專利名稱：焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種將微流體控制器件、彈性體微變形控制、表面梯 度處理技術(shù)相結(jié)合的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭的設(shè)計(jì)和制造工藝，屬于微細(xì)制 造、表面改性技術(shù)和微光學(xué)技術(shù)相交叉的技術(shù)領(lǐng)域。
發(fā)明背景
隨著對(duì)便攜式攝像裝置的霈求越來越大，各種手機(jī)、筆記本、監(jiān)視器的微 型鏡頭模組的生產(chǎn)、組裝等形成了一個(gè)龐大的電子制造的特色產(chǎn)業(yè)。全球每年
手機(jī)的產(chǎn)能接近9億部，其中大約5.6億部左右是攝像手機(jī)，因此對(duì)于各種尺 寸的攝像鏡頭的需求也十分的驚人。目前市場(chǎng)上的微型鏡頭主要采用小型的玻 璃或者塑料通過注塑方法得到小鏡頭。然后通過光學(xué)幾何設(shè)計(jì)，將小型的鏡頭 集成在位置可調(diào)的微型鏡筒內(nèi)，通過調(diào)節(jié)鏡頭的安裝螺紋改變鏡頭的位置，或 者通過直線電機(jī)帶動(dòng)鏡頭的組件運(yùn)動(dòng)，完成自動(dòng)改變鏡頭位置的目的。
由于通過機(jī)械方法改變焦距對(duì)于日益的小型化而言逐漸成為工藝和設(shè)計(jì) 的難點(diǎn)，目前國際上多家公司提出一種可調(diào)節(jié)焦距的液體微行鏡頭的設(shè)計(jì)和相 關(guān)的專利。專利US6014259, 6538823， 6545815， 6545816， 6625351, 6665127， 6768536, 6778328, 6829415， 6847493 ， 6893877等提出了液體微鏡頭的設(shè)計(jì) 與研究裝置。系統(tǒng)提出了基于電電浸潤(rùn)效應(yīng)的可變曲率/焦距的微液體透鏡以 及相關(guān)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)。PHLIPS和VARIOPTIC推出了利 用電浸潤(rùn)效應(yīng)的液體微鏡，可以在微小的空間調(diào)節(jié)鏡頭的焦距。另一種設(shè)計(jì)是 ASTART公司采用壓電材料的膜片改變液體膜的曲率方向和半徑，從而得到液 體透鏡的可變焦距特性。LUCENT申請(qǐng)了相關(guān)的專利，提出了改變電極的設(shè)計(jì)、 電極的表面特性、電極間表面特性等方法來調(diào)節(jié)液體微鏡頭的焦距。所有這些 研究，如何在手機(jī)、筆記本電腦等上使用的微型攝像頭上實(shí)施調(diào)節(jié)焦距與曲率 同時(shí)進(jìn)行的部件，應(yīng)用得很少。同時(shí)，采用微型機(jī)械傳動(dòng)或者直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)完
成焦距可調(diào)或者視場(chǎng)可調(diào)的單功能的部件已經(jīng)得到了產(chǎn)業(yè)化，但是同時(shí)調(diào)節(jié)的 部件產(chǎn)業(yè)化的報(bào)道很少。國內(nèi)相關(guān)的研究很少，通過檢索，可以知道微小鏡頭 組件的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的絢件的制強(qiáng)
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的在于提供一種焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭，針 對(duì)目前微鏡頭鏡組無法實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)和鏡頭的同時(shí)可調(diào)以實(shí)現(xiàn)鏡組在近距離和遠(yuǎn) 距離之間實(shí)現(xiàn)精密聚焦。
