[发明专利]多焦距曲面复眼透镜的设计与制备方法

说明书

本发明涉及机械加工技术领域，公开了一种多焦距曲面复眼透镜的设计与制备方法。该方法首先对曲面复眼透镜进行光学设计，得到每一级子眼透镜的弦长；选择基底并在所述基底表面旋涂光刻胶，形成带有微透镜阵列的光刻胶掩膜；对涂附有光刻胶掩模的基底进行刻蚀，将微透镜阵列转移到基底上；清洗去除所述基底表面的光刻胶，并对基底进行钝化处理；在所述钝化后基底的微透镜阵列上铺设聚合物，将微透镜阵列复制到了聚合物层上，并将所述聚合物层从基底上剥离；利用PDMS预聚液进行反脱模，将聚合物微透镜阵列转移到PDMS薄膜上；复制PDMS薄膜上的微透镜阵列，制备得到所设计的曲面复眼透镜。本发明成本低，曲率可控，加工过程简单，可重复性高。

技术领域

本发明涉及微机械加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种多焦距曲面复眼透镜的设计与制备方法。

背景技术

随着电子监控、手机摄影、图像识别和人工智能的飞速发展，实际应用对成像系统提出了更高的要求，光学成像系统和光学系统朝着微型化、紧凑化和集成化方向发展。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。曲面复眼成像系统的视场角大，景深大，结构紧凑，在高速移动的物体信息捕捉方面有很高的灵敏度。

曲面复眼透镜具有上表面为平面、下表面为曲面的结构，下表面的曲面上密集排布有矢径及矢高大小为微米级的子眼微透镜，其中微透镜矢高为h，曲面复眼透镜具有传统透镜聚焦、成像等基本成像功能。日本研究小组提出的TOMBO系统，是将平面微透镜阵列与平面感光传感器组合应用，但这种方式视场角小，应用范围十分受限。后来，国内外研究人员又提出了曲面复眼透镜与平面感光传感器的组合应用方式。但是由于场曲的存在，物体经过曲面复眼透镜成像时不是视觉所习惯的平面，而是一个与之对应的曲面焦平面。曲面焦平面与感光传感器的平面像元面之间会出现离焦现象，在越是远离中心区域的部分，这种离焦现象越显著，并很大程度上影响了曲面复眼透镜成像质量。传统光学系统中，一般采用透镜组矫正像差，但是正如上文所述，存在着体积大，结构复杂，加工及装配困难，成本高，公差积累等问题。

随着微纳加工工艺的发展，国内外研究人员提出了各种实验方案来制备曲面复眼透镜。主流的方法有下面几种：1.激光直写，在曲面上直接加工出微透镜阵列；2.飞秒激光热压，在硅片上利用飞秒激光加工出微透镜阵列，利用PMMA脱模后将其热压到一个球体上；3.飞秒激光化学腐蚀，使飞秒激光在曲面停留0.5s行成一个小凹坑，再使用10％浓度的HF酸进行各向同性化学腐蚀，即可得到曲面微透镜阵列；4.PDMS制模，在平面PDMS薄膜上刻蚀出所需的平面微透镜阵列，并将其覆盖于一个盛满PDMS预聚液的容器上，在PDMS薄膜上放置一个小球，利用小球的重力使薄膜发生球面形变，待PDMS预聚液固化后，即制备出曲面微透镜阵列。但是上述的主流工艺方法存在着以下的问题：加工周期长，成本高，曲面复眼透镜曲率不可控，可重复性低，子眼形貌的一致性较差。

专利CN105467477A提出了一种渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置，该方法通过计算各级子眼透镜到光电图像传感器的不同距离，改变透镜的焦距；并预设单眼透镜子系统的透镜冠高均相同，利用光刻柱热熔的方法制作各级子眼。但目前多是采用平面的光刻工艺，而最终制备的结构是曲面结构。如何完成平面结构向曲面结构的转换，以及控制子眼在曲面的位置与设计值匹配，并没有给出具体的可行性方案，因此这种方法在实际操作中存在一些不足。

专利CN103616738A提出了一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法，该方法采用微加工工艺在基板上制作多个单元组成的阵列，并在上面覆盖静电薄膜，通过改变不同单元组上施加电压的大小，就能改变所述静电变形薄膜的变形量。由于每个单元都要单独控制，这就决定了该方法不适合制备小单元和大面积的阵列结构，复眼局限性大，对结构的要求也较高，提高了设计和制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种多焦距曲面复眼透镜的设计与制备方法，方法简单、可靠，成本低，可重复性高。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：