CN112649905A - 一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法，通过对薄膜不同区域膜厚的控制，有规律的改变曲面的形貌，形成具有不同梯度子眼的自由曲面复眼透镜。同时完善各级子眼在不同物距下的成像效果，通过引入自由曲面来解决因球差引起的轴外光线的焦距不共点问题。

Description

一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法

技术领域

本发明涉及微光学和微机械加工技术领域，具体涉及一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法

背景技术

目前的大多数曲面复眼都是基于球面基底的，在传统的球面基底设计中，从不同角度入射的非近轴光线经球面透镜后，不能完美的汇聚于同一个高斯像点，因而形成球差。这些位于曲面上的复眼经过汇聚后，各个焦点则位于匹兹堡曲面上，这就使得复眼透镜很难与目前的平面接收器直接匹配。为了解决这个问题，通过添加多个透镜或者光波导作为光学中继，引导来自不同子眼的光线都能够汇聚到平面上，或者采用非均一子眼多焦距的设计，通过改变不同光瞳处子眼的焦距来使得汇聚后的像面为同一平面。通过添加光学中继的方式会增加系统的体积，并且对装调对准的要求较高；而非均一多焦距的设计一方面对通光孔径有着严格的要求，另一方面由于透镜的最佳成像面并不一定在焦点，并且对不同距离处的物体成像时，不同焦距都会对应着不同的最佳成像距离，使得多焦点透镜设计虽然可以在起到焦距调节的作用，但是在成像过程中并不能保证每级子眼在焦距位置都能够达到最佳的成像效果而有可能出现局部模糊的情况。

光学表面经历了球面、Conic曲面(圆锥曲面)、传统非球面、自由曲面的发展历程。自由曲面最初指的是在两个垂直方向具有不同的曲率半径的曲面，随后，自由曲面的概念逐渐复杂化。在光学系统设计中，应用自由曲面不但可以自由的分配光强，还能人为地控制每根光线的角度、方向和光程差。通常获得自由曲面的方式是通过需要多轴联动精密机床加工获得，机床的运动精度是影响光学模具加工精度的关键因素，其中几何误差是机床误差的主要来源。虽然对数控机床几何误差进行精确地测量及补偿，可有效地提高机床的加工精度，但这无疑增大了制作的难度和成本。在前期的工作中，发明了一种曲率可控的球面复眼结构制备方法，通过均匀厚度的PDMS薄膜在压差的作用下发生弹性形变而形成球面的面型。而当PDMS薄膜厚度不均匀时，表面被拉伸时并不能形成球面。

发明内容

本发明主要提出了一种通过对薄膜不同区域膜厚的控制，有规律的改变曲面的形貌，最终形成自由曲面的复眼透镜制备方法。同时完善各级子眼的在不同物距下的成像效果，通过引入自由曲面来解决因球差引起的轴外光线的焦距不共点问题。

本发明提供一种自由曲面复眼透镜的制备方法，具体步骤如下：

S1：先将图形化的光刻胶掩膜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；

S2：将准备好的PDMS薄膜均匀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、盖板、脱模即可得到弹性凸膜。

优选地，所述步骤S2之后还包括如下步骤：

S3：通过加热、固化，再进行一次反脱模，得到与弹性凸膜上图形相反的第二PDMS凹膜；

S4：将所述第二PDMS凹膜放置于平面抽气模具上，控制负压的大小，注胶、脱模得到自由曲面复眼透镜。

优选地，所述步骤S1中还包括：取一硅片做基底，在硅片上旋涂一层光刻胶，经过干法刻蚀后，通过显影得到硅片的微孔阵列。

优选地，所述注胶、盖板、脱模具体步骤包括：

保持气压的稳定，浇注光敏胶，在紫外灯下固化后即得到光敏胶凸膜；

通过激光烧蚀技术，将PMMA平板铣成具有不同厚度的环形凹槽；将固化后的光敏胶凸膜凸面向上放在PMMA底座中，PDMS混合物倒在光敏胶凸模上，并用带有所述环形凹槽的PMMA盖板作为PMMA盖板，盖在PDMS混合物上，固化后脱模得出具有不同厚度梯度的第二PDMS凹膜。

优选地，所述注胶、脱模具体为：保持气压的稳定，浇注光敏胶，在紫外灯下固化后脱模即得到自由曲面复眼透镜。

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：

1、本发明采用转膜复制、膜厚梯度变化的方法制作自由曲面基底的复眼透镜结构，操作简单，加工周期短；

2、本发明通过薄膜厚度的梯度变化和气体压力共同调控，制备形貌可控的自由曲面复眼透镜结构；

3、本发明的模具制作采用的软质的PDMS材料，脱模过程中损耗小，相比机械加工，大大降低了制作成本，更适合大面积曲面复眼透镜的批量化制备。

附图说明

图1是本发明的一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法流程示意图；

图2是本发明的一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法的PMMA盖板的机械示意图；

图3是本发明的一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法的带有微透镜厚度梯度变化的第二PDMS凹膜上表面示意图；