技術(shù)方案本實(shí)用新型是一種完成焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微型液體鏡頭的制 造方法。即是一種利用PDMS(聚二甲基硅氧垸)薄膜封裝微量液體，將微流體 控制器件、彈性體微變形控制、表面梯度處理技術(shù)相結(jié)合的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的 微鏡頭的設(shè)計(jì)和制造工藝。并成功應(yīng)用于手機(jī)微型鏡頭的制造過程中。
本實(shí)用新型的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭包括鏡筒、軸向變形壓電材料、 第一液體鏡片、第二液體鏡片、第一圓環(huán)形徑向壓電材料、第二圓環(huán)形徑向壓 電材料；其中，第一圓環(huán)形徑向壓電材料、第二圓環(huán)形徑向壓電材料分別位于 鏡筒的內(nèi)壁上，在鏡筒內(nèi)壁上的其余部分設(shè)有軸向變形壓電材料，在第一圓環(huán) 形徑向壓電材料、第二圓環(huán)形徑向壓電材料的內(nèi)圓中分別對(duì)應(yīng)設(shè)有第一液體鏡 片、第二液體鏡片。第一圓環(huán)形徑向壓電材料由第一圓弧形徑向壓電材料、第 二圓弧形徑向壓電材料、第三圓弧形徑向壓電材料、第四圓弧形徑向壓電材料 分段環(huán)繞在鏡片四周所組成。第一液體鏡片或第二液體鏡片由PDMS薄膜上 片、PDMS薄膜下片封裝液體組成。
本實(shí)用新型的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制造方法為
1) .將PDMS薄膜上片、PDMS薄膜下片粘接形成封裝液體的微腔，得到 第一液體鏡片或第二液體鏡片；
2) .將第一圓環(huán)形徑向壓電材料、第二圓環(huán)形徑向壓電材料分別包圍第一 液體鏡片或第二液體鏡片；
3) .將第一圓環(huán)形徑向壓電材料、第二圓環(huán)形徑向壓電材料、第一液體鏡 片、第二液體鏡片與軸向變形壓電材料連接；
4) .將以上的連接體組裝在鏡筒的內(nèi)壁； PDMS微腔的制造方法如下
1) PDMS型腔的制造采用微細(xì)加工的方法獲得微細(xì)模具，
2) 將PDMS注入微模具，固化；
3) 將FDMS從微模具中剝離開來；
4) 在PDMS表面覆蓋PDMS片形成微流體的微腔。 基于PDMS微腔的微鏡頭的制造可以采用如下方法
1) 采用激光/準(zhǔn)分子激光加工的工藝，采用直接光照或者激光掃描或者基 片掃描的方法，在PDMS表面獲得微腔；
2) 將另一層PDMS片與該P(yáng)DMS層粘接形成密封的聯(lián)接；
3) 將液體通過流體接口注入微腔并用PDMS封住。 可在PDMS薄膜上片、PDMS薄膜下片的外表面粘接壓電材料。 有益效果采用本實(shí)用新型的方法，獲得焦距可調(diào)和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡模組。
當(dāng)完成模組的組裝以后，在鏡頭的前端放置物體，通過與鏡頭模組連接的 CCD/CMOS圖象處理芯片，在計(jì)算機(jī)圖象處理軟件的控制下可以得到不同清 晰度和放大倍率的像。針對(duì)目前微鏡頭鏡組無法實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)和鏡頭的同時(shí)可調(diào)以 實(shí)現(xiàn)鏡組在近距離和遠(yuǎn)距離之間實(shí)現(xiàn)精密聚焦。


圖1為焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有鏡筒1、軸 向變形壓電材料2、第一液體鏡片3、第二液體鏡片4、第一圓環(huán)形徑向壓電材 料5、第二圓環(huán)形徑向壓電材料6。
圖2為圖1中A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中有第一圓弧形徑向壓電材料 51、第二圓弧形徑向壓電材料52、第三圓弧形徑向壓電材料53、第四圓弧形 徑向壓電材料54。
圖3為液體鏡片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有PDMS薄膜上片31、 PDMS薄 膜下片32、封裝液體33。
