CN112578484A - 一种非均一曲面复眼透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非均一曲面复眼透镜的设计及其制备方法，通过在曲面复眼透镜上设置每一级不同口径和矢高的子眼，得到每一级不同的子眼焦距；光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，不同角度的光线均经过子眼光心，使所有光线折射焦点均落在同一平面上；垂直曲面复眼透镜平面端射入的中心子眼，为一级子眼。利用两次气压辅助，紫外固化工艺制备透镜，时间短效率高，可重复性好，表面形貌均一。

Description

一种非均一曲面复眼透镜及其制备方法

技术领域

本发明设计微纳加工领域，主要为非均一曲面复眼的新型设计方案与制备方法。

背景技术

在当代，微透镜目前被广泛应用于国防、医学和民用等领域的探测和成像系统中。单透镜组成的光学成像系统，很难获得广阔视的场角，只有鱼眼镜头才能大于90°。于此同时，这种传统的光学成像系统通常采用透镜组成像，镜片数多，体积大，结构复杂，难以实现与各种小型化系统的集成和融合。

在微透镜阵列研究的基础上，研究人员受到昆虫复眼的启发希望集成一种人造复眼成像系统。曲面复眼成像系统具有视场角大，结构紧凑，景深大等卓越特点，在曲面复眼透镜的实际应用中，主要需要解决的问题就是曲面复眼透镜与感光元器件的适配问题。在曲面复眼透镜发展的初期，研究人员大多制备的是子眼均一的曲面复眼，且并未去考虑到上述离焦问题。目前对于曲面复眼的离焦问题，主要有两种解决方案。一种是采用光学转继系统矫正像差，但这种方案带来的问题是结构不再紧凑，隐蔽性降低。另一种方案，则是采用子眼非均一的曲面复眼透镜，这种方法能有效解决离焦的问题，并不会影响曲面复眼原有的优势，但目前研究人员还没提出成熟的设计方案。

在曲面复眼透镜的制备方面，当下研究人员已经提出了多种成熟的工艺方法，如光刻胶热熔，激光直写等。但是这些方法普遍存在以下问题，无法做到精准控制子眼形貌(子眼的的口径和矢高不定)，工艺过程复杂，可重复性低。

发明内容

本发明主要提出了一种形貌可控，简单高效的曲面复眼透镜设计与制备方法。同时解决了曲面复眼透镜成像过程中曲面焦平面与感光元器件CMOS或者CCD的平面像面不匹配产生的离焦问题。

一种非均一曲面复眼透镜，在曲面复眼透镜上设置不同口径和矢高的子眼，光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，不同角度的光线均经过子眼光心，使所有光线折射焦点均落在同一平面上，各级子眼到图像传感器的距离l_m与其物方焦距f′相等，

其中，n为制备曲面复眼透镜材料的折射率，r_m为各级子眼曲率半径。

优选地，垂直所述平面端射入的中心子眼，为一级子眼，所述一级子眼到所述图像传感器的距离为l₁，则其物方焦距f′等于l₁；从所述一级子眼向外围延展，其余各级子眼的焦距分别是l₂，l₃……l_m，

r_m＝(1-n)×l_m (2)

优选地，由弦长公式可以得到公式(3)，求出子眼的口径s_m：

其中h_m代表曲面复眼透镜的各级子眼球冠矢高。

优选地，对于不同的子眼，在同一气压下，其矢高h_m和口径s_m成线性关系：

h_m＝h₁+k*(s_m-s₁) (4)

s₁为一级子眼的口径，h₁为一级子眼的矢高，k为线性值。

优选地，将公式(4)中求出的h_m代入公式(3)求得m级子眼的曲率半径：

一级子眼的焦距l₁与矢高h₁为设计参数已知，将其带入公式(5)求得一级子眼的口径s₁，利用CMOSL仿真计算得出某一气压下一级子眼的矢高h₁，进一步拟合出这一气压下的线性关系即线性值k。

