一种微透镜阵列的制备方法及硬管内窥镜转像系统技术方案

本发明专利技术提供了一种微透镜阵列的制备方法，包括：(1)制备玻璃基板；(2)将微球溶液用酒精和去离子水稀释，得到稀释悬浮液；之后滴加在玻璃基板表面上；(3)将玻璃基板储存在常温玻璃箱中，使水分缓慢蒸发；(4)加热获得0.5≤高宽比≤0.9，填充因子≥90％的微球阵列；(5)测量微球阵列的反射率R，判断反射率R在波长300

【技术实现步骤摘要】
一种微透镜阵列的制备方法及硬管内窥镜转像系统


[0001]本专利技术属于微透镜阵列制备和应用领域，具体涉及一种基于自组装原理的微透镜阵列高效率、低成本、大面积快速制备方法及其在硬管内窥镜成像系统中的应用。

技术介绍

[0002]微透镜阵列(MLA)作为新一代的光学元件，在高端重大装备中发挥着普通光学元件难以实现的光束整形、匀化光斑、波前诊断、波分复用等功能，是实现产品性能提升的核心关键元件。一方面，我国在微透镜阵列研究方面起步较晚，基础薄弱，再加上我国的总体科技水平与发达国家相比，还有一定的距离，所以尽管在微透镜方面做了一些工作，但阵列规模相对较小，单元尺寸相对较大；另一方面，现有的微透镜阵列制备方法(光辅助加工、机械加工和化学加工)很难同时做到高效率、高精度、低成本、无污染及大规模制备等要求。因此，掌握高精度、低成本MLA快速大规模制备方法是我国高端智能制造产业发展和突破国外高精密光学元器件先发优势的现实需求。
[0003]医用硬管内窥镜是临床诊断必不可少的诊断治疗工具，目前已被广泛应用于无创或微创手术中，其成像质量对于医生的诊断和治疗极为关键。硬管内窥镜光学系统中包含三部分：物镜、转像透镜系统和目镜，转像透镜系统通过奇数组转像透镜组将物镜所成的倒像在目镜物方焦平面处成1：1的正像。光学转像透镜组一般采用HOPKINS棒状透镜，其完全对称式的结构可以实现等比例传像，但轴向像差(如球差，轴向色差，像散和场曲等)在此转像过程中会产生倍增。目前，为了校正色差，每组转像透镜组都会胶合负透镜，导致胶合面增多，胶合面处不仅易断裂，且增加了加工成本，也会影响成像质量。然而，一方面，医用硬性内窥镜为了能够深入人体内对病灶进行观察，需要设计成不同的长度，长度越长所需的HOPKINS棒状镜组组数越多，产生的场曲等越严重。另一方面，为了减少患者痛苦，硬管内窥镜的口径越来越小，其带来的视场减小和光学畸变问题也越来越突出。
[0004]微透镜阵列目前已广泛应用于光学系统，如准分子激光器的光束均匀化、光刻机照明系统的光束均匀化等。微透镜阵列的构思来源于昆虫复眼结构，其相较于传统透镜有着明显的优点，如具有极大的视角、低像差和畸变等。因此将其应用于硬管内窥镜转像系统将有望避免胶合并解决其长工作距离和小口径下的畸变问题，提高成像质量。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种微透镜阵列的制备方法及硬管内窥镜转像系统。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0007]一种微透镜阵列的制备方法，包括下列步骤：
[0008](1)首先将玻璃基板在丙酮和酒精中各超声清洗10～15min，然后在去离子水中漂洗10～15min，最后在烘干箱中烘干备用；
[0009](2)制备浓度为5～10mg/ml微球溶液，所述微球溶液由微球和纯水构成，所述微球
是指直径在微纳米量级的圆球形颗粒，要求所述微球的透过率T在波长300
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1100nm范围内≥90％；将微球溶液用酒精和去离子水按照1∶1的比例进行稀释，得到含有微球的稀释悬浮液；之后将含有微球的稀释悬浮液滴加在玻璃基板表面上；
[0010](3)将玻璃基板储存在常温玻璃箱中，并倾斜9
±
1℃以使水分缓慢蒸发8～12个小时；在此过程中，微球在毛细力的作用下将自主排列成紧密单层阵列的微球阵列；
[0011](4)通过在100℃～130℃范围内加热覆盖了微球的玻璃基板来改变微球阵列中阵列子单元的高宽比和填充因子，其中高宽比为h/d，填充因子为d/s，h为子单元高度，d为子单元直径，s为两个相邻子单元中心之间的距离；最终获得0.5≤高宽比≤0.9，填充因子≥90％的微球阵列；
[0012](5)测量步骤(4)中获得的微球阵列的反射率R，判断反射率R在波长300
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1100nm范围内是否均小于20％，若否，则返回步骤(4)改变阵列子单元的高宽比和填充因子，或者返回步骤(2)改变微球的材料类型；若是，则该微球阵列即为需要制备的微透镜阵列。
[0013]进一步的，微球的材料为SiO2微球或者聚苯乙烯微球。
