专利名称：曲率可控的人工复眼镜头及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微光学器件技术领域的镜头及其制备方法，具体是一种曲率 可控的人工复眼镜头及其制备方法。
背景技术：
随着光学，机械学，电子学等领域的不断发展和相互融合，光机电产品越来越广 泛，同时对其要求也越来越高。但是单孔径光学系统，由于其体积和重量的限制已经无法适 应轻便灵巧的要求。人工复眼是集生物学、光学、电子学、信息处理、数据融合、自动控制等 多个学科为一体，具有创新性、边缘性、交叉性的前沿研究领域。曲面人工复眼相比与平面 人工复眼更具有成像质量高，视场角广，动态反映性高等优点，在内窥技术、小孔径探测、自 动武器瞄准系统、智能机器人视觉系统以及导弹引导装置等具有广阔的应用前景。经对现有技术文献的检索发现，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"( “微光学人工复眼的最近发展一种具有广阔前景的下 一代紧凑型机器视觉”《工业检测中的机器视觉》)。该文中介绍了国外目前复眼的研究现 状以及制备方法，可以大致将这些制备方法分为采用空气压力差使薄膜变形获得一定曲率 的复眼曲面，或者采用半导体加工技术制备平面复眼结构。该文中提及的曲面复眼制作工 艺中采用PDMS材料(聚二甲基硅氧烷)作为初始复眼阵列图形复制材料，由于PDMS所制 备薄膜本身具有弹性，在气压差变形过程由于薄膜厚度、气压缸体密封程度、薄膜变形程度 等各种原因无法获得精确的曲率和形状更为复杂的复眼透镜。同时针对国内的文献和专利的查询，国内复眼制备方法中能获得曲面复眼的工艺 方法为采用特殊设备在曲面基底上直接激光刻蚀或者同样采用对薄膜的压力差变形制备。 这些方法最主要的缺陷在于其低效率高成本，每只复眼的制作都必须经过相同的工艺步 骤，大大提高了制备成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种曲率可控的人工复眼镜头及其制 备方法，通过采用具备一定刚度的模具对复眼实现控制表面曲率以及形状的微复制的方 法，制备的复眼镜头能够替代原有的单孔径镜头和图象传感器配合，从而实现可控曲率的 人工复眼摄像镜头的功能，有助提高摄像镜头的视场角和动态捕捉能力。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种曲率可控的人工复眼镜头，包括基底和位于基底外表面上的若 干小眼构成，其中小眼为圆形、六边形或者方形结构。所述的基底和复眼透镜均为聚二甲基硅氧烷材料。
本发明涉及上述曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，通过采用聚合物制作待复 制镜头的凹模，采用双面法将平面复眼透镜阵列制备成曲率可控的人工复眼镜头。所述的平面复眼透镜阵列通过以下方式制备得到首先在硅片衬底上溅射金属作 为粘着层，然后在粘着层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构，最后置于 烘箱中熔化光刻胶，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点，作为平面复眼透镜 阵列。所述的光刻处理是指采用圆形、六边形或方形柱复眼阵列作为掩膜板进行光 刻；所述的粘着层的厚度为100埃，所述溅射金属为铬铜；所述的光刻是指对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影 180秒去除曝光区域的光刻胶。所述的熔化光刻胶是指将烘箱温度设定为175°C 185°C，熔化时间为20 30分钟。所述的双面法是指通过在具有待复制镜头曲率的凹模中添加聚二甲基硅氧烷， 并将具有平面复眼透镜阵列的凸模挤压后经加热固化得到曲率可控的人工复眼镜头。所述的加热固化是指以60°C烘烤3小时。所述的具有平面复眼透镜阵列的凸模是指在平面复眼透镜阵列的表面旋涂第一 聚二甲基硅氧烷层以复制平面复眼透镜阵列，经酒精浸泡后将第一聚二甲基硅氧烷层的下 底面与平面复眼透镜阵列相剥离，然后在该下底面上沉积聚对二甲苯作为疏水剥离层并在 疏水剥离层上旋涂第二聚二甲基硅氧烷层作为图形保护层，制成凸模。所述的第一聚二甲基硅氧烷层和第二聚二甲基硅氧烷层的厚度为300 500微 米。所述的聚对二甲苯疏水层厚度为3 5微米，疏水层上旋涂的聚二甲基硅氧烷保 护层厚度在40微米至100微米。所述的具有待复制镜头曲率的凹模是指在待复制镜头表面旋涂聚二甲基硅氧烷 经加热凝固后制成凹模。与现有技术相比，本发明所述的曲面人工复眼的制备工艺，能够在不影响小复眼 透镜尺寸外形的情况下精确控制复眼基底曲率值，并能够制备具有特定外形的人工复眼。 所得曲面人工复眼增大了视场角，能够改善边缘成像质量；同时本发明制备所得不同外形 尺寸的复眼镜头，可以替换原单孔径成像设备的镜头。
