CN112198623A - 一种可变焦微透镜组的制备方法及可变焦微透镜组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变焦微透镜组的制备方法，包括如下步骤：S100：提供一非磁性镜筒，所述非磁性镜筒内形成有位置固定的非磁性透镜，将磁性光刻胶注入所述非磁性镜筒内；S200：依据磁性透镜的三维模型向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述非磁性镜筒内的所述磁性光刻胶进行三维移动，以将所述磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述磁性光刻胶的内部聚合固化成所述磁性透镜的形状；S300：采用显影液去除未聚合固化的所述磁性光刻胶，得到可在所述非磁性镜筒内沿光轴方向移动的磁性透镜。该制备方法可直接在非磁性镜筒内制作可由磁场力驱动的磁性透镜。本发明还公开了一种可变焦微透镜组。

Description

一种可变焦微透镜组的制备方法及可变焦微透镜组

技术领域

本发明涉及微电机领域，尤其涉及一种可变焦微透镜组的制备方法及可变焦微透镜组。

背景技术

透镜驱动装置是一种微电机装置，通过驱动透镜和透镜之间相对移动或者透镜和图像传感器之间相对移动来实现光学变焦或对焦功能。基于电磁原理进行驱动的透镜驱动装置广泛应用于手机摄像头中，这类透镜驱动装置需要在搭载透镜的镜筒外围上缠绕一层电磁线圈，工艺复杂，不利于小型化集成，更不利于做成微纳器件，同时透镜大多采用玻璃或塑料制成，而镜筒也采用塑料制成，生物兼容性不好，影响了在医学领域中的应用。

激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度、形状易于控制等优点。激光微加工独特的“直写”技术，简化了工艺，实现了微型构件的快速成型制造。激光微立体光刻技术是快速成型的立体光刻工艺应用于微制造领域中衍生出来的一种加工技术，它以树脂材料为原料，激光焦点处或树脂基底可控运动，焦点处扫描处树脂聚合固化，获得微构件。其最大特点是不受微型器件或系统结构形状的限制，可以加工包含曲面在内的任意三维结构，并且可以将不同的微构件一次成型，不需微装配环节。在微立体光刻中利用飞秒脉冲激光实现三维微加工具有显著优点；包括“冷”加工，光和物质超快相互作用过程超快、功率极高，使加工过程在最大限度上避免了热效应；高精度，由于多光子过程的吸收截面非常小，使加工精度达到几十纳米。因此，激光微纳加工技术已经被看作是制备微结构的最有效手段之一，拥有巨大的应用潜力和诱人的发展前景。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种可变焦微透镜组的制备方法，可直接在非磁性镜筒内制作可由磁场力驱动的磁性透镜。

本发明还提供一种可变焦微透镜组。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种可变焦微透镜组的制备方法，包括如下步骤：

S100：提供一非磁性镜筒，将磁性光刻胶注入所述非磁性镜筒内；

S200：依据磁性透镜的三维模型向一焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述非磁性镜筒内的所述磁性光刻胶进行三维移动，以将所述磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述磁性光刻胶的内部聚合固化成所述磁性透镜的形状；

S300：采用显影液去除未聚合固化的所述磁性光刻胶，得到可在所述非磁性镜筒内沿光轴方向移动的磁性透镜。

进一步地，所述非磁性镜筒的制备方法包括如下步骤：

S101：提供一基底，将非磁性光刻胶滴在所述基底上；

S102：依据所述非磁性镜筒的三维模型向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述基底上的所述非磁性光刻胶进行三维移动，以将所述非磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述非磁性光刻胶的内部聚合固化成所述非磁性镜筒的形状；

S103：采用显影液去除未聚合固化的所述非磁性光刻胶，得到所述非磁性镜筒。

进一步地，在步骤S101中，在将所述非磁性光刻胶滴在所述基底上后，还包括：将一盖玻片盖在所述非磁性光刻胶上。

进一步地，在步骤S101中，所述基底在所述非磁性光刻胶的外围处凸出形成有垫高部或设置有垫高物，以将所述盖玻片垫高，使所述盖玻片和基底之间留有一定的加工空隙，以容纳所述非磁性光刻胶。

进一步地，所述非磁性镜筒内形成有位置固定的非磁性透镜。

一种可变焦微透镜组，其特征在于，包括非磁性镜筒和磁性透镜，所述磁性透镜设置于所述非磁性镜筒内，且在磁场力的作用下可在所述非磁性镜筒内沿光轴方向移动。

进一步地，所述非磁性镜筒内形成有位置固定的非磁性透镜。

进一步地，所述非磁性镜筒的侧壁内壁上凸出形成有第一卡位结构和第二卡位结构，所述第一卡位结构和第二卡位结构沿光轴方向相对；所述磁性透镜位于所述第一卡位结构和第二卡位结构之间。

