CN113267837B - 一种具有双重光路隔离的微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有双重光路隔离的微透镜阵列及其制备方法，包括：第一层负性光刻胶的上表面形成若干呈阵列式排布的微型复眼透镜；设置于第一层负性光刻胶下表面上作为隔离层的Parylene薄膜；设置于Parylene薄膜下表面的黑色光刻胶层，黑色光刻胶层形成隔离阵列，且隔离阵列位于相邻两个微型复眼透镜之间，用以阻挡相邻光路之间串扰；设置于黑色光刻胶层外表面的第二层负性光刻胶第二层负性光刻胶作为基底；且第二层负性光刻胶填充于隔离阵列之间缝隙中，并覆盖于黑色光刻胶层表面上。本发明利用微纳加工制备具有阻挡相邻光路之间串扰问题的黑色光刻胶层和自身具有自书写能力的负性光刻胶，通过对入射光进行双重隔离从而实现高分辨率成像的性能。

Description

一种具有双重光路隔离的微透镜阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学仿生复眼技术领域，具体地，涉及一种具有双重光路隔离的微透镜阵列及其制备方法。

背景技术

眼睛是自然界生物感知外界信息最重要的器官之一。昆虫的复眼具有视野宽广、灵敏度高、能探测快速移动目标等优点，引起了人们的广泛关注。复眼自然界中的复眼主要有两类。一类是可以避免光线串扰的并置型复眼，另一类是灵敏度较高的叠加型复眼。在并置型复眼中，每个光通道在光学上与邻近的光通道隔离，以避免叠加重影和杂散光造成的对比度降低，因此彼此之间没有串扰。晶状体和感光体构成了一个微透镜的单元。光通道由两个倾斜的透镜和一个光轴组成，每个微透镜吸收入射光，并通过光受体将光信号传递到昆虫的大脑，通过通道进行成像。主要的聚焦元件是位于角膜晶状体和横纹肌之间的晶体锥体。随着微米和纳米加工技术的快速发展，复眼的制造技术经历了从最初的波导自写到通过热回流等工艺实现先进的飞秒激光法的变化。复眼的直径从最初的几百微米到目前最小的5微米不等，更接近于自然界的复眼。人工仿生复眼在导航定位、数码相机、移动物体快速检测等方面的广泛应用。

目前基本上大多数仿生复眼透镜阵列的制备方法都没有考虑光路隔离，仅有的几篇文献中提及到光路隔离的方法。经对现有技术文献的检索发现，K.Kim,K.W.Jang,J.K.Ryu,and K.H.Jeong等人呢发表的“Biologically inspired ultrathin arrayedcamera for high-contrast and high-resolution imaging”，该文中提及的是利用多层的黑色光刻胶阻断常规的光刻胶之间的光路，但是只实现了相邻光路之间的隔离，并没有对复眼透镜内部的光路进行隔离。而且设计多层阻挡层增加了光刻的难度，容易出现对准问题。另外一种方法是利用黑色的材料进行3D打印带有通孔的模具。经对现有技术文献的检索发现，W.Osten,X.Cao,L.Dong,G.Situ,X.Wang,J.Luo,and Y.Guo等人发表的“Implementation and image processing of a multi-focusing bionic compoundeye,”该文中提及到的具有光路隔离的方法是将3D打印的通孔模具套在设计好的微透镜阵列。由于受到3D打印精度的限制，这种方法所设计的透镜的尺寸相比于自然界中复眼比较大而且还面临装配困难等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有双重光路隔离的微透镜阵列及其制备方法。

本发明第一个方面提供具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，包括按照以下步骤执行：

S1：制备表面具有呈阵列式排布的半球型凸起结构的基底模具；

S2：在所述基底模具的半球型凸起结构表面上涂覆PDMS(聚二甲基硅氧烷)层，以复制得到平面凹型PDMS透镜阵列；

S3：对所述平面凹形PDMS透镜阵列的凹型表面进行改性处理，使凹型表面由疏水变成亲水，之后在所述平面凹型PDMS透镜阵列的凹形表面旋涂第一层负性光刻胶，在所述第一层负性光刻胶的下表面形成呈阵列式分布的半球型凸起结构，再对所述第一层负性光刻胶进行固化；

S4：在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面沉积一层Parylene(聚对二甲苯)薄膜作为隔离层，之后在所述Parylene薄膜的上表面旋涂黑色光刻胶层；

