A natural compound eye has a spherical set of integrated optical units called ommatidia, whose each individual unit consists of a facet lens, a crystalline cone, a light-guiding rhabdom, and a photoreceptor. Each ommatidium looks slightly different direction, wide field-of-view (FOV) image and fast motion detection can be obtained. Due to its attractive advantages, there have been many efforts to mimic its optical structure to apply in imaging system.
To develop high resolution imaging system using a natural compound eye, not only its structure but also its optical characteristics should be mimicked. In previous work, 3D structure of artificial compound eye which comprising about 8,400 ommatidia was implemented using self-aligned microlens and waveguide, but it’s not easy to characterize its optical characteristics as a function of geometry parameter such as F-number of microlens, afocal effect, waveguide diameter, etc.
In this work, optical analog of compound eyes in nature is conducted using planar microoptics. The diameter of the microlens is $25 \mu m$, F-number is 1.8, and the waveguide diameter is $3 \mu m$ , which are typical sizes of the natural compound eyes. Using a simple photolithographic process with a Rhodamine 6G dye doped photosensitive polymer resin, the ommatidium can be mimicked on a glass substrate for visualizing the light propagation inside a planar artificial compound eye (ACE). Under directional illumination, a spherical arrangement of the artificial ommatidia contributes to the angular acceptance measurement.
Angular sensitivity function of simple apposition, afocal apposition, and transparent apposition eye is measured and characterized. The afocal apposition eye in nature has narrower angular sensitivity function than the conventional apposition eye due to angular magnification in crystalline cone. And this is confirmed experimentally using planar ACE. The measured angular acceptance of an afocal apposition is 4° and that of a simple apposition eye is 8.2°. In the case of transparent apposition eye, experimental result shows the angular acceptance of 3°. Theoretical analysis is preformed using mathematical model of waveguide modes propagation in the natural compound eye.
In conclusion, this work demonstrates an optical analog of a natural compound eye by using a planar micro-optical system. Rhodamine 6G dyes doped in the SU-8 help the direct visualization of light propagation inside a planar ACE as well as a single artificial ommatidium. This method will be very useful for experimentally understanding several optical schemes of compound eyes found in nature and for developing novel optical imaging systems based on three dimensional ACEs.
자연 곤충눈은 독특한 광학적 구조와 넓은 시야각을 가진다는 장점 때문에 이를 이미징 시스템에 적용하기 위한 연구가 계속되어 왔다. 특히 이를 모사한 인공 곤충눈을 이용해 고감도의 이미징 시스템을 개발하기 위해서는 각 감응성(angular sensitivity)이나 파장 감응성(spectral sensitivity) 또는 분광 특성과 같은 광 특성에 관한 정보가 필수적이다. 현재 개발된 자기 정렬된 미세 렌즈와 광도파로로 이루어진 3D 구조의 인공 곤충눈은 자기쓰임 방식으로 광도파로를 만들기 때문에 구조의 제어가 어렵고, 따라서 그에 따른 광 특성의 변화를 측정하기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 평면 형태의 인공 곤충눈을 제작하여 구조적 변화에 따른 광 특성을 측정, 분석하였다.
자연계에 존재하는 10가지 형태의 서로 다른 곤충 눈중 평면 형태로 제작할 수 있는 것은 simple apposition, afocal apposition, transparent apposition, 그리고 superposition의 4가지 형태로 이 중 simple apposition eye와 afocal apposition eye그리고 transparent apposition eye의 각 감응성(angular sensitivity)를 비교, 분석하였다.
Simple apposition eye는 가장 기본적인 광학적 구조를 가지는 곤충눈으로 각막 렌즈(facet lens), crystalline cone, 그리고 빛을 전달하는 역할을 하는 rhabdom으로 이루어져 있다. 이 때 rhabdom의 시작점은 각막 렌즈의 focal length에 위치하여 렌즈를 지난 빛이 rhabdom의 시작점에 초점이 맺힌 후 rhabdom안을 지나가게 된다.
Afocal apposition eye의 경우는 주로 나비에서 발견되는 형태로, 구조적으로는 simple apposition eye와 비슷하지만, 렌즈를 지난 빛이 crystalline cone과 rhabdom의 접합 지점보다 앞에서 초점이 맺혔다가 다시 평행하게 되어 rhabdom안으로 들어가게 된다. 이와 같은 광학적 시스템은 광 축 방향으로부터 들어오는 빛에 대해 일반적인 simple apposition eye의 경우보다 높은 감응성을 가지고, 좀 더 좁은 각 감응성(angular sensitivity)을 가지므로 분해능이 diffraction limit에 가까워 진다는 장점이 있다.
