CN104216035A - 位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，采用激光光刻工艺在基板上制作单或多层柱状光刻胶阵列,通过改变曝光剂量使阵列中柱状光刻胶的高度和形貌按一定规律排布，通过升温、降温过程使柱状光刻胶阵列回流成微透镜；在所述光刻胶微透镜阵列上旋转涂一种聚合物并使其固化形成柔性模具、将所述柔性模具通过气压的作用弯曲成曲面、在所述曲面柔性模具中滴加光学树脂，剥离后形成变焦距复眼微透镜、将此微透镜安装在成像光纤顶端。本发明的曲面微透镜能够批量生产，成本低，曲面的曲率，曲面上微透镜的焦距、面径和间距可控。

Description

位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件的制造方法，尤其涉及一种位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法。

背景技术

目前微创手术和内窥镜诊疗通常使用的是二维成像系统，难以获得手术器械与人体组织的距离信息，容易造成对于血管壁，肠壁等的损伤；也无法测量受感染组织的体积，医生只能靠经验决定手术范围。而三维内窥成像系统可以提供上述信息，从而提高诊断准确性，降低手术难度，成为该领域的一个研究热点。

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，由于每个“小眼”的观察角度不同，接合在一起就形成了整个视场的立体图像。并且由于每个“小眼”的焦距只有几百微米到几毫米，使整个成像系统既能实现微型化，又特别适合对毫米到厘米范围内的物体成像，这些特点使人工复眼系统特别适用于三维内窥成像系统。2012年，日本静冈大学的K.Kagawa等在医疗内窥镜前端设置复眼透镜，扩大了视场角，获得了景深更大、更为清晰的组织照片；2013年5月，自然(NATURE)杂志发表了题为“Digital cameras with designsinspired by the arthropod eye”(由昆虫眼睛得到启发的相机)的论文，采用复眼透镜实现了3维的数字照相机。在国内清华大学、中科院长春光机所、哈尔滨工业大学、大连理工大学等也开展了复眼透镜的研究，提出了一些针对复眼成像的成像算法。

目前常用的实现曲面复眼成像的方法是采用制作在球面基底上的均一微透镜阵列结构。由于这些微透镜是均一的，焦距相同，导致他们所形成的聚焦面也是球面。由于成像光纤的端面是通过抛光形成的平面，造成大部分微镜头不能在成像光纤的端面上有效聚焦，这种现象降低了成像质量，尤其使边缘的成像发生模糊，也相应地降低了视场角，由于在内窥系统中，对管壁的观察很重要，要求视场角越大越好，因此必须将曲面的微透镜阵列形成的聚焦面转换成平面。

解决上述技术难题的一个解决方案是在曲面上制造焦距不同的微透镜阵列，即在曲面基底上设计非均一的微透镜阵列。每个微透镜的焦长由该透镜所处位置决定，与透镜中心沿视场光线方向到成像光纤端面的距离相吻合，从而将曲面上微透镜阵列的聚焦面转换为一个平面，保证处于任意位置的微透镜都能在光电探测器上获得理想的成像质量。

目前加工毫米级以上微透镜的方法主要采用金刚石钻头或激光加工模具，然后再利用模具筑模获得微透镜，制作毫米级以下的复眼透镜通常采用一些特种的加工方法，例如离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法等。由于这些特殊的加工方法的可控性较差，微透镜阵列形状精度难以保证，目前还无法实现上述焦距非均一且准确可控的曲面微透镜阵列。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供了一种曲面变焦距复眼微透镜的制作方法并将其应用于成像光纤顶端，该方法获得的曲面复眼成像光纤可以用于实现三维内窥成像系统，提高内窥诊疗和微创手术的技术水平。

所述一种位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其具体步骤为：采用激光光刻工艺在基板上制作单或多层柱状光刻胶阵列,通过改变曝光剂量使阵列中柱状光刻胶的高度和形貌按一定规律排布；通过严格控制的升温、降温过程使所述柱状光刻胶阵列回流成微透镜；在所述光刻胶微透镜阵列上旋转涂抹一种聚合物并使其固化形成柔性模具、将所述柔性模通过气压的作用变形成为曲面柔性模具、在所述曲面柔性模具中滴加光学树脂，剥离后形成变焦距复眼微透镜、将此微透镜通过一管状连接件安装在成像光纤顶端，其与成像光纤端面的距离经调节获得最佳成像效果后，与成像光纤通过胶粘等方式固定。

