CN101726773B - 曲面人工复眼及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学仿生技术领域的曲面人工复眼及其制备方法，包括：基底和位于基底外表面上的若干复眼透镜，其中：每一个复眼透镜为圆形或六边形结构，其直径或对角线长度为80至250微米，高度为8至25微米。本发明能够使改曲面和现有的CCD传感器配合，从而实现曲面人工复眼摄像镜头的功能，有助提高摄像镜头的视场角和动态捕捉能力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学仿生技术领域的人工复眼及其制备方法，具体是一种曲面人工复眼及其制备方法。
背景技术
随着光学成像系统应用领域的扩展，人们对其要求也不断提高，如智能武器的光学传感器、机器人视觉和微型飞行器等期望光学系统的质量更轻、体积更小、视场角更大以及对运动物体更敏感等。但是目前所广泛使用的单孔径光学系统已经无法同时满足上述要求。受到昆虫复眼的启发，通过多个小眼把视场分隔为若干部分分别成像，然后经过对各个像的接合形成最后完整的像，这样的系统分辨率比较低，但是它有质量轻、体积小、视场大以及对运动物体敏感等优点。人工复眼光学系统的研究正受到越来越多的关注。
目前国内在各种仿生复眼的研究中，单个透镜的尺寸还无法达到毫米量级以下，这种曲面阵列多数采用分别制作单个透镜小眼，然后再将其拼接的方法来制作。这样就使得制造过程很复杂，而且装调也十分困难，也妨碍了其进一步小型化。尺寸在毫米量级以下的人工复眼结构目前都是平面阵列的，这无疑丧失了复眼的许多优点，例如复眼的大视场特性显然受到了很大的限制。
经对现有技术文献的检索发现Inspirations from Biological Optics for AdvancedPhotonic Systems，Ki-Hun Jeong，Jaeyoun Kim，Luke P.Lee，Science(print ISSN0036-8075；online ISSN 1095-9203)312，557(2006)。该文中提及的曲面复眼制作工艺中采用PDMS材料(聚二甲基硅氧烷)作为初始复眼阵列图形复制材料，由于PDMS所制备薄膜本身厚度大于单个复眼透镜，在变形过程中产生挤压变形对原复眼透镜尺寸改变量较大，同时文中所使用的工艺步骤繁多，对设备要求高不利于只具备平面关刻条件的单位制备曲面复眼光学系统。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种曲面人工复眼及其制备方法，能够使改曲面和现有的CCD传感器配合，从而实现曲面人工复眼摄像镜头的功能，有助提高摄像镜头的视场角和动态捕捉能力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在衬底上制备凸起的柱状光刻胶，然后通过高温热熔回流光刻胶形成球形凸点，在带有球形凸点的衬底上沉积一层聚合物薄膜，将复制图形的聚合物薄膜揭下，将其固定在压力缸气嘴上，抽负压使其塑性变形。接着在变形的薄膜内填充PDMS，并置于真空烘箱内烘烤至凝固。得到了复制有微透镜阵列的PDMS曲面基底，该基底即为所要的人曲面人工复眼。
本发明涉及曲面人工复眼，包括：基底和位于基底外表面上的若干复眼透镜，其中：每一个复眼透镜为圆形、六边形或者方形结构，其直径或对角线长度为80～250微米，高度为8～25微米。
所述的复眼透镜为凸透镜；
所述的基底和复眼透镜均为聚二甲基硅氧烷制成。
本发明涉及上述曲面人工复眼的制备方法，包括以下步骤：
第一步、清洗硅片衬底并在硅片衬底上溅射金属作为粘着层；
所述的粘着层的厚度为100？，所述溅射金属为铬和铜；
第二步、在粘着层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构；
所述的光刻处理是指：对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影180秒去除曝光区域的光刻胶。
第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于烘箱中熔化光刻胶，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点，作为平面复眼透镜阵列；
所述的熔化光刻胶是指将烘箱温度设定为175℃～185℃，熔化时间为20～30分钟。
第四步、在光刻胶凸点的表面沉积聚对二甲苯层以复制平面复眼透镜阵列；
所述的聚对二甲苯层的厚度为4～6μm。
第五步、将基底边缘的聚对二甲苯层去除，并经有机浸泡处理后将基底正上方的聚对二甲苯层揭下后固定于气压缸体口并进行塑性变形处理，产生凹弧面。
所述的有机浸泡处理是指：将基底置于无水乙醇浸泡采用超声振荡浸泡20分钟。
所述的变形处理是指：通过调节薄膜两面的气压差使薄膜下凹形成弧形；
第六步、在凹弧面内部填充聚二甲基硅氧烷，使其均匀填充每个复眼透镜；然后经固化处理后将凹弧面与聚二甲基硅氧烷层分离，制成具有曲面的人工复眼。
所述的填充聚二甲基硅氧烷是指：聚二甲基硅氧烷充分填充于薄膜凹腔内，该聚二甲基硅氧烷经无尘常温环境的真空处理除去气泡。
所述的内部填充是指：使用聚二甲基硅氧烷在薄膜凹腔内完全复制复眼图形。
所述的固化处理是指：将凹弧面和聚二甲基硅氧烷层一同置于烤箱中，以60℃烘烤3小时。
与现有技术相比，本发明制备所得曲面基底人工复眼增大了视场角，能够改善边缘成像质量；同时本发明制备所得不同的基底曲率半径，满足不同光学摄像镜头的需要。
附图说明
图1为实施例1示意图；
其中：图1a为立体示意图；图1b为局部放大示意图；图1c为局部放大剖视图；图1d为显微照片。
图2为实施例2示意图；
其中：图2a为立体示意图；图2b为局部放大示意图；图2c为局部放大剖视图；图2d为显微照片。
图3为实施例3示意图；
其中：图3a为立体示意图；图3b为局部放大示意图；图3c为局部放大剖视图；图3d为显微照片。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1a和图1d所示，本实施例包括：复眼基底和圆形结构的复眼透镜，其中：
如图1b所示，复眼透镜为直径160微米，高度16微米的球面凸透镜。
如图1c所示，复眼基底的直径为2厘米；
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100？的金属层。
第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构；所述的掩模板为圆形复眼阵列结构。
