CN101029939A - 焦距和视场可调的液体微镜头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

焦距和视场可调的液体微镜头及其制造方法涉及的是一种将微流体控制器件、弹性体微变形控制、表面梯度处理技术相结合的焦距和视场可调的微镜头的设计和制造工艺，该液体微镜头包括镜筒(1)、轴向变形压电材料(2)、第一液体镜片(3)、第二液体镜片(4)、第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)；其中，第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)分别位于镜筒(1)的内壁上，在镜筒(1)内壁上的其余部分设有轴向变形压电材料(2)，在第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)的内圆中分别对应设有第一液体镜片(4)、第二液体镜片(3)。

Description

焦距和视场可调的液体微镜头及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种将微流体控制器件、弹性体微变形控制、表面梯度处理技术相结合的焦距和视场可调的微镜头的设计和制造工艺，属于微细制造、表面改性技术和微光学技术相交叉的技术领域。

发明背景

随着对便携式摄像装置的需求越来越大，各种手机、笔记本、监视器的微型镜头模组的生产、组装等形成了一个庞大的电子制造的特色产业。全球每年手机的产能接近9亿部，其中大约5.6亿部左右是摄像手机，因此对于各种尺寸的摄像镜头的需求也十分的惊人。目前市场上的微型镜头主要采用小型的玻璃或者塑料通过注塑方法得到小镜头。然后通过光学几何设计，将小型的镜头集成在位置可调的微型镜筒内，通过调节镜头的安装螺纹改变镜头的位置，或者通过直线电机带动镜头的组件运动，完成自动改变镜头位置的目的。

由于通过机械方法改变焦距对于日益的小型化而言逐渐成为工艺和设计的难点，目前国际上多家公司提出一种可调节焦距的液体微行镜头的设计和相关的专利。专利US6014259，6538823，6545815，6545816，6625351，6665127，6768536，6778328，6829415，6847493，6893877等提出了液体微镜头的设计与研究装置。系统提出了基于电电浸润效应的可变曲率/焦距的微液体透镜以及相关的光学检测系统和校准装置的设计。PHLIPS和VARIOPTIC推出了利用电浸润效应的液体微镜，可以在微小的空间调节镜头的焦距。另一种设计是ASTART公司采用压电材料的膜片改变液体膜的曲率方向和半径，从而得到液体透镜的可变焦距特性。LUCENT申请了相关的专利，提出了改变电极的设计、电极的表面特性、电极间表面特性等方法来调节液体微镜头的焦距。所有这些研究，如何在手机、笔记本电脑等上使用的微型摄像头上实施调节焦距与曲率同时进行的部件，应用得很少。同时，采用微型机械传动或者直线电机驱动完成焦距可调或者视场可调的单功能的部件已经得到了产业化，但是同时调节的部件产业化的报道很少。国内相关的研究很少，通过检索，可以知道微小镜头组件的焦距和视场可调的组件的制造相关的工艺和方法未见相关的报道。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种焦距和视场可调的微镜头及其制造方法，针对目前微镜头镜组无法实现视场和镜头的同时可调以实现镜组在近距离和远距离之间实现精密聚焦。

技术方案：本发明是一种完成焦距和视场可调的微型液体镜头设计和制造方法。即是一种利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜封装微量液体，将微流体控制器件、弹性体微变形控制、表面梯度处理技术相结合的焦距和视场可调的微镜头的设计和制造工艺。并成功应用于手机微型镜头的制造过程中。

本发明的焦距和视场可调的液体微镜头包括镜筒、轴向变形压电材料、第一液体镜片、第二液体镜片、第一圆环形径向压电材料、第二圆环形径向压电材料；其中，第一圆环形径向压电材料、第二圆环形径向压电材料分别位于镜筒的内壁上，在镜筒内壁上的其余部分设有轴向变形压电材料，在第一圆环形径向压电材料、第二圆环形径向压电材料的内圆中分别对应设有第一液体镜片、第二液体镜片。第一圆环形径向压电材料由第一圆弧形径向压电材料、第二圆弧形径向压电材料、第三圆弧形径向压电材料、第四圆弧形径向压电材料分段环绕在镜片四周所组成。第一液体镜片或第二液体镜片由PDMS薄膜上片、PDMS薄膜下片封装液体组成。