作为优选，所述基板的材料选用硅片，硅片上可以有氧化硅、氮化硅介质层或其他薄层材料。

作为优选，所述光刻胶选用正性光刻胶，其厚度在1-100微米之间。

作为优选，组成所述柱状光刻胶阵列的每个光刻胶柱的曝光剂量按照设计逐一确定，并通过激光光刻机实现。

作为优选，所述柱状光刻胶的底面可以为圆形、椭圆形或任意多边形，可以是单层或多层柱状结构。

作为优选，通过严格控制的升温、降温过程使所述柱状光刻胶阵列回流成微透镜。

作为优选，所述柔性模具的材料选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

作为优选，通过柔性模具上、下面的气压差使其弯曲成曲面。

作为优选，通过控制旋转涂覆所述聚合物的旋转速度，可以控制所述柔性模具的厚度，从而控制所述柔性模具在气压作用下形成所述曲面的曲率。

作为优选，通过控制所述旋转涂敷聚二甲基硅氧烷的旋转速度，可以控制所述柔性模具的厚度范围在60-300微米之间，从而控制所述柔性模具在气压作用下形成所述曲面的曲率。

作为优选，所述光学树脂可以通过紫外光照射、加温等方法实现快速固化。

作为优选，所述光学树脂固化后形成的曲面变焦距复眼微透镜胶接在一管状连接件的顶端，此管状连接件再固定在成像光纤顶端。

作为优选，通过调节所述管状连接件的位置，可以获得曲面变焦距复眼微透镜与成像光纤端面的最优距离以获得最佳成像效果，并可用胶粘的方式固定此位置。

综上所述，本发明提供的一种曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，具备以下优点：

1、曲面上微透镜的焦距可控。微透镜的焦距由激光光刻的曝光剂量和之后的热回流过程决定，可以通过设定热回流的升温、降温过程，调整曝光剂量来控制微透镜的焦距，控制精度可以达到微米级。

2、曲面上微透镜的面径和间距可控。微透镜的面径和间距由设置的激光光刻版图决定，面径范围可以在5-1000微米之间选择，最小间距为1微米。

3、曲面的曲率可控。通过控制旋转涂抹硅橡胶的旋转速度，可以控制柔性模具的厚度。当将柔性模具贴在一真空小孔的表面时，由于真空的作用使阴模弯曲，柔性模具越薄，在真空作用下的弯曲量越大，从而获得更大的曲率。反之，柔性模具越厚，在真空作用下的弯曲量越小，获得的曲率越小。

4、由于一片硅片上可以同时加工出成百上千个光刻胶模具,而每个光刻胶模具可以翻印出几十片柔性模具，因此可以实现大批量生产，有效降低成本。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明不局限于实施例。

附图说明

图1为较佳实施例中制作光刻胶微透镜的工艺流程图，其中：

A为在基板表面旋转涂覆正性光刻胶；

B按照预先设定的曝光剂量进行激光光刻并显影；

C热回流；

图2为较佳实施例中在光刻胶微透镜阵列上通过旋转涂抹聚二甲基硅氧烷(PDMS)以获得柔性模具的示意图。

图3为较佳实施例中聚二甲基硅氧烷的旋转涂抹速度与厚度的关系图。

图4为较佳实施例中通过真空小孔使柔性模具形成曲面，并注入光学树脂获得曲面变焦距复眼微透镜的示意图。

图5为较佳实施例制得的具有不同焦距的曲面复眼透镜示意图。

图6为较佳实施例的曲面复眼透镜的垂直剖面图,此实施例获得的曲面复眼透镜的面径为2毫米。

图7为较佳实施例中位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的装配示意图。

具体实施方式

下文通过结合附图及实施例，对本发明做进一步阐述。

一种位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，具体实施步骤为：

1.采用微加工工艺在基板10上制作变焦距光刻胶透镜阵列50；

参考图1A，基板10可以采用硅片,在基板10上热氧化生成一层二氧化硅层20,通过一次或多次旋转涂覆在二氧化硅层20上形成光刻胶层30。光刻胶层的厚度范围是1-100微米。本实施例采用的是正性光刻胶AZ4620，其厚度优选为32微米。

参考图1B,采用激光光刻机曝光光刻胶层30，曝光剂量与显影掉的光刻胶厚度具有比例关系，本实施例中采用的数值是32.8nm/mJ，激光光刻设备可以在不同位置设置不同的曝光剂量，通过这一性质，可以获得图1B所示的高度不同的六棱柱40，其面径为200μm，厚度范围是15-32微米。此外，光刻胶柱体40的底面形状还可以为圆形、椭圆形或任意多边形，亦可以是单层或多层柱状结构(图上未表示)。

