一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法，该曲面复眼透镜为半球形结构，半球形结构由内至外依次包括半球型曲面焦面、弹力膜以及曲面微透镜阵列，所有级次子眼构成曲面微透镜阵列，所有级次子眼包括位于曲面微透镜阵列中心的一级子眼以及以一级子眼为圆心设置的多圈n级子眼，其中n为大于等于2的整数。半球型曲面焦面向弹力膜的一面均匀设置有若干个与子眼一一对应的感光传感器。本发明专利技术通过数字微反射镜DMD数字光刻对微透镜结构进行三维光刻，仅需要进行一次倒模即可获得微透镜阵列。子眼的口径、矢高以及曲面复眼透镜的曲率半径可控，制造的微透镜尺寸和面形精度高以及表面均匀性好，且制备工艺简单，成本低。本低。本低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法


[0001]本专利技术属于复眼透镜
，具体涉及到一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法。

技术介绍

[0002]大多数节肢类动物的复眼是一种性能卓越的成像系统，生物复眼均由许多微小光学单元组成，这些独立的子眼拼接在一起组成半球形的复眼，构成复眼的每个子眼自身都能够进行成像工作，具有完整的视觉功能。相比传统光学系统的视场角受限于自身光学元件的成像性能，只有少数光学系统能提供大于90
°
的视场角，仅能为静态场景提供较大的视场角，且所成图像的边缘部分有较大的畸变。而复眼透镜有着大视场、低像差和畸变、高灵敏度等优点。受到生物复眼的启发而研究的仿生复眼成像系统广泛应用于国防安全、军事航天、医学成像和天文观测等领域。
[0003]随着对视场、成像质量和应用场景越来越高的要求下，仿生复眼透镜也从平面复眼透镜发展为曲面复眼透镜，子眼的设计和构造也有了进一步的优化，同样对其的加工制造工艺也有更严格的要求。在复眼透镜的制作中，工艺难点主要有两个，一是制备阵列排布的微透镜即复眼的子眼；二是将阵列微透镜平面基底弯曲成球体使其视场扩大，增加独立子眼的工作范围。
[0004]针对难点一，国内外研究人员主要采用以下几种方式实现阵列微透镜的制作，(1)使用飞秒激光、多轴数控机床和纳米压印等制造微透镜阵列，或其母版，再通过多次倒模实现；(2)使用激光直接在基底上扫刻出微透镜结构；(3)使用光刻技术，制得带有微孔阵列的模板，在其表面覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，通过物理手段(压力和热效应等)改变薄膜形状，制成带有微透镜结构的母版。针对难点二，主要采用以下几种方式实现透镜阵列弯曲基底的制作：(1)使用光刻、精密机床、纳米压印等方式直接制得弯曲基底或基底结构母版；(2)通过改变气压、夹紧夹具、电诱导等方式将平面基底弯曲形成球形基底。
[0005]在微透镜阵列和球形基底的制备过程中，不同的方法会产生不同程度的工艺缺陷和困难。如制造微透镜阵列中，采用直接制得微透镜方式，成本高，制备工艺复杂。采用间接制得母版再进行倒模处理，可以降低制造成本，同一母版可以生产大量微透镜，但在倒模过程容易污染损伤母版，且过程较为繁琐。采用物理手段改变PDMS薄膜弧度使其成为微透镜可能导致同一微透镜变形弧度不均匀、不同微透镜变形程度不同等的缺点。同样，在弯曲基底的制作方式中也会面临上述的问题，导致生产出来的复眼透镜成像不清晰，视场变小，像差大等缺点。此外，大多曲面复眼透镜采用平面感光传感器，成像过程中存在曲面焦面与感光元器件CMOS或者CCD的平面像面不匹配产生离焦。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法，可以解决上述复眼透镜设计和制造过程中工艺上存在的技术缺陷。
[0007]为达上述目的，本专利技术提供了一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜，曲面复眼透镜为半球形结构，半球形结构由内至外依次为半球型曲面焦面、弹力膜以及曲面微透镜阵列，曲面微透镜阵列由若干级次的子眼构成，包括位于曲面微透镜阵列中心的一级子眼以及以一级子眼为圆心设置的多圈n级子眼，半球型曲面焦面向弹力膜的一面均匀设置有若干个与子眼一一对应的感光传感器，其中n为大于等于2的整数。
[0008]优选n为大于等于2小于等于9的整数。
[0009]进一步地，所有级次的子眼尺寸相同，子眼的矢高h、口径S与曲率半径R之间满足公式R2＝S2+(R
‑
h)2。
[0010]优选子眼的矢高h为15μm，口径S为120μm，曲率半径R为487.5μm。
[0011]一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)制备平面微透镜阵列
[0013](1.1)对预处理后的基底材料涂覆光刻胶，涂覆后进行前烘；
[0014](1.2)使用DMD数字光刻技术对光刻胶进行曝光、显影后，进行热回流处理，制备出微透镜阵列的负模；
[0015](1.3)向步骤(1.2)中制备的微透镜阵列的负模上浇注PDMS和固化胶的混合溶液，烘烤后固化，制备出平面微透镜阵列；
