CN106842388B - 一种多焦点仿生复眼结构的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，涉及微细加工，仿生复眼等领域。该方法主要步骤为：(1)基材的选择以及光刻胶旋涂；(2)移动掩模曝光，实现平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形；(3)将平面多焦点复眼光刻胶结构刻蚀传递到基材上；(4)基于基材上多焦点复眼结构，制备与之互补的柔性多焦点复眼结构模板；(5)引入光固化材料，利用曲率相互匹配的结构装置，将平面多焦点仿生复眼结构信息转移变换为曲面结构，形成一体化的多焦点仿生复眼结构。

Description

一种多焦点仿生复眼结构的成形方法
技术领域
本发明涉及仿生复眼、微细加工等领域，具体涉及一种多焦点仿生复眼结构的成形方法。
背景技术
随着现今微光机电系统技术的迅猛发展，人们对光学成像系统的要求越来越高，如导航系统、微型广角监视设备、内视镜等领域，希望整个系统的体积小、重量轻、视场大以及灵敏度高。由于整个系统装置的改进依托于单元器件，因此近年来，众多科学家将目光转向了系统的光电元件部分，微型化、阵列化、集成化的光学元件成为光学成像系统发展的重要方向和当今高科技发展的前沿课题。
生物界是个奇妙的世界，许多动物某些器官结构的精巧、功能的完善，令人惊叹不已。生物复眼是大自然在亿万年的进化过程中形成的特殊视觉器官，由角膜、晶椎、感杆束、色素细胞等结构，组成独立的感光单元——子眼，多个子眼以曲面阵列的形式紧密排布，构成一种理想的高集成、轻量化智能光学成像系统，具备大视场空间的感知、高精度目标物定位和三维重建以及高灵敏度捕捉目标物和信息处理能力。不论是在结构上还是在功能上都非常巧妙的生物复眼，其微尺寸、轻重量、大视场、高灵敏度等优点，为解决人类社会生活中的问题提出了重要启示，如果能构造一种新型的仿生复眼成像系统，利用光电元件代替昆虫复眼中的对应结构，将对系统的探测感知能力带来革命性提高，从而为导航系统、微型广角监视设备、内视镜等装置提供全新的技术手段。
仿生复眼成像系统的核心器件之一为小型化、集成化的仿生复眼光学元件。由于微纳加工工艺水平的限制，最初的仿生复眼光学元件大多为平面分布，例如日本的TMOBO，德国的APCO结构，由于平面结构复眼的总视场主要取决于单个子眼的视场角，无法做到很大，不能实现复眼大视场的优点。
针对微型化、轻量化、曲面排布的仿生复眼光学元件，2006年，美国伯克利大学在Science上发表的一篇文章，提出了一种仿生复眼结构的制备方法，通过将微加工技术与Sol-gel技术相结合，成功的在曲面基底上制作出了仿生的人工复眼结构，该复眼结构包含超过8000个子透镜。该研究成果在当时引起了人们极大的关注，让科学家们看到了仿生昆虫复眼研究的潜力和未来。2013年，Nature上报道了国际团队研制出仿生复眼照相机，在曲面结构复眼的基础上，采用非平面探测器的思想，由一组弹性微型透镜阵列和一组可变形的硅基光电感应阵列组成复眼结构，将复眼的视场角增大到160°，实现了视角的极大化。但是此类微型化、轻量化的曲面仿生复眼光学元件的微透镜的焦距唯一，限制了光学成像过程中图像信息的获取，只能对单一景深处的目标物清晰成像，却严重丢失不同景深范围内目标物的信息，不利于对未知不同距离处目标物进行探测。例如，应用于内窥镜等医学探测器进行人体内病灶探测的时候，由于病灶通常分布在探测器不同方位以及不同距离处，焦距单一的仿生复眼结构只能对其物距附近的病灶进行探测，而在进行多个病灶探测时，探测灵敏性和准确性都受到了极大的限制。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服现有仿生复眼焦距单一的不足，提供一种多焦点仿生复眼结构的成型方法，实现一体化多焦点仿生复眼结构的制备及成形。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，包含以下步骤：
步骤(1)基材的选择以及光刻胶旋涂；
步骤(2)移动掩模曝光，实现平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形；
步骤(3)将平面多焦点复眼光刻胶结构刻蚀传递到基材上；
步骤(4)基于基材上多焦点复眼结构，制备与之互补的柔性多焦点复眼结构模板；
步骤(5)引入光固化材料，利用曲率相互匹配的结构装置，将平面多焦点仿生复眼结构信息转移变换为曲面结构，形成一体化的多焦点仿生复眼结构。
其中，步骤(1)中基材是石英、硅、锗或硒化锌。
其中，步骤(1)中旋涂的光刻胶的厚度由多焦点复眼结构的矢高设计要求决定。
其中，步骤(2)中移动掩模曝光中使用的掩模板，根据多焦点复眼结构的面形设计，分析曝光量与曝光深度之间的关系，调节掩模板的抽样间隔、移动距离参数，获得制备连续面形多焦点复眼结构的掩模板。
其中，步骤(2)中多焦点复眼结构是通过移动掩模板对光刻胶进行曝光、显影、定影成形。
其中，步骤(4)中柔性多焦点复眼结构模板通过压印技术制备，采用浇注、固化及脱模的工艺生成，模板的材料为柔性的高分子聚合物材料，固化前为液态。
其中，步骤(5)中所述光固化材料，在固化之前是液态，可充分填充柔性多焦点复眼结构模板，通过曲率相互匹配的结构装置，将柔性模板挤压变形成曲面，再进行紫外光照射固化，脱模，形成曲面多焦点复眼结构。
其中，步骤(5)中所述曲率相互匹配的结构装置，其曲率可以根据需求自由设计。
本发明的有益效果在于：开发一种可在曲面基底上构造成形小型化、轻量化、多焦点成像仿生复眼元件的方法。该元件通过与后续的探测结构以及电路装置等互联之后，可以进一步成型光、机、电一体化的复眼成像系统，为大视场成像、高精度定位提供新的技术手段。该技术中不涉及昂贵的加工设备以及苛刻的实验条件，是一种低成本、普适性强的技术。该技术的研究有望提升我国在复眼仿生领域的制备技术水平，为其进一步应用打下基础。
