一种3D人工复眼及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D技术领域，尤其涉及一种3D人工复眼及其制备方法。
背景技术
飞蛾、甲虫和蟋蟀等昆虫都有复眼。复眼由包含成千上万个微米级的小眼组成，并排列在大小为毫米量级的球形眼上，使得复眼具有多种出色的特性和功能，如宽广的视野，高灵敏度检测和快速运动跟踪。因此，越来越多的研究人员试图模仿复眼的功能，以在广泛的领域中进行应用，如广角探测系统，内窥镜，数码相机和汽车自动驾驶等领域。
目前，各种关于制备人工复眼的方法也被提出，具体包括液体介电泳驱动制备方法、直接喷墨印刷制备方法、热回流制备方法、激光诱导的聚合物溶胀制备方法、表面能驱动的流体动力学制备方法和热压纹制备方法，尽管上述方法可以灵活地制备2D平面微透镜阵列（MLA），但很难用于制造3D曲形复眼。
最近，已经开始使用复杂的技术制备3D人工复眼，包括激光烧蚀辅助的干法或湿法蚀刻制备方法、分层回流制备方法、2D平面MLA膜的外部驱动变形制备方法以及其他受生物启发的技术制备方法。其中，激光烧蚀辅助干法或湿法蚀刻制备方法用于制备可在高温和高压条件下工作的二氧化硅3D人造复眼，但成本高，且制备工艺复杂；分层回流制备方法可以灵活地调整微透镜的几何形态，但由于技术上的限制，除非采用复杂的方法，否则视野只能限制在90°左右；使用外部驱动器将2D平面MLA膜变形为球形表面的制备方法是一种制备具有宽广且的可调视野的3D人工复眼的好方法，但必须在变形过程之前将2D薄膜从其主模具上卸下，这可能会污染或破坏薄膜。
因此，亟需一种3D人工复眼制备方法，不仅工艺简单、成本低且变化灵活，还能有高质量的光洁度，实现无失真成像和宽视野。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种3D人工复眼及其制备方法，不仅工艺简单、成本低且变化灵活，还能有高质量的光洁度，实现无失真成像和宽视野。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种3D人工复眼制备方法，所述方法包括以下步骤：
获取刚性平面微透镜阵列模具，所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面形成有多个向下凹陷而成的盲孔；
将聚二甲基硅氧烷及其交联剂以一定的重量比混合，并将所得到的混合物旋涂在所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上；
将所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的混合物进行烘烤固化，形成为具有一定粘性的凸面微透镜阵列膜；
利用聚二甲基硅氧烷制作而成的柔性半球挤压所述凸面微透镜阵列膜并烘烤，直至所述凸面微透镜阵列膜完全覆盖于所述柔性半球的外表面且粘在一起，并脱离所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面；
撤除对所述柔性半球的挤压，且利用所述柔性半球的恢复力，使所述凸面微透镜阵列膜向外逐渐凸起成球冠状并脱离所述柔性半球的外表面，即为制备得到的3D人工复眼。
其中，所述多个盲孔均具有相同的结构，且按照均匀有序阵列结构排列。
其中，所述将聚二甲基硅氧烷及其交联剂以一定的重量比混合，并将所得到的混合物旋涂在所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的步骤，具体为：
将聚二甲基硅氧烷及其交联剂以10：1的重量比混合，并将所得到的混合物以2000 r /min的速度旋涂在所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上1分钟。
其中，所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的混合物进行烘烤固化的步骤，具体为：
将所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的混合物在80°C下烘烤5分钟后固化。
其中，所述利用利用聚二甲基硅氧烷制作而成的柔性半球挤压所述凸面微透镜阵列膜并烘烤，直至所述凸面微透镜阵列膜完全覆盖于所述柔性半球的外表面且粘在一起，并脱离所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面的步骤，具体为：
