CN103975256B - 微透镜阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作微透镜阵列的方法，该方法包括以下步骤：以预定的载荷对一种形状记忆聚合物基材施加压力；压制所述形状记忆聚合物基材以形成微压痕阵列；将所述形状记忆聚合物基材浸泡在一种溶剂中，所述溶剂能够使所述形状记忆聚合物基材产生应力增强的溶胀效应，从而由于这些微压痕的应力增强的溶胀效应使所述微压痕阵列在所述形状记忆聚合物基材上形成对应的微突起阵列；然后加热所述形状记忆聚合物基材从而在所述微突起阵列下方的所述形状记忆聚合物基材上形成至少一个曲面。
Description
技术领域
本发明涉及一种微透镜阵列及一种简便、经济的制作所述微透镜阵列的方法。
背景技术
传统相机的设计基于对脊椎动物眼睛的仿生研究(单口径光学)，能够将视觉世界以高分辨率忠实地呈现出来。然而这种视觉系统很难获得广域视野和提取与运动相关的信息。
与脊椎动物的眼睛不同，昆虫的复眼是由曲面微透镜阵列构成的，该曲面微透镜阵列包括多个位于曲面上的微透镜。虽然昆虫复眼的分辨率相对较低，但是对于大视场(FOV)范围的局部和总体的运动分析是非常有效的。
由多个位于曲面上的微透镜组成的微透镜阵列(或者人工复眼)具有以下优点：大视场、高运动灵敏度、三维动态环境下快速、准确的导航、体积小、重量轻以及近乎无限的景深(DOF)等等。微透镜阵列(MLA)是一种有用的光学元件，在液晶显示、波前传感、图像记录、光学信号处理和信息互联等方面有着广泛的应用。
由于上述优点，一种基于复合MLA的人工视觉系统将是完全不同于传统相机的一种替代，并且将为大视场FOV成像和运动分析提供更加有效地视觉能力。
一种低成本、高效、且可靠的制造复合微透镜阵列(人工复眼)的方法在工程领域有着广阔的前景。目前为止，已经有几种方法见诸报道，除了传统的注塑方法外，还有液态透镜法、慢刀伺服方法和滚筒压印法等。所有这些方法更适用于大尺寸的透镜的制造(即透镜直径在毫米级及以上)。微透镜(即直径小于100微米)的制造是困难的，主要是由于下述原因，如在微注射成型中的高流阻(即注入到微管道/模具中)；在原模制造、软光刻、3D高精密加工和位置控制和微尺寸设备制造上的困难；以及利用传统半导体工艺制造微透镜的高成本和复杂工序。
一些特殊的工艺已开发出来用于微透镜阵列的制作，比如：喷墨印刷、软刻蚀法、电流体动力不稳定性法以及一些新的液体/溶剂法等。然而，这些方法均需要通过半导体工艺技术(例如光刻和腐蚀)预先制作预图案化的模具或掩膜，这些方法成本高昂且繁琐。
因此，一种简便、经济的制作包含有设置在曲面上的多个微透镜的复合微透镜的方法具有很大的需求。
概述
本发明克服了上述指出的复合微透镜阵列制作中的挑战，提出将几种基本方法加以整合来制作这些阵列。
根据本发明的第一示例性方面，提供了一种制作微透镜的方法，该方法包括以下步骤：以预定的载荷对一种形状记忆聚合物基材施加压力；压制所述形状记忆聚合物基材以形成微压痕阵列；将所述形状记忆聚合物基材浸泡在一种溶剂中，所述溶剂能够使所述形状记忆聚合物基材产生应力增强的溶胀效应，从而由于这些微压痕的应力增强的溶胀效应使所述微压痕阵列在所述形状记忆聚合物基材上形成对应的微突起阵列；然后加热所述形状记忆聚合物基材从而在所述微突起阵列的下方形成至少一个所述形状记忆聚合物基材的曲面。
所述加热在大约120℃的加热温度下进行。
所述加热温度的施加时间可持续大约1到5分钟。
所述的加热可以包括局部加热。
所述的局部加热可以在微突起阵列上的多处位点上进行，从而在所述微突出阵列下形成多处所述形状记忆聚合物的曲面。
所述的局部加热可以通过一个激光器提供。
所述的形状记忆聚合物基体在施加压力前可以具有曲面。
所述的施加压力可以在所述形状记忆聚合物基材上留下第一残余应力场，且所述压制可以在所述形状记忆聚合物基材上留下第二残余应力场；其中当所述第二残余应力场大于所述第一残余应力场时出现应力增强的溶胀效应。
上述的溶剂可以包含浓度为95％的乙醇，温度为大约22℃。
所述方法可以进一步包括在加热前，在从所述溶剂中取出所述微突起阵列之后在一个保温箱中稳定化处理所述微突起阵列的步骤。
所述的稳定化处理可在大约60℃到大约100℃的稳定温度范围内进行。
所述的稳定温度的施用期间为从大约几分钟到24小时。
每个微突起可具有约40μm的直径和约1μm的高度。
在权利要求14的方法中，其中每个微透镜的焦距约为500μm。