本发明的焦距和视场可调的液体微镜头的制造方法为：

1).将PDMS薄膜上片、PDMS薄膜下片粘接形成封装液体的微腔，得到第一液体镜片或第二液体镜片；

2).将第一圆环形径向压电材料、第二圆环形径向压电材料分别包围第一液体镜片或第二液体镜片；

3).将第一圆环形径向压电材料、第二圆环形径向压电材料、第一液体镜片、第二液体镜片与轴向变形压电材料连接；

4).将以上的连接体组装在镜筒的内壁；

PDMS微腔的制造方法如下：

1)PDMS型腔的制造采用微细加工的方法获得微细模具，

2)将PDMS注入微模具，固化；

3)将PDMS从微模具中剥离开来；

4)在PDMS表面覆盖PDMS片形成微流体的微腔。

基于PDMS微腔的微镜头的制造可以采用如下方法：

1)采用激光/准分子激光加工的工艺，采用直接光照或者激光扫描或者基片扫描的方法，在PDMS表面获得微腔；

2)将另一层PDMS片与该PDMS层粘接形成密封的联接；

3)将液体通过流体接口注入微腔并用PDMS封住。

可在PDMS薄膜上片、PDMS薄膜下片的外表面粘接压电材料。

有益效果：采用本发明的方法，获得焦距可调和视场可调的微镜模组。当完成模组的组装以后，在镜头的前端放置物体，通过与镜头模组连接的CCD/CMOS图象处理芯片，在计算机图象处理软件的控制下可以得到不同清晰度和放大倍率的像。针对目前微镜头镜组无法实现视场和镜头的同时可调以实现镜组在近距离和远距离之间实现精密聚焦。

附图说明：

图1为焦距和视场可调的微镜头镜组的结构示意图。其中有：镜筒1、轴向变形压电材料2、第一液体镜片3、第二液体镜片4、第一圆环形径向压电材料5、第二圆环形径向压电材料6。

图2为图1中A-A剖面结构示意图。其中有：第一圆弧形径向压电材料51、第二圆弧形径向压电材料52、第三圆弧形径向压电材料53、第四圆弧形径向压电材料54。

图3为液体镜片的结构示意图。其中有：PDMS薄膜上片31、PDMS薄膜下片32、封装液体33。

图4为一种获得PDMS膜的电极与处理层的制造工艺，其中有：硅基体7，涂光刻胶8，掩膜9，暴光10，显影11，注入PDMS12，剥离PDMS13，PDMS表面SAM不同特性的膜层14，PDMS片表面SAM不同特性的膜层和电极层15。

图5为PDMS膜包含电极与处理层的平面布局图，其中有：第一特性层16，第二特性层17，第三特性层18，第四特性层19，第五特性层20，电极21。

具体实施方式

本发明的焦距和视场可调的微镜头镜组的实施方式如下：1)在PDMS或者其他透明薄膜利用微细注塑的方法形成微流体的微腔，具体的制造工艺如图4所示，获得的微腔的平面布局如图5所示；2)PDMS的粘接采用通用的等离子处理后(氧气在100---1500W，真空500Torr左右的微波等离子处理装置处理15-60min)加压粘接(压强1000Pa左右)；3)将用注射器液体或者水注入容腔并用氧等离子处理过的PDMS薄膜密封注入口(容腔的最大压力10Psi左右)；4)给PDMS微腔外面的压电薄膜(PVDF)施加电压(0-450V)，或者给原环压电陶瓷、轴向压电陶瓷(PZT)施加驱动电压(0-450V)，改变薄膜曲率(薄膜形变0-100um/mm)；5)将原环压电陶瓷、轴向压电陶瓷和液体微镜集成到摄像微镜筒；6)将镜筒与手机镜头的检测模组连接。

本发明的焦距和视场可调的微型液体镜头设计和制造是采用如下的方案实现的：

1)在PDMS透明薄膜内封注液体；

2)利用压电材料改变透明薄膜的形变以改变微液体的形状；

3)改变微镜头的曲率或者微镜头在光路中的位置；

4)从而完成焦距和视场的可调。

具体实施方案如附图1所示。该液体微镜头包括镜筒1、轴向变形压电材料2、第一液体镜片3、第二液体镜片4、第一圆环形径向压电材料5、第二圆环形径向压电材料6；其中，第一圆环形径向压电材料5、第二圆环形径向压电材料6分别位于镜筒1的内壁上，在镜筒1内壁上的其余部分设有轴向变形压电材料2，在第一圆环形径向压电材料5、第二圆环形径向压电材料6的内圆中分别对应设有第一液体镜片4、第二液体镜片3。

PDMS微腔的制造如下：1)PDMS型腔的制造采用微细加工的方法获得微细模具，2)将PDMS注入微模具，固化；3)将PDMS从微模具中剥离开来；4)在PDMS表面覆盖PDMS片形成微流体的腔。

基于PDMS微腔的微镜头的制造可以采用如下方法：1)采用激光/准分子激光加工的工艺，可以采用直接光照或者激光扫描或者基片扫描的方法，在PDMS表面获得微腔；2)将另一层PDMS片与该PDMS层粘接形成密封的联接；3)将液体通过流体接口注入微腔并用PDMS封住。

