A compound eye in nature consists of thousands of individual integrated photoreception units called ommatidia which are spherically arranged along a curvilinear surface and aim at slightly different directions. Individual ommatidium gathers light within a small acceptance angle then ommatidia make a full mosaic image with a wide field of view.
To mimic its remarkable advantage with respect to imaging optics, an artificially microfabricated compound eye lens, compatible to a natural compound eye was demonstrated by K. Jeong et al in 2006. It is composed of about 8,400 artificial ommatidium as a single integrated optic unit with spherical arrangement. Each consists of a self-aligned microlens and waveguide by virtue of a light induced self-writing process in a photosensitive polymer resin. From the engineering point of view, the increase of the waveguide length is an indispensible prerequisite for obtaining high resolution images through an artificial compound eye for wide field-of-view imaging and fast motion detection but in the previous work, the length of waveguide is limited to 150~300μm, which is not enough to realize high resolution imaging.
In this work, a coherent light based self-writing process was implemented to increase a waveguide length and demonstrated to be an efficient way of increasing the waveguide length over 500μm in an artificial ommatidium.
Theoretical backgrounds for increasing waveguide length when using a coherent light, i.e. laser as a light source for a self-writing were studied with respect to the coherence of light source compared with a broadband bulb light. A microelns-assisted self-writing process with a UV sensitive polymer (SU-8) model was studied with the numerical analysis based on beam propagation method. F-number effects of microlens and dose effects for self-writing were analyzed. Microfabricated artificial ommatidia were developed with photosensitive polymer based microlnes arrays and a coherent light based self-writing process. A photosensitive polymer (SU-8) structure with microlens arrays for artificial ommatidia were fabricated by resist melting and soft lithographic process. Microlens arrays ($D_L$ = 8~24μm, F/1.8 ~ F/2.1) were replicated with high packing density by control of shape and size of a microlens and with low Fresnel number ($N_F$ < 10) compatible to a facet lens of natural compound eye. Self-aligned microlens and waveguide arrays were fabricated by controlling the duration and irradiation power of diode laser (λ=377nm) over threshold energy for self-writing ignition. Over 500μm waveguide was self-written in a UV sensitive polymer resin (SU-8). Optical characterizations of self-aligned microlens and waveguide arrays were also conducted by a modified confocal transmission laser scanning microscopy.
In conclusion, this coherent light based self-writing process is a key technique and compatible for developing self-aligned microlens and waveguide arrays over 1mm length with spherical arrangement in an artificial compound eye. Therefore, an artificial compound eye with wide field-of-view and high resolution will be fabricated in near future.
본 연구에서는 곤충눈의 미세광학구조(Ommatidia)를 모사하기 위해 자외선 가간섭 광원 기반 자기쓰임 방식을 제안하였고, 이를 통해 미세광학구조의 실제 이미징 소자로의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.
곤충눈(Compound eye)의 미세광학구조(Ommatidia)는 집광을 위한 각막렌즈(Facet lens), 원뿔정체(Crystalline cone) 그리고 외부로부터 들어온 광을 광수용체(Photoreceptor cell)로 도파하기 위한 봉상체(Rhabdom)로 구성되며 이 미세광학구조는 곤충눈 상에서 구면형태로 배열되어 있다. 따라서, 곤충눈은 전방향의 빛을 감지할 수 있는 광시야각 특성을 갖는다.
선행연구에서 곤충눈의 미세광학구조는, 고분자기반 미세렌즈, 원뿔체, 광도파관으로 구성되는 미세광학구조로 모사되었으며 구조 및 기능상 실제 곤충눈의 미세광학구조와 동일하다. 모사된 미세광학구조는 미세렌즈기반 자기쓰임 현상을 이용하여 제작하였다.
즉, 자외선감응 고분자(SU-8)에 자외선 광원을 조사하면 미세렌즈를 통과하여 집광된 초점면이 국부적으로광중합(Photopolymerizati-on)되고 굴절률(Refractive index)이 증가하게 되는 일련의 광감응 기작을 통해 빛의 회절특성이 억제되고 국부적으로 증가된 굴절률이 빛을 유도하여 일종의 광도파 현상을 보이는데 이를 자기쓰임 현상(Self-writing)이라 하며, 자기쓰임 도파관은 광중합에 의해 굴절률이 증가된 코어(Core)와 광중합의 영향을 받지 않은 클래딩(Cladding)과의 굴절률 차이가 발생함으로써 정의된다. 자외선감응 고분자로 사용된 SU-8은 0.021의 굴절률 차이를 갖는다.