图4是本发明的一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法的带有微透镜厚度梯度变化的第二PDMS凹膜下表面示意图。

其中附图标记为：

光刻胶掩膜1、硅片2、微孔阵列3、第一PDMS凹膜4、平面抽气模具5、光敏胶凸膜6、紫外光源7、PMMA盖板8、第二PDMS凹膜9、PMMA底座10、自由曲面复眼透镜11。

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自由曲面基底的复眼透镜的制备方法进行详细说明。

本发明针对曲面复眼透镜的结构特点开发可实用的制备方法，引入新材料、开发新技术，将微纳加工、软光刻、复制技术、热压成型技术相结合，形成独特的曲面复眼透镜制备技术。

实施例

图1为本发明实施例的一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法流程示意图。

如图1所示，曲面可控的复眼透镜的制备包括如下步骤：

S1：将图形化的光刻胶掩膜1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；

S2：将准备好的PDMS薄膜均匀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4；保持气压腔内气压的稳定，使用该第一PDMS凹膜4注胶、盖板、反脱模即可得到第二PDMS凹膜9。

其中基底为硅片2，具体为P型<100>晶向，厚度400μm。

S2中PDMS薄膜采用Sylgard 184制备而成，厚度为20μm，杨氏模量为4×106，泊松比为0.5。步骤S2中，PDMS薄膜的形变与平面抽气模具5的压力成线性关系，平面抽气模具5内的负压值越大，PDMS薄膜的形变越大。

其中注胶、脱模步骤具体为：在变形后的PDMS薄膜上方浇注光敏胶，固化得到光敏胶凸膜6；

采用激光烧蚀技术制备得到带有不同环带深度结构的PMMA盖板8，以及PMMA底座10。PMMA盖板结构如图2所示。

将PDMS混合物经真空脱气消泡后，浇注光敏胶凸模6置于PMMA底座10内，将PDMS混合物经真空脱气消泡后浇注于光敏胶凸膜6之上，盖上PMMA盖板8；加热固化后得到厚度梯度变化的第二PDMS凹膜9。得到的第二PDMS凹膜9梯度变化结构上表面如图3所示，下表面如图4所示。

其中光敏胶采用紫外光固化，紫外光源7采用300W的汞灯线光源，在10cm处照射10min进行固化。

PDMS混合物为Sylgard 184；在本实施例步骤S2中，PDMS混合物的固化参数为80℃下固化30min。

具有弹性的第二PDMS凹膜9的形变与平面抽气模具5的压力、以及第二PDMS凹膜9的厚度梯度有关。压力越大，相同膜厚下的形变越大，膜厚越大，相同压力下的形变越小；通过控制平面抽气模具5内的负压值，以及控制第二PDMS弹性凹膜9的厚度变化梯度，进而控制自由曲面复眼透镜11的曲率。

在得到具有不同梯度的PDMS弹性薄膜后，进行下述步骤：

S3:将所述第二PDMS凹膜9，凹面向上放置于平面抽气模具5上，控制负压的大小，注胶、脱模得到自由曲面复眼透镜11。

在形变后的第二PDMS弹性凹膜9上浇注光敏胶，固化脱模得到基于自由曲面的复眼结构。

其中在本实施例步骤S3中，固化参数为80℃下固化8h。

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 (5)

1.一种自由曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1：将图形化的光刻胶掩膜(1)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)；

S2：将准备好的PDMS薄膜均匀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(4)；保持气压腔内气压的稳定，使用该第一PDMS凹膜(4)注胶、盖板、反脱模即可得到第二PDMS凹膜(9)。

2.如权利要求1所述的自由曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括如下步骤：

S3：将所述第二PDMS凹膜(9)放置于平面抽气模具(5)上，控制负压的大小，注胶、脱模得到自由曲面复眼透镜(11)。

3.如权利要求1所述的自由曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：取一硅片(2)做基底，在硅片(2)上旋涂一层光刻胶，经过干法刻蚀后，通过显影得到硅片的微孔阵列(3)。

4.如权利要求1所述的自由曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述注胶、盖板、反脱模具体步骤包括：

保持气压的稳定，浇注光敏胶，在紫外灯下固化后即得到光敏胶凸膜(6)；

通过激光烧蚀技术，将PMMA平板铣成具有不同厚度的环形凹槽；将固化后的光敏胶凸膜(6)凸面向上放在PMMA底座(10)中，PDMS混合物倒在光敏胶凸模(6)上，并用带有所述环形凹槽的PMMA板作为PMMA盖板(8)，盖在PDMS混合物上，固化后脱模得出具有不同厚度梯度的第二PDMS凹膜(9)。

5.如权利要求2所述的自由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，在紫外灯下固化后脱模即得到自由曲面复眼透镜(11)。

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