图1为实施例1示意图；其中图la为立体复眼示意图；图lb为局部放大示意图；图lc为对应凹模具示 意图；图Id为第六步复合薄膜示意图；图中标记A为复制复眼阵列图形的薄膜，标记B为图 形保护薄膜，中间层为疏水层。图2为实施例2示意图；其中图2a为立体复眼示意图；图2b为局部放大示意图；图2c为对应凹模具示 意图；图2d为第六步复合薄膜示意图；图中标记A为复制复眼阵列图形的薄膜，标记B为图形保护薄膜，中间层为疏水层。图3为实施例3示意图；其中图3a为立体复眼示意图；图3b为局部放大示意图；图3c为对应凹模具示 意图；图3d为第六步复合薄膜示意图；图中标记A为复制复眼阵列图形的薄膜，标记B为图 形保护薄膜，中间层为疏水层。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。实施例1如图la所示，本实施例包括复眼基底和圆形结构的复眼透镜，其中复眼基底的 直径为1厘米高4毫米的球冠状基底，复眼透镜为直径160微米，高度16微米的球面凸透
fe o本实施例通过以下步骤进行制备第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100埃的金属层；如图lb所示，第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后采用圆形复眼阵列结构通 过光刻处理制成柱状凸起结构；所述的圆形复眼阵列的圆柱直径为150微米，高度为18微米。第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180°C烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的 表面形成半球形结构的光刻胶凸点；所述的光刻胶凸点直径为160微米，高度为16微米。如图lc所示，第四步、在光刻胶凸点的表面旋涂聚二甲基硅氧烷以复制平面复眼 透镜阵列所述的聚二甲基硅氧烷层的厚度为400微米。第五步、将基底边缘的聚二甲基硅氧烷层去除，并经酒精浸泡处理后将基底上的 聚二甲基硅氧烷揭下，使具备图形一面向上，背面(A面)贴于光滑玻璃上；所述的背面贴于光滑玻璃上需保持薄膜平整。如图Id所示，第六步、将帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷层具有图形表面沉积 聚对二甲苯，作为疏水剥离层，并在疏水层上再旋涂一层聚二甲基硅氧烷作为图形保护层 (B 面)。所述的聚对二甲苯厚度为3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保护层厚度为87 微米。第七步、以一单孔径镜头作为模具，使用聚二甲基硅氧烷复制镜头复制其外形，加 热凝固后取出镜头，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，将第六步所得保护后的薄膜A 面面向凹模采，用凸出模压入后加热固化。所述的压入复合薄膜所使用的凸模可以直接采用目标镜头，且凹模具有一定弹 性，可以保证凸模的进出而不损坏。所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。
所述的添加少量聚二甲基硅氧烷为粘合剂，用量为凹模容积的8%。第八步，待复眼薄膜和凹模完全粘连固化后，剥离图形保护层(B面)，并在具有复 眼图形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加热固化，最后剥离出和目标曲率相复合的具备指 定形状特征的曲面人工复眼。所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。实施例2如图2a-图2d所示，本实施例包括复眼基底和六边形结构的复眼透镜，其中复 眼基底的直径为1. 8厘米具有台阶特征的曲面基底，复眼透镜为对角长190微米，高度19 微米的六边形凸透镜。