进一步地，所述非磁性镜筒的侧壁上开设有至少一镂空槽。

进一步地，所述非磁性镜筒采用非磁性光刻胶制作，所述磁性透镜采用磁性光刻胶制作。

本发明具有如下有益效果：该制备方法利用飞秒激光双光子聚合技术制备可变焦微透镜组，由磁性光刻胶聚合固化形成的磁性透镜对磁场有显著的感应，从而与非磁性透镜产生相对位移，实现微纳透镜组的光学变焦功能，且光刻胶的聚合固化无需使用掩模板，可以实现真正的三维加工，加工分辨率高，透镜表面光滑，成像更清晰效果更好，且光刻胶具有良好的生物兼容性，制得的微透镜组可应用于医学领域。

附图说明

图1为本发明提供的可变焦微透镜组的制备系统的示意图；

图2为本发明提供的可变焦微透镜组的制备方法的步骤框图；

图3为本发明提供的非磁性镜筒的制备方法的步骤框图；

图4为本发明提供的可变焦微透镜组的示意图；

图5为本发明提供的可变焦微透镜组的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，一种可变焦微透镜组14的制备系统，基于飞秒激光双光子聚合技术，包括光源系统、三维移动系统11和控制系统12，

所述光源系统，用于向一焦点处投射飞秒激光脉冲；

所述三维移动系统11，用于搭载并带动光刻胶进行三维移动；

所述控制系统12，用于依据可变焦微透镜组14的三维模型控制所述光源系统向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时控制所述三维移动系统11带动光刻胶进行三维移动，以将光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得光刻胶的内部聚合固化成所述可变焦微透镜组14的形状。

该制备系统基于飞秒激光双光子聚合技术，光刻胶在被焦点处的飞秒激光脉冲照射时可发生双光子聚合效应，所述光源系统向焦点处投射的飞秒激光脉冲具有超强能量，能够对光刻胶的内部定点进行聚合固化，而光学路径上其他地方的飞秒激光脉冲能量较低不能使光刻胶聚合固化，所述三维移动系统11通过将光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，可使光刻胶内部聚合固化成所述可变焦微透镜组14的形状，最后通过显影液将未聚合固化的光刻胶洗去，仅留下已聚合固化的光刻胶形成所述可变焦微透镜组14。

所述控制系统12可以为笔记本电脑、台式PC、平板电脑、智能手机等终端，通过安装的三维绘图软件将所述可变焦微透镜组14的三维模型转换为对应的点云坐标数据，一个坐标点对应于光刻胶的一个聚合固化点，然后将光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化。

在利用飞秒激光脉冲对光刻胶的内部进行聚合固化时，按照所述可变焦微透镜组14的三维模型，由下至上逐层平面对光刻胶进行扫描，在平面内则由点至线、再由线至面进行扫描，光刻胶的聚合固化点与所述可变焦微透镜组14的三维模型的坐标点一一对应。

所述光源系统包括激光光源1、光路模块和光闸6，

所述激光光源1，用于发射飞秒激光脉冲；

所述光路模块，用于控制飞秒激光脉冲的光学路径，以将所述激光光源1发射出的飞秒激光脉冲投射至焦点处；

所述光闸6，用于控制飞秒激光脉冲在所述光路模块内的传播通断。

所述激光光源1和光闸6均通讯连接于所述控制系统12，由所述控制系统12分别进行控制，所述控制系统12主要控制所述激光光源1的开启或关闭以及飞秒激光脉冲的强度，还有控制所述光闸6的打开或关闭。

所述激光光源1为飞秒激光光源。

所述光路模块包括衰减单元、偏振单元、反射单元和物镜10，

所述衰减单元，用于减弱飞秒激光脉冲的能量；

所述偏振单元，用于控制飞秒激光脉冲的偏振方向；

所述反射单元，用于控制飞秒激光脉冲的传播方向，包括至少一反射镜；

所述物镜10，用于将飞秒激光脉冲聚焦后投射至焦点处。

本实施例中，所述光路模块包括沿光学路径依次设置的第一半波片2、起偏器3、第二半波片4、第一反射镜5、第二反射镜7、第三反射镜8、双色镜9和物镜10，其中，所述第一半坡片和起偏器3一起构成所述衰减单元，所述第二半波片4单独构成所述偏振单元，所述第一反射镜5、第二反射镜7、第三反射镜8和双色镜9一起构成所述反射单元，所述第一反射镜5、第二反射镜7、第三反射镜8和双色镜9分别使飞秒激光脉冲形成90°反射。

