專利名稱：曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微光學器件技術(shù)領(lǐng)域的鏡頭及其制備方法，具體是一種曲率 可控的人工復(fù)眼鏡頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著光學，機械學，電子學等領(lǐng)域的不斷發(fā)展和相互融合，光機電產(chǎn)品越來越廣 泛，同時對其要求也越來越高。但是單孔徑光學系統(tǒng)，由于其體積和重量的限制已經(jīng)無法適 應(yīng)輕便靈巧的要求。人工復(fù)眼是集生物學、光學、電子學、信息處理、數(shù)據(jù)融合、自動控制等 多個學科為一體，具有創(chuàng)新性、邊緣性、交叉性的前沿研究領(lǐng)域。曲面人工復(fù)眼相比與平面 人工復(fù)眼更具有成像質(zhì)量高，視場角廣，動態(tài)反映性高等優(yōu)點，在內(nèi)窺技術(shù)、小孔徑探測、自 動武器瞄準系統(tǒng)、智能機器人視覺系統(tǒng)以及導彈引導裝置等具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Jacques Duparr‘ e, Daniela Radtke, Andreas Br “ uckner, Andreas Br “ auer 等在 Machine Vision Applications in Industrial Inspection XV(2007)Vol :6503Page :I5030-I5030 M ^"Latest Developments in Microoptical ArtificialCompound Eyes :A Promising Approach for Next Generation Ultra-Compact Machine Vision"( “微光學人工復(fù)眼的最近發(fā)展一種具有廣闊前景的下 一代緊湊型機器視覺”《工業(yè)檢測中的機器視覺》)。該文中介紹了國外目前復(fù)眼的研究現(xiàn) 狀以及制備方法，可以大致將這些制備方法分為采用空氣壓力差使薄膜變形獲得一定曲率 的復(fù)眼曲面，或者采用半導體加工技術(shù)制備平面復(fù)眼結(jié)構(gòu)。該文中提及的曲面復(fù)眼制作工 藝中采用PDMS材料(聚二甲基硅氧烷)作為初始復(fù)眼陣列圖形復(fù)制材料，由于PDMS所制 備薄膜本身具有彈性，在氣壓差變形過程由于薄膜厚度、氣壓缸體密封程度、薄膜變形程度 等各種原因無法獲得精確的曲率和形狀更為復(fù)雜的復(fù)眼透鏡。同時針對國內(nèi)的文獻和專利的查詢，國內(nèi)復(fù)眼制備方法中能獲得曲面復(fù)眼的工藝 方法為采用特殊設(shè)備在曲面基底上直接激光刻蝕或者同樣采用對薄膜的壓力差變形制備。 這些方法最主要的缺陷在于其低效率高成本，每只復(fù)眼的制作都必須經(jīng)過相同的工藝步 驟，大大提高了制備成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭及其制 備方法，通過采用具備一定剛度的模具對復(fù)眼實現(xiàn)控制表面曲率以及形狀的微復(fù)制的方 法，制備的復(fù)眼鏡頭能夠替代原有的單孔徑鏡頭和圖象傳感器配合，從而實現(xiàn)可控曲率的 人工復(fù)眼攝像鏡頭的功能，有助提高攝像鏡頭的視場角和動態(tài)捕捉能力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭，包括基底和位于基底外表面上的若 干小眼構(gòu)成，其中小眼為圓形、六邊形或者方形結(jié)構(gòu)。所述的基底和復(fù)眼透鏡均為聚二甲基硅氧烷材料。