[0016](2)制备弹力膜
[0017]于半球形塑料模具上胶注PDMS和固化胶的混合液，烘干固化后，脱模制得半球形弹力膜；
[0018](3)制备曲面复眼透镜
[0019](3.1)将步骤(2)制备得到的半球形弹力膜拉伸按照于圆柱形转移台上，形成平面基底，再将步骤(1.3)制备的平面微透镜阵列反扣压印于平面基底上，剥离基底材料以及微透镜阵列的负模，取下平面基底，制得无传感器的曲面复眼透镜；
[0020](3.2)计算无传感器的曲面复眼透镜的焦距以及曲面焦面，根据子眼于曲面焦面上成像的位置，设置感光传感器，制得。
[0021]进一步地，基底材料的预处理具体包括以下步骤：将基底材料置于氢氟酸与双氧水以体积比10:(1～2)的比例混合成的混合溶液中浸泡1～3min，浸泡后冲洗并烘烤5～10min后即可。
[0022]进一步地，涂覆光刻胶以及前烘具体包括以下步骤：将正性光刻胶旋涂于基底材料上，再将基底材料于110～130℃温度下持续烘烤2～4min，自然冷却至室温即可；其中旋涂的转速为350～450rpm，旋涂的时间为25～35s。
[0023]进一步地，步骤(1.2)具体包括以下步骤：根据曲面复眼透镜的结构特征，计算应DMD微反射镜的灰度编码信息，将信息导入DMD中进行曝光和显影，再进行热回流处理；其中曝光的时间为45～55s，热回流的温度为115～125℃，热回流的时间为2～4min。
[0024]进一步地，步骤(1.3)混合溶液中的PDMS和固化胶的体积比为9～11:1，烘烤的温度为60～80℃。
[0025]进一步地，步骤(2)混合液通过以下方法制备得到：首先将液态PDMS和固化剂以体积比为(9～11):1的比例混合后，再将混合后的溶液与液态硅橡胶以体积比为(4～6):1的比例混合后，形成混合液；其中液态硅橡胶为基底材料与固化胶以体积比1:1的比例制成的
混合液。液态PDMS的固化剂可以为硅酮树脂溶液，基底材料可以为聚甲基乙烯基硅氧烷，固化胶的种类可以为异氰酸酯。
[0026]进一步地，步骤(2)中烘干的温度为60～80℃，烘干的时间为1.5～2.5h，半球形弯曲基底的浇注厚度为500μm，半球形塑料模具的直径为4mm。
[0027]进一步地，步骤(3.2)中的焦距的计算公式为：
[0028][0029]其中R为子眼的曲率半径，n为折射率。
[0030]根据权利要求书进行调整。
[0031]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0032]1、本专利技术使用DMD数字光刻方法可以在光刻胶上制得具有三维结构的微透镜负模，仅通过一次倒模，即可获得微透镜阵列。
[0033]2、本专利技术制备出的曲面复眼透镜不需要通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜，其特征在于，所述曲面复眼透镜为半球形结构，所述半球形结构由内至外依次为半球型曲面焦面、弹力膜以及曲面微透镜阵列，所述曲面微透镜阵列由若干级次的子眼构成，包括位于曲面微透镜阵列中心的一级子眼以及以所述一级子眼为圆心设置的多圈n级子眼，所述半球型曲面焦面向弹力膜的一面均匀设置有若干个与子眼一一对应的感光传感器，其中n为大于等于2的整数。2.如权利要求1所述的基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜，其特征在于，所述子眼的尺寸均相同，所述子眼的矢高h、口径S与曲率半径R之间满足公式R2＝S2+(R
‑
h)2。3.如权利要求1或2所述的基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备平面微透镜阵列(1.1)对预处理后的基底材料涂覆光刻胶，涂覆后进行前烘；(1.2)使用DMD数字光刻技术对光刻胶进行曝光、显影后，进行热回流处理，制备出微透镜阵列的负模；(1.3)向步骤(1.2)中制备的微透镜阵列的负模上浇注聚二甲基硅氧烷和固化胶的混合溶液，烘烤后固化，制备出平面微透镜阵列；(2)制备弹力膜于半球形塑料模具上胶注聚二甲基硅氧烷和固化胶的混合液，烘干固化后，脱模制得半球形弹力膜；(3)制备曲面复眼透镜(3.1)将步骤(2)制备得到的半球形弹力膜拉伸安装于圆柱形转移台上，形成平面基底，再将步骤(1.3)制备的平面微透镜阵列反扣压印于平面基底上，剥离基底材料以及微透镜阵列的负模，制得无传感器的曲面复眼透镜；(3.2)计算无传感器的曲面复眼透镜的焦距以及曲面焦面，根据子眼于曲面焦面上成像的位置，设置感光传感器，制备完成。4.如权利要求3所述的基于DMD数字光刻的曲面复眼透镜的制备方法，其特征在于，所述基底材料的预处理具体包括以下步骤：将基底材料置于氢氟酸与双氧水以体积比10:(1～2)的比例混合成的混合溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文波，王画然，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：