本發(fā)明涉及仿生復(fù)眼、微細加工等領(lǐng)域，具體涉及一種多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成形方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)今微光機電系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對光學(xué)成像系統(tǒng)的要求越來越高，如導(dǎo)航系統(tǒng)、微型廣角監(jiān)視設(shè)備、內(nèi)視鏡等領(lǐng)域，希望整個系統(tǒng)的體積小、重量輕、視場大以及靈敏度高。由于整個系統(tǒng)裝置的改進依托于單元器件，因此近年來，眾多科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)的光電元件部分，微型化、陣列化、集成化的光學(xué)元件成為光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)展的重要方向和當(dāng)今高科技發(fā)展的前沿課題。

生物界是個奇妙的世界，許多動物某些器官結(jié)構(gòu)的精巧、功能的完善，令人驚嘆不已。生物復(fù)眼是大自然在億萬年的進化過程中形成的特殊視覺器官，由角膜、晶椎、感桿束、色素細胞等結(jié)構(gòu)，組成獨立的感光單元——子眼，多個子眼以曲面陣列的形式緊密排布，構(gòu)成一種理想的高集成、輕量化智能光學(xué)成像系統(tǒng)，具備大視場空間的感知、高精度目標(biāo)物定位和三維重建以及高靈敏度捕捉目標(biāo)物和信息處理能力。不論是在結(jié)構(gòu)上還是在功能上都非常巧妙的生物復(fù)眼，其微尺寸、輕重量、大視場、高靈敏度等優(yōu)點，為解決人類社會生活中的問題提出了重要啟示，如果能構(gòu)造一種新型的仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)，利用光電元件代替昆蟲復(fù)眼中的對應(yīng)結(jié)構(gòu)，將對系統(tǒng)的探測感知能力帶來革命性提高，從而為導(dǎo)航系統(tǒng)、微型廣角監(jiān)視設(shè)備、內(nèi)視鏡等裝置提供全新的技術(shù)手段。

仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的核心器件之一為小型化、集成化的仿生復(fù)眼光學(xué)元件。由于微納加工工藝水平的限制，最初的仿生復(fù)眼光學(xué)元件大多為平面分布，例如日本的TMOBO，德國的APCO結(jié)構(gòu)，由于平面結(jié)構(gòu)復(fù)眼的總視場主要取決于單個子眼的視場角，無法做到很大，不能實現(xiàn)復(fù)眼大視場的優(yōu)點。

針對微型化、輕量化、曲面排布的仿生復(fù)眼光學(xué)元件，2006年，美國伯克利大學(xué)在Science上發(fā)表的一篇文章，提出了一種仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的制備方法，通過將微加工技術(shù)與Sol-gel技術(shù)相結(jié)合，成功的在曲面基底上制作出了仿生的人工復(fù)眼結(jié)構(gòu)，該復(fù)眼結(jié)構(gòu)包含超過8000個子透鏡。該研究成果在當(dāng)時引起了人們極大的關(guān)注，讓科學(xué)家們看到了仿生昆蟲復(fù)眼研究的潛力和未來。2013年，Nature上報道了國際團隊研制出仿生復(fù)眼照相機，在曲面結(jié)構(gòu)復(fù)眼的基礎(chǔ)上，采用非平面探測器的思想，由一組彈性微型透鏡陣列和一組可變形的硅基光電感應(yīng)陣列組成復(fù)眼結(jié)構(gòu)，將復(fù)眼的視場角增大到160°，實現(xiàn)了視角的極大化。但是此類微型化、輕量化的曲面仿生復(fù)眼光學(xué)元件的微透鏡的焦距唯一，限制了光學(xué)成像過程中圖像信息的獲取，只能對單一景深處的目標(biāo)物清晰成像，卻嚴(yán)重丟失不同景深范圍內(nèi)目標(biāo)物的信息，不利于對未知不同距離處目標(biāo)物進行探測。例如，應(yīng)用于內(nèi)窺鏡等醫(yī)學(xué)探測器進行人體內(nèi)病灶探測的時候，由于病灶通常分布在探測器不同方位以及不同距離處，焦距單一的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)只能對其物距附近的病灶進行探測，而在進行多個病灶探測時，探測靈敏性和準(zhǔn)確性都受到了極大的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有仿生復(fù)眼焦距單一的不足，提供一種多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成型方法，實現(xiàn)一體化多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的制備及成形。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成形方法，包含以下步驟：

步驟(1)基材的選擇以及光刻膠旋涂；

步驟(2)移動掩模曝光，實現(xiàn)平面連續(xù)面形多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的光刻膠成形；

步驟(3)將平面多焦點復(fù)眼光刻膠結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞到基材上；

步驟(4)基于基材上多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)，制備與之互補的柔性多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)模板；

步驟(5)引入光固化材料，利用曲率相互匹配的結(jié)構(gòu)裝置，將平面多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)移變換為曲面結(jié)構(gòu)，形成一體化的多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。

其中，步驟(1)中基材是石英、硅、鍺或硒化鋅。

其中，步驟(1)中旋涂的光刻膠的厚度由多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的矢高設(shè)計要求決定。

