CN101672937B - 人工仿生复眼的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工仿生复眼的制作方法，其包括步骤：首先利用飞秒脉冲双光子聚合法制出反型曲面微透镜模子；并以此为基础利用紫外纳米压印制成一立体曲面微透镜模板；然后在立体曲面微透镜模板上制作弹性模子；接着将光敏树脂盛装在弹性模子中，经过加热烘烤制成一极性相反的光敏聚合物模子；最后利用透镜把紫外线聚焦正对照射到放置在衬底上的光敏聚合物模子上，通过自写波导法制作出光传输通道，制成一个人工仿生复眼。本发明克服了光刻技术的三维微加工方面的局限，提高了微透镜的加工精度；并且能够有效降低制作成本，提高大批量生产的能力，进一步促进人工复眼在医学、工业以及军事等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米加工技术，尤其涉及一种通过微纳米加工工艺制作仿生复眼的方法，属于微纳米加工、材料学、仿生学等多个技术领域的交叉学科研究。
背景技术
自然界的复眼系统是一种非常奇妙的视觉成像系统。如蜜蜂的复眼是由数千个具有不同接收方向的小眼成球面排列集合而成。每个小眼都由光折射透镜、晶体圆锥体、波导感应杆和光接收器几个部分组成。这种全方向排列的复眼系统中的每个小眼都可以独立接收非常小角度的光线，而整个复眼却具有非常宽的视角范围。由于宽视角探测系统在医学、工业以及军事上都有很多潜在应用前景，人造复眼已经引起了广泛的研究兴趣。制作单个人工小眼是制作人工复眼的第一步，这需要大量复杂技术来制作人工的透镜和波导系统，而且这些透镜和波导系统需要精确排列，并自动形成一个复眼系统。到目前为止，大多数工作都采用平面阵列式结构：Ogata et al.采用渐变折射率杆形透镜和匹配的针孔组成平面阵列。Hamanaka et al.在类似的结构前面加上一个单面凸透镜来扩大视角。K.Jeong et al.最近报道了一种新颖的基于聚合物的制作人工复眼方法。采用了弹性膜微透镜的再铸模和聚合物中的波导自写技术制作了一个类似于生物复眼的人造复眼。这是人工复眼研究的突破性进展。但是这一工作利用光刻技术制作微透镜模板，由于光刻技术中的光散射效应等固有局限，使得加工精度不高，而且球面微透镜的精确加工方面也存在困难。
双光子光聚合技术是随着飞秒激光双光子技术的发展而产生的，是当前唯一能制作任意3D微纳立体结构的技术。由于其在信息的海量存储、微纳米立体加工、非球面透镜的加工以及其在生物和医疗领域存在着巨大的潜在应用价值。在美国、日本等发达国家均得到了非常的关注，已投入巨资进行研究。近年来中国也开始投入资金进行研究，北京大学、清华大学、吉林大学、中科院理化所、中国科技大学和山东大学在进行这方面的研究，尚处于起步阶段，研究还停留在能否发生聚合的层次上；至于材料和器件应用研究还很少有涉及。
由于目前大多数工作都采用平面阵列式的复眼结构，这种人工复眼并非真正类似于生物复眼。K.Jeong et al.报道的利用弹性膜微透镜的再铸模和聚合物中的波导自写技术制作了类似于生物复眼的人造复眼的方法新颖，但是这一工作利用光刻技术制作微透镜模板，存在加工精度不高，球面微透镜的精确加工困难等难题。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的旨在：提供一种人工仿生复眼的制作方法，利用飞秒脉冲双光子聚合技术，结合紫外纳米压印(UV-NIL)和软光刻技术，制作一种加工精度高、真正类似生物复眼的人造复眼。
为达成上述目的，本发明提出的解决方案为：
人工仿生复眼的制作方法，其特征在于包括以下步骤：首先利用飞秒脉冲双光子聚合法制出反型曲面微透镜模子；并以反型曲面微透镜模子为基础，利用紫外纳米压印制成一立体曲面微透镜模板；然后在立体曲面微透镜模板上制作弹性模子；接着将光敏树脂盛装在弹性模子中，经过加热烘烤制成一极性相反的光敏聚合物模子；最后利用透镜把紫外线聚焦正对照射到放置在衬底上的光敏聚合物模子上，通过自写波导法制作出光传输通道，透过光敏聚合物模子贯通至衬底。
进一步地，前述人工仿生复眼的制作方法，其中该反型曲面微透镜模子为碗状结构，且其内表面形成均匀排布的微纳米级的球面凹坑。
更进一步地，前述人工仿生复眼的制作方法，其中步骤III中采用聚二甲基硅氧烷覆盖立体曲面微透镜模板，制成弹性模子。
再进一步地，前述人工仿生复眼的制作方法，其中步骤IV中所述光敏聚合物的制作工艺选用的是光敏树脂SU-8。
本发明设计的人工仿生复眼的制作方法，其实施后的有益效果为：
本发明利用飞秒脉冲双光子聚合技术制造微透镜模板，克服了光刻技术的光散色效应，提高了微透镜的加工精度；并且结合紫外纳米压印(UV-NIL)和软光刻技术，能够有效降低制作成本，提高大批量生产的能力，进一步促进人工复眼在医学、工业以及军事等领域的应用。
附图说明
