一种曲面多光谱复眼结构制作方法与流程

本发明涉及光学器械制备技术领域，具体涉及一种曲面多光谱复眼结构制作方法。

背景技术：

在自然界中，生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，通常整个复眼呈曲面结构。通过这些小眼可以将整个视场分成若干部分，每个小眼对应一定的视场角，只负责观察视场中的一部分。位于小眼后面的感光细胞将每个小眼观察到的情况采集下来，接合在一起就形成了整个视场的完整像。因此曲面复眼在获得更大的探测角度以及准确获取被探测曲面发出的信号等方面都有着潜在的应用。

生物复眼通常具有体积小，视场角大，对高速移动物体敏感等优点。目前已有一些基于微透镜的仿生复眼成像系统被提出。但受到制作工艺的限制，这些复眼结构成像系统大多为平面结构，很大程度上丧失了曲面复眼结构的突出优点——大视场角。此外，传统的复眼结构成像系统都是全色成像，即，每一个透镜所成的图像是一模一样的图像，这其实浪费了每个独立小透镜可以独立成像的特点。虽然国外一些研究团队提出了一些在曲面上制作复眼结构的方法，但是这些方法由于设备、工艺复杂，在很大程度上限制了它的广泛范围。

下面介绍已有的几种曲面复眼结构的制作方法。

(1)激光光刻制造法

danielaradtke等人(期刊论文，题目：laserlithographicfabricationandcharacterizationofasphericalartificialcompoundeye期刊：opticsexpress，vol.15,no.6，19march2007)提出了一种通过激光直接在球面上光刻的方式来制作曲面复眼结构，这种方法能制作出较为完美的曲面复眼结构，但是该方法需要较为精密且昂贵的可旋转移动激光发射源，因此制作成本很高，且复杂的激光刻蚀技术，不适合大批量生产。

(2)热成型法

puboqu等人(期刊论文，题目:asimpleroutetofabricateartificialcompoundeyestructures期刊:opticsexpress,vol.20,no.5，27february2012)提出了一种利用热玻璃球将平面模板加热变形成曲面的制作工艺。该小组首先通过激光光刻和湿法刻蚀的方法在平面玻璃基底上制作出凹形复眼结构，然后用pmma倾覆到该玻璃基底，固化pmma制作出pmma材质的复眼结构，最后加热球形热玻璃至130摄氏度，将pmma热压成曲面，从而形成球面复眼结构。该方法工艺步骤多，需要的设备也较多，热压工艺实施起来也有一定的难度，同样不适合批量生产。

因此，有必要针对上述现有技术中，需要昂贵的激光刻蚀技术和湿法腐蚀技术、工艺步骤多复杂、不适合大批量生产的问题，提出进一步的改进方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种曲面多光谱复眼结构制作方法。

本发明方法先用传统的采用光刻和热熔法制作复眼结构母版，然后利用柔性透明pet基底和透明聚合物材料pua(聚酯型聚氨酯)的自我复制能力，经过两次复制过程，制作出以pet为基底、pua为透镜材料的复眼结构。由于pet的柔韧性，通过机械弯曲的方式，将pet弯曲成曲面形状，从而形成曲面复眼结构。进一步，通过在pet背面集成多通道颜色光阻剂，从而实现了多通道滤光片与复眼结构的结合，通过这样的结构和滤光片的滤光功能，每个独立的透镜就可以获得不同波段的图像，因此，此结构能够获取更多的图像信息，系统的集成度得到了提高。该方法不仅设备、加工方法简单，而且成本低，并且制作出来的复眼结构能保存的时间较长，不易损坏。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

本发明曲面多光谱复眼结构制作方法，具体步骤如下：

s1：在第一基底上涂覆正光刻胶，进行光刻显影，制作复眼结构母版；

s2：在第二pet基底上涂覆一种颜色的光阻剂，通过光刻显影，获得至少一种颜色的滤光区域的pet基底滤光片；

s3：在上述s1制作好的复眼结构母版上覆盖上聚合物pua，再用第三pet基底覆盖聚合物pua上，再在紫外光下曝光固化后，撕下第三pet基底，获得凹形复眼结构；

s4、再在s3获得的凹形复眼结构上倾覆一层第二聚合物pua，在第二聚合物pua上覆盖具有滤光区域的第二pet基底，再在紫外光下曝光固化后，撕下具有滤光区域的第二pet基底，获得以第二pet基底为基底的pua凸面复眼结构；