优选地，确定了m级子眼的口径s_m后，可求得m级子眼的焦距l_m，并根据公式(6)求得m级子眼在曲面上的排布位置：

其中R代表曲面复眼透镜球冠的曲率半径，θ为m级子眼与一级子眼的光轴之间的夹角。

一种非均一曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将设计的非均一曲面复眼透镜的图案制作成平面掩模板；其中，所述曲面复眼透镜上设置不同口径和矢高的子眼，光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，不同角度的光线均经过子眼光心，使所有光线折射焦点均落在同一平面上，各级子眼到图像传感器的距离l_m与其物方焦距f′相等，

n为制备曲面复眼透镜材料的折射率，r_m为各级子眼曲率半径；

S2：先将所述平面掩模版上的子眼图形转移到光刻胶掩膜板上，再将所述光刻胶掩膜板上的图案转移到硅片基底上，将其刻成通孔，得到硅片的微孔阵列；

S3：将准备好的PDMS薄膜覆盖在带有所述微孔阵列上，将其置于平面抽气模具上，控制所述平面抽气模具的负压大小，即可得到具有所需子眼形状的第一PDMS凹膜；保持气压腔内气压的稳定，使用该第一PDMS凹膜注胶、脱模即可得到口径矢高不一致平面子眼微透镜阵列。

优选地，所述步骤S3之后还包括如下步骤：

S4：将得到的平面子眼微透镜阵列利用软光刻技术再进行一次反脱模，通过软光刻得到与平面子眼微透镜阵列上图形相反的凹子眼镜阵列的第二PDMS凹膜；

S5：将第二PDMS凹膜放置于曲面抽气模具上，控制负压的大小，注胶、脱模得到非均一曲面复眼透镜。

优选地，所述步骤S2中还包括：取一硅片做基底，在硅片上旋涂一层光刻胶，经过正反光刻后，通过显影清洗去除硅片表面的光刻胶掩模以及油污。

优选地，所述注胶、脱模具体为：保持气压的稳定，浇注光敏胶，在模具上盖一石英玻璃片，在紫外灯下固化后脱模即得到非均一曲面复眼透镜。

本发明提供的曲面复眼透镜制备方案有几方面的显著优势：

采用光刻与ICP离子刻蚀在硅片基底上加工平面微透镜阵列，加工精度高；采用热压工艺将硅片基底上微透镜图形转移到聚合物层的过程中，压力均匀施加于共聚层表面，子眼矢高均匀，与此同时通过控制预设的热压厚度就能控制子眼矢高的大小；根据PDMS薄膜形变与大气压的线性关系，利用差压计测量模具内部负压，可精确控制薄膜形变的曲率半径；采用紫外固化工艺制备透镜，时间短效率高，可重复性好，表面形貌均一。

附图说明

图1是本发明的一种非均一曲面复眼透镜的设计方法双抽气曲面复眼透镜设计原理图；

图2是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法覆的盖光刻胶掩模版的硅片基底图；

图3是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法刻的蚀后带有通孔图案的硅片基图；

图4是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法的覆盖PDMS薄膜平面抽气工艺示意图；

图5是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法的紫外固化平面子眼阵列示意图；

图6是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法的曲面抽气工艺示意图；

图7是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法的紫外固化曲面复眼示意图；

图8是本发明的一种非均一曲面复眼透镜制备方法的非均一曲面复眼透镜示意图。

其中附图标记为：

光刻胶掩膜板1、硅片2、微孔阵列3、PDMS薄膜4、平面抽气模具5、平面子眼微透镜阵列6、平面PDMS薄膜7、曲面抽气模具8、石英玻璃片9、非均一曲面复眼透镜10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面结合实施例对本发明的一种非均一曲面复眼的设计及其制备方法进行详细说明。

在本发明研究过程中发现，在负压条件下，薄膜形变与子眼的口径成正比，利用这一关系，可以精确制备符合要求的曲面复眼。本发明提出了一种非均一曲面复眼透镜及其制备方法；具有形貌可控，简单高效的优点；且同时解决了曲面复眼透镜成像过程中曲面焦平面与感光元器件CMOS或者CCD的平面像面不匹配产生的离焦问题。

实施例

图1示出了本发明的一种非均一曲面复眼的设计方法双抽气曲面复眼透镜设计原理图。

如图1所示，为双抽气式曲面复眼透镜创新性设计方案，非均一子眼的设计核心思想在于，使得每一级子眼的焦距都不一样，具体通过设计子眼口径矢高不同的子眼，非均一排布来实现。不同角度的光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，与每一级子眼的光轴所重合。假设中心子眼为一级子眼，它到CMOS的距离为l₁，可以默认为其物方焦距f′等于l₁，从一级子眼向外围延展，分别是l₂，l₃……l_m，l_m随着子眼级数越高，而数值越大从而解决了曲面复眼透镜的离焦问题，根据公式(1)：