本發(fā)明涉及上述曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，通過采用聚合物制作待復(fù) 制鏡頭的凹模，采用雙面法將平面復(fù)眼透鏡陣列制備成曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭。所述的平面復(fù)眼透鏡陣列通過以下方式制備得到首先在硅片襯底上濺射金屬作 為粘著層，然后在粘著層表面旋涂光刻膠，然后通過光刻處理制成柱狀凸起結(jié)構(gòu)，最后置于 烘箱中熔化光刻膠，使硅片襯底的表面形成半球形結(jié)構(gòu)的光刻膠凸點，作為平面復(fù)眼透鏡 陣列。所述的光刻處理是指采用圓形、六邊形或方形柱復(fù)眼陣列作為掩膜板進行光 刻；所述的粘著層的厚度為100埃，所述濺射金屬為鉻銅；所述的光刻是指對涂有光刻膠的位置進行曝光，然后采用AZ-400K顯影液顯影 180秒去除曝光區(qū)域的光刻膠。所述的熔化光刻膠是指將烘箱溫度設(shè)定為175°C 185°C，熔化時間為20 30分鐘。所述的雙面法是指通過在具有待復(fù)制鏡頭曲率的凹模中添加聚二甲基硅氧烷， 并將具有平面復(fù)眼透鏡陣列的凸模擠壓后經(jīng)加熱固化得到曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭。所述的加熱固化是指以60°C烘烤3小時。所述的具有平面復(fù)眼透鏡陣列的凸模是指在平面復(fù)眼透鏡陣列的表面旋涂第一 聚二甲基硅氧烷層以復(fù)制平面復(fù)眼透鏡陣列，經(jīng)酒精浸泡后將第一聚二甲基硅氧烷層的下 底面與平面復(fù)眼透鏡陣列相剝離，然后在該下底面上沉積聚對二甲苯作為疏水剝離層并在 疏水剝離層上旋涂第二聚二甲基硅氧烷層作為圖形保護層，制成凸模。所述的第一聚二甲基硅氧烷層和第二聚二甲基硅氧烷層的厚度為300 500微 米。所述的聚對二甲苯疏水層厚度為3 5微米，疏水層上旋涂的聚二甲基硅氧烷保 護層厚度在40微米至100微米。所述的具有待復(fù)制鏡頭曲率的凹模是指在待復(fù)制鏡頭表面旋涂聚二甲基硅氧烷 經(jīng)加熱凝固后制成凹模。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的曲面人工復(fù)眼的制備工藝，能夠在不影響小復(fù)眼 透鏡尺寸外形的情況下精確控制復(fù)眼基底曲率值，并能夠制備具有特定外形的人工復(fù)眼。 所得曲面人工復(fù)眼增大了視場角，能夠改善邊緣成像質(zhì)量；同時本發(fā)明制備所得不同外形 尺寸的復(fù)眼鏡頭，可以替換原單孔徑成像設(shè)備的鏡頭。
圖1為實施例1示意圖；其中圖la為立體復(fù)眼示意圖；圖lb為局部放大示意圖；圖lc為對應(yīng)凹模具示 意圖；圖Id為第六步復(fù)合薄膜示意圖；圖中標記A為復(fù)制復(fù)眼陣列圖形的薄膜，標記B為圖 形保護薄膜，中間層為疏水層。圖2為實施例2示意圖；其中圖2a為立體復(fù)眼示意圖；圖2b為局部放大示意圖；圖2c為對應(yīng)凹模具示 意圖；圖2d為第六步復(fù)合薄膜示意圖；圖中標記A為復(fù)制復(fù)眼陣列圖形的薄膜，標記B為圖形保護薄膜，中間層為疏水層。圖3為實施例3示意圖；其中圖3a為立體復(fù)眼示意圖；圖3b為局部放大示意圖；圖3c為對應(yīng)凹模具示 意圖；圖3d為第六步復(fù)合薄膜示意圖；圖中標記A為復(fù)制復(fù)眼陣列圖形的薄膜，標記B為圖 形保護薄膜，中間層為疏水層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下 述的實施例。實施例1如圖la所示，本實施例包括復(fù)眼基底和圓形結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡，其中復(fù)眼基底的 直徑為1厘米高4毫米的球冠狀基底，復(fù)眼透鏡為直徑160微米，高度16微米的球面凸透
