一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法与流程

1.本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法。


背景技术：

2.不管是为了寻找食物还是为了躲避天敌，自然界中的昆虫进化出了具有独特成像性能的视觉系统。昆虫的复眼(例如：蜻蜓和蚂蚁)通常是由许多独立的感光单元呈半球形曲面排布构成，每个感光单元由角膜透镜，晶锥，感杆束，视觉神经组成。昆虫复眼具有出色的无失真成像特性，宽视场(fov)角和快速运动检测和追踪的功能。受自然复眼的启发，仿生人造复眼集生物学、光学、电子学、信息处理、数据融合、自动控制等多学科于一体，具有创新性、边缘性、交叉性，在医疗内窥镜，全景成像，微型导航，机器人视觉等领域展现了巨大的应用潜力。
3.目前人造复眼的研究按照复眼尺寸大小可以分为三类。(1)大尺寸人造复眼相机：单眼的尺寸在厘米量级，曲面透镜阵列与曲面排布的探测器阵列组合。这种复眼相机的优点是子眼独立成像，互不影响，成像分辨率高，缺点是系统组成复杂、体积庞大、功耗高。(2)中尺寸人造复眼相机：单眼的尺寸在毫米量级，使用曲面透镜阵列与硅光电二极管结合，每个子眼相当于一个像素点，无法独立成像。存在系统组成复杂，成像分辨率低的问题。(3)微型人造复眼相机：复眼尺寸达到昆虫量级，单眼尺寸在微米量级，由于单眼尺寸较小，所有小眼需要共用一个成像传感器。由于小眼的曲面排布，小眼成像的像面是一个弯曲的曲面，而受目前制造工艺的限制，小型化的感光芯片都是平面光刻工艺制备的。因此曲面复眼的离焦问题是制约光电集成的小型化人造复眼相机进一步发展的重要因素。尽管针对这个问题，已经有一些报道从实验和理论上给出了一些解决方案，例如复眼和光纤束的耦合，多层曲面复眼结构，以及非均一的曲面变焦距人造复眼,但是这些解决方案存在结构复杂，装配、对准困难等问题，制备成本高昂，工艺上难以实现。到现在为止，如何解决曲面复眼的离焦问题，实现微型人造复眼和平面感光芯片的光电集成，制备出高性能的微型人造复眼相机具有重大意义及挑战性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种简单、通用的光电集成的微型人造复眼相机及制备方法。曲面人造复眼的实现是通过将不同朝向的小眼排布在曲面上(球面的一部分)形成。传统曲面人造复眼所有子眼聚焦的焦面是一个弯曲的曲面，难以和商用平面传感器兼容。本发明通过设计子眼的面型为对数函数，使子眼聚焦的焦斑拉长。子眼焦斑拉长后，所有子眼焦斑的前焦面和后焦面中间存在一定的范围，在这个范围内可以使用平面探测器接收到所有子眼的聚焦和成像，从而解决了传统曲面人造复眼的离焦问题。然后利用“飞秒激光增材制造”技术高精度制备无离焦的微型对数面人造复眼，并将制备的无离焦的微型对数面人造复眼与商用的微型图像传感器(cmos感光芯片)集成，最
终实现光电集成的微型人造复眼相机及制备。
5.本发明通过如下技术方案实现：
6.一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，具体步骤如下：
7.(1)、无离焦微型对数面人造复眼的设计；
8.具体步骤：首先，将曲面人造复眼所有子眼均匀分布在一个半径和高度分别是r
s
和h
s
的球冠上；对数透镜的函数曲面方程为：
[0009][0010][0011][0012]
其中，r，θ，r
l
，n
l
和n0分别代表半径坐标，方位坐标，透镜半径，透镜折射率以及环境折射率；λ是微型曲面人造复眼的工作波长；d1和d2是对数透镜的焦点的起点和终点；和h
ll
(r，θ)是不同位置下对数透镜的相位延迟量和高度；设对数透镜的聚焦终点d2＞h
s
,保证所有焦点超出球冠基座而被探测；设对数透镜的聚焦范围d2‑
d1＞h
s
，从而实现在某一空间位置接收到所有小眼的聚焦和成像；
[0013]