根据本发明的第二示例性方面，提供了一种微透镜阵列，所述微透镜阵列包括：形成于一种形状记忆聚合物基材的至少一个曲面上的微突起阵列，每个微突起构成一个微透镜。
所述微透镜阵列可根据第一示例性方面所述的方法制造。
两个示例性方面中所述的形状记忆聚合物基材可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
附图说明
为完整理解本发明并将其直接投入实际应用，下面通过随附的示意图通过非限制性实施方案仅以示例性实施方案的方式进行描述。
在附图中：
图1(a1)为根据本发明所述的方法使用球形圆锥压头来制备的压痕的形成示意图；
图1(b1)为根据本发明的方法制备出的球形压痕和对应的突起的示意图；
图1(a2)和(b2)分别为图1(a1)和(b1)的球形压痕和对应的突起的光学剖面图；
图1(a3)为根据本发明的方法使用正方锥形压头来制备的压痕的形成示意图；
图1(b3)为根据本发明的方法制备出的正方锥形压痕和对应的突起的示意图；
图1(a4)和(b4)分别为图1(a3)和(b3)的正方锥形压痕和对应的突起的光学剖面图；
图2(a1)和(a2)为根据本发明所述的方法在PMAA上制作的具有不同图案/密度的两种压痕阵列；
图2(b1)和(b2)为根据本发明所述的方法将图2(a1)和(a2)中的压痕阵列浸入到乙醇中后所产生的对应的透镜阵列；
图2(c1)所示的是根据本发明的方法制作的如图2(a1)、(a2)、(b1)、(b2)所示的压痕和突起的截面图；
图2(c2)所示的是浸泡在乙醇中不同时间后由压痕到突起的形貌演变过程；
图3(a1)为一个压痕阵列的表面轮廓图，在所述压痕阵列中，根据本发明所述的方法，在三种最大负载下用一个20μm的球形压头制备的3种不同尺寸的压痕；
图3(a2)所示的是将图3(a1)中的压痕阵列在乙醇中浸泡24小时后获得的MLA的表面轮廓图；
图3(a3)和(a4)所示的是根据本发明所述的方法，将图3(a2)中的MLA置于保温箱中，分别在25℃下放置168小时和在60℃下放置24小时后，获得的MLA的表面轮廓图；
图3(b)为根据本发明所述的方法，比较将透镜阵列在60℃下稳定24、168、360小时后获得的突起的轮廓图；
图3(c)所示的是三种不同尺寸的压痕/突起在本发明的制作过程步骤中中心点的变化曲线图(即压制压痕后、浸泡在乙醇中和在保温箱中稳定)；
图4(a)所示的为利用本发明所述的方法制备出的透镜阵列进行光学性能鉴定的实验设置；
图4(b1)和(b2)分别为图2(b1)中透镜阵列的焦点和投射成像；
图4(c1)和(c2)分别为图2(b2)中透镜阵列的焦点和投射成像；
图5所示为根据本发明所述的A工艺制备的复合MLA的示意图；
图6所示为根据本发明所述的B工艺制备的复合MLA的示意图；
图7所示的为根据本发明所述的A工艺制备出的复合MLA的表面轮廓图；以及
图8是本发明的MLA在用作内窥镜的成像透镜和照明透镜中的示意图。
详细描述
本发明所述的复合透镜阵列的制备方法包括整合两种基本方法。一种是基于将预变形的聚甲基丙烯酸甲酯(PMAA)浸入到酒精中产生的残留应力/应力增强的溶胀效应的微阵列制备方法，其中，体积膨胀率是残余应力和时间的函数，并且在乙醇中浸泡一定时间后会使体积膨胀率随着残余应力的增加而增加。第二种是基于市售的光学聚合物PMMA优异的形状记忆效应来形成具有曲面的基材，其中，所述的形状恢复过程取决于预变形历史和加热温度。
通过结合上述两种方法，可根据本发明所述的不同流程制备复合微透镜阵列(人工复眼)，所述复合微透镜包括形成于一个曲面上的多个微透镜。
单个微突起的制备
图1为制作微突起的示例性流程。将购买自新加坡Ying Kwang Acrylic的1mm厚、玻璃态转变温度为110℃的浇铸PMMA平板100切割成小样品用于我们的试验。使用CSMInstruments的显微硬度仪，于室温下在PMMA样品上压制出两种不同形状的压痕(参照图1(a1)和(a3))。在本发明的一个实施方案中，所用的压头110为锥角为90°、球面半径为20μm的球形圆锥金刚石压头。在本发明的另一个实施例中，所用的压头150为两边夹角为130°的正方锥形压头。所有的压痕试验都在室温(22℃)下进行，最大载荷为150mN，且加载/卸载速度为5mN/s(在加载和卸载之间有10s的保持时间)。产生的压痕用光学成像分析器进行表征，所述光学成像分析器结合了共焦和干涉测量技术，如图1(a2)和(a4)所示。
