CN104834030B - 一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法，包括：(1)根据平面微透镜阵列单元的大小，确定平面微孔光阑阵列中光阑单元的尺寸，并根据需要确定阵列边缘倾斜角度；(2)选定制作平面微孔光阑阵列母版的工件，保证刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中进行高速旋转，在旋转到最低端时对表面进行切削，同时刀具切削路径沿着直线运动，从而在被加工材料表面切削微沟槽阵列；(3)将工件旋转90°，进行飞刀车削，重复步骤(2)进行微沟槽阵列加工，最终形成凸型微四棱锥阵列；(4)将得到的四棱锥阵列进行电铸，翻印得到电铸材料的平面微孔光阑阵列结构。本发明可实现光阑阵列和透镜阵列的自动对正，且有效解决了透镜阵列和光阑阵列装调困难的问题。

Description

一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法

所属技术领域

本发明涉及到一种可实现用于平板透镜阵列的仿生复眼的结构设计及其光阑一体成型加工技术，属于光学成像系统设计领域，同时属于光学加工领域。

背景技术

昆虫复眼的光学结构可通过多个子眼把视场分割为若干部分分别成像，每个子眼只能形成一个像点，众多子眼形成的像点拼合成一幅图像。每个子眼由一个凸透镜、一个晶锥和若干个感光细胞组成，分别起到收集光束、限制视场角和感光作用。近年来，人们仿照昆虫复眼的成像原理，设计了仿生复眼成像系统。这种系统具有结构紧凑、体积小、视场大以及对运动物体具有高灵敏度等优点，这是单孔径成像系统不具有的。

为了实现复眼成像功能，一般仿生复眼的结构由微透镜阵列、光阑阵列或滤波器阵列和图像探测器(如CCD或CMOS探测器等)等组成。微透镜阵列由多个透镜单元按照一定顺序排列而成，相当于复眼光学系统中的多个子眼；图像探测器相当于感光细胞；光阑阵列或者滤波器阵列，相当于晶锥，透镜阵列的每个单元分别负责不同的视场角，通过所对应的光阑单元，消除了其他视场的杂散光，可见光阑单元和透镜单元需要一一对应，才能保证光学系统的图像采集的正确性。

由于光阑起到的对光线精确地阻挡作用，需要光阑通光孔口径的尺寸和微透镜阵列单元一致，一般口径在毫米和几百微米量级，同时需要光阑端部应该有很光滑平整的边界棱角，如果存在毛边、缺口等缺陷，会通过光学系统将缺陷呈现在探测器上，不能形成完好的单元图像。因此，传统机械加工方法并不能很好的实现加工。德国Fraunhofer研究院的科学家借助高精度的特种加工光刻技术，在玻璃上进行光刻掩膜，制造高精度的光阑结构(参考文献：A.Bruckner,J.Duparre,R.Leitel,P.Dannberg,A.Brauer,andA.Tunnermann,"Thin wafer-level camera lenses inspired by insect compoundeyes,"Opt Express 18,24379-24394(2010).)。但是，玻璃作为光阑会造成光能损失，对于本来单元通光能量就偏小的复眼器件来说，并不是最佳选择。同时，由于透镜阵列和光阑阵列单元需要精确安装，由于玻璃光阑没有装配定位基准，在装配时需要精确地调整，会带来生产线成本的提高，从而限制了仿生复眼的发展。因此，有必要研究一种低成本仿生复眼系统加工方法。

发明内容

本发明针对光阑阵列和透镜阵列装调困难的问题，提出了一种仿生复眼系统光阑阵列的高精度加工方法，利用超精密加工和电铸技术可实现光阑阵列的一体成型加工，配合平板式透镜阵列单元边缘衔接，可实现光阑阵列和透镜阵列的自动对正，且有效解决了透镜阵列和光阑阵列装调困难的问题。本发明的技术方案如下：

一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法，所述的成像系统包括平面微透镜阵列、平面微孔光阑阵列和平面传感器，平面微透镜阵列单元采用底面凸起的设计，单元和单元之间形成自然的凹槽界限，与光阑阵列锋利的凸起相匹配，其特征在于，其中的平面微孔光阑阵列的制备方法如下：

(1)根据平面微透镜阵列单元的大小，确定平面微孔光阑阵列中光阑单元的尺寸，并根据需要确定阵列边缘倾斜角度；

(2)选定制作平面微孔光阑阵列母版的工件，根据阵列边缘倾斜角度选择适当的金刚石刀具，利用超精密飞刀切削技术，保证刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中进行高速旋转，在旋转到最低端时对表面进行切削，同时刀具切削路径沿着直线运动，从而在被加工材料表面切削微沟槽阵列；