S5：对所述黑色光刻胶层进行光刻图形化得到隔离阵列，且所述隔离阵列分布于相邻两个所述半球型凸起结构之间，在所述黑色光刻胶层的上方涂覆第二层负性光刻胶作为封装层，然后将所述第一层负性光刻胶、所述Parylene薄膜、所述黑色光刻胶和所述第三层负性光刻胶作为整体从所述平面凹型PDMS透镜阵列上脱离，得到具有双重光路隔离的微透镜阵列。

优选地，所述S1：制备表面具有呈阵列式排布的半球型凸起结构的基底模具，包括以下步骤：

S11：在硅片衬底上旋涂黏附剂，用以增强正性光刻胶与硅片衬底的粘附力；

S12：在所述黏附剂的上表面旋涂正性光刻胶层，对所述正性光刻胶层光刻显影之后得到的圆柱型阵列；

S13：对经S12之后的所述硅片衬底进行热熔，热熔之后的所述圆柱型阵列表面由于表面张力作用形成半球型的凸起结构，即得到用以复制平面凹型PDMS透镜阵列的所述基底模具。

优选地，所述S11：在硅片衬底上旋涂黏附剂，其中，所述黏附剂的材料选用六甲基二硅氮烷(HMDS)。

优选地，所述S12：在所述黏附剂的上表面旋涂正性光刻胶层，对所述光刻胶层光刻显影之后得到圆柱型阵列，其中，所述光刻显影是指：在涂有正性光刻胶层的硅片衬底上进行紫外曝光，显影以得到未曝光的圆柱型阵列图案。

优选地，所述S13：对经S12之后的所述硅片衬底进行热熔，其中，将所述衬底放置于真空烘箱内进行热熔。

优选地，所述S2：在所述基底模具的半球型凸起结构表面上涂覆PDMS层，以复制得到平面凹型PDMS透镜阵列，其中，所述PDMS层材料为添加有固化剂的PDMS溶液。

更优选地，所述PDMS溶液与固化剂按照重量配比10：1进行混合，将混合均匀后的溶液旋涂在所述正性光刻胶层的凸起结构表面，进行烘烤固化后脱模，得到平面凹型PDMS透镜阵列。

优选地，所述S3：对所述平面凹形PDMS透镜阵列的凹型表面进行改性处理，其中，利用氧等离子体对所述平面凹型PDMS透镜阵列的凹形表面进行处理。

优选地，所述S4：在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面沉积一层Parylene薄膜作为隔离层，之后在所述Parylene薄膜的上表面旋涂黑色光刻胶层，其中，在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面利用化学气相沉积一层Parylene薄膜；所述黑色光刻胶层的厚度为5μm-50μm。

优选地，所述第一层负性光刻胶、所述第二层负性光刻胶的材料均采用SU-8负性光刻胶。

本发明第二个方面提供一种具有双重光路隔离的微透镜阵列，采用上述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法制备得到，所述微透镜阵列包括：

第一层负性光刻胶，所述第一层负性光刻胶的上表面形成若干呈阵列式排布的微型复眼透镜，其中，每个所述微型复眼透镜均为六边形紧密堆积结构；

设置于所述第一层负性光刻胶下表面上Parylene薄膜，所述Parylene薄膜作为隔离层；

设置于所述Parylene薄膜下表面的黑色光刻胶层，所述黑色光刻胶层形成隔离阵列，且所述隔离阵列位于相邻两个所述微型复眼透镜之间，用以阻挡相邻光路之间串扰；

设置于所述黑色光刻胶层外表面的第二层负性光刻胶，所述第二层负性光刻胶作为基底；且所述第二层负性光刻胶填充于所述隔离阵列之间缝隙中，并覆盖于所述黑色光刻胶层表面上。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述方法，利用微纳加工技术光刻图像化的黑色光刻胶和第一层负性光刻胶层，利用第一层负性光刻胶层在一定强度的紫外光照射下会在内部形成自书写光波导结构，其可以不影响相邻光路之间的传输作为第一层隔离；同时利用黑色光刻胶在相邻微透镜之间作为阻挡层，避免了当入射光进入透镜时出现的光路串扰问题，在两者的配合下，通过对入射光进行双重隔离从而实现高分辨率成像的性能，可提升成像质量，提高图像的对比度和清晰度；本发明可替代传统工艺以昂贵飞秒激光设备制备复眼透镜阵列，且其加工工艺简单，对设备要求不高，可以批量制备复眼透镜阵列，从而提高效率降低成本。

本发明的微透镜阵列，结构设计，能够与商业化的CMOS相机进行集成，从而有助于提高镜头的实时监测和移动目标的捕捉能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法的工艺流程图；

