CN104698516B - 曲面复眼透镜阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面仿生复眼透镜阵列的制备方法。本发明利用铁磁颗粒夹杂的柔性薄膜在磁场环境中的大变形行为，以及变形量可以通过磁场控制的优点，提出磁场诱导制备曲面仿生复眼透镜的方法，从制作工艺可以看出，该方法具有快速、简单、低成本、单个透镜尺寸较小等特点。

Description

曲面复眼透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及光学仿生技术领域，尤其是一种曲面仿生复眼透镜阵列的制备方法。

背景技术

生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，具有体积小、视场角大、灵敏度高、可测速等优点，在红外探测、内窥导管、精确制导、照相机等国防、医学及民用工业中有着广阔的应用前景。目前，科学工作者们根据生物复眼的结构及其成像原理，制造出了许多光学系统仿生的曲面复眼微透镜。制造仿生复眼透镜的难点在于如何实现曲面微透镜阵列制造以及单个透镜的尺寸达到毫米量级以下，以实现复眼透镜大视场、高分辨率的三维复杂成像。

He等人利用玻璃微珠冲压辅助制备了曲面仿生微透镜阵列，形成单个曲面的直径为6mm。Jacques采用多轴激光束加工的方法，通过光刻技术实现曲面微透镜的制造，该方法需要专用制造设备，工艺复杂。Jeong提出了一种基于气压辅助微复型工艺制造曲面微透镜的方法，可以简单实现曲面复眼透镜的制造，但是在实现透镜阵列的制备时装置需要密封。吴昭利用静电力诱导导电薄膜变形，实现特定的曲面微结构，但是对导电薄膜的制备需要经过氧化、溅射、剥离、腐蚀、光刻、抛光等微细加工工艺，工艺过程复杂。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种曲面仿生复眼透镜阵列的制备方法，可以实现曲面微透镜阵列的快速、低成本制造，具有较好的可重复性与透镜微结构的可控性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种曲面仿生复眼透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

⑴、采用光刻热熔法在平面基底上制备出平面微透镜阵列；

⑵、将直径为1～100μm的铁粉或永磁颗粒按照40%～80%的体积分数与聚二甲基硅氧烷胶料均匀混合，按照聚二甲基硅氧烷胶料与固化剂质量比为8～12:1加入固化剂，充分搅拌后，浇注在平面微透镜阵列上；用匀胶机进行旋涂，然后水平放置进行固化，即在平面微透镜阵列上形成一层磁弹薄膜，带有与微透镜匹配的凹槽；

⑶、取下磁弹薄膜，带凹槽的面朝上固定在含有通孔阵列的非磁化基底的一面上；

⑷、在非磁化基底的另一面施加磁场，引起磁弹薄膜在通孔内形成凹陷的曲面；

⑸、将UV光固化胶浇注在磁弹薄膜的凹槽面上，并在固化胶上施加玻璃基底，然后置于紫外光下固化，脱模，即可得到曲面仿生复眼透镜阵列。

进一步地，步骤⑵中固化是在电热恒温烤箱或室温环境下完成的。

进一步地，步骤⑶中非磁化基底为不锈钢或铜板材质。

进一步地，步骤⑶中通孔形状为六边形、正方形或圆形。

进一步地，步骤⑶中非磁化基底的厚度为2～3mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过物理或化学等手段将磁性颗粒散布于固态或者凝胶状的基体中，在外加磁场或零场环境中固化后形成的新型智能材料，具有制备工艺简单、价格低廉、韧性好、硬度低、可重复变形而不发生永久性破坏，磁场可调控模量及其变形的特点。在外加磁场的作用下剪切模量相对改变量可达800%以上，并且可以产生多种模态的形变模式，其变形量随外磁场的变化而变化，进而广泛应用于智能控制、微驱动等领域中。

利用铁磁颗粒夹杂的柔性薄膜在磁场环境中的大变形行为，以及变形量可以通过磁场控制的优点，提出磁场诱导制备曲面仿生复眼透镜的方法，从制作工艺可以看出，该方法具有快速、简单、低成本、单个透镜尺寸较小等特点。

附图说明

图1至图8为本发明的制备过程中产品结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

一种磁场诱导制备曲面仿生复眼透镜阵列的方法，包括以下步骤：

1、采用传统的光刻热熔法在平面基底上制备出平面微透镜阵列，微透镜阵列指一系列直径在10～140μm的小透镜按一定规律排列组成的阵列。

2、将直径为1～100μm的铁粉或永磁颗粒按照40%～80%的体积分数与PDMS胶料均匀混合，随后按照PDMS胶料（polydimethylsiloxane 聚二甲基硅氧烷）与固化剂质量比为8～12:1加入一定量固化剂，充分搅拌后，浇注在平面微透镜上，并利用匀胶机进行旋涂，然后水平置于电热恒稳烤箱或室温环境中固化，即可在平面微透镜上形成一层一面上具有微凹槽结构的磁弹薄膜，