在确定对数透镜聚焦的起点d1和终点d2后，可以根据对数透镜的函数曲面方程得到对数透镜在不同位置的高度分布h
ll
(r，θ)；然后根据球冠的高度h
s
和半径r
s
计算得到无离焦微型对数面人造复眼的表面轮廓的高度信息；
[0014]
(2)、三维加工点云数据的获取；
[0015]
具体步骤：根据计算得到的器件的表面轮廓的高度信息，然后再通过matlab、c 或visual basic编程语言，编写转换程序将器件的表面轮廓信息转换成加工系统可识别加工的三维点云数据，以(x,y,z)的数据格式导出到预先命名好的txt文本；采用轮廓扫描的加工方式加工人造复眼；即以复眼外部轮廓为基准，向内扩展壳厚为w的壳层，这部分的点云数据被用于加工；
[0016]
(3)、飞秒激光直写制备无离焦微型曲面人造复眼；
[0017]
具体步骤：首先，在清洗干净的盖玻片表面滴上光学树脂；将样品片放在加热台上前烘，前烘后在室温环境下冷却，并把准备好的样品片放置到振镜基飞秒激光直写加工系统中；然后，将激光聚焦到聚合物薄膜与衬底片交界面的位置，以该位置作为加工的起始界面；接着，将步骤(2)中获取的多层衍射光学元件的点云文本文件导入到加工软件中，开始逐点扫描加工；将扫描完毕的样品进行显影、干燥，进行紫外曝光，最终制备得到无离焦微型曲面人造复眼；
[0018]
(4)、微型人造复眼相机的光电集成；
[0019]
具体步骤：通过飞秒激光增材制造完成人造复眼的制备后，在平面图像传感器cmos感光芯片的表面滴加紫外光刻胶，然后将制备的无离焦对数面人造复眼贴到感光芯片表面；在紫外灯的照射下，光刻胶固化，完成微型人造复眼相机的光电集成。
[0020]
进一步地，步骤(1)所述的小眼曲面排布的球冠的半径r
s
范围为20μm
‑
50cm；所述的小眼曲面排布的球冠的高度h
s
范围为10μm
‑
25cm。
[0021]
进一步地，步骤(1)所述的对数小眼的焦点的起点d1和终点d2的取值范围为20μm
‑
10mm；所述的器件的工作波长λ范围为350
‑
1600nm；结构扫描壳层的厚度w的取值范围为：1μm
‑
5mm。
[0022]
进一步地，步骤(1)所述的曲面复眼的工作环境可以是空气、水或者是各种折射率不同的纯的或者掺杂的有机、无机溶液，主要包括：乙二醇、醋酸、丙酮、环己烷、水杨酸甲酯、甲醇、乙醇、丙三醇、丁醇等。
[0023]
进一步地，步骤(3)所述的光学树脂可以是各种可以利用飞秒激光双光子聚合制备的紫外光学树脂，主要包括：环氧树脂su
‑
8，有机
‑
无机杂化光刻胶ip
‑
dip、sz2080，紫外光学固化胶noa61、noa63等。
[0024]
进一步地，步骤(3)中的干燥的温度为60
‑
150℃，干燥时间为5
‑
30min；为避免光刻胶被提前曝光，滴加光刻胶以及后续的加热过程均在黄光区完成；光刻胶取液工具为胶头滴管，取液剂量为1滴；样品加热仪器使用的是恒温加热台；样品前烘加热温度为65
‑
120℃，加热时间为20
‑
120min；所用玻璃盖玻片尺寸为60*24*0.17mm。
[0025]
进一步地，步骤(3)中的振镜基飞秒激光直写加工系统，包括光纤飞秒激光振荡器、衰减、光闸、过反射镜、过反射镜、扫描振镜、4f光学系统及油浸物镜；由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光依次通过衰减片和光闸，经过反射镜反射后通过扩束系统，光束尺寸扩大5倍后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由4f光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由油浸物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，由照明光源、长波通滤光片、以及成像ccd组成实时监控系统，实时观察样品加工过程中的状态。
[0026]