图1是本发明人工仿生复眼制作方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明记述的是一种人工仿生复眼的制作方法，该技术方案区别于现有人工仿生复眼的制法，利用飞秒脉冲双光子聚合技术制作人工复眼结构。作为唯一可以精确控制及制作任意三维微纳结构的双光子聚合技术，在制作复杂的人工复眼方面无疑具有独到的优势。结合最近发展起来的紫外纳米压印(UV-NIL)和软光刻技术，利用聚二甲基硅氧烷PDMS(Poly-Dimenthylsiloxane)可以制作突破传统框架的类似生物体的三维聚合物光学系统。这一探索性研究的突破在光学应用的众多领域都将有着广泛的应用前景，比如数据的存储与读出、医疗、成像监视等领域，所以开展该前沿性的研究十分必要。双光子聚合技术是一个新兴的领域，
为使本发明对人工仿生复眼制法研究的目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体制备步骤详述如下：
图1是本发明的工艺流程示意图，从宏观角度分析：
(1)、利用飞秒脉冲双光子聚合法制出反型曲面微透镜模子1，该反型曲面微透镜模子1在其内凹面上根据复眼制作要求形成有密集均匀排布的微纳米级的球面凹坑。
(2)、以该反型曲面微透镜模子1为基础，利用紫外纳米压印技术制作成一个立体曲面微透镜纳米模板2。先用O2-Plasma清洗利用双光子聚合制作的曲面微透镜模子1，然后在其上覆盖一层DLC(Diamond-like-carbon)，再将其压在一个旋转喷涂的树脂上(UV-curable resin，可选用：NOA 68、NorlandProducts Incorporated、Cranury、NJ)，经功率为0.5mW/cm2的紫外线A照射2小时后制作成曲面微透镜的纳米图案模板。
(3)、选择聚二甲基硅氧烷PDMS(Poly-Dimenthylsiloxane)覆盖制法，在立体曲面微透镜模板2上制作弹性模子3。
(4)、再将商业产品光敏树脂SU-8(NANO SU-8)盛装在PDMS模子3里，制备一个极性相反的模子，然后在120℃温度条件下预烘烤约20分钟以去除溶剂，随后在模子上覆盖一块圆形玻璃片，再在120℃温度下预烘烤1个小时，就可制成一个光敏聚合物模子4。特别指出：制成光敏聚合物模子4后需在室温下才能从PDMS模子3上完全揭下来。
(5)、利用一个数值孔径较大的聚光透镜(光照角约±45°)把紫外线A聚焦照射到光敏树脂SU-8(聚合物)模子4上，利用自写波导方法制作光传输通道，当波导透过整个模子达到衬低底部，就制作完成了光传输通道；SU-8光敏聚合物模子4在紫外曝光后再经过烘烤(在90℃温度下烘烤15分钟)以完成光致交联，最后再经过硬烘烤(150℃温度下烘烤3小时)，就最后制作完成了一个人工仿生复眼。
最后，还可建立一个复眼系统的共聚焦成像检测系统，分析复眼的光学性能。搭建一个共聚焦光路系统来分析人工复眼的光学性能，该系统应具有必要的空间分辨率，可以拍摄出每个小眼的波导出口的输出图像；还应具有检测人工复眼系统的角分辨函数的功能。可行的方案是：把共焦拉曼光谱仪与自搭外光路系统结合起来，构建出所需的复眼光学性能检测系统。
综上所述，是对本发明具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (2)
1.人工仿生复眼的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
I、利用飞秒脉冲双光子聚合法制出反型曲面微透镜模子，所述反型曲面微透镜模子为碗状结构，且其内凹表面形成均匀排布的微纳米级的球面凹坑；
II、以反型曲面微透镜模子为基础，利用紫外纳米压印制成一立体曲面微透镜模板；
III、采用聚二甲基硅氧烷覆盖在立体曲面微透镜模板上制成弹性模子；
IV、将光敏树脂盛装在弹性模子中，经过加热烘烤制成一极性相反的光敏聚合物模子；
V、利用透镜把紫外线聚焦正对照射到放置在衬底上的光敏聚合物模子上，通过自写波导法制作出光传输通道，透过光敏聚合物模子贯通至衬底。
2.根据权利要求1所述的人工仿生复眼的制作方法，其特征在于：步骤IV中所述光敏聚合物的制作工艺选用的是光敏树脂SU-8。
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Effective date of registration: 20100907 Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398 Applicant after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education Applicant before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120502 Termination date: 20170813 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |