展情况 .......................................................................................8

§2.1.1 国外人造复眼的发展情况 ......................................................................8

§2.1.2 国内人造复眼的发展情况 ....................................................................11

§2.2 人造仿生复眼的应用 ......................................................................................12

§2.3 复眼的研究意义 ..............................................................................................15

第三章复眼的研究与设计 .......................................................................................... 16

§3.1 曲面复眼成像系统的工作原理 ......................................................................16

§3.2 曲面复眼成像系统存在的问题 .....................................................................17

§3.3 曲面复眼问题的解决方案 .............................................................................18

第四章曲面人造复眼的制备 ...................................................................................... 23

§4.1 掩膜板的制作 ..................................................................................................23

§4.2 硅基片的制备 ..................................................................................................23

§4.3 曲面复眼的制备 ..............................................................................................27

第五章曲面人造复眼的实验结果分析 ...................................................................... 33

§5.1 曲面人造复眼的热熔温度 ..............................................................................33

§5.2 曲面人造复眼的设计参数 ..............................................................................35

§5.3 曲面人造复眼的改进 ......................................................................................38

第六章曲面人造复眼的结论与展望 .......................................................................... 42

§6.1 曲面人造复眼的结论 ......................................................................................42

§6.2 曲面人造复眼的展望 ......................................................................................42

曲面复眼的制备与研究

参考文献 .........................................................................................................................43

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 48

致谢 .................................................................................................................................49