本实施例通过以下步骤进行制备第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100埃的金属层；第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后采用六边形柱阵列结构的掩膜板通过光 刻处理制成柱状凸起结构；所述的六边形柱的直径为180微米，高度为21微米。第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180°C烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的 表面形成半球形结构的光刻胶凸点；所述的融化后光刻胶凸点对角线长度为190微米，高度为19微米。第四步、在光刻胶凸点的表面旋涂聚二甲基硅氧烷复制平面复眼透镜阵列；所述的聚二甲基硅氧烷的厚度为340微米。第五步、将基底边缘的聚二甲基硅氧烷层去除，并经酒精浸泡处理后将基底上的 聚二甲基硅氧烷层揭下，使具备图形一面向上，背面(A面)贴于光滑玻璃上；所述的背面贴于光滑玻璃上需保持薄膜平整。第六步、将帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷层具有图形表面沉积聚对二甲苯， 作为疏水剥离层，并在疏水层上再旋涂一层聚二甲基硅氧烷作为图形保护层(B面)。所述的聚对二甲苯厚度为3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保护层厚度为84 微米。第七步、以一单孔径镜头作为模具，使用聚二甲基硅氧烷复制镜头复制其外形，加 热凝固后取出镜头，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，将第六步所得保护后的薄膜A 面面向凹模采，用凸出模压入后加热固化。所述的压入复合薄膜所使用的凸模可以直接采用目标镜头，且凹模具有一定弹 性，可以保证凸模的进出而不损坏。所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。所述的添加少量聚二甲基硅氧烷为粘合剂，用量为凹模容积的8%。第八步，待复眼薄膜和凹模完全粘连固化后，剥离图形保护层(B面)，并在具有复 眼图形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加热固化，最后剥离出和目标曲率相复合的具备指 定形状特征的曲面人工复眼。所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。实施例3如图3a-图3d所示，本实施例包括复眼基底和方形结构的复眼透镜，其中复眼基底的直径为2厘米高8毫米空心球缺基底，其空心直径为1厘米高3毫米，复眼透镜为边 长180微米，高度20微米的方形凸透镜。本实施例通过以下步骤进行制备第一步、清洗硅片衬底，在硅片衬底上溅射铬，制成厚度为100埃的金属层；第二步、在金属层表面旋涂光刻胶，然后采用方形复眼阵列结构的掩膜板通过光 刻 处理制成柱状凸起结构；所述的方形复眼阵列的方形柱直径为175微米，高度为22微米。第三步、将涂有光刻胶的硅片衬底置于180°C烘箱中熔化25分钟，使硅片衬底的 表面形成半球形结构的光刻胶凸点；所述的融化后光刻胶凸点边长为180微米，高度为20微米。第四步、在光刻胶凸点的表面旋涂聚二甲基硅氧烷复制平面复眼透镜阵列；所述的聚二甲基硅氧烷的厚度为380微米。第五步、将基底边缘的聚二甲基硅氧烷层去除，并经酒精浸泡处理后将基底上的 聚二甲基硅氧烷层揭下，使具备图形一面向上，背面(A面)贴于光滑玻璃上；所述的背面贴于光滑玻璃上需保持薄膜平整。第六步、将帖于光滑玻璃上的聚二甲基硅氧烷层具有图形表面沉积聚对二甲苯， 作为疏水剥离层，并在疏水层上再旋涂一层聚二甲基硅氧烷作为图形保护层(B面)。所述的聚对二甲苯厚度为3微米，其上上旋涂的聚二甲基硅氧烷保护层厚度为82 微米。第七步、以一单孔径镜头作为模具，使用聚二甲基硅氧烷复制镜头复制其外形，力口 热凝固后取出镜头获得凹模，并在凹模中添加少量聚二甲基硅氧烷，将第六步所得保护后 的薄膜A面面向凹模采，用凸出模压入后加热固化，同时在单孔径透镜反面内凹部分倒入 聚二甲基硅氧烷以获得其空心球缺凸模，加热固化后需在其表面沉积Parylen作为疏水层。所述的压入复合薄膜所使用的凸模可以直接采用目标镜头，且凹模具有一定弹 性，可以保证凸模的进出而不损坏。所述的聚对二甲苯厚度为3微米.所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。所述的添加少量聚二甲基硅氧烷为粘合剂，用量为凹模容积的8%。第八步，待复眼薄膜和凹模完全粘连固化后，剥离图形保护层(B面)，并在具有复 眼图形的凹模中倒入聚二甲基硅氧烷并加热固化，最后剥离出和目标曲率相复合的具备指 定形状特征的曲面人工复眼。所述的加热固化温度为60°C时间为3小时。本实例所制备的曲面人工复眼。其优点是具有不同的外形特征，适用于各种使用 环境，体积小可以于图像传感器直接组成光学成像系统或者替代原有的单孔径镜头，有助 于提高动态捕捉能力和三维信息提取能力。
