用于曲面复眼成像系统的啁啾微透镜阵列

摘要

复眼是自然界中广泛存在的一种视觉成像方式，具有视场角大，可实现三维成像，像差小，成像系统可微型化等优点。缺点是探测距离近，甚至在几十毫米以内。目前人工复眼在医疗领域中，例如内窥导管、成像胶囊等的应用越来越多，以获得人体中循环，呼吸、消化等系统内壁的图像;在机器视觉领域也广泛应用成像光纤上的复眼透镜获得加工侧面或内壁的三维图像。在这些应用中由于探测距离很近，但需要大的视场角、三维成像和微型化，使复眼成像系统获得了广泛关注。
　　为了获得较大的视场角，需要将复眼透镜制作在一个曲面上。如果组成复眼的小透镜具有同样的焦距，复眼的焦平面就是一个曲面，而目前光探测器往往制作在平面上，二者的不兼容会产生离焦现象;同时光探测器的像元尺寸是均匀的，采用调整复眼中透镜的面径大小来调整焦距会造成新的不兼容。为解决曲面复眼透镜与平面光探测器共同使用中存在的问题，一种思路是采用曲面啁啾复眼透镜，即按照曲面上各个透镜与对应的平面探测器的距离，相应设置透镜的焦距，从而使曲面复眼的焦平面转化成一个平面，在平面光电探测器阵列上获得清晰的成像。
　　实现上述设想的主要困难在于缺乏啁啾曲面复眼透镜的制造技术。在实际应用中曲面复眼透镜的面径需要与一个或几个光电探测器像素的尺寸相比拟，一般在100微米以内，难以用机械加工模具的方法实现，通常的光刻胶回流法或微喷印法又难以精确控制焦距的变化。
　　本文提出了一种新的曲面复眼透镜的制造方法，制造出静电变形薄膜模具，通过施加不同电压获得变焦距的啁啾透镜阵列，然后转印成柔性模板，在负压下使该柔性模板弯曲成曲面，最终铸模获得曲面啁啾复眼透镜阵列。对获得的曲面啁啾复眼透镜阵列进行了成像测试，发现与平面复眼透镜相比，视场角有大幅度的增加;与等焦距曲面复眼透镜相比，成像清晰度有大幅度的提高;测试结果基本符合理论预期。
　　第一章讨论了与人工复眼成像相关的研究成果和理论背景;第二章阐述了曲面啁啾复眼微透镜的设计与仿真。为使曲面上各个透镜与对应的平面探测器的距离与透镜的焦距一一对应，首先进行了理论计算，并将获得的初步计算结果带入到光学仿真软件中，进一步优化了透镜的形状参数;之后结合有限元仿真和前期的样品测试结果，获得了静电变形所需的电压。
　　第三章设计了工艺流程，采用SU-8光刻胶的微细加工工艺成功实现了静电变形薄膜模具的制作，并转印成PDMS软模板，施加负压使PDMS软模板变形成曲面，采用紫外固化光学树脂为材料，最终制备出曲面啁啾透镜阵列。
　　第四章对获得的曲面啁啾透镜阵列，以及作为性能对照的平面啁啾透镜阵列，曲面同焦距透镜阵列进行了光学成像实验，并测量了每种复眼透镜的视场角。
　　综上所述，本论文研究了一种新的制造方法，并成功获得了曲面啁啾复眼透镜，组成复眼的每个小透镜的焦距对应于该透镜到光电探测器的距离。由于模具通过微细加工工艺制造，具有较低的成本和较好的可重复性。这种制造技术有望在医疗导管，内窥成像，机器视觉、三维相机和芯片式数字照相机等领域获得应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 复眼结构简介

1．1．1 生物复眼

1．1．2 人工复眼

1．2 曲面复眼微透镜研究概况

1．2．1 曲面复眼微透镜国内外研究现状

1．2．2 变焦距曲面复眼微透镜国内外研究现状

1．2．3 制作复眼透镜的几种技术

1．2．4 静电变形薄膜方法制作微透镜阵列

1．3 本文研究意义和主要内容

第二章 变焦距曲面复眼微透镜的设计与仿真

2．1 变焦距曲面复眼微透镜原理

2．2 焦距计算

2．3 变焦距曲面复眼TracePro光路仿真

2．3．1 曲面复眼三维模型建立

2．3．2 TracePro光路仿真

2．4 透镜变形量h与静电变形所加电压的关系

2．5 本章小结

第三章 变焦距曲面复眼微透镜制作

3．1 制作流程概述

3．2 静电变形薄膜模具的制作

3．2．1 下电极制作

3．2．2 绝缘层制作

3．2．3 SU-8空腔制作

3．2．4 用AZ4620光刻胶填充结构

3．2．5 金属薄膜制作

3．2．6 去除填充结构的AZ4620

3．3 金属薄膜加电变形与微透镜浇铸成型

3．3．1 PCB电路板设计

3．3．2 加电装置

3．3．3 PDMS浇铸形成微透镜阵列

3．4 曲面复眼结构制作

3．4．1 平面微透镜阵列图形转移

3．4．2 真空负压形成曲面复眼

3．4．3 制作曲面复眼的光学材料

3．5 本章小结

第四章 样品的光学性能测试

4．1 变焦距微透镜阵列表面形貌分析

4．2 变焦距微透镜阵列光学性能测试

4．2．1 焦距测量

4．2．2 变焦距微透镜阵列成像分析

4．3 变焦距曲面复眼光学性能测试

4．3．1 成像效果分析

4．3．2 变焦距曲面复眼与同焦距曲面复眼的成像对比

4．4 视场角测量

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 对未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的成果

致谢