第一章绪论

在自然界中，自由翱翔的蜻蜓，颜色鲜艳的蝴蝶，令人厌烦的苍蝇以及蛾类

等都拥有着数目众多的复眼，这在很大程度上帮助它们识别远处目标，以便捕食

和避免天敌的袭击。由于微型数码相机，智能人脸识别笔记本和智能信用卡识别

系统等的出现，复眼的实用价值日益突显，使得从小型化过渡到微型化的趋势越

发强烈，也点燃了国内外研究复眼的激情。人造仿生复眼的出现和发展时间虽然

才短短几十年,但是人造复眼成像系统因为具有低能耗、体积小、大视场角等优

点；并且人造复眼是集控制理论学、光电子学、结构设计学等多个学科为一体,

具有新颖性、实用性、综合性的前沿研究课题，已经备受研究者的青睐,并且许

多研究者已经在复眼的结构设计实验和功能实际应用方面做了很多的科研实验工

作，使人造复眼在我们的日常社会生活中和军事科学技术研究领域里获得了较为

广泛的应用;随着社会经济和科技研究水平的的不断发展、研究手段和设备的不

断丰富和提高，再加之广大科技研究者的刻苦钻研和不懈努力，人造复眼在提高

国民经济发展和推进军事科技进步（导弹的红外制导，目标追踪、锁定等）等方

面一定会发挥的更加重要的作用，人造复眼在结构性能和应用领域还有很大的开

拓空间，其应用前景必将更加值得我们期待。

§1.1 人造复眼的简介

正如眼睛是心灵的窗户一样，复眼也是昆虫类动物身体器官中最为重要的器

官，通常位于昆虫的头部，且有比较明显的突起形态。昆虫的复眼形态各异，大

多数呈圆形、六边形或肾形。复眼是由数目众多的小眼紧密结合而组成的，虽然

每个小眼在结构的基本构造方面与单眼是相同的，但复眼在整体结构系统功能、

光学成像特点以及生理学特征等方面与绝大多数动物的单眼都存在比较显著的差

异,因此,复眼结构和功能上的巧妙性和优越性使它很快就成为人们关注的热点,

早期对人造复眼的研究主要是从形态学和解剖学方面开展的；后来发展到光学和

生理学角度，主要研究基本集中在复眼系统的光学成像原理和生理学功能发现；

最近又发展到仿生学和分子生物学角度，实验和研究的重点主要集中在对人造复

眼的产生及其功能上。

曲面复眼的制备与研究

§1.1.1 复眼的形态学研究

复眼在形态学方面的研究工作主要集中在复眼表面的超微结构、小眼表面及

其内部构造、复眼光感受器三个方面。对昆虫复眼形态结构的探索一般是观察研

究其显微结构,并在不同种类的昆虫之间进行对比试验。最初的研究工具是光学电

子显微镜，后来又出现了功能更加强大的原子力显微镜，为观察研究昆虫复眼形

态结构提供了更为精密的实验研究工具。

（1）复眼表面的超微结构。高慰曾等人在光学电子显微镜的帮助下观察和研

究了棉铃虫蛾复眼的超微结构,还对其区域形态差异进行了一些研究；郭炳群等人

通过对两种不同的跳甲复眼进行了比较实验，研究结果表明这两种复眼在外部形

态和小眼结构等方面都有很多相同的特征；陈伟之等人通过扫描电镜和光学电子

显微镜对数种蝶类复眼小眼面的表面结构形状进行了观察和研究,发现都有一层

尺寸很小的圆形凸起颗粒均匀的覆盖在小眼面的表面，并且还有一个由凹凸物质

和纹褶构成的特殊结构体位于小眼面中央的地方；侯元德等对2种不同蝶类的复眼

和视叶形态特征进行了实验和研究,结果发现两种复眼形状都是长椭圆形,并对

它们的小眼数目、复眼背腹夹角和前后夹角等参数进行了测量和比较实验；Lund

等人分别把不同种类雌雄蝴蝶的小眼面数目眼表面积和眼面直径等要素划分成五

个眼区进行实验观测分析,结果表明在蝴蝶复眼中,雌性的复眼表面积明显要大

于雄性,小眼面数目更多,眼面直径也更大；Litinetsky等人通过扫描电镜（SEM）

和原子力显微镜（AFM）对比研究了大黄蜂的复眼和单眼角膜的显微结构形态,结

果发现有一层比较厚的圆形突起物质覆盖在大黄蜂的角膜上,并且推测这种结构

对减少光的反射以及增强光的吸收可能存在有利的影响，从而可以使大黄蜂看的

更远更清楚。

（2）小眼表面及其内部构造。郭炳群等人通过电子显微镜和一些实验对粘虫

复眼背腹区晶杆的差异进行了比较实验；Equchi等人对善于飞行的鳞翅目昆虫复眼

的显微结构进行了大量比较实验和分析研究,特别是对小眼内部结构形态的差异

也进行了一些探索；高慰曾通过显微镜从形态学上对白薯天蛾小眼间将近20个不

同水平的横切面进行了详细的描述,还依据小眼结构上的重要特征探讨了其功能

和蛾类趋光性间的存在一定的影响关系,这就为防治农作物虫害提供了一定的理

论依据。

（3）复眼光感受器。这方面研究较早的是国外的Gribakin等人，他们提出了

选择性饿染法，并用此法探讨了蜜蜂复眼的长波光感受器位置分布问题；吴卫国

等人也进行了大量的实验和研究，主要研究了双翅目昆虫的复眼性特化光感受器

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摘要：

1摘要本论文主要介绍了人造复眼在国内外的发展现状和研究进展，以及在研究过程中所面临的问题和解决的方案。人造复眼是集生物学、光学、电子学、信息处理、数据融合、自动控制等多个学科为一体,具有创新性、边缘性、交叉性的前沿研究领域，人工仿生复眼的发展历史虽然时间不长,但由于它具有体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,已经引起了人们的广泛重视,成为新的研究热点。目前的人造复眼成像系统的发展还仅仅局限于平面复眼，还没有制作出曲面复眼。这严重阻碍了人造复眼的发展和实际应用。本人根据国内实际的研究条件提出了用简单、高效、经济的吹气法制作曲面人造复眼，通过AUTOCAD设计了复眼成像系统掩膜板，并用PRO/E...

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