一种非均一曲面复眼透镜及其制备方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种非均一曲面复眼透镜及其制备方法
本专利技术设计微纳加工领域，主要为非均一曲面复眼的新型设计方案与制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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lm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，rm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……lm，rm＝(1-n)×lm(2)优选地，由弦长公式可以得到公式(3)，求出子眼的口径sm：其中hm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hm和口径sm成线性关系：hm＝h1+k*(sm-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hm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sm后，可求得m级子眼的焦距lm，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lm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，rm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。本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术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专利技术，而不构成对本专利技术的限制。下面结合实施例对本专利技术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。在本专利技术研究过程中发现，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。本专利技术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，简单高效本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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lm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，rm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……lm，
rm＝(1-n)×lm(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sm：



其中hm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hm和口径sm成线性关系：
hm＝h1+k*(sm-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hm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sm后，可求得m级子眼的焦距lm，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。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘永顺，陶可楷，连高歌，吴一辉，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22