在所述柔性半球上采用14牛顿力挤压所述凸面微透镜阵列膜，使所述凸面微透镜阵列膜完全覆盖于所述柔性半球的外表面，并在80°C下烘烤5分钟后，使所述凸面微透镜阵列膜粘在所述柔性半球的外表面，且脱离所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面。
其中，所述3D人工复眼的视场角为145.7°。
其中，所述方法进一步包括：
使用扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜对所述3D人工复眼进行检测。
其中，所述方法进一步包括：
通过热回流工艺制备所述刚性平面微透镜阵列模具。
本发明实施例还提供了一种3D人工复眼，其采用前述的3D人工复眼制备方法制备而成。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用弹性球（如柔性半球）被挤压到一粗糙表面（如凸面微透镜阵列膜）上时，通常在去除外部压力后，粗糙表面上的粒子会很容易地转移到弹性球的表面的原理，制备出3D人工复眼，不仅工艺简单、成本低且变化灵活，还能有高质量的光洁度，实现无失真成像和宽视野。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例一提供的3D人工复眼制备方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的3D人工复眼制备方法的应用场景中在14N的压力下制备的人造复眼的扫描电子显微镜图像。
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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例一中，提供的一种3D人工复眼制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、获取刚性平面微透镜阵列模具，所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面形成有多个向下凹陷而成的盲孔；
步骤S2、将聚二甲基硅氧烷及其交联剂以一定的重量比混合，并将所得到的混合物旋涂在所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上；
步骤S3、将所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的混合物进行烘烤固化，形成为具有一定粘性的凸面微透镜阵列膜；
步骤S4、利用聚二甲基硅氧烷制作而成的柔性半球挤压所述凸面微透镜阵列膜并烘烤，直至所述凸面微透镜阵列膜完全覆盖于所述柔性半球的外表面且粘在一起，并脱离所述刚性平面微透镜阵列模具的上表面；
步骤S5、撤除对所述柔性半球的挤压，且利用所述柔性半球的恢复力，使所述凸面微透镜阵列膜向内逐渐收缩成半球状并脱离所述柔性半球的外表面，即为制备得到的3D人工复眼。
具体过程为，在步骤S1中，通过热回流工艺制备刚性平面微透镜阵列模具，使得刚性平面微透镜阵列模具的上表面形成有多个向下凹陷而成的盲孔；其中，多个盲孔均具有相同的结构，且按照一定阵列结构排列。应当说明的是，盲孔的结构可以不相同；盲孔的排列方式也不限于阵列结构排列方式。
在步骤S2中，将聚二甲基硅氧烷及其交联剂（如固化剂、硬化剂）以10：1的重量比混合，并将所得到的混合物以2000 r / min的速度旋涂在刚性平面微透镜阵列模具的上表面上1分钟。应当说明的是，重量比、旋涂速度及时间，可以根据实际要求进行调整。
在步骤S3中，将刚性平面微透镜阵列模具的上表面上的混合物在80°C下烘烤5分钟后固化，使其形成为具有一定粘性的凸面微透镜阵列膜。
在步骤S4中，在聚二甲基硅氧烷制作而成的柔性半球上采用14牛顿力挤压所述凸面微透镜阵列膜，使凸面微透镜阵列膜完全覆盖于柔性半球的外表面，并在80°C下烘烤5分钟后，使凸面微透镜阵列膜粘在柔性半球的外表面，且脱离刚性平面微透镜阵列模具的上表面。应当说明的是，为了提高凸面微透镜阵列膜和柔性半球之间的粘性，柔性半球应具有一定粘性最佳。
在步骤S5中，利用弹性球被挤压到一粗糙表面上时，通常在去除外部压力后，粗糙表面上的粒子会很容易地转移到弹性球的表面的原理，此时撤除对柔性半球的挤压，利用柔性半球的恢复力，使凸面微透镜阵列膜向外逐渐凸起成球冠状并脱离柔性半球的外表面，得到3D人工复眼。此时，该3D人工复眼的视场角为145.7°。