图2是本发明一优选实施例的具有双重光路隔离的微透镜阵列的三维整体结构示意图；

图3是本发明一优选实施例的具有双重光路隔离的微透镜阵列的截面示意图；

图中标记分别表示为：硅片衬底1、正性光刻胶层2、PDMS层3、第一层负性光刻胶4、Parylene薄膜5、黑色光刻胶层6、第二层负性光刻胶7。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，是本发明一优选实施例的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法的工艺流程图，按照以下步骤执行：

S1：制备表面具有呈阵列式排布的半球型凸起结构的基底模具：

具体为：在硅片衬底1上旋涂HMDS黏附剂，增强光刻胶与基底的粘附力；

在HMDS表面旋涂AZ4620正性光刻胶，得到正性光刻胶层2；

对涂覆有正性光刻胶层2的硅片衬底1上进行紫外曝光，显影160秒以得到未曝光的圆柱型图案光刻显影之后得到圆柱型阵列；

将光刻图形化的硅片衬底1放入160℃的真空烘箱内，10分钟之后取出，进行热熔，热熔之后的光刻胶层由于表面张力作用形成半球型凸起结构，作为PDMS凹形透镜阵列复制的基底模具。

S2：在经热熔后的光刻胶层的半球型凸起结构上旋涂PDMS层3，以复制得到平面凹型PDMS透镜阵列；具体为，PDMS层3是由PDMS与固化剂按照重量配比10：1混合而成，混合均匀后，将混合溶液旋涂于半球型凸起结构上，经80℃烘烤2小时，固化后进行脱模得到平面凹型PDMS透镜阵列。

S3：对S2得到的平面凹型PDMS透镜阵列的凹型表面改性，即对凹型表面用Plasma氧等离子体处理1分钟，使平面凹型PDMS透镜阵列的凹型表面由疏水变为亲水；之后在经表面改性后平面凹型PDMS透镜阵列的凹形表面旋涂一层厚度为20μm的SU-8胶(即第一层负性光刻胶4)，在第一层负性光刻胶4的下表面形成呈阵列式分布的半球型凸起结构，再对第一层负性光刻胶4进行固化；

S4：在固化后的第一层负性光刻胶4的上表面沉积一层Parylene薄膜5作为隔离层，其厚度为2μm；之后在Parylene薄膜5的上表面旋涂黑色光刻胶层6，其厚度为15μm-20μm。

S5：对黑色光刻胶层6进行光刻图形化得到隔离阵列，且隔离阵列分布于相邻两个半球型凸起结构之间，在黑色光刻胶层6的上方涂覆一层SU-8胶(第二层负性光刻胶7)作为封装层，通过SU-8胶填补隔离阵列之间空缺；在90℃下烘烤4小时，将第一层负性光刻胶、Parylene薄膜5、黑色光刻胶和第三层负性光刻胶作为整体从平面凹型PDMS透镜阵列上脱离，得到具有双重光路隔离的微透镜阵列。

结合图2、图3所示，由上述方法制备得到具有双重光路隔离的微透镜阵列，图中包括基底、第一层负性光刻胶、黑色光刻胶层6和第二层负性光刻胶7。

第一层负性光刻胶的上表面形成若干呈阵列式排布的微型复眼透镜，其中，每个微型复眼透镜均为六边形紧密堆积结构。

Parylene薄膜设置于第一层负性光刻胶下表面上，Parylene薄膜作为隔离层，用以隔离第一层负性光刻胶与第二层负性光刻胶7。如果不进行隔离，在对第二层负性光刻胶7进行光刻显影时，会使第一层的负性光刻胶显影脱落。

黑色光刻胶层设置于Parylene薄膜下表面，黑色光刻胶层形成隔离阵列，且隔离阵列位于相邻两个微型复眼透镜之间，用以阻挡相邻光路之间串扰。黑色光刻胶层6在与第一层负性光刻胶的作用下起到双重隔离作用。

第二层负性光刻胶设置于黑色光刻胶层外表面，第二层负性光刻胶作为基底；且第二层负性光刻胶填充于隔离阵列之间缝隙中，并覆盖于黑色光刻胶层表面上。

随着微米和纳米加工技术的快速发展，不需要昂贵的飞秒激光设备就可以制备复眼透镜阵列。本发明提供一种光刻胶热熔结合光刻胶自身的特有性质，利用微纳加工工艺制备具有双重光路隔离的复眼微透镜阵列；利用负性光刻胶在紫外线的照射下会自书写形成光波导，使光线在光波导中进行传输作为第一层隔离；在相邻光路之间加以黑色光刻胶进行第二层隔离，从而实现双重隔离，从而实现高对比度和清晰度的成像，提高成像质量。此外该结构设计及加工工艺简单，对设备要求不高，可以批量制备复眼透镜阵列，从而提高效率降低成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (9)