[0014]进一步的，步骤(2)中将稀释悬浮液滴滴加在玻璃基板的中心位置，且稀释悬浮液面积为玻璃基板表面积的1/2～2/3。
[0015]进一步的，步骤(5)中通过紫外
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可见
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近红外分光光度计测量微球阵列的反射率R。
[0016]本专利技术还提供了一种基于上述制备微透镜阵列的硬管内窥镜转像系统，包括沿光轴放置的转像透镜系统、多个光阑和至少一个成像校正系统；转像透镜系统包括奇数组转像透镜组，用于将物镜所成的倒像在目镜物方焦平面处成1∶1的正像，并使内窥镜的工作长度满足要求；每组转像透镜组由前后完全对称的两个分离的Hopkins棒状透镜组成；成像校正系统包括两个阵列面相对设置的微透镜阵列，成像校正系统设置在相邻的两组转像透镜组之间；光阑设置在转像透镜组和微透镜阵列之间，用于限制光线沿光轴方向传播并限制光线的入射范围。
[0017]本专利技术具有如下有益效果：
[0018]1、相比目前工业上常用的光辅助加工、机械加工等方法，本专利技术基于自组装原理的微透镜阵列制备方法绿色安全、对环境无污染，具备高效率、低成本、适宜于大面积快速制备的优点，且阵列子单元尺度高度可控。
[0019]2、本专利技术所述方法对基板类型、型号、形状、尺寸没有限制，如K9和熔石英均可兼容。
[0020]3、本专利技术所述方法不受微球溶液类型限制，如SiO2微球、聚苯乙烯(PS)微球等，微球尺寸在nm～mm量级均可。
[0021]4、将本专利技术所述方法制备的微透镜阵列应用于硬管内窥镜转像系统，通过光路设计的优化，将降低制备难度并显著提升医学成像的质量和准确性。
[0022]5、本专利技术所述的硬管内窥镜转像系统，不受内窥镜类型、长度和口径的限制，实现简单、可靠，适用性广泛。
附图说明
[0023]图1为硬管内窥镜转像系统的结构示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。
[0025]本专利技术提供了一种基于自组装原理的微透镜阵列制备方法，包括下列步骤：
[0026](1)首先将玻璃基板在丙酮和酒精中各超声清洗10～15min，然后在去离子水中漂洗10～15min，最后在烘干箱中烘干备用。
[0027](2)制备浓度为5～10mg/ml微球溶液，所述微球溶液由微球和纯水构成，所述微球是指直径在微纳米量级的圆球形颗粒，要求所述微球的透过率T在波长300
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1100nm范围内≥90％，微球的材料可以为SiO2微球、聚苯乙烯(PS)微球等。
[0028]将微球溶液用酒精和去离子水按照1∶1的比例进行稀释，得到含有微球的稀释悬浮液；之后将含有微球的稀释悬浮液滴加在玻璃基板表面上。
[0029]为了后续的实验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先将玻璃基板在丙酮和酒精中各超声清洗10～15min，然后在去离子水中漂洗10～15min，最后在烘干箱中烘干备用；(2)制备浓度为5～10mg/ml微球溶液，所述微球溶液由微球和纯水构成，所述微球是指直径在微纳米量级的圆球形颗粒，要求所述微球的透过率T在波长300
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1100nm范围内≥90％；将微球溶液用酒精和去离子水按照1：1的比例进行稀释，得到含有微球的稀释悬浮液；之后将含有微球的稀释悬浮液滴加在玻璃基板表面上；(3)将玻璃基板储存在常温玻璃箱中，并倾斜9
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1℃以使水分缓慢蒸发8～12个小时；在此过程中，微球在毛细力的作用下将自主排列成紧密单层阵列的微球阵列；(4)通过在100℃～130℃范围内加热覆盖了微球的玻璃基板来改变微球阵列中阵列子单元的高宽比和填充因子，其中高宽比为h/d，填充因子为d/s，h为子单元高度，d为子单元直径，s为两个相邻子单元中心之间的距离；最终获得0.5≤高宽比≤0.9，填充因子≥90％的微球阵列；(5)测量步骤(4)中获得的微球阵列的反射率R，判断反射率R在波长300
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1100nm范围内是否均小于20...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛伟，刘文文，曹宇，陈洁，侯智善，郑佳云，
申请(专利权)人：瓯江实验室，
类型：发明
国别省市：