微透鏡陣列及其制作方法
【專利摘要】一種制作微透鏡陣列的方法，該方法包括以下步驟：以預定的載荷對一種形狀記憶聚合物基材施加壓力；壓制所述形狀記憶聚合物基材以形成微壓痕陣列；將所述形狀記憶聚合物基材浸泡在一種溶劑中，所述溶劑能夠使所述形狀記憶聚合物基材產(chǎn)生應力增強的溶脹效應，從而由于這些微壓痕的應力增強的溶脹效應使所述微壓痕陣列在所述形狀記憶聚合物基材上形成對應的微突起陣列；然后加熱所述形狀記憶聚合物基材從而在所述微突起陣列下方的所述形狀記憶聚合物基材上形成至少一個曲面。
【專利說明】微透鏡陣列及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微透鏡陣列及一種簡便、經(jīng)濟的制作所述微透鏡陣列的方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)相機的設計基于對脊椎動物眼睛的仿生研究(單口徑光學)，能夠將視覺世界以高分辨率忠實地呈現(xiàn)出來。然而這種視覺系統(tǒng)很難獲得廣域視野和提取與運動相關的信息。
[0003]與脊椎動物的眼睛不同，昆蟲的復眼是由曲面微透鏡陣列構成的，該曲面微透鏡陣列包括多個位于曲面上的微透鏡。雖然昆蟲復眼的分辨率相對較低，但是對于大視場(FOV)范圍的局部和總體的運動分析是非常有效的。
[0004]由多個位于曲面上的微透鏡組成的微透鏡陣列(或者人工復眼)具有以下優(yōu)點:大視場、高運動靈敏度、三維動態(tài)環(huán)境下快速、準確的導航、體積小、重量輕以及近乎無限的景深(DOF)等等。微透鏡陣列(MLA)是一種有用的光學元件，在液晶顯示、波前傳感、圖像記錄、光學信號處理和信息互聯(lián)等方面有著廣泛的應用。
[0005]由于上述優(yōu)點，一種基于復合MLA的人工視覺系統(tǒng)將是完全不同于傳統(tǒng)相機的一種替代，并且將為大視場FOV成像和運動分析提供更加有效地視覺能力。
[0006]一種低成本、高效、且可靠的制造復合微透鏡陣列(人工復眼)的方法在工程領域有著廣闊的前景。目前為止，已經(jīng)有幾種方法見諸報道，除了傳統(tǒng)的注塑方法外，還有液態(tài)透鏡法、慢刀伺服方法和滾筒壓印法等。所有這些方法更適用于大尺寸的透鏡的制造(即透鏡直徑在毫米級及以上)。微透鏡(即直徑小于100微米)的制造是困難的，主要是由于下述原因，如在微注射成型中的高流阻(即注入到微管道/模具中)；在原模制造、軟光亥|J、3D高精密加工和位置控制和微尺寸設備制造上的困難；以及利用傳統(tǒng)半導體工藝制造微透鏡的高成本和復雜工序。
[0007]一些特殊的工藝已開發(fā)出來用于微透鏡陣列的制作，比如:噴墨印刷、軟刻蝕法、電流體動力不穩(wěn)定性法以及一些新的液體/溶劑法等。然而，這些方法均需要通過半導體工藝技術(例如光刻和腐蝕)預先制作預圖案化的模具或掩膜，這些方法成本高昂且繁瑣。
[0008]因此，一種簡便、經(jīng)濟的制作包含有設置在曲面上的多個微透鏡的復合微透鏡的方法具有很大的需求。
[0009]概述
[0010]本發(fā)明克服了上述指出的復合微透鏡陣列制作中的挑戰(zhàn)，提出將幾種基本方法加以整合來制作這些陣列。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一示例性方面，提供了一種制作微透鏡的方法，該方法包括以下步驟:以預定的載荷對一種形狀記憶聚合物基材施加壓力；壓制所述形狀記憶聚合物基材以形成微壓痕陣列；將所述形狀記憶聚合物基材浸泡在一種溶劑中，所述溶劑能夠使所述形狀記憶聚合物基材產(chǎn)生應力增強的溶脹效應，從而由于這些微壓痕的應力增強的溶脹效應使所述微壓痕陣列在所述形狀記憶聚合物基材上形成對應的微突起陣列；然后加熱所述形狀記憶聚合物基材從而在所述微突起陣列的下方形成至少一個所述形狀記憶聚合物基材的曲面。
[0012]所述加熱在大約120°C的加熱溫度下進行。
[0013]所述加熱溫度的施加時間可持續(xù)大約I到5分鐘。