如图1C所示，在本实施例中，将上述基板10放置在一热板上逐步升温至165℃，维持约10分钟后，逐步降温至室温。光刻胶柱体40回流获得聚合物微透镜50。按照不同光刻胶种类和厚度，升到的最高温度范围为100-220℃，升降温时间范围为30min-12小时。

2.在所述光刻胶微透镜阵列50上旋转涂敷聚二甲基硅氧烷(PDMS)并使其固化形成柔性模具60。

如图2A所示，在所述聚合物微透镜50阵列上通过旋涂法涂覆1:10的聚二甲基硅氧烷(PDMS)；如图2B所示，聚二甲基硅氧烷固化后剥离得到柔性模具60。旋转涂敷的速度越高，获得的柔性模具的厚度越薄，如图3所示是转速与厚度的关系。本实施例采用的转速为600rpm,获得的厚度为130微米。

3.将所述柔性模具贴在一真空小孔的表面，通过真空的作用使所述柔性模具形成曲面。

如图4所示，将上述获得的柔性模具60贴在一真空小孔表面，由于真空的作用使所述柔性模具60弯曲成一个曲面，通过控制旋转涂覆所述PDMS的旋转速度，可以控制所述柔性模具60的厚度，从而控制真空作用下形成曲面的曲率。将光学树脂注入柔性模具60中，经快速固化后形成曲面变焦距的复眼透镜70。本实施例中使用的光学树脂为紫外固化的光学树脂(Norland Optical Adhesive61)。

本发明的曲面复眼透镜70如图5所示，由在一曲面上分布的微透镜阵列组成。图6是图5所示的曲面复眼透镜一个实施例的垂直剖面图，其面径为2毫米，每个微透镜的焦距按照一定规则设置，使通过每个透镜的光线均能聚焦在一个平面上,从而与成像光纤的平整端面相匹配。

4.将曲面变焦距复眼透镜70通过一管状连接件安装在成像光纤顶端。

如图7所示，将光学树脂固化后形成的曲面变焦距复眼微透镜70胶接在一管状连接件80的顶端，使用的是同样的紫外固化光学树脂(Norland Optical Adhesive61)。将此管状连接件80与成像光纤90装配在一起，通过调节所述管状连接件80的位置，可以获得曲面变焦距复眼微透镜80与成像光纤端面的最优距离以获得最佳成像效果，并用胶粘的方式将管状连接件80固定在成像光纤90上，本实施例中使用的是紫外固化光学树脂(NorlandOptical Adhesive61)。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (12)

1.一种位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于具体步骤为：

采用激光光刻工艺在基板上制作单层或多层的柱状光刻胶阵列,通过在不同曝光位置设置不同的曝光剂量使阵列中柱状光刻胶的高度和形貌按一定规律排布；

通过升温、降温过程使所述柱状光刻胶阵列回流成微透镜阵列；

在所述微透镜阵列上旋转涂覆一种聚合物并使其固化形成柔性模具，将所述柔性模具通过气压的作用变形成为曲面柔性模具；

在所述曲面柔性模具中滴加光学树脂，剥离后形成变焦距复眼微透镜；

将所述变焦距复眼微透镜通过一管状连接件安装在成像光纤顶端。

2.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述基板的材料选用硅片，硅片上可以是氧化硅或氮化硅介质层。

3.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述光刻胶选用正性光刻胶，其厚度在1-100微米之间。

4.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，组成所述柱状光刻胶阵列的每个光刻胶柱的曝光剂量按照设计逐一确定，并通过激光光刻机实现。

5.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述柱状光刻胶可以是单层或多层柱状结构，其底面可以为圆形或椭圆形或多边形，面径范围在5-1000微米之间，最小间距为1微米。

6.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述升温、降温过程的最高温度范围是100-220℃。

7.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

8.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，通过所述柔性模具上、下面的气压差使其弯曲成曲面。

9.根据权利要求1所述的制造位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的方法，其特征在于，通过控制旋转涂覆所述聚合物的旋转速度，可以控制所述柔性模具的厚度，从而控制所述柔性模具在气压作用下形成所述曲面的曲率。

10.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述光学树脂可以通过紫外光照射或加温的方法实现快速固化。

11.根据权利要求1所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，所述曲面变焦距复眼微透镜胶接在一管状连接件的顶端，此管状连接件底端固定在成像光纤顶端。

12.根据权利要求11所述的位于成像光纤顶端的曲面变焦距复眼微透镜的制作方法，其特征在于，还包括调节所述管状连接件的位置、获得所述曲面变焦距复眼微透镜与成像光纤端面的最优距离以获得最佳成像效果、并采用胶粘方式固定的步骤。