1.一种具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括按照以下步骤执行：

S1：制备表面具有呈阵列式排布的半球型凸起结构的基底模具；

S2：在所述基底模具的半球型凸起结构表面上涂覆PDMS层，以复制得到平面凹型PDMS透镜阵列；

S3：对所述平面凹形PDMS透镜阵列的凹型表面进行改性处理，使凹型表面由疏水变成亲水，之后在所述平面凹型PDMS透镜阵列的凹形表面旋涂第一层负性光刻胶，在所述第一层负性光刻胶的下表面形成呈阵列式分布的半球型凸起结构，再对所述第一层负性光刻胶进行固化，利用所述第一层负性光刻胶在一定强度的紫外光照射下在内部形成自书写光波导结构，所述光波导结构不影响相邻光路之间的传输作为第一层隔离；

S4：在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面沉积一层Parylene薄膜作为隔离层，之后在所述Parylene薄膜的上表面旋涂黑色光刻胶层；

S5：对所述黑色光刻胶层进行光刻图形化得到隔离阵列，且所述隔离阵列分布于相邻两个所述半球型凸起结构之间，在所述黑色光刻胶层的上方涂覆第二层负性光刻胶作为封装层，所述第一层负性光刻胶、所述第二层负性光刻胶的材料均采用SU-8负性光刻胶，然后将所述第一层负性光刻胶、所述Parylene薄膜、所述黑色光刻胶和所述第二层负性光刻胶作为整体从所述平面凹型PDMS透镜阵列上脱离，得到具有双重光路隔离的微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S1：制备表面具有呈阵列式排布的半球型凸起结构的基底模具，包括以下步骤：

S11：在硅片衬底上旋涂黏附剂，用以增强正性光刻胶与所述硅片衬底的粘附力；

S12：在所述黏附剂的上表面旋涂正性光刻胶层，对所述正性光刻胶层光刻显影之后得到的圆柱型阵列；

S13：对经S12之后的所述硅片衬底进行热熔，热熔之后的所述圆柱型阵列表面由于表面张力作用形成半球型的凸起结构，即得到用以复制平面凹型PDMS透镜阵列的所述基底模具。

3.根据权利要求2所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S11：在硅片衬底上旋涂黏附剂，其中，所述黏附剂的材料选用六甲基二硅氮烷。

4.根据权利要求2所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S12：在所述黏附剂的上表面旋涂正性光刻胶层，对所述光刻胶层光刻显影之后得到圆柱型阵列，其中，所述光刻显影是指：在涂有正性光刻胶层的硅片衬底上进行紫外曝光，显影以得到未曝光的圆柱型阵列图案。

5.根据权利要求2所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S13：对经S12之后的所述硅片衬底进行热熔，其中，将所述衬底放置于真空烘箱内进行热熔。

6.根据权利要求1所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S2：在所述基底模具的半球型凸起结构表面上涂覆PDMS层，以复制得到平面凹型PDMS透镜阵列，其中，所述PDMS层材料为添加有固化剂的PDMS溶液。

7.根据权利要求1所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S3：对所述平面凹形PDMS透镜阵列的凹型表面进行改性处理，其中，利用氧等离子体对所述平面凹型PDMS透镜阵列的凹形表面进行处理。

8.根据权利要求1所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述S4：在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面沉积一层Parylene薄膜作为隔离层，之后在所述Parylene薄膜的上表面旋涂黑色光刻胶层，其中，在固化后的所述第一层负性光刻胶的上表面利用化学气相沉积一层Parylene薄膜；所述黑色光刻胶层的厚度为5μm-50μm。

9.一种具有双重光路隔离的微透镜阵列，其特征在于，采用上述权利要求1-8任一项所述的具有双重光路隔离的微透镜阵列的制备方法制备得到，所述微透镜阵列包括：

第一层负性光刻胶，所述第一层负性光刻胶的上表面形成若干呈阵列式排布的微型复眼透镜，其中，每个所述微型复眼透镜均为六边形紧密堆积结构；

设置于所述第一层负性光刻胶下表面上Parylene薄膜，所述Parylene薄膜作为隔离层；

设置于所述Parylene薄膜下表面的黑色光刻胶层，所述黑色光刻胶层形成隔离阵列，且所述隔离阵列位于相邻两个所述微型复眼透镜之间，用以阻挡相邻光路之间串扰；

设置于所述黑色光刻胶层外表面的第二层负性光刻胶，所述第二层负性光刻胶作为基底；且所述第二层负性光刻胶填充于所述隔离阵列之间缝隙中，并覆盖于所述黑色光刻胶层表面上。

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