[0014]所述的加熱可以包括局部加熱。
[0015]所述的局部加熱可以在微突起陣列上的多處位點上進行，從而在所述微突出陣列下形成多處所述形狀記憶聚合物的曲面。
[0016]所述的局部加熱可以通過一個激光器提供。
[0017]所述的形狀記憶聚合物基體在施加壓力前可以具有曲面。
[0018]所述的施加壓力可以在所述形狀記憶聚合物基材上留下第一殘余應力場，且所述壓制可以在所述形狀記憶聚合物基材上留下第二殘余應力場；其中當所述第二殘余應力場大于所述第一殘余應力場時出現(xiàn)應力增強的溶脹效應。
[0019]上述的溶劑可以包含濃度為95%的乙醇，溫度為大約22°C。
[0020]所述方法可以進一步包括在加熱前，在從所述溶劑中取出所述微凸起陣列之后在一個保溫箱中穩(wěn)定化處理所述微凸起陣列的步驟。
[0021]所述的穩(wěn)定化處理可在大約60°C到大約100°C的穩(wěn)定溫度范圍內進行。
[0022]所述的穩(wěn)定溫度的施用期間為從大約幾分鐘到24小時。
[0023]每個微突起可具有約40 μ m的直徑和約I μ m的高度。
[0024]在權利要求14的方法中，其中每個微透鏡的焦距約為500 μ m。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的第二示例性方面，提供了一種微透鏡陣列，所述微透鏡陣列包括:形成于一種形狀記憶聚合物基材的至少一個曲面上的微突起陣列，每個微突起構成一個微透鏡。
[0026]所述微透鏡陣列可根據(jù)第一示例性方面所述的方法制造。
[0027]兩個示例性方面中所述的形狀記憶聚合物基材可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]為完整理解本發(fā)明并將其直接投入實際應用，下面通過隨附的示意圖通過非限制性實施方案僅以示例性實施方案的方式進行描述。
[0029]在附圖中:
[0030]圖l(al)為根據(jù)本發(fā)明所述的方法使用球形圓錐壓頭來制備的壓痕的形成示意圖；
[0031]圖l(bl)為根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的球形壓痕和對應的突起的示意圖；
[0032]圖l(a2)和(b2)分別為圖1 (al)和(bl)的球形壓痕和對應的突起的光學剖面圖；
[0033]圖1 (a3)為根據(jù)本發(fā)明的方法使用正方錐形壓頭來制備的壓痕的形成示意圖；
[0034]圖1 (b3)為根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的正方錐形壓痕和對應的突起的示意圖；
[0035]圖1 (a4)和(b4)分別為圖1 (a3)和(b3)的正方錐形壓痕和對應的突起的光學剖面圖；[0036]圖2(al)和(a2)為根據(jù)本發(fā)明所述的方法在PMAA上制作的具有不同圖案/密度的兩種壓痕陣列；
[0037]圖2(bl)和(b2)為根據(jù)本發(fā)明所述的方法將圖2 (al)和(a2)中的壓痕陣列浸入到乙醇中后所產(chǎn)生的對應的透鏡陣列；
[0038]圖2(cl)所示的是根據(jù)本發(fā)明的方法制作的如圖2(al)、(a2)、(bl)、(b2)所示的壓痕和突起的截面圖；
[0039]圖2(c2)所示的是浸泡在乙醇中不同時間后由壓痕到突起的形貌演變過程；
[0040]圖3(al)為一個壓痕陣列的表面輪廓圖，在所述壓痕陣列中，根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在三種最大負載下用一個20 μ m的球形壓頭制備的3種不同尺寸的壓痕；
[0041]圖3(a2)所示的是將圖3(al)中的壓痕陣列在乙醇中浸泡24小時后獲得的MLA的表面輪廓圖；
[0042]圖3(a3)和(a4)所示的是根據(jù)本發(fā)明所述的方法，將圖3 (a2)中的MLA置于保溫箱中，分別在25°C下放置168小時和在60°C下放置24小時后，獲得的MLA的表面輪廓圖；