反推出公式(2)：

r_m＝(1-n)×l_m (2)

人为设定中间一级子眼的焦距l₁的数值是0.568mm，h₁的高度为0.04mm，将其代入公式(2)可以求得r₁的数值为0.3mm，再将求得的数值r₁代入公式(3)，

经过计算可以求出一级子眼的口径s₁为0.15mm，即一级子眼的矢高是0.04mm，一级子眼的半径是0.15mm，直径是0.3mm。经过仿真计算可以获得在3000pa条件下时，一级子眼的矢高为0.04mm，并求得3000pa不同口径的线性关系，如公式(4)所示：

h_m＝0.04+0.0004*(s_m-0.15)

本实施例中共设计有五级子眼，以第五级子眼为例，人为规定第五级子眼的半径是0.35mm，即直径是0.7mm。将s₅代入公式(4)，可以求出h₅的值是0.12mm。将h₅以及s₅的值代入由公式(3)推导而来的公式(5)：

求出r₅的值是0.57mm，重复一级子眼的步骤，将r₅代入公式(1)，计算出l₅的值是1.07mm。即第五级透镜的口径是0.7mm，矢高是0.12mm，焦距为1.07mm。大的平凸球形的基底半径R是10.29毫米，因此根据公式(6)：

可以求出曲面复眼透镜上第一级子眼和第五级子眼的光轴之间的夹角为18.29°。与第五级子眼的计算过程类似，可以计算出2，3，4级子眼的口径半径分别为0.16mm，0.19mm，0.24mm。每一级子眼的个数分别为1，6，12，16，20。

图2-8示出了本发明一个实施例的非均一曲面复眼透镜的制备步骤示意图。

按照上述设计，本实施例的非均一曲面复眼透镜的制备步骤如下：

S1：将上述设计的各级子眼的图案制作平面掩模板；

S2：在三寸280微米厚的硅片2上旋涂一层光刻胶，如图2所示，旋涂转速为2000r/min，加热烘干160s后进行正面光刻，经过光刻后将平面掩模版上的的子眼图形转移到光刻胶掩膜板1上；

S3：在显影后利用等离子刻蚀，将光刻胶掩膜板1上的图案转移到硅片2基底上，刻蚀深度为80微米；

在正面刻蚀完成后，对已有图案经行喷胶处理，在应力释放后，在胶膜表面建设一层铜膜，这样做的目的是在背部光刻时，保护正面图形。

在铜膜的应力释放完成后，在硅片2表面蒸镀一层铝膜，并重复正面光刻的步骤。

显影后利用磷酸去除未被光刻胶掩模覆盖的区域的铝掩模，再进行等离子刻蚀，刻蚀深度为200微米，这样就得到如图3所示的硅片2通孔结构，即微孔阵列3。

S4：将PDMS的预聚液和固化剂按照20：1调配，置于PMMA基板上，在甩胶机上以1500r/min的转速制备出10微米厚的PDMS薄膜4，将PDMS薄膜4覆盖在硅片2的微孔阵列3上。如图4所示将其置于平面抽气模具5上，并加上密封环。

S5：根据计算结果，通过气压计的监测，抽负压，即可得到具有所需子眼形状的第一PDMS凹膜；在气压计示数达到3000pa时，保持气压的稳定；在其上滴加光固化胶，把其置于紫外灯下进行固化3min，脱模即可得到口径矢高不一致平面子眼微透镜阵列6，如图5所示；

S6：将PDMS的预聚液和固化剂按照10：1调配，对得到的平面子眼微透镜阵列6利用软光刻技术再进行一次反脱模，将光固化胶平面子眼微透镜阵列6固定于模具内，浇注PDMS，放在80℃的烘箱内加热6小时，得到与平面子眼微透镜阵列6上图形相反的凹子眼镜阵列第二PDMS凹膜，如图8所示；