(3)将工件旋转90°，进行飞刀车削，重复步骤(2)进行微沟槽阵列加工，最终形成凸型微四棱锥阵列；

(4)将得到的四棱锥阵列进行电铸，翻印得到电铸材料的平面微孔光阑阵列结构。

本发明简化了仿生复眼系统的加工过程，不仅实现了难加工微孔光阑的一次成型加工，还通过复眼透镜阵列和微孔光阑特定的定位结构，实现透镜阵列和光阑阵列的高效装调。同时，制造复眼系统中两个部件的加工过程均可实现批量生产，不仅降低了生产成本，并且可以加速复眼的商业化，实现其光学价值。

附图说明

图1平板透镜阵列式的复眼结构截面图

图2平板透镜阵列式复眼结构整体图

图3飞刀车削四棱锥阵列

图4电铸过程

(a)三维视图 (b)二维视图

图5最终得到的光阑阵列

附图说明如下：1透镜阵列 2CCD阵列 3光阑阵列

4凸型微四棱锥阵列 5电铸材料的平面微孔光阑阵列结构

具体实施方式

本发明所涉及的复眼结构由三部分组成，如图1所示，分别为透镜阵列、光阑阵列和平面传感器阵列。每一个透镜单元、光阑单元和传感器单元构成了一个成像单元。每个成像单元负责不同的视场角度的成像任务，可将该视场角范围的物面成像在该单元所对应的CCD上，光阑将不属于该视场范围的入射光线滤除，保证成像的清晰。将所有CCD的成像组合，就可获得整个视场的物面的像。本发明的复眼结构的三维示意图，如图2所示。

该复眼结构的加工分为两部分：平面透镜阵列和光阑阵列加工。平面透镜阵列采用微注塑加工方式，可实现批量生产，所需要的超精密加工模具加工技术及微注塑成型技术支撑已较成熟，并无特别需要注意之处；光阑阵列由于具有大量微孔阵列，且需要较高质量，采用现有加工手段较难实现，因此，本发明借助超精密飞刀切削和电镀的方式加工实现其高效加工。为实现平面透镜阵列和光阑阵列两者的快速高精度对正，平面透镜阵列单元采用底面凸起的设计，单元和单元之间形成自然的凹槽界限，与光阑阵列锋利的凸起相匹配，当两者放置一起时，可实现两者之间的自动对正，减少装配对正的调整时间。

对于光阑阵列的加工中的微孔阵列直接加工的难题，本发明提出借助翻印的手段实现微孔光阑阵列加工，先由超精密加工方法中的飞刀切削法加工一个微四棱锥阵列。飞刀切削加工法是采用三角形单点金刚石刀具，保证刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中进行高速旋转，在旋转到最低端时对表面进行切削，同时刀具切削路径沿着直线运动，从而在被加工材料表面切削微沟槽阵列，阵列的截面形状即为金刚石刀具的形状。这样借助飞刀切削方法分别切削垂直方向的微沟槽阵列而最终形成微四棱锥阵列，如图3所示。该加工过程中的加工材料一般采用铝、铜或者电解镍等软材料。然后，通过电铸方法将凸形四棱锥阵列变为凹型微孔阵列，如图4所示。最终得到的光阑阵列如图5所示。在电铸过程中，加工模板作为阴极，用电铸材料作为阳极，一同放入与阳极材料相同的金属盐溶液中，通以直流电，在电解作用下，原模表面逐渐沉积出金属电铸层，达到所需的厚度后从溶液中取出，将电铸层与原模分离，便获得与原模形状相对应的金属复制件。常用于电铸的金属有铜、镍和铁3种,有时也用金、银、铂镍-钴、钴-钨等合金，以镍的电铸应用最广。在实际加工中，一个凸形四棱锥阵列母版可实现多个微孔阵列的电铸加工，同时，微孔阵列还可以再反制出凸形四棱锥阵列，这样通过无数次的反复电铸，使用一个母版就可以实现大量微孔阵列光阑的生产，从而降低加工成本。

Claims (1)

1.一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法，所述的成像系统包括平面微透镜阵列、平面微孔光阑阵列和平面传感器，平面微透镜阵列单元采用底面凸起的设计，平面微透镜阵列单元与平面微透镜阵列单元之间形成自然的凹槽界限，与光阑阵列锋利的凸起相匹配，其特征在于，其中的平面微孔光阑阵列的制备方法如下：

(1)根据平面微透镜阵列单元的大小，确定平面微孔光阑阵列中光阑单元的尺寸，并根据需要确定阵列边缘倾斜角度；

(2)选定制作平面微孔光阑阵列母版的工件，根据阵列边缘倾斜角度选择适当的金刚石刀具，利用超精密飞刀切削技术，保证刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中进行高速旋转，在旋转到最低端时对表面进行切削，同时刀具切削路径沿着直线运动，从而在被加工材料表面切削微沟槽阵列；

(3)将工件旋转90°，进行飞刀车削，重复步骤(2)进行微沟槽阵列加工，最终形成凸型微四棱锥阵列；

(4)将得到的四棱锥阵列进行电铸，翻印得到电铸材料的平面微孔光阑阵列结构。