E-jet打印微纳制造系统：防水&可变视场仿生人工复眼制造

人工复眼的制造设备和制造工艺流程如图2所示。整个制备过程包括两个步骤：微透镜阵列薄膜的制备和变形。其中如图2a所示为我们自主研发的E-jet打印系统的示意图，以及实验中所用的稳定锥射流和电喷雾打印模式的示意图。考虑到锥射流模式的稳定性和电喷雾模式的高效性，如图2b所示,分别选择这两种模式打印光固化胶(NOA61)，分别用于在PDMS薄膜的表面制造微透镜阵列和纳透镜阵列。随后，通过所集成的微流控芯片的精确灵活调节，将柔性微透镜阵列薄膜变形成为可变视场的人工复眼透镜(图2c)。

图3. 利用E-jet打印技术，采用不同的实验参数实现微透镜阵列和纳透镜阵列的分级制造。(a)通过有限元法仿真在外加电压作用下液滴喷射过程中，喷嘴尖端和基底之间的电场强度(E)的分布。(b)和(c)不同内径的打印喷嘴尖端的场强随不同电压幅值和工作距离的变化曲线。(d)采用E-jet打印NOA61墨水过程中，在不同的打印喷嘴和施加电压参数下所对应的打印模式关系图。(e-h)通过稳定锥射流模式所制造不同尺寸微透镜阵列的SEM和AFM扫描图像。(i-l)微透镜的直径、高度和体积分别与所施加电压的幅值和时间之间的关系。(m)和(n)分别为通过稳定的锥射流模式和电喷雾模式制造的纳透镜阵列的AFM扫描图像。(o)和(p)不同分级微透镜阵列和纳透镜阵列的AFM扫描图像。

IV 人工复眼的疏水性能表征与分析

图5展示了人工复眼的变形机理和聚焦特性。其中，可调节人工复眼的变形机制的原理如图5a所示，整个变形结构包括柔性的微透镜阵列薄膜，位于薄膜和微流控中心通道充满液体的腔室。其中，液体腔室作为人工复眼的可调节部分相当于人工眼球。图5b展示了微透镜阵列薄膜从平面到曲面可调变形的参数，以及通过调节变形的四种不同视场角的人工复眼的光学图像。结合以上的机理和实验分析，可以得出人工复眼的不同参数与注入腔室内液体体积之间的曲线关系(图5c-f)。为了研究人工复眼的聚焦特性，采用如图5g和i所示的结构，利用有限差分时域法(FDTD)建立了理论仿真模型，模拟入射光线通过平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列的光斑聚焦性能。通过对平面和曲面微透镜阵列的理论仿真结果(图5h和j)，可以得出在广视角下，人工复眼比平面微透镜阵列具有更好的聚焦性能。

图6展示了对所制造的人工复眼的光学成像性能和聚焦特性的测试表征。采用如图6a所示的光学成像系统，使用字母“SIA”图案的掩模分别对人工复眼的不同区域的微透镜阵列进行光学成像测试(图6b-d)。随后，为了研究聚焦性能，将字母“SIA”图案的掩模替换为圆形光斑掩模，对具有可调视场的人工复眼的聚焦性能进行测试(图6b-d)。根据图6e-g中对应所圈位置微透镜聚焦光斑强度的归一化分布曲线，可知所制备的人工复眼具有良好的形态均匀性和良好的光学聚焦性能。

图7展示了平面微透镜阵列和人工复眼的曲面微透镜阵列的视场特性表征。采用如图7a的表征过程，由不同角度的入射光分别通过平面微透镜阵列(图6b和c)和曲面微透镜阵列(图6d和e)时，获取焦斑分别在x和y方向的光强分布曲线。图7f显示了不同角度(-80°到80°)的入射光通过曲面微透镜阵列中同一单透镜聚焦后，所获得的焦斑光强分布曲线。相比于平面微透镜阵列在倾斜入射光下较弱的聚焦能力, 曲面微透镜阵列显示出更好的聚焦能力。