s5：将具有pua凸面复眼结构的第二pet基底的两侧边缘固定在有一定夹角的夹具上，形成曲面复眼结构。

作为另一种实施方式，上述s2所述滤光区域为两种或两种以上，使得第二pet基底上形成多通道滤光区，多个滤光区域为逐个不同颜色光阻剂进行光刻显影获得。

作为一种实施方式，s2所述一种颜色的光阻剂在第二pet基底上光刻显影后，在100～120℃下烘15～30分钟进行固化，以增加光阻剂与第二pet基底间的黏结力。

作为一种实施方式，s1制作复眼结构母版时，掩膜板的各圆孔尺寸大小一致，可以制作出均匀pua凸面复眼结构。

作为另一种实施方式，s1制作复眼结构母版时，改变掩膜板的各圆孔尺寸大小，即各圆孔大小不相等，可以选择性地制作出非均匀pua凸面复眼结构。

本发明中所述第一基底、第二pet基底分别经清洗、干燥后，采用氧气等离子体进行处理，以增加其表面能。

采用本发明所制备得到的得到的曲面多光谱复眼结构的凹面下方设置coms传感器芯片，可以得到具有成像功能的复眼结构成像系统。

本发明的有益效果为：

本发明利用传统的光刻技术结合传统的光刻胶热熔法，在玻璃基底上制作出光刻胶az4620的复眼结构母版；然后，通过在pet基底背面集成多通道颜色光阻剂，实现带有效滤光功能的pet基底制作；再利用聚合物pua的低表面能特性，经过两次复制，对az4620的复眼结构进行复制，得到pet基底的聚合物pua的复眼结构；最后，将pet基底的两侧边缘固定在有一定夹角的夹具上，由于pet的柔韧性，pet会自然弯曲，形成了曲面复眼结构。

首先，本发明方法复制出来的聚合物pua凹形复眼结构可以重复使用多次，即不需要大量制作az4620复眼结构母版，仅需要该凹形聚合物pua复眼结构就能复制出大量成品，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

其次，通过在pet背面集成多通道颜色光阻剂，最终组成的曲面多谱成像系统，可实现多谱图像的的同时获取。

第三，由于固化后的pua具有较强的化学和机械稳定性，因此制备的复眼结构能保存较长的时间。

第四，本发明通过弯曲pet基底的方式形成曲面复眼结构，因此可以通过改变弯曲的夹角大小来改变曲面复眼结构聚光范围。

第五，本发明还可以制作非均匀复眼结构，有利于cmos传感器更好的接收到复眼结构汇聚的光线。

第六，本发明制作的曲面复眼结构具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点。

附图说明

图1为复眼结构母版及pet基底多通道滤光片制作示意图；

图2为曲面多光谱复眼结构制作方法示意图；

图3为非均匀pua凸面曲面复眼结构示意图。

图中标记：1-第一基底、2-正光刻胶、3-紫外光、4-圆孔掩膜板、6-圆柱形图案、7-复眼结构母版、8-第二pet基底、9-光阻剂、11-掩膜版、12-滤光区域、13-多通道滤光区；14-第三pet基底，15-第一聚合物pua、18-凹形复眼结构、19-第二聚合物pua、20-曲面复眼结构、21-pua凸面复眼结构、22-弯曲的pua凸面复眼结构、23-弯曲的pet基底、24-夹具口、25-coms传感器芯片、26-支架、27-夹角；28-非均匀pua凸面复眼结构、29-非均匀曲面复眼结构系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

(一)复眼结构母版制作

1、如图1(a1～a5)所示，取一片表面平整的玻璃片作为第一基底1，将第一基底1用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，增加玻璃的表面能。所述氧气等离子体处理的真空度为25pa，功率为60w，轰击时间为90秒。

2、将正光刻胶2(az4620)旋涂于清洗好的基底1上，经过前烘后，将带有正光刻胶2的第一基底1至于事先制作好的圆孔掩膜板4下进行紫外光3曝光。曝光时间和剂量应该根据胶层厚度和光强决定。曝过光的正光刻胶2能在显影液下去除掉。将曝光过的第一基底1至于质量百分比为5％的氢氧化钠溶液中，显影后余下的正光刻胶2(az4620)，显影出圆柱形图案6。显影时间要根据光刻胶厚度，由实验决定。

3、将由步骤2制备的带有正光刻胶2的第一基底1至于真空烘箱内，加热至125摄氏度，加热时间为60秒。正光刻胶2会融化，在表面张力的作用下，自动形成复眼结构的形状，在烘箱内自然冷却。完成复眼结构母版7的制作。

(二)pet基底多通道滤光片的制作

4、如图1(a6～a10)所示，取一第二pet基底8片材，经酒精清洗及异丙醇淋洗后吹干，90℃烘烤10分钟自然冷却，完成第二pet基底8准备工作。第二pet基底8大小应适中，不宜过大，便于后期弯曲。将处理好的第二pet基底8片材进行氧气等离子体处理，以增加第二pet基底8的表面能，增加第二pet基底8的粘结强度。