fe o本實施例通過以下步驟進行制備第一步、清洗硅片襯底，在硅片襯底上濺射鉻，制成厚度為100埃的金屬層；如圖lb所示，第二步、在金屬層表面旋涂光刻膠，然后采用圓形復(fù)眼陣列結(jié)構(gòu)通 過光刻處理制成柱狀凸起結(jié)構(gòu)；所述的圓形復(fù)眼陣列的圓柱直徑為150微米，高度為18微米。第三步、將涂有光刻膠的硅片襯底置于180°C烘箱中熔化25分鐘，使硅片襯底的 表面形成半球形結(jié)構(gòu)的光刻膠凸點；所述的光刻膠凸點直徑為160微米，高度為16微米。如圖lc所示，第四步、在光刻膠凸點的表面旋涂聚二甲基硅氧烷以復(fù)制平面復(fù)眼 透鏡陣列所述的聚二甲基硅氧烷層的厚度為400微米。第五步、將基底邊緣的聚二甲基硅氧烷層去除，并經(jīng)酒精浸泡處理后將基底上的 聚二甲基硅氧烷揭下，使具備圖形一面向上，背面(A面)貼于光滑玻璃上；所述的背面貼于光滑玻璃上需保持薄膜平整。如圖Id所示，第六步、將帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷層具有圖形表面沉積 聚對二甲苯，作為疏水剝離層，并在疏水層上再旋涂一層聚二甲基硅氧烷作為圖形保護層 (B 面)。所述的聚對二甲苯厚度為3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保護層厚度為87 微米。第七步、以一單孔徑鏡頭作為模具，使用聚二甲基硅氧烷復(fù)制鏡頭復(fù)制其外形，加 熱凝固后取出鏡頭，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，將第六步所得保護后的薄膜A 面面向凹模采，用凸出模壓入后加熱固化。所述的壓入復(fù)合薄膜所使用的凸模可以直接采用目標鏡頭，且凹模具有一定彈 性，可以保證凸模的進出而不損壞。所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。
所述的添加少量聚二甲基硅氧烷為粘合劑，用量為凹模容積的8%。第八步，待復(fù)眼薄膜和凹模完全粘連固化后，剝離圖形保護層(B面)，并在具有復(fù) 眼圖形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加熱固化，最后剝離出和目標曲率相復(fù)合的具備指 定形狀特征的曲面人工復(fù)眼。所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。實施例2如圖2a-圖2d所示，本實施例包括復(fù)眼基底和六邊形結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡，其中復(fù) 眼基底的直徑為1. 8厘米具有臺階特征的曲面基底，復(fù)眼透鏡為對角長190微米，高度19 微米的六邊形凸透鏡。本實施例通過以下步驟進行制備第一步、清洗硅片襯底，在硅片襯底上濺射鉻，制成厚度為100埃的金屬層；第二步、在金屬層表面旋涂光刻膠，然后采用六邊形柱陣列結(jié)構(gòu)的掩膜板通過光 刻處理制成柱狀凸起結(jié)構(gòu)；所述的六邊形柱的直徑為180微米，高度為21微米。第三步、將涂有光刻膠的硅片襯底置于180°C烘箱中熔化25分鐘，使硅片襯底的 表面形成半球形結(jié)構(gòu)的光刻膠凸點；所述的融化后光刻膠凸點對角線長度為190微米，高度為19微米。第四步、在光刻膠凸點的表面旋涂聚二甲基硅氧烷復(fù)制平面復(fù)眼透鏡陣列；所述的聚二甲基硅氧烷的厚度為340微米。第五步、將基底邊緣的聚二甲基硅氧烷層去除，并經(jīng)酒精浸泡處理后將基底上的 聚二甲基硅氧烷層揭下，使具備圖形一面向上，背面(A面)貼于光滑玻璃上；所述的背面貼于光滑玻璃上需保持薄膜平整。第六步、將帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷層具有圖形表面沉積聚對二甲苯， 作為疏水剝離層，并在疏水層上再旋涂一層聚二甲基硅氧烷作為圖形保護層(B面)。所述的聚對二甲苯厚度為3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保護層厚度為84 微米。第七步、以一單孔徑鏡頭作為模具，使用聚二甲基硅氧烷復(fù)制鏡頭復(fù)制其外形，加 熱凝固后取出鏡頭，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，將第六步所得保護后的薄膜A 面面向凹模采，用凸出模壓入后加熱固化。