权利要求
一种曲率可控的人工复眼镜头，其特征在于，包括基底和位于基底外表面上的若干小眼构成，其中小眼为圆形、六边形或者方形结构；所述的基底和复眼透镜均为聚二甲基硅氧烷材料。
2.一种如权利要求1所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征在于，通过 采用聚合物制作待复制镜头的凹模，采用双面法将平面复眼透镜阵列制备成曲率可控的人 工复眼镜头。
3.根据权利要求2所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的平 面复眼透镜阵列通过以下方式制备得到首先在硅片衬底上溅射金属作为粘着层，然后在 粘着层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻处理制成柱状凸起结构，最后置于烘箱中熔化光刻 胶，使硅片衬底的表面形成半球形结构的光刻胶凸点，作为平面复眼透镜阵列。
4.根据权利要求3所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的光 刻处理是指采用圆形、六边形或方形柱复眼阵列作为掩膜板进行光刻。
5.根据权利要求2所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的粘 着层的厚度为100埃，所述溅射金属为铬铜。
6.根据权利要求2或4所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的 光刻是指对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影180秒去除曝光区 域的光刻胶。
7.根据权利要求3所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的熔 化光刻胶是指将烘箱温度设定为175°C 185°C，熔化时间为20 30分钟。
8.根据权利要求2所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的双 面法是指通过在具有待复制镜头曲率的凹模中添加聚二甲基硅氧烷，并将具有平面复眼 透镜阵列的凸模挤压后经加热固化得到曲率可控的人工复眼镜头。
9.根据权利要求8所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述的具 有平面复眼透镜阵列的凸模是指在平面复眼透镜阵列的表面旋涂第一聚二甲基硅氧烷层 以复制平面复眼透镜阵列，经酒精浸泡后将第一聚二甲基硅氧烷层的下底面与平面复眼透 镜阵列相剥离，然后在该下底面上沉积聚对二甲苯作为疏水剥离层并在疏水剥离层上旋涂 第二聚二甲基硅氧烷层作为图形保护层，制成凸模。
10.根据权利要求2或4所述的曲率可控的人工复眼镜头的制备方法，其特征是，所述 的具有待复制镜头曲率的凹模是指在待复制镜头表面旋涂聚二甲基硅氧烷经加热凝固后 制成凹模。
全文摘要
一种光学微器件技术领域的曲率可控的人工复眼镜头及其制备方法，该方法通过采用聚合物制作待复制镜头的凹模，采用双面法将平面复眼透镜阵列制备成曲率可控的人工复眼镜头。本发明制备所得的人工复眼镜头，包括基底和位于基底外表面上的若干小眼构成，其中小眼为圆形、六边形或者方形结构，所述的基底和复眼透镜均为聚二甲基硅氧烷制成。本发明适用于各种使用环境，体积小可以于图像传感器直接组成光学成像系统或者替代原有的单孔径镜头，有助于提高动态捕捉能力和三维信息提取能力。
文档编号G03F7/00GK101840012SQ201010154340
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月24日 优先权日2010年4月24日
发明者何庆, 刘景全, 李以贵, 杨春生, 芮岳峰 申请人:上海交通大学