S7：最后一步的工艺如图7、图8所示，将第二PDMS凹膜放置于曲面抽气模具8上，与制备平面子眼的过程类似，根据模具上连接的气压计控制负压的大小，并保持气压的稳定，浇注光敏胶，在模具上盖一石英玻璃片9，在紫外灯下固化5min后即可得到图8所示的非均一曲面复眼透镜10。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非均一曲面复眼透镜，其特征在于，在曲面复眼透镜上设置不同口径和矢高的子眼，光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，不同角度的光线均经过子眼光心，使所有光线折射焦点均落在同一平面上，各级子眼到图像传感器的距离l_m与其物方焦距f′相等，

其中，n为制备曲面复眼透镜材料的折射率，r_m为各级子眼曲率半径。

2.如权利要求1所述的非均一曲面复眼透镜，其特征在于，垂直所述平面端射入的中心子眼，为一级子眼，所述一级子眼到所述图像传感器的距离为l₁,则其物方焦距f′等于l₁；从所述一级子眼向外围延展，其余各级子眼的焦距分别是l₂，l₃……l_m，

r_m＝(1-n)×l_m (2)。

3.如权利要求2所述的非均一曲面复眼透镜的设计，其特征在于，由弦长公式可以得到公式(3)，求出子眼的口径s_m：

其中h_m代表曲面复眼透镜的各级子眼球冠矢高。

4.如权利要求3所述的非均一曲面复眼透镜的设计，其特征在于，对于不同的子眼，在同一气压下，其矢高h_m和口径s_m成线性关系：

h_m＝h₁+k*(s_m-s₁) (4)

s₁为一级子眼的口径，h₁为一级子眼的矢高，k为线性值。

5.如权利要求4所述的非均一曲面复眼透镜的设计，其特征在于，将公式(4)中求出的h_m代入公式(3)求得m级子眼的曲率半径：

一级子眼的焦距l₁与矢高h₁为预设参数，将其带入公式(5)求得一级子眼的口径s₁，利用CMOSL仿真计算得出某一气压下一级子眼的矢高h₁，进一步拟合出这一气压下的线性关系即线性值k。

6.如权利要求5所述的非均一曲面复眼透镜的设计，其特征在于，确定了m级子眼的口径s_m后，可求得m级子眼的焦距l_m，并根据公式(6)求得m级子眼在曲面上的排布位置：

其中R代表曲面复眼透镜球冠的曲率半径，θ为m级子眼与一级子眼的光轴之间的夹角。

7.一种非均一曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将设计的非均一曲面复眼透镜的图案制作成平面掩模板；其中，所述曲面复眼透镜上设置不同口径和矢高的子眼，光线从曲面复眼透镜的平面端射入，从曲面端射出，不同角度的光线均经过子眼光心，使所有光线折射焦点均落在同一平面上，各级子眼到图像传感器的距离l_m与其物方焦距f′相等，

n为制备曲面复眼透镜材料的折射率，r_m为各级子眼曲率半径；

S2：先将所述平面掩模版上的子眼图形转移到光刻胶掩膜板(1)上，再将所述光刻胶掩膜板(1)上的图案转移到硅片(2)基底上，将其刻成通孔，得到硅片(2)的微孔阵列(3)；

S3：将准备好的PDMS薄膜(4)覆盖在带有所述微孔阵列(3)上，将其置于平面抽气模具(5)上，控制所述平面抽气模具(5)的负压大小，即可得到具有所需子眼形状的第一PDMS凹膜；保持气压腔内气压的稳定，使用该第一PDMS凹膜注胶、脱模即可得到口径矢高不一致平面子眼微透镜阵列(6)。

8.如权利要求7所述的非均一曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括如下步骤：

S4：将所述平面子眼微透镜阵列(6)利用软光刻技术再进行一次反脱模，通过软光刻得到与平面子眼微透镜阵列(6)上图形相反的凹子眼镜阵列的第二PDMS凹膜；

S5：将所述第二PDMS凹膜放置于曲面抽气模具(8)上，控制负压的大小，注胶、脱模得到非均一曲面复眼透镜(10)。

9.如权利要求7所述的非均一曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：取一硅片(2)做基底，在硅片(2)上旋涂一层光刻胶，经过正反光刻后，通过显影清洗去除硅片(2)表面的光刻胶掩模以及油污。

10.如权利要求8所述的非均一曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述注胶、脱模具体为：保持气压的稳定，浇注光敏胶，在模具上盖一石英玻璃片(9)，在紫外灯下固化后脱模即得到非均一曲面复眼透镜(10)。

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