当压制到最大载荷P时，所对应的压痕的最大深度和直径/宽度分别用hi和wi表示，如图1(a1)和(a3)所示。压制后，压痕的残余最大深度和直径/宽度分别用hr和wr表示，如图1(b1)和(b3)所示。随后，该PMMA样品100在室温乙醇(浓度为95％)中浸泡24小时。图1(b1)和(b3)所示的是使用本发明所述方法通过乙醇的诱导在PMMA样品100上得到的突起130、170，所述的突起的高度为hf，直径(宽度为)wf。球形压痕(110)产生球形突起130，(图1(b2))；正方锥形压痕150产生正方锥形突起170(图1(b4))。突起130、170的形成，是PMMA在吸收乙醇的过程中的残余应力(在压痕110、150中)的增强的溶胀效应的结果。
微透镜阵列的制备及热稳定性
根据本发明，上述简单的两步法可以用来制备MLA。如图2所示。首先，在两片PMMA样品上制作具有不同排布图案/密度的两种压痕阵列(参见图2(a1)和(a2))；随后，将这些带有压痕阵列的PMMA样品浸泡在室温的乙醇中，9小时后，在这些PMMA样品上形成了不同排布图案/密度的微透镜阵列(参见图2(b1)和(b2))。图2(c1)显示的是压痕/突起的剖视图。这些透镜规则紧密的排列，单个尺寸直径约为40μm(wf)，高度(hf)约为1μm(参见图1中wf和hf的定义)。明显地，所需更大或更小直径及高度的透镜阵列也可以按照上述方法采用修改了大小的压头来制备。
图2(c2)进一步揭示了根据本发明所示的方法浸入在乙醇中不同时间后，由压痕到突起的演变过程。由于压制是在室温下进行的，此时PMMA是坚硬的，产生的球形压痕实际上为堆积状的。通过浸入到乙醇中，这种堆积逐渐长大直到最终形成球状突起(在大约4小时的浸泡后)并长大(这一有用的现象可以用于控制透镜阵列的密度和尺寸，从而调控透镜的曲率、圆锥常数和镜头焦距)。可以看到的是，9小时后，wf约为40μm，大约是wr的一倍；hf约为1μm，大约是hr的0.5倍。
由于本发明是基于或依赖于PMMA在浸入乙醇中的溶胀效应，所以乙醇在PMMA中的释放对于这些MLA的可靠性是一个需要考虑的问题。为此，按上述两步法在不同的PMMA样品上制备具有不同尺寸的球形透镜，然后将其置于25℃或者60℃的保温箱中。
图3(a1)所示的是根据本发明的一个实施例的压痕阵列300的表面轮廓图，其中，利用一个半径为20μm的球底锥形压头在不同的最大载荷下(即150mN、100mN、80mN)制备三种不同尺寸的压痕(在图3(a4)中标示为1，2和3)，在三种不同最大载荷下(分别是150mN、100mN、80mN)制备。图3(a2)揭示了在乙醇中浸泡24小时后生成的MLA的表面轮廓图。图3(a3)和(a4)显示的是经保温箱中热稳定实验后的两种典型的MLA表面轮廓图。可以发现，在25℃的保温箱中168小时后，这些MLA稳定下来，而如果保温箱温度设为60℃，那么稳定需要24小时。值得提出的是，加热过程可以在高温下稳定较短的时间，或者在低温下稳定较长的时间。例如，为了稳定，加热温度可在60℃到100℃的范围内，而加热时间可从几小时到几分钟。因此，高温下所需的稳定化时间较短。
图3(b)对比透镜在60℃的保温箱里24、168和360小时后的剖面图。可以得出结论，在60℃下24小时后，所有三个尺寸的透镜阵列均已稳定。图3(c)绘出了三种不同尺寸的压痕或突起的中心点(深度/高度)在整个过程中随时间的变化曲线(也就是压制后，浸泡在乙醇中，然后置于60℃的保温箱中)。可以看到整个过程有三个主要阶段。首先是浸泡在乙醇中的过程中微透镜的逐步形成(在24小时内从压痕到突起)。随后是由于乙醇的脱附引起的松弛(在60℃的保温箱中24小时内突起高度降低)。之后MLA变稳定(在60℃空气中保温360小时，尺寸无可见的变化)。
在60℃的保温箱中24小时后，稳定的MLA(图2(b1))具有直径为39.95±0.55μm、透镜中心间距40μm、下垂高度0.8±0.02μm的突起。
MLA的表征
投影实验在稳定后的MLA上进行。图4(a)示出了使用的演示实验设置400。光学视野410为光学显微镜(Axiotech 100HD，Zeiss)。PMMA MLA420放置在载物台上，用白光440透过在中心刻有字母E(尺寸：12x18mm)的掩模430从底部照射。投射到上部的影像通过CCD系统记录。图4(b)和(c)显示通过两个MLA(如图2(b1)和(b2)所示)的焦点和投影成像。通过光学显微镜400测得这些MLA的焦距为500μm。可以看到字母E都被清晰地投射。