[0043]圖3(b)為根據(jù)本發(fā)明所述的方法，比較將透鏡陣列在60°C下穩(wěn)定24、168、360小時后獲得的突起的輪廓圖；
[0044]圖3(c)所示的是三種不同尺寸的壓痕/突起在本發(fā)明的制作過程步驟中中心點的變化曲線圖(即壓制壓痕后、浸泡在乙醇中和在保溫箱中穩(wěn)定)；
[0045]圖4(a)所示的為利用本發(fā)明所述的方法制備出的透鏡陣列進行光學性能鑒定的實驗設置；
[0046]圖4(bl)和(b2)分別為圖2(bl)中透鏡陣列的焦點和投射成像；
[0047]圖4(cl)和(c2)分別為圖2(b2)中透鏡陣列的焦點和投射成像；
[0048]圖5所示為根據(jù)本發(fā)明所述的A工藝制備的復合MLA的示意圖；
[0049]圖6所示為根據(jù)本發(fā)明所述的B工藝制備的復合MLA的示意圖；
[0050]圖7所示的為根據(jù)本發(fā)明所述的A工藝制備出的復合MLA的表面輪廓圖；以及[0051 ] 圖8是本發(fā)明的MLA在用作內窺鏡的成像透鏡和照明透鏡中的示意圖。
[0052]詳細描述
[0053]本發(fā)明所述的復合透鏡陣列的制備方法包括整合兩種基本方法。一種是基于將預變形的聚甲基丙烯酸甲酯(PMAA)浸入到酒精中產(chǎn)生的殘留應力/應力增強的溶脹效應的微陣列制備方法，其中，體積膨脹率是殘余應力和時間的函數(shù)，并且在乙醇中浸泡一定時間后會使體積膨脹率隨著殘余應力的增加而增加。第二種是基于市售的光學聚合物PMMA優(yōu)異的形狀記憶效應來形成具有曲面的基材，其中，所述的形狀恢復過程取決于預變形歷史和加熱溫度。
[0054]通過結合上述兩種方法，可根據(jù)本發(fā)明所述的不同流程制備復合微透鏡陣列(人工復眼)，所述復合微透鏡包括形成于一個曲面上的多個微透鏡。
[0055]單個微突起的制備
[0056]圖1為制作微突起的示例性流程。將購買自新加坡Ying Kwang Acrylic的Imm厚、玻璃態(tài)轉變溫度為110°C的澆鑄PMMA平板100切割成小樣品用于我們的試驗。使用CSMInstruments的顯微硬度儀,于室溫下在PMMA樣品上壓制出兩種不同形狀的壓痕(參照圖l(al)和(a3))。在本發(fā)明的一個實施方案中，所用的壓頭110為錐角為90°、球面半徑為20 μ m的球形圓錐金剛石壓頭。在本發(fā)明的另一個實施例中，所用的壓頭150為兩邊夾角為130°的正方錐形壓頭。所有的壓痕試驗都在室溫(22°C )下進行，最大載荷為150mN，且加載/卸載速度為5mN/s(在加載和卸載之間有IOs的保持時間)。產(chǎn)生的壓痕用光學成像分析器(ScnSOrat_?PLU )進行表征，所述光學成像分析器結合了共焦和干涉測量技術，如圖1(a2)和(a4)所示。
[0057]當壓制到最大載荷P時，所對應的壓痕的最大深度和直徑/寬度分別用Iii和Wi表示，如圖l(al)和(a3)所示。壓制后，壓痕的殘余最大深度和直徑/寬度分別用匕和&表示，如圖l(bl)和(b3)所示。隨后，該PMMA樣品100在室溫乙醇(濃度為95% )中浸泡24小時。圖l(bl)和(b3)所示的是使用本發(fā)明所述方法通過乙醇的誘導在PMMA樣品100上得到的突起130、170，所述的突起的高度為hf，直徑(寬度為)Wf。球形壓痕(110)產(chǎn)生球形突起130，(圖1 (b2));正方錐形壓痕150產(chǎn)生正方錐形突起170 (圖1 (b4))。突起130、170的形成，是PMMA在吸收乙醇的過程中的殘余應力(在壓痕110、150中)的增強的溶脹效應的結果。
[0058]微透鏡陣列的制備及熱穩(wěn)定性
[0059]根據(jù)本發(fā)明，上述簡單的兩步法可以用來制備MLA。如圖2所示。首先，在兩片PMMA樣品上制作具有不同排布圖案/密度的兩種壓痕陣列(參見圖2(al)和(a2));隨后，將這些帶有壓痕陣列的PMMA樣品浸泡在室溫的乙醇中，9小時后，在這些PMMA樣品上形成了不同排布圖案/密度的微透鏡陣列(參見圖2(bl)和(b2))。圖2 (Cl)顯示的是壓痕/突起的剖視圖。這些透鏡規(guī)則緊密的排列，單個尺寸直徑約為40 μ m(wf)，高度(hf)約為I μ m(參見圖1中&和匕的定義)。明顯地，所需更大或更小直徑及高度的透鏡陣列也可以按照上述方法采用修改了大小的壓頭來制備。