其中，步驟(2)中移動掩模曝光中使用的掩模板，根據(jù)多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的面形設(shè)計，分析曝光量與曝光深度之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)掩模板的抽樣間隔、移動距離參數(shù)，獲得制備連續(xù)面形多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的掩模板。

其中，步驟(2)中多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)是通過移動掩模板對光刻膠進行曝光、顯影、定影成形。

其中，步驟(4)中柔性多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)模板通過壓印技術(shù)制備，采用澆注、固化及脫模的工藝生成，模板的材料為柔性的高分子聚合物材料，固化前為液態(tài)。

其中，步驟(5)中所述光固化材料，在固化之前是液態(tài)，可充分填充柔性多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)模板，通過曲率相互匹配的結(jié)構(gòu)裝置，將柔性模板擠壓變形成曲面，再進行紫外光照射固化，脫模，形成曲面多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)。

其中，步驟(5)中所述曲率相互匹配的結(jié)構(gòu)裝置，其曲率可以根據(jù)需求自由設(shè)計。

本發(fā)明的有益效果在于：開發(fā)一種可在曲面基底上構(gòu)造成形小型化、輕量化、多焦點成像仿生復(fù)眼元件的方法。該元件通過與后續(xù)的探測結(jié)構(gòu)以及電路裝置等互聯(lián)之后，可以進一步成型光、機、電一體化的復(fù)眼成像系統(tǒng)，為大視場成像、高精度定位提供新的技術(shù)手段。該技術(shù)中不涉及昂貴的加工設(shè)備以及苛刻的實驗條件，是一種低成本、普適性強的技術(shù)。該技術(shù)的研究有望提升我國在復(fù)眼仿生領(lǐng)域的制備技術(shù)水平，為其進一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為實施例中平面連續(xù)面形多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的光刻膠成形制備示意圖；

圖2為實施例中多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞到基材上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施例中制備與基材結(jié)構(gòu)互補的柔性多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)模板示意圖；

圖4為實施例中平面多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為曲面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實施例中成形的一體化曲面多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為基材，2為光刻膠，3為灰度掩模板，4為紫外光，5為移動方向，6為高分子聚合物PDMS材料，7為壓印膠，8為第一曲面結(jié)構(gòu)裝置，9為第二曲面結(jié)構(gòu)裝置，11為母板，21為子眼單元光刻膠結(jié)構(gòu)，31為子眼單元掩模板，61為柔性壓印模板，62為曲面柔性壓印模板，71為曲面多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施方式詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。

具體實施例中一種多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成形方法如下：

圖1為平面連續(xù)面形多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的光刻膠成形制備示意圖。選擇石英為基材1，對其表面預(yù)處理，將其浸泡于丙酮中10min，去除表面的有機物，再用酒精對殘余丙酮進行清洗，最后用超純水將基片沖洗干凈。在基片表面旋涂光刻膠2，光刻膠型號為AZ9260，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為20秒；光刻膠2的前烘溫度為100℃，熱板前烘時間為30min，膠厚為9微米。利用灰度掩模板3對中心波長為365nm波長紫外光4的曝光量進行調(diào)節(jié)，子眼單元掩模板31為單個多焦點子眼的掩模圖形，在曝光過程中移動掩模板，移動方向為5，通過曝光和顯影可在光刻膠上成形多焦點子眼陣列結(jié)構(gòu)。此處的子眼單元設(shè)計為兩個環(huán)帶結(jié)構(gòu)。其中，21為子眼單元光刻膠結(jié)構(gòu)，31為子眼單元掩模板。

圖2為多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞到基材上的結(jié)構(gòu)示意圖。通過反應(yīng)離子刻蝕方式進行刻蝕，將基材上的結(jié)構(gòu)按照1：1的形式刻蝕傳遞到基材上，獲得平面的多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)的母板11。

圖3為制備與基材結(jié)構(gòu)互補的柔性多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)模板示意圖。在母板11上澆注高分子聚合物PDMS材料6，該材料在固化前為液態(tài)，基底液和固化劑以10:1的比例均勻混合，澆注在微透鏡陣列母板上，待材料充分填充母板后置于真空烘箱內(nèi)，設(shè)定真空烘箱的真空度為0.03Pa，溫度為80℃，加熱時間為2.5h，使材料充分固化，形成與微透鏡陣列相互補的結(jié)構(gòu)；最終從母板上脫模獲得柔性的壓印模板61。

圖4為平面多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為曲面結(jié)構(gòu)示意圖。采用半徑分別為10cm和-10cm的相互匹配的第一曲面結(jié)構(gòu)裝置8和第二曲面結(jié)構(gòu)裝置9，將柔性壓印模板61結(jié)構(gòu)面朝上，固定在第二曲面結(jié)構(gòu)裝置9上，在在其上涂覆上一層壓印膠7，其型號為NOA61，將第一曲面結(jié)構(gòu)裝置8壓入第二曲面結(jié)構(gòu)裝置9中，使柔性的壓印模板變形成曲面62，采用光功率密度為24mw/cm²的365nm紫外光照射10min，將制備的柔性壓印模板上的結(jié)構(gòu)，通過壓印傳遞到壓印膠上。

圖5為成形的一體化曲面多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)示意圖。將固化后的曲面多焦點復(fù)眼結(jié)構(gòu)脫模形成一體化的曲面多焦點仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)71。

本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。