5、通过甩胶机将一种颜色的光阻剂9(例如红色)均匀的旋涂在第二pet基底8上。甩胶机转速为550转/分钟，甩胶时间为30秒，光阻剂9厚度为1微米左右。旋涂光阻剂9后的第二pet基底8置于烘箱中，在85℃下烘烤4分钟，以除去光阻剂9中的溶剂。

6、在预先设计好的掩膜板11下用紫外光3(365nm)曝光，曝光时间为12秒，曝光强度约为20mw/cm²。

7、将曝过光的第二pet基底8置于质量百分比浓度为0.5％的koh显影液中显影，显影时间大约为40秒。此时即获得一种颜色的滤光区域12(红色)。由于光阻剂9与第二pet基底结合的较紧，有时需要用棉签轻轻擦拭基片，将未曝光的颜色光阻剂擦去。

8、将上述7中显影后的第二pet基底8用去离子水冲净、氮气吹干，置于烘箱内在110℃下后烘20分钟以完全固化光阻剂，并增加光阻剂9与第二pet基底8的结合力度。完全固化后的颜色光阻剂性能非常稳定，连丙酮也清除不去，除非物理刮除，因此后期不必担心会脱胶，对于制作其它滤光区没有影响。

9、以上步骤5～8需要重复数次，利用对准标记，将其它颜色光阻剂(如绿、蓝)依次集成在该第二pet基底8其他位置，形成多通道滤光区13，获得pet基底多通道滤光片。

(三)曲面多光谱复眼结构的制作

10、如图2(a11～a16)所示，取一片新的第三pet基底14片材，经酒精清洗及异丙醇淋洗后吹干，90℃烘烤10分钟自然冷却，完成第三pet基底14准备工作。

11、在上述制作好的复眼结构母版7上倾倒上非固化的、透明的第一聚合物pua15至覆盖整个复眼结构母版7上。取上述处理好的第三pet基底14覆盖在第一聚合物pua15上，施加少许压力至第三pet基底14与第一聚合物pua15接触平整。将整个复眼结构母版7、第一聚合物pua15、第三pet基底14置于紫外光刻机下曝光，由于第三pet基底14是透明的，紫外线能透过第三pet基底14，从而在紫外线3的照射下使得第一聚合物pua15固化。其中曝光强度约为20mw/cm²，曝光时间为10分钟，紫外线的波长为365纳米。pua是一种聚酯型聚氨酯聚合物，它在紫外光照射下能固化，固化后其表面能非常低，物理性质也很稳定。

12、固化的第一聚合物pua15表面能比正光刻胶az4620低，因此，撕下第三pet基底14后，第一聚合物pua15会随着第三pet基底14与复眼结构母版7上的az4620分开，从而形成以第三pet基底14为基底的凹形复眼结构18。

13、重复上述步骤11～12，在凹形复眼结构18上再倾覆一层第二聚合物pua19，同时利用之前制作好的具有多通道滤光区13的第二pet基底8覆盖在第二聚合物pua19上，施加少许压力至第二pet基底8与第二聚合物pua19接触平整。将整个凹形复眼结构18、第二聚合物pua19、第二pet基底8至于紫外光刻机下曝光，将第二聚合物pua19固化。其中曝光条件与步骤11中相同，曝光强度约为20mw/cm²，曝光时间为10分钟，紫外线的波长为365纳米。

14、利用pua的自我复制能力，撕下上层具有多通道滤光区13的第二pet基底8后，新固化的第二聚合物pua19会随着第二pet基底8与凹形复眼结构18分开，从而形成以第二pet基底8为基底的pua凸面复眼结构21。即通过两次复制，完成了复眼结构从正光刻胶az4620到聚合物pua的转化。由于固化的聚合物pua性质稳定，因此制作出来的复眼结构能保存较长的时间，不易损坏。并且该pua的凹形复眼结构18可以重复使用多次，即不需要大量制作az4620的复眼结构母版7，仅需要该获得凹形复眼结构18，就能复制出大量成品，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

15、如图2(a17)所示，将具有pua凸面复眼结构21的第二pet基底8的两侧边缘固定在有一定夹角27的夹具26上，由于pet的柔韧性，使得pet基底会自然弯曲，从而形成了曲面复眼结构20。其中夹角θ可以根据是实际情况调节。

16、在曲面复眼结构20下装置coms传感器芯片25，可以组成具有成像功能的复眼结构成像系统，该系统具有全视角特点。

17、该方法的改进：如图3所示，在制作复眼结构母版时，改变掩膜板的各圆孔尺寸大小，可以制作非均匀pua凸面复眼结构28，同样经过上述步骤9、10，可以组成非均匀复眼结构系统29。这样的系统能让coms更好的接收到复眼结构汇聚的光线。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。