圖4為一種獲得PDMS膜的電極與處理層的制造工藝，其中有硅基體7， 涂光刻膠8，掩膜9，暴光10，顯影11，注入PDMS12，剝離PDMS13， PDMS 表面SAM不同特性的膜層14 ， PDMS片表面SAM不同特性的膜層和電極 層15。
圖5為PDMS膜包含電極與處理層的平面布局圖，其中有第一特性層16,第二特性層17，第三特性層18，第四特性層19，第五特性層20,電極21。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭鏡組的實(shí)施方式如下1 )在PDMS 或者其他透明薄膜利用微細(xì)注塑的方法形成微流體的微腔，具體的制造工藝如 圖4所示，獲得的微腔的平面布局如圖5所示；2) PDMS的粘接采用通用的 等離子處理后(氧氣在100—1500W,真空500Torr左右的微波等離子處理裝 置處理15-60min)加壓粘接(壓強(qiáng)1000Pa左右)；3)將用注射器液體或者水 注入容腔并用氧等離子處理過的PDMS薄膜密封注入口 (容腔的最大壓力 10Psi左右)；4)給PDMS微腔外面的壓電薄膜(PVDF)施加電壓((M50V)， 或者給原環(huán)壓電陶瓷、軸向壓電陶瓷(PZT)施加驅(qū)動(dòng)電壓(0"450V)，改變 薄膜曲率(薄膜形變(M00um/mm); 5)將原環(huán)壓電陶瓷、軸向壓電陶瓷和液 體微鏡集成到攝像微鏡筒；6)將鏡筒與手機(jī)鏡頭的檢測(cè)模組連接。
本實(shí)用新型的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微型液體鏡頭設(shè)計(jì)和制造是釆用如下的 方案實(shí)現(xiàn)的
1) 在PDMS透明薄膜內(nèi)封注液體；
2) 利用壓電材料改變透明薄膜的形變以改變微液體的形狀；
3) 改變微鏡頭的曲率或者微鏡頭在光路中的位置；
4) 從而完成焦距和視場(chǎng)的可調(diào)。
具體實(shí)施方案如附圖1所示。該液體微鏡頭包括鏡筒l、軸向變形壓電材 料2、第一液體鏡片3、第二液體鏡片4、第一圓環(huán)形徑向壓電材料5、第二圓 環(huán)形徑向壓電材料6;其中，第一圓環(huán)形徑向壓電材料5、第二圓環(huán)形徑向壓 電材料6分別位于鏡筒1的內(nèi)壁上，在鏡筒1內(nèi)壁上的其余部分設(shè)有軸向變形 壓電材料2，在第一圓環(huán)形徑向壓電材料5、第二圓環(huán)形徑向壓電材料6的內(nèi) 圓中分別對(duì)應(yīng)設(shè)有第一液體鏡片J、第二液體鏡片厶。
PDMS微腔的制造如下1) PDMS型腔的制造采用微細(xì)加工的方法獲得 微細(xì)模具，2)將PDMS注入微模具，固化；3)將PDMS從微模具中剝離開 來；4)在PDMS表面覆蓋PDMS片形成微流體的腔。
基于PDMS微腔的微鏡頭的制造可以采用如下方法1)采用激光/準(zhǔn)分子 激光加工的工藝，可以采用直接光照或者激光掃描或者基片掃描的方法，在 PDMS表面獲得微腔；2)將另一層PDMS片與該P(yáng)DMS層粘接形成密封的聯(lián) 接；3)將液體通過流體接口注入微腔并用PDMS封住。在PDMS微腔的外面粘接壓電材料組成的膜層/片層/棒，通過給壓電材料 施加電壓，壓電材料產(chǎn)生變形從而改變微液體透鏡的曲率。通過改變壓電材料的電壓，改變壓電材料的驅(qū)動(dòng)位移，達(dá)到改變液體微鏡 在光路中的位置。將液體微鏡頭連結(jié)到光學(xué)檢測(cè)座上，通過控制電路板對(duì)鏡頭施加變形，完 成對(duì)鏡頭的檢測(cè)。本發(fā)明提出的微小流體鏡頭的制造工藝如下1)采用微細(xì)加工的工藝?yán)?如IC工藝、MEMS工藝、微切削工藝、激光加工工藝在基體表面獲得微流體 芯片的微模具；2)采用微注塑的工藝將PDMS注入微模具；3)將PDMS從 微細(xì)模具中剝離；4)將PDMS的注塑件與PDMS片進(jìn)行可剝離的粘接，形成 微流體的型腔；5)在微細(xì)流道內(nèi)注入不同的特性的溶液；6)將溶液排出微流 體芯片的流道；7)在PDMS片的表面沒有流體處理的地方采用保護(hù)蒸發(fā)或者 壓映的方法沉積一層導(dǎo)電的電極；8)將PDMS層彎曲得到一種固定流體鏡片 的鏡筒并用玻璃或者透明樹脂片封住鏡筒的兩端；9)在鏡筒內(nèi)用氣泡隔離液 滴；10)通過控制電極的導(dǎo)電控制液滴的運(yùn)動(dòng)和液滴的彎曲半徑；11)將鏡筒 與手機(jī)鏡頭的檢測(cè)模組連接。