[0060]圖2(c2)進一步揭示了根據(jù)本發(fā)明所示的方法浸入在乙醇中不同時間后，由壓痕到突起的演變過程。由于壓制是在室溫下進行的，此時PMMA是堅硬的，產(chǎn)生的球形壓痕實際上為堆積狀的。通過浸入到乙醇中，這種堆積逐漸長大直到最終形成球狀突起(在大約4小時的浸泡后)并長大(這一有用的現(xiàn)象可以用于控制透鏡陣列的密度和尺寸，從而調控透鏡的曲率、圓錐常數(shù)和鏡頭焦距)?？梢钥吹降氖牵?小時后，Wf約為40 μ m，大約是^的一倍；hf約為I μ m,大約是匕的0.5倍。
[0061]由于本發(fā)明是基于或依賴于PMMA在浸入乙醇中的溶脹效應，所以乙醇在PMMA中的釋放對于這些MLA的可靠性是一個需要考慮的問題。為此，按上述兩步法在不同的PMMA樣品上制備具有不同尺寸的球形透鏡，然后將其置于25°C或者60°C的保溫箱中。
[0062]圖3(al)所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的壓痕陣列300的表面輪廓圖，其中，利用一個半徑為20 μ m的球底錐形壓頭在不同的最大載荷下(即150mN、100mN、80mN)制備三種不同尺寸的壓痕(在圖3 (a4)中標示為1，2和3)，在三種不同最大載荷下(分別是150mN、100mN、80mN)制備。圖3 (a2)揭示了在乙醇中浸泡24小時后生成的MLA的表面輪廓圖。圖3(a3)和(a4)顯示的是經(jīng)保溫箱中熱穩(wěn)定實驗后的兩種典型的MLA表面輪廓圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在25°C的保溫箱中168小時后，這些MLA穩(wěn)定下來，而如果保溫箱溫度設為60°C，那么穩(wěn)定需要24小時。值得提出的是，加熱過程可以在高溫下穩(wěn)定較短的時間，或者在低溫下穩(wěn)定較長的時間。例如，為了穩(wěn)定，加熱溫度可在60°C到100°C的范圍內，而加熱時間可從幾小時到幾分鐘。因此，高溫下所需的穩(wěn)定化時間較短。[0063]圖3(b)對比透鏡在60°C的保溫箱里24、168和360小時后的剖面圖?？梢缘贸鼋Y論，在60°C下24小時后，所有三個尺寸的透鏡陣列均已穩(wěn)定。圖3(c)繪出了三種不同尺寸的壓痕或突起的中心點(深度/高度)在整個過程中隨時間的變化曲線(也就是壓制后，浸泡在乙醇中，然后置于60°C的保溫箱中)。可以看到整個過程有三個主要階段。首先是浸泡在乙醇中的過程中微透鏡的逐步形成(在24小時內從壓痕到突起)。隨后是由于乙醇的脫附引起的松弛(在60°C的保溫箱中24小時內突起高度降低)。之后MLA變穩(wěn)定(在60°C空氣中保溫360小時，尺寸無可見的變化)。
[0064]在60 V的保溫箱中24小時后，穩(wěn)定的MLA(圖2(bl))具有直徑為39.95±0.55 μ m、透鏡中心間距40 μ m、下垂高度0.8±0.02 μ m的突起。
[0065]MLA的表征
[0066]投影實驗在穩(wěn)定后的MLA上進行。圖4(a)示出了使用的演示實驗設置400。光學視野410為光學顯微鏡(AxiotechlOOHD，Zeiss)。PMMAMLA420放置在載物臺上，用白光440透過在中心刻有字母E (尺寸:12x18mm)的掩模430從底部照射。投射到上部的影像通過C⑶系統(tǒng)記錄。圖4(b)和(c)顯示通過兩個MLA(如圖2(bl)和(b2)所示)的焦點和投影成像。通過光學顯微鏡400測得這些MLA的焦距為500 μ m?？梢钥吹阶帜窫都被清晰地投射。
[0067]對于一個理想的球形曲面，鏡頭的半徑R、焦距f、數(shù)值孔徑NA可由下列公式計算:
【權利要求】
1.一種微透鏡陣列的制作方法，包括以下步驟: 以預定的載荷對一種形狀記憶聚合物基材施加壓力； 壓制所述形狀記憶聚合物基材以形成微壓痕陣列； 將所述形狀記憶聚合物基材浸泡在一種溶劑中，所述溶劑能夠使所述形狀記憶聚合物基材產(chǎn)生應力增強的溶脹效應，從而由于這些微壓痕的應力增強的溶脹效應使所述微壓痕陣列在所述形狀記憶聚合物基材上形成對應的微突起陣列； 然后加熱所述形狀記憶聚合物基材從而在所述微突起陣列下方的所述形狀記憶聚合物基材上形成至少一個曲面。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述加熱在大約120°C的加熱溫度下進行。
3.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述加熱溫度的施加時間可持續(xù)大約I到5分鐘。
4.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述的加熱包括局部加熱。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述的局部加熱在微突起陣列上的多處位點上進行，從而在所述微突出陣列下形成多處所述形狀記憶聚合物的曲面。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的方法，其中，所述局部加熱通過一個激光器提供。
7.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的方法，其中，所述的形狀記憶聚合物基材在施加壓力前具有曲面。
8.根據(jù)上述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述的施加壓力在所述形狀記憶聚合物基材上留下第一殘余應力場，且所述壓制在所述形狀記憶聚合物基材上留下第二殘余應力場；其中當所述第二殘余應力場大于所述第一殘余應力場時出現(xiàn)應力增強的溶脹效應。
9.根據(jù)上述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述的形狀記憶聚合物基材包括聚甲基丙烯酸甲酯。
10.根據(jù)上述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述溶劑池包含濃度為95%的乙醇，溫度為大約22°C。
11.根據(jù)上述權利要求中任意一項所述的方法，進一步包括在從所述溶劑中取出所述微凸起陣列之后在一個保溫箱中穩(wěn)定化處理所述微凸起陣列的步驟。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述的穩(wěn)定化處理是在約60°C到約100°C的穩(wěn)定溫度范圍內進行。
13.根據(jù)權利要求11或12中所述的方法，其中所述穩(wěn)定溫度的施加時間為從大約幾分鐘到24小時。
14.根據(jù)上述權利要求中的任意一項所述的方法，其中，所述的微突起的直徑約40 μ m,高度約I μ m。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，每個微透鏡的焦距約為500μ m。
16.一種微透鏡列陣，所述微透鏡陣列包括: 形成于一個形狀記憶聚合物基材的至少一個曲面上的微突起陣列，每個微突起構成一個微透鏡。
17.根據(jù)權利要求16所述的微透鏡陣列，其中，所述的形狀記憶聚合物基材包括聚甲基丙烯酸甲酯。
18.根據(jù)權 利要求16或17所述的微透鏡列陣，所述微透鏡陣列是根據(jù)權利要求1至5任一項所述的方法制作的。
【文檔編號】A61L31/04GK103975256SQ201280057305
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月30日 優(yōu)先權日:2011年12月1日
【發(fā)明者】黃為民, 趙勇 申請人:南洋理工大學