3、将微凹槽结构的磁弹薄膜一面朝上固定在含有通孔阵列的非磁化基底上（不锈钢、铜板等），其中，通孔的形状可以是六边形、正方形或圆形，非磁化基底的厚度为2～3mm。

4、在含有铁磁薄膜的基底另一面施加磁场强度较高的磁场，通过磁场与铁磁薄膜的相互作用，引起铁磁薄膜在孔内形成凹陷的曲面。

5、将UV光固化胶浇注在铁磁薄膜上，并在固化胶上施加玻璃基底，然后置于紫外光下固化，脱模即可得到曲面微透镜阵列。

实施例

一种磁场诱导制备曲面仿生复眼透镜阵列的方法，具体过程为：

本实施例中，磁弹薄膜的制备选择羰基铁粉夹杂的质量分数为70%，主要是由于夹杂体积分数较低时，磁弹薄膜在磁化后与外加磁场作用力较小，产生的变形较小；当夹杂体积分数较高时，磁弹薄膜的弯曲刚度增加，也不易变形。

将SU8或其他光刻胶旋涂在硅、玻璃等其他基底1上；

利用掩膜板对其进行紫外光3刻曝光，显影后形成一系列直径为10μm的圆柱体结构，如图1所示。

将圆柱体置于160℃的烘箱内烘烤20分钟，在表面张力的作用下，圆柱状结构会形成一平面微透镜阵列2，如图2所示。微透镜的底面直径为10μm，球冠高度为4μm。

将微米级羰基铁粉按照质量分数为70%的比例与PDMS胶料均匀混合，随后按照PDMS胶料与固化剂质量比为10:1加入一定量固化剂，充分搅拌后，浇注在平面微透镜上，并利用匀胶机在200转情形下旋涂30s，然后水平置于电热恒稳烤箱中固化8h，即可在平面微透镜2上形成一层磁弹薄膜4，如图3所示。

磁弹薄膜4固化后脱模，便得到一层一面上具有微凹槽透镜阵列的磁弹薄膜4，厚度为500μm，如图4所示。

将具有微凹槽透镜阵列的磁弹薄膜4的面朝上固定在含有通孔的非磁化基底5上，非磁化基底5含有孔径为1mm，孔间距为1mm，厚度为1mm通孔阵列的不锈钢板，如图5所示。

在不锈钢板下方放置一永磁铁7，在梯度磁场的作用下，磁弹薄膜4在孔内形成凹陷的曲面，如图6所示。

将SU8浇注在磁弹薄膜4上，并利用玻璃压平上表面，然后置于紫外光下固化，脱模即可得到曲面微透镜阵列6。

通过本工艺方法可以大面积制备曲面复眼透镜阵列，所制得的透镜冠高可达200微米以上。该方法制备的透镜阵列与孙鸿达用真空辅助制备得到的单个透镜（弦长1000μm，高度300μm）尺度相当。

本发明利用铁磁颗粒填充软基体复合材料作为模具，制备曲面仿生复眼透镜阵列具有快速、低成本，较好的可重复性，同时每个透镜的大小、形状可以自由设计，不受工艺工程的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种曲面仿生复眼透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

⑴、采用光刻热熔法在平面基底上制备出平面微透镜阵列；

⑵、将直径为1～100μm的铁粉或永磁颗粒按照40%～80%的体积分数与聚二甲基硅氧烷胶料均匀混合，按照聚二甲基硅氧烷胶料与固化剂质量比为8～12:1加入固化剂，充分搅拌后，浇注在平面微透镜阵列上；用匀胶机进行旋涂，然后水平放置进行固化，即在平面微透镜阵列上形成一层磁弹薄膜，带有与微透镜匹配的凹槽；

⑶、取下磁弹薄膜，带凹槽的面朝上固定在含有通孔阵列的非磁化基底的一面上；

⑷、在非磁化基底的另一面施加磁场，引起磁弹薄膜在通孔内形成凹陷的曲面；

⑸、将UV光固化胶浇注在磁弹薄膜的凹槽面上，并在固化胶上施加玻璃基底，然后置于紫外光下固化，脱模，即可得到曲面仿生复眼透镜阵列。

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤⑵中固化是在电热恒温烤箱或室温环境下完成的。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤⑶中非磁化基底为不锈钢或铜板材质。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤⑶中通孔形状为六边形、正方形或圆形。

5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤⑶中非磁化基底的厚度为2～3mm。