本实施例中，所述光闸6设置于所述第一反射镜5和第二反射镜7之间，当然，所述光闸6的具体位置可依据实际情况而调整，并不局限于此。

所述激光光源1发射出的飞秒激光脉冲依次经过第一半波片2、起偏器3、第二半波片4、第一反射镜5、光闸6、第二反射镜7、第三反射镜8、双色镜9和物镜10，最终投射至焦点处。

所述三维移动系统11包括可分别在X轴、Y轴和Z轴上进行平移的移动平台，用于制作所述可变焦微透镜组14的光刻胶搭载于所述移动平台上。

该制备系统还包括实时监测系统，

所述实时监测系统，用于对搭载于所述三维移动系统11的光刻胶的聚合固化情况进行实时监测。

所述实时监测系统包括一成像单元，用于对经光刻胶反射回来的飞秒激光脉冲进行实时成像。

所述成像单元位于所述双色镜9的背面。所述双色镜9可对短波激光形成反射，而对长波激光形成透射，飞秒激光脉冲在对光刻胶进行聚合固化前，具有较高的能量，波长较短，属于短波激光，经过所述双色镜9时能够被所述双色镜9反射至所述物镜10内，飞秒激光脉冲在对光刻胶进行聚合固化后，大部分能量被光刻胶吸收，波长变长，属于长波激光，经光刻胶反射回来后再次经过所述双色镜9时直接穿过所述双色镜9而在背面的成像单元上进行成像。

经光刻胶反射回来的飞秒激光脉冲依次经过物镜10和双色镜9，而最终在所述成像单元上进行成像。

光刻胶在聚合固化前和聚合固化后具有不同的折射率（或反射率），可依据飞秒激光脉冲在所述成像单元上的成像情况来判断光刻胶的聚合固化情况。

所述成像单元优选但不限于为CCD相机。

如图2、4和5所示，一种可变焦微透镜组14的制备方法，基于飞秒激光双光子聚合技术，包括如下步骤：

S100：提供一非磁性镜筒141，将磁性光刻胶注入所述非磁性镜筒141内。

在该步骤S100中，将所述非磁性镜筒141搭载于所述三维移动系统11的移动平台上，注入所述非磁性镜筒141内的所述磁性光刻胶可随所述非磁性镜筒141进行三维移动。

所述磁性光刻胶在聚合固化前虽然呈液态，但是其粘度极高，表面张力大，再加上飞秒激光双光子聚合技术制备的元件尺寸极小，达到微纳尺度，所述磁性光刻胶的用量少，所以所述磁性光刻胶不容易从所述非磁性镜筒141内漏出。

优选地，所述非磁性镜筒141内形成有位置固定的非磁性透镜143，所述非磁性透镜143位于所述非磁性镜筒141的一端开口处；作为所述非磁性镜筒141的一部分，所述非磁性透镜143与所述非磁性镜筒141为一体结构且一同制作。

其中，如图3所示，所述非磁性镜筒141的制备方法包括如下步骤：

S101：提供一基底，将非磁性光刻胶滴在所述基底上；

在该步骤S101中，将所述基底搭载于所述三维移动系统11的移动平台上，滴在所述基底上的所述非磁性光刻胶可随所述基底进行三维移动。

所述基底可以为任何固体，优选为透明基底，比如玻璃基板、光纤端面等，同样的，由于所述非磁性光刻胶的粘度极高，表面张力大，而制备的元件尺寸达到微纳尺度，所述非磁性光刻胶的用量少，即使所述基底上没有用于容纳限定所述非磁性光刻胶的容器结构，所述非磁性光刻胶也不容易在所述基底上流走。

优选地，在该步骤S101中，在将所述非磁性光刻胶滴在所述基底上后，还包括：将一盖玻片盖在所述非磁性光刻胶上。

在该步骤S101中盖上所述盖玻片是为了使所述非磁性光刻胶的表面平整，以避免所述非磁性光刻胶的表面弧度影响到飞秒激光脉冲的聚焦。故而，所述基底在所述非磁性光刻胶的外围（比如两侧）处凸出形成有垫高部或设置有垫高物，以将所述盖玻片垫高，使所述盖玻片和基底之间留有一定的加工空隙，以容纳所述非磁性光刻胶。

S102：依据所述非磁性镜筒141的三维模型向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述基底上的所述非磁性光刻胶进行三维移动，以将所述非磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述非磁性光刻胶的内部聚合固化成所述非磁性镜筒141的形状。