Transparent apposition eye의 경우 주로 물 속에 사는 동물들이 몸을 투명하게 만들어 적으로부터 몸을 보호하기 위해, 색소가 들어있는 pigment cell의 크기를 줄이고 긴 crystalline cone구조를 가짐으로써 optical isolation을 하게 된다.
Simple apposition과 afocal apposition eye 의 미세렌즈 지름은 $25 \mu m$, F-number는 1.8, 광도파로의 폭은 $3 \mu m$, 그리고 각각의 ommatidium은 2°씩 커버하도록 설계되었다. Afocal apposition eye의 경우 빛을 cone 구조 안에서 초점이 맺히게 한 후 다시 평행 광이 되어 광도파로로 들어가게 하기 위해 cone구조와 광도파로의 접합 지점을 렌즈의 focal length인 $45 \mu m$ 보다 아래인 $55 \mu m$ 에 위치하도록 설계하였다. Transparent apposition eye의 경우 미세렌즈의 지름과 광도파로의 지름은 위의 경우와 같지만, 렌즈의 focal length를 $350 \mu m$ 이 되도록 하여 긴 cone 구조를 가지도록 설계하였다.
평면 형태의 인공 곤충눈은 광감응성 고분자를 이용해 유리 기판 위에 제작되었다. 이 때 인공 곤충 눈안을 지나가는 빛을 시각화하기 위해 Rhodamine 6G를 광감응성 고분자에 도핑하였다. 488nm 레이저를 제작된 평면 곤충 눈의 렌즈로 입사시켜 CCD카메라를 이용하여 ommatidia안을 빛의 특성을 측정하였다. 세 경우 모두 중간에 있는 ommatidia의 렌즈로 들어온 빛은 광도파로 안으로 충분히 coupling되었으나, 입사되는 빛의 방향에서 조금이라도 벗어난 위치에 있는 ommatidia내에서는 빛이 cone 구조에서 반사되다가 광도파로로 coupling되지 않음을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 각감응성(angular sensitivity)을 측정한 결과, 자연 곤충눈의 경우처럼 afocal apposition eye가 좀 더 폭이 좁은 각감응성(angular sensitivity)을 가짐을 확인 할 수 있었다. 이는 afocal apposition eye의 경우 입사되는 빛의 각이 조금이라도 광축에서 벗어나면, 초점이 맺혔다가 다시 평행광이 되는 과정에서 광도파로로 들어가는 각이 입사되는 각보다 훨씬 커지기 때문이다. Afocal apposition eye의 측정된 angular magnification은 3.8° 이다. Transparent apposition eye의 경우, ommatidiam의 광축에서 벗어난 빛이 입사될 경우, 긴 cone구조 안에서 여러 번 reflection하여 광도파로 안을 지나갈수록 빛의 세기가 감소하였다. Angular sensitivity function의 full width half maximum으로 정의되는 angular acceptance의 경우 simple apposition eye의 경우 8.2°, afocal apposition eye의 경우 4°, 그리고 transparent apposition eye의 경우 3.8°로 측정되었다.
자연 곤충 눈의 rhabdom안에서의 waveguide모드를 해석한 수학적 모델을 이용해 수치 해석한 결과, $LP_{01}$, $LP_{11}$, 그리고 $LP_{02}$ 의 3개의 모드를 더했을 때simple apposition eye의 angular sensitivity function의 측정 결과와 비슷한 경향이 나타났다. 두 결과 사이에 나타나는 몇 가지 차이점에 대한 원인은 사각형의 광도파로 구조와 광도파로 내에 존재하는 fluorescence dye의 영향으로 설명된다.
본 연구에서는 Rhodamine 6G가 도핑된 광감응성 고분자를 이용해 평면 형태의 인공 곤충눈을 제작하여 인공 곤충눈의 광특성을 측정, 분석함으로써 3D구조의 인공 곤충 눈으로 측정하기 어려운 광학적 특성을 연구하기 위한 방법적인 토대를 마련하였다. 특히, 세 가지 다른 광학 구조의 인공 곤충 눈을 평면 형태로 제작하여 high resolution imaging을 위한 필수적인 정보인 각 감응성(angular sensitivity)을 측정, transparent apposition eye가 가장 작은 angular acceptance를 가짐을 확인하였다. 이는 3D 구조의 인공 곤충눈을 제작하는데 있어서 필수적인 광학적 정보를 제공할 수 있을 것이라 기대되고, 차후 각감응성(angular sensitivity) 뿐만 아니라 파장 감응성(spectral sensitivity), 분광 특성(polarization)과 같은 다른 광학적 특성과 함께 본 연구에서 분석하지 않았던 superposition eye, lens diameter의 local variation, 그리고 현재 3D구조와 가장 비숫한 cone구조가 미세렌즈의 연결되어 있지 않은 구조에 의한 영향 등을 측정, 분석하고자 한다.