선행연구에서는 자기쓰임 광원으로서 수은등(Mercury arc lamp)에서 방출되는 비간섭성 광원(Incoherent light)을 사용하였는데 그 결과, 인공곤충눈(Artificial compound eye) 상에서 제작된 광도파로의 길이가 300㎛로 제한되어 인공곤충눈을 통한 이미징이 불가능하였다. 이는 자기쓰임된 광도파로가 인공곤충눈의 바닥면에 배열된 이미지센서까지 물리적으로 도달치 못하였기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 인공곤충눈을 통한 실제 이미징을 위한 해결책으로 자외선 가간섭 광원(Coherent UV light) 기반 자기쓰임 방식을 제안하여 광도파로의 길이를 확장코자 하였다.
비간섭 광원 기반 자기쓰임 방식은 비간섭 광원의 특성 즉, 복수광파의 위상과 주파수가 다르기 때문에 발생하는 공간상 불균일한 광에너지 분포와 광분산(Light dispersion)으로 인해, 자기쓰임을 위한 광에너지 손실이 커지고 그에 따라, 자기쓰임된 광도파로의 길이가 300㎛ 이내로 제한되는 한계점을 보였다. 반면에 가간섭 광원의 경우 가간섭성 특성 때문에 시공간상 일정한 빛의 세기(Light intensity)를 가지기 때문에, 자기쓰임을 위한 에너지를 안정적으로 제공하여 충분한 길이의 광도파로를 제작할 수 있을 것이라 예측하였다.
미세광학구조 제작을 위해 도입한 가간섭 광원 기반 자기쓰임 방식의, 광도파로 길이 확장에 대한 유효성을 분석하고자 SU-8 모델을 기반으로 BPM(Beam propagation method) 수치해석을 수행하였고 그 결과 미세렌즈의 F-number가 증가할수록 자기쓰임 현상이 두드러지는 것을 확인할 수 있었으며, 더불어 광원의 입사 에너지가 증가함에 따라 자기쓰임 광도파로의 길이가 1mm까지 늘어날 수 있음을 확인하였다. 하지만, BPM 수치해석에서는 실제 자기쓰임의 경우 발생 가능한 손실 예를 들어, 광중합 때 발생하는 확산(Diffusion) 그리고 광산란(Light scattering) 등은 고려치 않았기 때문에 정량적으로는 미세광학구조의 길이가 최대 1mm까지 늘어날 수 있으리라 예측하였다.
미세광학구조는 미세렌즈 배열 템플릿의 제작과 자외선 가간섭 광원 기반 자기쓰임 방식을 이용하여 제작하였다. 미세렌즈 배열 템플릿(렌즈 직경=8~24㎛, F/1.8~F/2.1)의 충적률(packing density) 및 Fresnel number 는 미세렌즈의 크기와 모양을 조절함으로써, 곤충눈의 각막렌즈가 가지는 물리적 수치와 유사하게 모사되었다. 미세렌즈와 자기정렬된 광도파로 구조는 자기쓰임 광원의 입사 파워 및 에너지를 조절함으로써 제작하였으며, 실험의 결과 입사 에너지가 증가함에 따라 광도파로의 길이 또한 증가하고, 동일 입사 에너지의 경우 광원의 파워가 클수록 광도파로의 길이가 또한 증가함을 확인하였다. 이는 빛의 세기에 따라 비선형적으로 굴절률이 변화하는 자기쓰임 현상의 특성 때문이라고 판단된다. 자기쓰임된 광도파로의 정밀 광도파 측정을 위해 공초점주사현미경(Confocal laser scanning microscope, Carl Zeiss GmbH)과 레이저다이오드(532nm)를 사용하였다. 배열된 광도파로에 평행시준 광(Collimated beam)을 입사, 광결합한 후 공초점주사현미경의 3축 광학단면 스캐닝을 이용하여 투과된 이미지 및 빛의 세기를 정밀 측정함으로써, 형성된 광도파로의 광도파특성을 측정하였다.
제작된 미세광학구조는 최대 600㎛의 길이를 가짐을 확인하였으며, 이 수치는 미세렌즈배열 템플릿의 물리적 높이에 해당되는 값으로서 미세광학구조의 길이는 그 이상의 값을 가질 수 있으리라 예측할 수 있다.
결론적으로, 본 연구에서 제안된 자외선 가간섭 광원 기반 자기쓰임 방식을 이용, 최소600㎛이상의 길이를 갖는 미세광학구조를 제작할 수 있음을 확인하였고, 제안한 기술을 바탕으로 인공곤충눈 내에 구면 배열된 미세광학구조 또한 동일하게 제작할 수 있기 때문에 차후, 본 기술을 기반으로 광시야각을 갖는 인공곤충눈을 개발하고자 한다.