本發(fā)明提出的微細(xì)鏡頭的制造工藝也包括如下的工藝1)采用PVDF材 料或者分段PVDF材料做成鏡筒；2)在PVDF材料的表面采用固定電極；3) 將包含液體的PDMS薄膜分端填充到鏡筒內(nèi)；4)鏡筒兩端由玻璃和透明樹脂 固定5)給PVDF材料施加電場(chǎng)，改變PDMS薄膜的位置和曲率；6)將鏡筒 與手機(jī)鏡頭的檢測(cè)模組連接。本發(fā)明提出的微細(xì)鏡頭的制造工藝也包括如下的工藝1)將微量的液體 填充透明的PDMS薄膜；2)采用壓電陶瓷材料對(duì)PDMS薄膜施加外界機(jī)械作 用；3) PDMS薄膜在外界機(jī)械作用下產(chǎn)生變形改變了透鏡的曲率半徑；4)液 體透鏡封裝鏡筒；5)將鏡筒與手機(jī)鏡頭的檢測(cè)模組連接。
權(quán)利要求1.一種焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭，其特征在于該液體微鏡頭包括鏡筒(1)、軸向變形壓電材料(2)、第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)、第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)；其中，第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)分別位于鏡筒(1)的內(nèi)壁上，在鏡筒(1)內(nèi)壁上的其余部分設(shè)有軸向變形壓電材料(2)，在第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)的內(nèi)圓中分別對(duì)應(yīng)設(shè)有第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)。
2. 如權(quán)利要求1所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭，其特征在于第一圓 環(huán)形徑向壓電材料(5)由第一圓弧形徑向壓電材料(51)、第二圓弧形徑向壓 電材料(52)、第三圓弧形徑向壓電材料(53)、第四圓弧形徑向壓電材料(54) 分段環(huán)繞在鏡片四周所組成。
3. 如權(quán)利要求1所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭，其特征在于第一 液體鏡片(3)或第二液體鏡片W)由PDMS薄膜上片(31)、 PDMS薄膜下 片(32)封裝液體(33)組成。
專利摘要焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭涉及的是一種將微流體控制器件、彈性體微變形控制、表面梯度處理技術(shù)相結(jié)合的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭的設(shè)計(jì)和制造工藝，該液體微鏡頭包括鏡筒(1)、軸向變形壓電材料(2)、第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)、第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)；其中，第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)分別位于鏡筒(1)的內(nèi)壁上，在鏡筒(1)內(nèi)壁上的其余部分設(shè)有軸向變形壓電材料(2)，在第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)的內(nèi)圓中分別對(duì)應(yīng)設(shè)有第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)。
文檔編號(hào)G02B3/12GK201017048SQ20072003512
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者朱紀(jì)軍, 韓永昊, 顧忠澤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)