在该步骤S102中，所述控制系统12依据所述非磁性镜筒141的三维模型控制所述三维移动系统11带动所述基底上的所述非磁性光刻胶进行三维移动，以将所述非磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述非磁性光刻胶的内部聚合固化成所述非磁性镜筒141的形状。

S103：采用显影液去除未聚合固化的所述非磁性光刻胶，得到所述非磁性镜筒141（优选包括所述非磁性透镜143）。

在该步骤S103中，先拿掉所述盖玻片，然后再将所述非磁性光刻胶连同所述基底一同浸泡在显影液中，未聚合固化的所述非磁性光刻胶会与显影液发生化学反应而溶解，仅留下已聚合固化的所述非磁性光刻胶形成所述非磁性镜筒141，最后用酒精对所述非磁性镜筒141进行清洗，以去除表面残留的显影液。

S200：依据磁性透镜142的三维模型向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述非磁性镜筒141内的所述磁性光刻胶进行三维移动，以将所述磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述磁性光刻胶的内部聚合固化成所述磁性透镜142的形状。

在该步骤S200中，所述控制系统12依据所述磁性透镜142的三维模型控制所述三维移动系统11带动所述非磁性镜筒141内的所述磁性光刻胶进行三维移动，以将所述磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述磁性光刻胶的内部聚合固化成所述非磁性镜筒141的形状。

S300：采用显影液去除未聚合固化的所述磁性光刻胶，得到可在所述非磁性镜筒141内沿光轴方向移动的磁性透镜142。

在该步骤S300中，直接将所述磁性光刻胶连同所述非磁性镜筒141一同浸泡在显影液中，未聚合固化的所述磁性光刻胶会与显影液发生化学反应而溶解，仅留下已聚合固化的所述磁性光刻胶形成所述磁性透镜142，所述非磁性镜筒141和磁性透镜142共同组成可变焦微透镜组14，最后用酒精对所述可变焦微透镜组14进行清洗，以去除表面残留的显影液。

为了便于对所述非磁性镜筒141内的所述磁性光刻胶进行显影，所述非磁性镜筒141的侧壁上开设有至少一镂空槽146，以供显影液流入到所述非磁性镜筒141的内部与所述磁性光刻胶相接触，提高显影效率。

通过上述制备系统和制备方法制得的可变焦微透镜组14可实现光学变焦或对焦功能，所述非磁性镜筒141由于采用非磁性光刻胶制作，不具有磁性，在磁场中不会受到磁场力的作用，而所述磁性透镜142由于采用磁性光刻胶制作，具有磁性，在磁场中受到磁场力的作用可相对于所述非磁性镜筒141移动，当所述磁性透镜142所受到的磁场力和重力相平衡时，所述磁性透镜142停留在变焦或对焦位置上。

当所述非磁性镜筒141内仅有所述磁性透镜142时，所述磁性透镜142在所述非磁性镜筒141内的移动可改变其与图像传感器之间的相对位置，实现光学对焦功能；当所述非磁性镜筒141内同时具有所述磁性透镜142和非磁性透镜143时，所述磁性透镜142在所述非磁性镜筒141内的移动可改变其与所述非磁性透镜143之间的相对位置，实现光学变焦功能，所述磁性透镜142与所述非磁性透镜143组合形成的可变焦微透镜组14的成像焦距满足以下公式：

，

，

其中f为所述可变焦微透镜组14的物方焦距，f1为所述磁性透镜142的物方焦距，

2为所述非磁性透镜143的物方焦距，f’为所述可变焦微透镜组14的像方焦距，f1’所述磁性透镜142的像方焦距，f2’为所述非磁性透镜143的像方焦距，

为所述磁性透镜142的像方焦点处到所述非磁性透镜143的物方焦点处的距离，f1、f2、f1’和f2’均为固定的已知量。

优选地，在制备所述非磁性镜筒141时，所述非磁性镜筒141的侧壁内壁上凸出形成有第一卡位结构144和第二卡位结构145，所述第一卡位结构144和第二卡位结构145沿光轴方向相对设置，在制备所述磁性透镜142时，所述磁性光刻胶的聚合固化点位于所述非磁性镜筒141的第一卡位结构144和第二卡位结构145之间，以使制备出的磁性透镜142位于所述非磁性镜筒141的第一卡位结构144和第二卡位结构145之间，以限定所述磁性透镜142的移动范围。