对于一个理想的球形曲面，镜头的半径R、焦距f、数值孔径NA可由下列公式计算：
其中wf、hf和n分别为透镜的直径、下垂高度和PMMA的折射率。对于本实验中使用的PMMA，n约为1.49。
图4所示的MLA，计算出的半径为249.8μm，焦距为508.3μm(接近于测量值500μm)，数值孔径为0.04。对于图3(a4)中示出的三种类型的MLA(1、2和3)，计算得出的半径分别为120、130和210μm；焦距分别为240、260和440μm；而数值孔径分别为0.055、0.043和0.021。数值孔径和制备参数有关。使用前述的球底锥形压头110，理论最大数值孔径为0.35。
复合微透镜阵列的制备
根据本发明的一个实施方案的复合微透镜阵列的制备方法是上述方法的结合(其中，制作是基于将预变形后的PMMA基体浸泡在乙醇中产生的残余应变/应力增强的溶胀效应，这里体积溶胀率是残余应力和时间的函数，随后在乙醇中浸泡一定时间，这里体积溶胀率随残余应力的增加而增加)，且基于PMMA的形状记忆效应形成具有曲面的基材，这里形状恢复过程依赖于预变形历史和加热温度。
通过结合这两个方法，复合微透镜阵列(人工复眼)可按照本发明来制作。本发明的示例性实施方案(但不局限于)A和B描述如下：
方案A
第一步：在本发明的第一个实施方案中，一个带有曲面的(例如半球面或半圆柱形)PMMA样品500用最大载荷P1施加压力(例如使用Instron试验机510)。在经历加载/卸载过程后，一个残余应力场σr1在变形后的样品内保存下来，图5(a)显示了这一步。
第二步：在施加压力(第一步)后，如前所述，使用显微硬度仪530(CSNInstrument)，在预压后的PMMA样品上施加最大压载P2制作微压痕阵列520。在这一加载/卸载过程之后，一个残余应力场σr2在压痕阵列520周围保存下来。图5(b)显示了这一步。
第三步：在压痕(第二步)后，将该PMMA样品500浸泡入乙醇中。随着乙醇的吸收，在PMMA样品中发生溶胀。根据前述残余应力/应变增强的溶胀效应，如果σr2＞σr1，在PMMA样品上的压痕阵列520溶胀成微突起阵列540，如图5(c)所示。
第四步：在本发明的一个实施方案中，在微突起阵列540形成后，将PMMA样品500放置在保温箱让乙醇挥发。一般来说，如上所述，在60℃下24小时后将获得稳定的MLAs。随后将PMMA样品500在120℃下加热1～5分钟，在此之后，由于PMMA样品的形状恢复获得一个稳定的复合微透镜阵列550，该复合微透镜阵列550包括在一个曲面上的微透镜阵列，如图5(d)所示。
方案B
第一步：在本发明的第二个实施方案中，一片平板PMMA样品600，用Instron试验机610施加一个最大值为P1的载荷施加压力。在加载/卸载过程完成之后，一个残余应力场σr1储存在变形后的样品中，图6(a)显示了这一步。
第二步：在施加压力(第一步)之后，使用显微硬度仪630(CSN Instrument)在预压后的PMMA样品600上施加最大载荷P2来压制微压痕阵列620。在加载/卸载过程完成之后，一个残余应力场σr2储存在压痕阵列620的周围，图6(b)显示了这一步。
第三步：在压痕(第二步)后，将PMMA样品600浸泡在乙醇液中。随着乙醇的吸收，在PMMA样品中发生溶胀。根据前述残余应力/应变增强的溶胀效应，如果σr2＞σr1，PMMA样品600上的微压痕阵列620溶胀成微突起阵列640，如图6(c)所示。
第四步：在本发明的进一步的一个实施方案中，在微突起阵列640形成后，将PMMA样品600放置在保温箱中使乙醇挥发。一般来说，如上所述，在60℃下24小时后获得稳定的MLAs。之后将PMMA样品600在激光660或者其他媒介作用下加热。由于PMMA样品600的局部形状恢复，稳定的微透镜阵列650形成，该微透镜阵列650包括在至少一个曲面上的至少一个微突起列阵，如图6(d)所示。
为了验证根据本发明的实施方案的方法，按照方案A，一个在曲面或半圆柱形PMMA基材700上成功制备了微透镜阵列710，如图7所示。
商业应用
具有大视场的复合微透镜阵列在医疗、工业和军事领域有巨大的应用潜力。进一步的应用包括：全景监控影像的摄像机；用于微型飞行器导航控制的视觉传感器；视障人士的冲撞预警系统；用于智能机械、机器人、微型空中飞行器、3D显微镜、发光二极管和医用器械的视觉传感器。