所述的圆柱直径为150微米，高度为18微米。
第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180℃烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点；
所述的光刻胶凸点直径为160微米，高度为16微米。
第四步、在光刻胶凸点的表面沉积parylene用以复制平面微透镜阵列。
第五步、将基底边缘的薄膜去除，并用无水乙醇浸泡基底20分钟以上，将揭下的薄膜固定于气压缸口，并对气压缸抽负压，使薄膜产生塑性变形。
第六步、在下凹的光滑弧面内部填充真空处理后的PDMS，使其均匀填充每个微透镜。
第七步、固化PDMS；
所述的烘烤温度为60℃时间为3小时。
第八步、揭下薄膜，所制得的PDMS即为具有曲面的人工复眼。
实施例2
如图2a和图2d所示，本实施例包括：复眼基底和六边形结构的复眼透镜，其中：
如图2b所示，复眼透镜为对角长190微米，高度19微米的六边形凸透镜；
如图2c所示，复眼基底的直径为1.8厘米。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100？的金属层。
第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构；所述的掩模版为六边形复眼阵列结构。
所述的六边形柱直径为180微米，高度为21微米。
第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180℃烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点；
所述的融化后光刻胶凸点对角线长度为190微米，高度为19微米。
第四步、在光刻胶凸点的表面沉积parylene用以复制平面微透镜阵列。
第五步、将基底边缘的薄膜去除，并用无水乙醇浸泡基底20分钟以上，将揭下的薄膜固定于气压缸口，并对气压缸抽负压，使薄膜产生塑性变形。
第六步、在下凹的光滑弧面内部填充真空处理后的PDMS，使其均匀填充每个微透镜。
第七步、固化PDMS；
所述的烘烤温度为60℃时间为3小时。
第八步、揭下薄膜，所制得的PDMS即为具有曲面的人工复眼。
实施例3
如图3a和图3d所示，本实施例包括：复眼基底和方形结构的复眼透镜，其中：
如图3b所示，复眼透镜为边长180微米，高度20微米的方形凸透镜；
如图3c所示，复眼基底的直径为3厘米。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100？的金属层。
第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构；所述的掩模版为六边形复眼阵列结构。
所述的方形柱直径为175微米，高度为22微米。
第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180℃烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点；
所述的融化后光刻胶凸点边长为180微米，高度为20微米。
第四步、在光刻胶凸点的表面沉积parylene用以复制平面微透镜阵列。
第五步、将基底边缘的薄膜去除，并用无水乙醇浸泡基底20分钟以上，将揭下的薄膜固定于气压缸口，并对气压缸抽负压，使薄膜产生塑性变形。
第六步、在下凹的光滑弧面内部填充真空处理后的PDMS，使其均匀填充每个微透镜。
第七步、固化PDMS；
所述的烘烤温度为60℃时间为3小时。
第八步、揭下薄膜，所制得的PDMS即为具有曲面的人工复眼。
Claims (8)
1.一种曲面人工复眼的制备方法，所述曲面人工复眼包括：基底和位于基底外表面上的若干复眼透镜，其中：每一个复眼透镜为圆形、六边形或者方形结构；所述的复眼透镜的直径或对角线长度为80～250微米，高度为8～25微米，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
第一步、清洗硅片衬底并在硅片衬底上溅射金属作为粘着层；
第二步、在粘着层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构；
第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于烘箱中熔化光刻胶，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点，作为平面复眼透镜阵列；
第四步、在光刻胶凸点的表面沉积聚对二甲苯层以复制平面复眼透镜阵列；
第五步、将基底边缘的聚对二甲苯层去除，并经有机浸泡处理后将基底正上方的聚对二甲苯层揭下后固定于气压缸体口并进行塑性变形处理，产生凹弧面；
第六步、在凹弧面内部填充聚二甲基硅氧烷，使其均匀填充每个复眼透镜；然后经固化处理后将凹弧面与聚二甲基硅氧烷层分离，制成具有曲面的人工复眼。
2.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的复眼透镜为凸透镜。
3.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述溅射金属为铬。
4.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的光刻处理是指：对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影180秒去除曝光区域的光刻胶。
5.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的熔化光刻胶是指将烘箱温度设定为175℃～185℃，熔化时间为20～30分钟。
6.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的聚对二甲苯层的厚度为4～6μm。
7.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的填充聚二甲基硅氧烷是指：聚二甲基硅氧烷充分填充于薄膜凹腔内，该聚二甲基硅氧烷经无尘常温环境的真空处理除去气泡。
8.根据权利要求1所述的曲面人工复眼的制备方法，其特征是，所述的固化处理是指：将凹弧面和聚二甲基硅氧烷层一同置于烤箱中，以60℃烘烤3小时。
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