所述的壓入復(fù)合薄膜所使用的凸?？梢灾苯硬捎媚繕绥R頭，且凹模具有一定彈 性，可以保證凸模的進出而不損壞。所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。所述的添加少量聚二甲基硅氧烷為粘合劑，用量為凹模容積的8%。第八步，待復(fù)眼薄膜和凹模完全粘連固化后，剝離圖形保護層(B面)，并在具有復(fù) 眼圖形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加熱固化，最后剝離出和目標曲率相復(fù)合的具備指 定形狀特征的曲面人工復(fù)眼。所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。實施例3如圖3a-圖3d所示，本實施例包括復(fù)眼基底和方形結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡，其中復(fù)眼基底的直徑為2厘米高8毫米空心球缺基底，其空心直徑為1厘米高3毫米，復(fù)眼透鏡為邊 長180微米，高度20微米的方形凸透鏡。本實施例通過以下步驟進行制備第一步、清洗硅片襯底，在硅片襯底上濺射鉻，制成厚度為100埃的金屬層；第二步、在金屬層表面旋涂光刻膠，然后采用方形復(fù)眼陣列結(jié)構(gòu)的掩膜板通過光 刻 處理制成柱狀凸起結(jié)構(gòu)；所述的方形復(fù)眼陣列的方形柱直徑為175微米，高度為22微米。第三步、將涂有光刻膠的硅片襯底置于180°C烘箱中熔化25分鐘，使硅片襯底的 表面形成半球形結(jié)構(gòu)的光刻膠凸點；所述的融化后光刻膠凸點邊長為180微米，高度為20微米。第四步、在光刻膠凸點的表面旋涂聚二甲基硅氧烷復(fù)制平面復(fù)眼透鏡陣列；所述的聚二甲基硅氧烷的厚度為380微米。第五步、將基底邊緣的聚二甲基硅氧烷層去除，并經(jīng)酒精浸泡處理后將基底上的 聚二甲基硅氧烷層揭下，使具備圖形一面向上，背面(A面)貼于光滑玻璃上；所述的背面貼于光滑玻璃上需保持薄膜平整。第六步、將帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷層具有圖形表面沉積聚對二甲苯， 作為疏水剝離層，并在疏水層上再旋涂一層聚二甲基硅氧烷作為圖形保護層(B面)。所述的聚對二甲苯厚度為3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保護層厚度為82 微米。第七步、以一單孔徑鏡頭作為模具，使用聚二甲基硅氧烷復(fù)制鏡頭復(fù)制其外形，力口 熱凝固后取出鏡頭獲得凹模，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，將第六步所得保護后 的薄膜A面面向凹模采，用凸出模壓入后加熱固化，同時在單孔徑透鏡反面內(nèi)凹部分倒入 聚二甲基硅氧烷以獲得其空心球缺凸模，加熱固化后需在其表面沉積Parylen作為疏水層。所述的壓入復(fù)合薄膜所使用的凸模可以直接采用目標鏡頭，且凹模具有一定彈 性，可以保證凸模的進出而不損壞。所述的聚對二甲苯厚度為3微米.所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。所述的添加少量聚二甲基硅氧烷為粘合劑，用量為凹模容積的8%。第八步，待復(fù)眼薄膜和凹模完全粘連固化后，剝離圖形保護層(B面)，并在具有復(fù) 眼圖形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加熱固化，最后剝離出和目標曲率相復(fù)合的具備指 定形狀特征的曲面人工復(fù)眼。所述的加熱固化溫度為60°C時間為3小時。本實例所制備的曲面人工復(fù)眼。其優(yōu)點是具有不同的外形特征，適用于各種使用 環(huán)境，體積小可以于圖像傳感器直接組成光學成像系統(tǒng)或者替代原有的單孔徑鏡頭，有助 于提高動態(tài)捕捉能力和三維信息提取能力。
權(quán)利要求