在本发明实施例一中，所述方法进一步包括：
使用扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜对3D人工复眼进行检测，用以确保制备的3D人工复眼具有大量均匀分布的小眼，且具有高质量的光洁度。
如图2所示，对本发明实施例一中的一种3D人工复眼制备方法的应用场景做进一步说明：
小眼是构成复眼的单位，因此也是3D人工复眼可以实现清晰无失真的成像的关键所在。使用扫描电子显微镜（SEM）和激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）研究了凸膜弯曲变形对表面光洁度和小眼形态的影响。
图2（a）-（c）展示了在14N的压力下制备的人造复眼的SEM图像。该窗口显示了弯曲的微透镜阵列MLA，其均匀地覆盖在聚二甲基硅氧烷PDMS圆顶上而没有任何灰尘颗粒。高表面清洁度归功于高效方法，该方法减少了制备过程中的步骤数量，从而降低了灰尘颗粒污染的可能性。图2（c）展示了在曲面上形成的小眼的放大SEM图像。这些小眼显示出具有高表面光洁度的球形形态。这意味着该制备方法可以复制2D MLA主模的表面光洁度。使用LSCM，发现小眼的宽度和它们之间的间隙分别为20.8和4.4 mm。相比之下，在制备的2D平面凸MLA中，微透镜的宽度和间隙测量值分别为20.6和4.25 mm。
这是因为当膜从平面变为弯曲表面时其面积增加，增大了小眼的宽度以及它们之间的间隙。尽管粘合膜是球形的，但在制备的3D复眼中，小眼在x和y方向上的横截面宽度保持相等。此时，从3D人工复眼的不同区域中选出的50只小眼的宽度差异仅为0.5％。此外，小眼的高度和间隙测量值也显示出良好的一致性。 这些结果证实了用该方法制备均匀性好的3D人工复眼的高效性。
为了获得可靠的结果，还测量了在2N和6 N压力下形成的小眼的高度，宽度和间隙。在图2（a）、（b）、（c）中展示了在2N、6N和14N压力下形成的3D人造复眼的SEM图像。各种形态的小眼都能在这些图像中找到。值得注意的是，高效制备方法可以在曲面（当然包括MLA）上以100％的堆积密度转移各种微米或纳米颗粒。更重要的是，分批制备3D人工复眼的小眼形态和间隙没有明显差异，表明该制备方法对于批量生产3D人工复眼是可行的。
3D人工复眼的一个重要特征是视场角（FOV- field angle of view），它与复眼的宽度和高度密切相关。 FOV的理论值可以表示为：
FOV = 2arcsin4η/ 1+4η²
其中η是人造复眼的高宽比。复眼的高度与宽度之比随着压力增大到F = 14 N而增加，此后保持恒定。根据上式，随着高宽比的范围从0到0.5，FOV不断增加。因此，得出的结论是人造复眼在F = 14 N时具有145.7°的最大理论FOV值，可以进行广域成像。
3D人工复眼的光学成像功能是检验制备方法是否有效的关键因素。在光学显微镜的白光LED光源上放置一个黑色塑料片，透明字母为“A”，用电荷耦合器件照相机清晰观察由复眼的不同区域形成的图像。在照片边缘形成的图像变得模糊甚至失真。这归因于微透镜的非平面分布，这意味着聚焦清晰的图像只能位于球面的一小部分区域。当复眼向上移动时，电荷耦合器件照相机中的核心区域将变得模糊，并形成更宽的清晰“A”图像场。通过将物镜从远处调整到近处，可以清楚地观察到清晰的焦点，这些清晰的图像和清晰的焦点再次表明，PDMS半球上的微透镜具有较高的均匀性和出色的形貌，这表明即使制备过程中凸型MLA膜变形，高效制备方法对微透镜的形貌也影响不大。
相应于本发明实施例一中的一种3D人工复眼制备方法，本发明实施例二中还提供了一种3D人工复眼，其采用本发明实施例一中的3D人工复眼制备方法制备而成，具体请参见前述内容，在此不再一一赘述。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用弹性球（如柔性半球）被挤压到一粗糙表面（如凸面微透镜阵列膜）上时，通常在去除外部压力后，粗糙表面上的粒子会很容易地转移到弹性球的表面的原理，制备出3D人工复眼，不仅工艺简单、成本低且变化灵活，还能有高质量的光洁度，实现无失真成像和宽视野。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