在PDMS微腔的外面粘接压电材料组成的膜层/片层/棒，通过给压电材料施加电压，压电材料产生变形从而改变微液体透镜的曲率。

通过改变压电材料的电压，改变压电材料的驱动位移，达到改变液体微镜在光路中的位置。

将液体微镜头连结到光学检测座上，通过控制电路板对镜头施加变形，完成对镜头的检测。

本发明提出的微小流体镜头的制造工艺如下：1)采用微细加工的工艺例如IC工艺、MEMS工艺、微切削工艺、激光加工工艺在基体表面获得微流体芯片的微模具；2)采用微注塑的工艺将PDMS注入微模具；3)将PDMS从微细模具中剥离；4)将PDMS的注塑件与PDMS片进行可剥离的粘接，形成微流体的型腔；5)在微细流道内注入不同的特性的溶液；6)将溶液排出微流体芯片的流道；7)在PDMS片的表面没有流体处理的地方采用保护蒸发或者压映的方法沉积一层导电的电极；8)将PDMS层弯曲得到一种固定流体镜片的镜筒并用玻璃或者透明树脂片封住镜筒的两端；9)在镜筒内用气泡隔离液滴；10)通过控制电极的导电控制液滴的运动和液滴的弯曲半径；11)将镜筒与手机镜头的检测模组连接。

本发明提出的微细镜头的制造工艺也包括如下的工艺：1)采用PVDF材料或者分段PVDF材料做成镜筒；2)在PVDF材料的表面采用固定电极；3)将包含液体的PDMS薄膜分端填充到镜筒内；4)镜筒两端由玻璃和透明树脂固定5)给PVDF材料施加电场，改变PDMS薄膜的位置和曲率；6)将镜筒与手机镜头的检测模组连接。

本发明提出的微细镜头的制造工艺也包括如下的工艺：1)将微量的液体填充透明的PDMS薄膜；2)采用压电陶瓷材料对PDMS薄膜施加外界机械作用；3)PDMS薄膜在外界机械作用下产生变形改变了透镜的曲率半径；4)液体透镜封装镜筒；5)将镜筒与手机镜头的检测模组连接。

Claims (7)

1.一种焦距和视场可调的液体微镜头，其特征在于该液体微镜头包括镜筒(1)、轴向变形压电材料(2)、第一液体镜片(3)、第二液体镜片(4)、第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)；其中，第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)分别位于镜筒(1)的内壁上，在镜筒(1)内壁上的其余部分设有轴向变形压电材料(2)，在第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)的内圆中分别对应设有第一液体镜片(4)、第二液体镜片(3)。

2.如权利要求1所述的焦距和视场可调的液体微镜头，其特征在于第一圆环形径向压电材料(5)由第一圆弧形径向压电材料(51)、第二圆弧形径向压电材料(52)、第三圆弧形径向压电材料(53)、第四圆弧形径向压电材料(54)分段环绕在镜片四周所组成。

3.如权利要求1所述的焦距和视场可调的液体微镜头，其特征在于：第一液体镜片(4)或第二液体镜片(3)由PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)封装液体(33)组成。

4.一种如权利要求1所述的焦距和视场可调的液体微镜头的制造方法，其特征在于制造的方法为：

1).将PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)粘接形成封装液体(33)的微腔，得到第一液体镜片(4)或第二液体镜片(3)；

2).将第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)分别包围第一液体镜片(4)或第二液体镜片(3)；

3).将第一圆环形径向压电材料(5)、第二圆环形径向压电材料(6)、第一液体镜片(4)、第二液体镜片(3)与轴向变形压电材料(2)连接；

4).将以上的连接体组装在镜筒(1)的内壁；

5.如权利要求4所述的焦距和视场可调的液体微镜头的制造方法，其特征在于PDMS微腔的制造方法如下：

1)PDMS型腔的制造采用微细加工的方法获得微细模具，

2)将PDMS注入微模具，固化；

3)将PDMS从微模具中剥离开来；

4)在PDMS表面覆盖PDMS片形成微流体的微腔。

6.如权利要求4所述的焦距和视场可调的液体微镜头的制造方法，其特征在于基于PDMS微腔的微镜头的制造可以采用如下方法：

1)采用激光/准分子激光加工的工艺，采用直接光照或者激光扫描或者基片扫描的方法，在PDMS表面获得微腔；

2)将另一层PDMS片与该PDMS层粘接形成密封的联接；

3)将液体通过流体接口注入微腔并用PDMS封住。

7.如权利要求4所述的焦距和视场可调的液体微镜头的制造方法，其特征在于：可在PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)的外表面粘接压电材料。

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