所述磁性光刻胶由磁性材料和光敏聚合材料共混形成；所述磁性材料优选采用零维纳米颗粒，但也可以采用铁、钴、镍或锰的单质、氧化物、合金或合金氧化物，或者采用一维的磁纳米或磁微米线等，或者采用磁性纳米材料或磁性超细粉体等。

其中，所述磁粒子可以为普通磁粒子或是具有表面活性装饰的磁粒子、或是具有功能性表面材料装饰的磁粒子，或是无机-有机（如四氧化三铁-苯乙烯）、无机-无机（如铂铁合金-氧化锰）、无机-无机-有机（如镍-氧化镍-嘧啶）等核-壳结构的磁粒子等，形状可以为球形、椭球形、立方体、长方体、长条形、三角形或菱形等；所述光敏聚合材料可以是苯乙烯类、丙烯酸类、丙烯酸酯类、环氧树脂类、不饱和聚酯类、酰胺类或醋酸乙烯类等聚合材料，通常包括单体、预聚物和光引发剂，聚合类型可以为自由基型、阴离子型或阳离子形；其中，常用的丙烯酸酯类光敏聚合材料的单体包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸丁酯，预聚物为二季戊四醇五丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或环氧丙烯酸酯，光引发剂为苯乙酮、安息香醚、硫杂蒽酮或1-对吗啉苯基-2-二甲氨基-2-苄基-1-丁酮材料中的至少一种。

所述非磁性光刻胶为普通光刻胶或无源光刻胶，只要不混合有磁性材料即可，可采用上述的光敏聚合材料直接制作。

所述显影液是由丙酮和异丙醇制成的溶剂，或者其他如四氢呋喃、氯仿或甲苯等溶剂。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变焦微透镜组的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100：提供一非磁性镜筒，将磁性光刻胶注入所述非磁性镜筒内；

S200：依据磁性透镜的三维模型向一焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述非磁性镜筒内的所述磁性光刻胶进行三维移动，以将所述磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述磁性光刻胶的内部聚合固化成所述磁性透镜的形状；

S300：采用显影液去除未聚合固化的所述磁性光刻胶，得到可在所述非磁性镜筒内沿光轴方向移动的磁性透镜。

2.根据权利要求1所述的可变焦微透镜组的制备方法，其特征在于，所述非磁性镜筒的制备方法包括如下步骤：

S101：提供一基底，将非磁性光刻胶滴在所述基底上；

S102：依据所述非磁性镜筒的三维模型向焦点处投射飞秒激光脉冲，同时带动所述基底上的所述非磁性光刻胶进行三维移动，以将所述非磁性光刻胶的聚合固化点依次定位至焦点处进行聚合固化，使得所述非磁性光刻胶的内部聚合固化成所述非磁性镜筒的形状；

S103：采用显影液去除未聚合固化的所述非磁性光刻胶，得到所述非磁性镜筒。

3.根据权利要求2所述的可变焦微透镜组的制备方法，其特征在于，在步骤S101中，在将所述非磁性光刻胶滴在所述基底上后，还包括：将一盖玻片盖在所述非磁性光刻胶上。

4.根据权利要求3所述的可变焦微透镜组的制备方法，其特征在于，在步骤S101中，所述基底在所述非磁性光刻胶的外围处凸出形成有垫高部或设置有垫高物，以将所述盖玻片垫高，使所述盖玻片和基底之间留有一定的加工空隙，以容纳所述非磁性光刻胶。

5.根据权利要求1-4中任一所述的可变焦微透镜组的制备方法，其特征在于，所述非磁性镜筒内形成有位置固定的非磁性透镜。

6.一种可变焦微透镜组，其特征在于，包括非磁性镜筒和磁性透镜，所述磁性透镜设置于所述非磁性镜筒内，且在磁场力的作用下可在所述非磁性镜筒内沿光轴方向移动。

7.根据权利要求6所述的可变焦微透镜组，其特征在于，所述非磁性镜筒内形成有位置固定的非磁性透镜。

8.根据权利要求6或7所述的可变焦微透镜组，其特征在于，所述非磁性镜筒的侧壁内壁上凸出形成有第一卡位结构和第二卡位结构，所述第一卡位结构和第二卡位结构沿光轴方向相对；所述磁性透镜位于所述第一卡位结构和第二卡位结构之间。

9.根据权利要求6-8中任一所述的可变焦微透镜组，其特征在于，所述非磁性镜筒的侧壁上开设有至少一镂空槽。

10.根据权利要求6-9中任一所述的可变焦微透镜组，其特征在于，所述非磁性镜筒采用非磁性光刻胶制作，所述磁性透镜采用磁性光刻胶制作。

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