进一步地，振镜基飞秒激光直写加工系统的飞秒激光中心波长为760
‑
850nm，脉冲宽度为80
‑
200fs，重复频率为80
‑
100mhz；衰减片为渐变密度滤光片，工作波长400
‑
1200nm，直径25.4
‑
50mm；光闸使用的是具有70mhz开关频率的声光调制器；反射镜是直径为25.4mm，工作波长在800nm附近的介质膜反射镜；扩束系统的扩束倍数为5
‑
10倍；国产高速扫描振镜最大扫描角度为正负15
°
；4f光学系统的透镜为k9玻璃平凸透镜，焦距为100
‑
300mm；使用的高数值孔径物镜为奥林巴斯公司生产的高数值孔径油镜；物镜放大倍数为10
‑
100倍，数值孔径为0.65
‑
1.42；照明光源使用的是白色led光源；滤光片使用的是波段选择吸收型滤光片，透射范围：550
‑
2500nm；成像ccd是国产高清免驱工业相机。
[0027]
进一步地，步骤(3)所述的加工起始界面的具体确定方法具体如下：
[0028]
首先确保样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离远大于物镜工作距离，然后调节衰减片使激光功率远小于光刻胶聚合阈值，随后通过手动位移台不断减小样品与物镜之间的间距，由于界面反射，可以观察到一个激光聚焦光斑；当光斑尺寸达到最小时聚焦光斑中心正好位于光刻胶与衬底片的接触面，以此时的位置作为加工的起始界面；其中，所述光斑尺寸达到最小时，即当移动位移台时，聚焦光斑的变化是逐渐减小，减小到最小值时会再变大，由小再变大的临界值即为光斑尺寸达到最小。
[0029]
进一步地，步骤(3)中的激光加工功率为5
‑
28mw，单点曝光时间为100
‑
3000μs；所述光刻胶显影时间为10
‑
90min；所述用于紫外曝光的紫外灯波长为300
‑
450nm,紫外灯功率为0.5
‑
10w，曝光时间为10s
‑
60min。
[0030]
进一步地，步骤(4)所述的cmos感光芯片的成像面积为(300μm
‑
20mm)x(300μm
‑
20mm),单个像素的尺寸为(0.1μm
‑
3μm)x(0.1μm
‑
3μm)；所述的紫外光刻胶主要包括：环氧树
脂su
‑
8，有机
‑
无机杂化光刻胶ip
‑
dip、sz2080，紫外光学固化胶noa61、noa63等。
[0031]
进一步地，步骤(5)所述的复眼相机与目标物体的距离为10μm
‑
100cm。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
(1)、通过对小眼函数曲面的特殊设计，解决了曲面人造复眼离焦问题；
[0034]
(2)、通过飞秒激光双光子聚合辅助轮廓扫描，实现了特殊面型微型人造复眼的高精度快速制备；
[0035]
(3)、成功的将微型曲面人造复眼和商用平面图像传感器结合，实现了微型人造复眼相机的光电集成一体化；
[0036]
(4)所述的光电集成的人造复眼相机及制备方法具有设计简单、方法通用、可操作性强、适用性广的突出优点。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0038]
图1为自然界中昆虫复眼的结构组成的示意图；
[0039]
图2为传统曲面人造复眼的离焦问题的示意图；
[0040]
图3为本发明的无离焦对数面人造复眼结构的工作原理示意图；
[0041]
图4为本发明的微型曲面人造复眼的制备
‑
飞秒激光双光子聚合辅助壳层扫描加工的原理示意图；
[0042]
图5为本发明的制备的微型无离焦对数面人造复眼的扫描电子显微镜表征图；
[0043]
图6为本发明的制备的微型无离焦对数面人造复眼的聚焦图；
[0044]
图7为本发明的制备的微型无离焦对数面人造复眼的成像图；
[0045]
图8为本发明的一种小眼孔径更大的无离焦对数面人造复眼的扫描电子显微镜表征图像；
[0046]
图9为本发明的制备的人造复眼与商用的平面图像传感器集成的流程图；