一種曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭，其特征在于，包括基底和位于基底外表面上的若干小眼構(gòu)成，其中小眼為圓形、六邊形或者方形結(jié)構(gòu)；所述的基底和復(fù)眼透鏡均為聚二甲基硅氧烷材料。
2.一種如權(quán)利要求1所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征在于，通過 采用聚合物制作待復(fù)制鏡頭的凹模，采用雙面法將平面復(fù)眼透鏡陣列制備成曲率可控的人 工復(fù)眼鏡頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的平 面復(fù)眼透鏡陣列通過以下方式制備得到首先在硅片襯底上濺射金屬作為粘著層，然后在 粘著層表面旋涂光刻膠，然后通過光刻處理制成柱狀凸起結(jié)構(gòu)，最后置于烘箱中熔化光刻 膠，使硅片襯底的表面形成半球形結(jié)構(gòu)的光刻膠凸點，作為平面復(fù)眼透鏡陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的光 刻處理是指采用圓形、六邊形或方形柱復(fù)眼陣列作為掩膜板進行光刻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的粘 著層的厚度為100埃，所述濺射金屬為鉻銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的 光刻是指對涂有光刻膠的位置進行曝光，然后采用AZ-400K顯影液顯影180秒去除曝光區(qū) 域的光刻膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的熔 化光刻膠是指將烘箱溫度設(shè)定為175°C 185°C，熔化時間為20 30分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的雙 面法是指通過在具有待復(fù)制鏡頭曲率的凹模中添加聚二甲基硅氧烷，并將具有平面復(fù)眼 透鏡陣列的凸模擠壓后經(jīng)加熱固化得到曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述的具 有平面復(fù)眼透鏡陣列的凸模是指在平面復(fù)眼透鏡陣列的表面旋涂第一聚二甲基硅氧烷層 以復(fù)制平面復(fù)眼透鏡陣列，經(jīng)酒精浸泡后將第一聚二甲基硅氧烷層的下底面與平面復(fù)眼透 鏡陣列相剝離，然后在該下底面上沉積聚對二甲苯作為疏水剝離層并在疏水剝離層上旋涂 第二聚二甲基硅氧烷層作為圖形保護層，制成凸模。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭的制備方法，其特征是，所述 的具有待復(fù)制鏡頭曲率的凹模是指在待復(fù)制鏡頭表面旋涂聚二甲基硅氧烷經(jīng)加熱凝固后 制成凹模。
全文摘要
一種光學微器件技術(shù)領(lǐng)域的曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭及其制備方法，該方法通過采用聚合物制作待復(fù)制鏡頭的凹模，采用雙面法將平面復(fù)眼透鏡陣列制備成曲率可控的人工復(fù)眼鏡頭。本發(fā)明制備所得的人工復(fù)眼鏡頭，包括基底和位于基底外表面上的若干小眼構(gòu)成，其中小眼為圓形、六邊形或者方形結(jié)構(gòu)，所述的基底和復(fù)眼透鏡均為聚二甲基硅氧烷制成。本發(fā)明適用于各種使用環(huán)境，體積小可以于圖像傳感器直接組成光學成像系統(tǒng)或者替代原有的單孔徑鏡頭，有助于提高動態(tài)捕捉能力和三維信息提取能力。
文檔編號G03F7/00GK101840012SQ201010154340
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月24日
發(fā)明者何慶, 劉景全, 李以貴, 楊春生, 芮岳峰 申請人:上海交通大學