附图说明
图1为实施例中平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形制备示意图；
图2为实施例中多焦点复眼结构刻蚀传递到基材上的结构示意图；
图3为实施例中制备与基材结构互补的柔性多焦点复眼结构模板示意图；
图4为实施例中平面多焦点复眼结构转换为曲面结构示意图；
图5为实施例中成形的一体化曲面多焦点仿生复眼结构示意图。
图中附图标记含义为：1为基材，2为光刻胶，3为灰度掩模板，4为紫外光，5为移动方向，6为高分子聚合物PDMS材料，7为压印胶，8为第一曲面结构装置，9为第二曲面结构装置，11为母板，21为子眼单元光刻胶结构，31为子眼单元掩模板，61为柔性压印模板，62为曲面柔性压印模板，71为曲面多焦点仿生复眼结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
具体实施例中一种多焦点仿生复眼结构的成形方法如下：
图1为平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形制备示意图。选择石英为基材1，对其表面预处理，将其浸泡于丙酮中10min，去除表面的有机物，再用酒精对残余丙酮进行清洗，最后用超纯水将基片冲洗干净。在基片表面旋涂光刻胶2，光刻胶型号为AZ9260，旋涂速度为3000转/分钟，旋涂时间为20秒；光刻胶2的前烘温度为100℃，热板前烘时间为30min，胶厚为9微米。利用灰度掩模板3对中心波长为365nm波长紫外光4的曝光量进行调节，子眼单元掩模板31为单个多焦点子眼的掩模图形，在曝光过程中移动掩模板，移动方向为5，通过曝光和显影可在光刻胶上成形多焦点子眼阵列结构。此处的子眼单元设计为两个环带结构。其中，21为子眼单元光刻胶结构，31为子眼单元掩模板。
图2为多焦点复眼结构刻蚀传递到基材上的结构示意图。通过反应离子刻蚀方式进行刻蚀，基材上的多焦点子眼阵列结构按照1：1的形式刻蚀传递到基材上。
图3为制备与基材结构互补的柔性多焦点复眼结构模板示意图。在母板11上浇注高分子聚合物PDMS材料6，该材料在固化前为液态，基底液和固化剂以10:1的比例均匀混合，浇注在微透镜阵列母板上，待材料充分填充母板后置于真空烘箱内，设定真空烘箱的真空度为0.03Pa，温度为80℃，加热时间为2.5h，使材料充分固化，形成与微透镜阵列相互补的结构；最终从母板上脱模获得柔性的压印模板61。
图4为平面多焦点复眼结构转换为曲面结构示意图。采用半径分别为10cm和10cm的相互匹配的第一曲面结构装置8和第二曲面结构装置9，将柔性压印模板61结构面朝上，固定在第二曲面结构装置9上，在在其上涂覆上一层压印胶7，其型号为NOA61，将第一曲面结构装置8压入第二曲面结构装置9中，使柔性的压印模板变形成曲面62，采用光功率密度为24mw/cm2的365nm紫外光照射10min，将制备的柔性压印模板上的结构，通过压印传递到压印胶上。
图5为成形的一体化曲面多焦点仿生复眼结构示意图。将固化后的曲面多焦点复眼结构脱模形成一体化的曲面多焦点仿生复眼结构71。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤(1)基材的选择以及光刻胶旋涂；
步骤(2)移动掩模曝光，实现平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形；
步骤(3)将平面多焦点复眼光刻胶结构刻蚀传递到基材上；
步骤(4)基于基材上多焦点复眼结构，制备与之互补的柔性多焦点复眼结构模板；
步骤(5)引入光固化材料，利用曲率相互匹配的结构装置，将平面多焦点仿生复眼结构信息转移变换为曲面结构，形成一体化的多焦点仿生复眼结构。
2.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(1)中基材是石英、硅、锗或硒化锌。
3.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(1)中旋涂的光刻胶的厚度由多焦点复眼结构的矢高设计要求决定。
4.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(2)中移动掩模曝光中使用的掩模板，根据多焦点复眼结构的面形设计，分析曝光量与曝光深度之间的关系，调节掩模板的抽样间隔、移动距离参数，获得制备连续面形多焦点复眼结构的掩模板。
5.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(2)中多焦点复眼结构是通过移动掩模板对光刻胶进行曝光、显影、定影成形。
6.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(4)中柔性多焦点复眼结构模板通过压印技术制备，采用浇注、固化及脱模的工艺生成，模板的材料为柔性的高分子聚合物材料，固化前为液态。
7.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(5)中所述光固化材料，在固化之前是液态，可充分填充柔性多焦点复眼结构模板，通过曲率相互匹配的结构装置，将柔性模板挤压变形成曲面，再进行紫外光照射固化，脱模，形成曲面多焦点复眼结构。
8.根据权利要求1所述的一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，其特征在于：步骤(5)中所述曲率相互匹配的结构装置，其曲率可以根据需求自由设计。
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