根据本发明制造的MLA的一个进一步潜在应用是在内窥镜的端部示出(见图8)。内窥镜端部有两种镜头，均可被根据本发明制造的MLA取代。对于照明镜头来说，复合微透镜阵列能提供大的照明角度；对成像镜头来说，复合微透镜阵列能获得大视场下的成像。
表1总结了目前采用的不同复合微透镜阵列的制备方法和本发明方法的对比。
表1
虽然前述实施例有具体描述，对于本领域技术人员可以理解的是在不偏离本发明的保护范围内对设计或实施的细节可以进行多种变化和修改。例如，尽管前述中的形状记忆基体为PMMA，其它形状记忆聚合物基材，如聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚亚胺酯(PU)等，也可采用。除了乙醇，其他能够使形状记忆聚合物基体产生应力增强的溶胀效应的化学溶剂，比如甲醇，也可以用于溶剂池中的溶剂。然而，由于甲醇对人体的危害程度比较大，乙醇是优选。
Claims (17)
1.一种微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：
首先以预定的载荷对一种形状记忆聚合物基材施加压力；
然后压制所述形状记忆聚合物基材以形成微压痕阵列；
将所述形状记忆聚合物基材浸泡在一种溶剂中，所述溶剂能够使所述形状记忆聚合物基材产生应力增强的溶胀效应，从而由于这些微压痕的应力增强的溶胀效应使所述微压痕阵列在所述形状记忆聚合物基材上形成对应的微突起阵列；
然后加热所述形状记忆聚合物基材从而在所述微突起阵列下方的所述形状记忆聚合物基材上形成至少一个曲面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热在120℃的加热温度下进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热的施加时间可持续1到5分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的加热包括局部加热。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的局部加热在微突起阵列上的多处位点上进行，从而在所述微突起阵列下形成多处所述形状记忆聚合物的曲面。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述局部加热通过一个激光器提供。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的形状记忆聚合物基材在施加压力前具有曲面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的施加压力在所述形状记忆聚合物基材上留下第一残余应力场，且所述压制在所述形状记忆聚合物基材上留下第二残余应力场；其中当所述第二残余应力场大于所述第一残余应力场时出现应力增强的溶胀效应。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的形状记忆聚合物基材包括聚甲基丙烯酸甲酯。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂包含浓度为95％的乙醇，温度为22℃。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在从所述溶剂中取出所述微突起阵列之后在一个保温箱中稳定化处理所述微突起阵列的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的稳定化处理是在60℃到100℃的稳定温度范围内进行。
13.根据权利要求12中所述的方法，其中所述稳定温度的施加时间为从几分钟到24小时。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的微突起的直径约40μm，高度约1μm。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，每个微透镜的焦距约为500μm。
16.一种微透镜阵列，所述微透镜阵列包括：
形成于一个形状记忆聚合物基材的至少一个曲面上的微突起阵列，每个微突起构成一个微透镜，所述微透镜阵列是根据权利要求1至5任一项所述的方法制作的。
17.根据权利要求16所述的微透镜阵列，其中，所述的形状记忆聚合物基材包括聚甲基丙烯酸甲酯。
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