[0047]
图10为本发明的一种光电集成的微型人造复眼相机的实物照片；
[0048]
图11为本发明的使用光电集成的微型人造复眼相机直接采集到的目标物体的图像；
[0049]
图12为本发明的使用光电集成的微型人造复眼相机观察微流控芯片内活体草履虫的运动图像的实验装置的照片；
[0050]
图13为本发明的使用光电集成的微型人造复眼相机采集到的活体草履虫在不同时刻的图像；其中，a为t＝0s,b为t＝1s,c为t＝2s,d为t＝3s,e为t＝4s,f为t＝5s。
具体实施方式
[0051]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0052]
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
[0053]
实施例1
[0054]
本发明通过设计小眼的函数面型，扩展小眼的聚焦范围和成像景深，从而实现在某一个平面位置接收到所有小眼的聚焦和成像。器件通过飞秒激光增材制造辅助壳层扫描技术精密制备，具有符合设计的精密的函数曲面轮廓，可以实现宽视场下的无离焦成像。
[0055]
一种微型的无离焦的曲面人造复眼的制备方法，具体步骤如下：
[0056]
(1)、无离焦微型曲面人造复眼的设计
[0057]
具体步骤：首先，曲面人造复眼所有子眼均匀分布在一个半径和高度分别是r
s
和h
s
的球冠上；对数透镜的函数曲面方程为：
[0058][0059][0060][0061]
其中，r，θ，r
l
，n
l
和n0分别代表半径坐标，方位坐标，透镜半径，透镜折射率以及环境折射率；λ是微型曲面人造复眼的工作波长；d1和d2是对数透镜的焦点的起点和终点；和h
ll
(r，θ)是不同位置下对数透镜的相位延迟量和高度；设计对数透镜的聚焦终点d2＞h
s
,保证所有焦点超出球冠基座而被探测；设计对数透镜的聚焦范围d2‑
d1＞h
s
，从而实现在某一空间位置接收到所有小眼的聚焦和成像；
[0062]
在确定对数透镜聚焦的起点d1和终点d2后，可以根据对数透镜的函数曲面方程得到对数透镜在不同位置的高度分布h
ll
(r，θ)。然后根据球冠的高度h
s
和半径r
s
可以计算得到无离焦微型对数面人造复眼的表面轮廓的高度信息。其中，球冠的高度和半径分别是r
s
＝200μm和h
s
＝90μm。透镜材料的折射率n
l
为1.5，器件工作环境为水的折射率n0为1.33，工作波长λ为633nm,对数面小眼的半径r
l
为20μm，聚焦起点d1为50μm，聚焦终点d2为600μm。
[0063]
(2)、三维加工点云数据的获取；
[0064]
具体步骤：在完成无离焦对数面人造复眼器件结构设计之后，根据计算得到的器件的表面轮廓的高度信息，然后再通过c 编程语言，编写转换程序将器件的表面轮廓信息转换成加工系统可识别加工的三维点云数据，以(x,y,z)的数据格式导出到预先命名好的txt文本中，以便于后期加工使用。为了节省加工时间，采用轮廓扫描的加工方式制作人造复眼。以复眼外部轮廓为基准，向内扩展壳厚为2μm的壳层，这部分的点云数据被用于加工。加工过程中，只有壳层部分会被激光逐点扫描，从而大幅度节省加工时间。
[0065]
(3)、飞秒激光直写制备无离焦微型曲面人造复眼；
[0066]
具体步骤：飞秒激光直写制备无离焦微型曲面人造复眼主要包含三个部分，分别是样品的前期准备，飞秒激光增材制造以及器件显影与后处理。首先是样品的前期准备：将显微镜盖玻片放入超声机中，超声清洗30min，去除玻璃片表面的大尺寸玻璃碎屑和灰尘颗
粒，避免在加工过程中产生光散射而影响加工质量；在使用丙酮和无水乙醇浸泡的棉球依次擦拭后，使用去离子水反复冲洗玻璃片表面，去除玻璃片表面残留的无水乙醇后，放在80
°
的真空干燥箱中干燥10min；在清洗干净的盖玻片表面滴上光学树脂sz2080；将样品片放在加热台上前烘，前烘温度为100℃，前烘时间为60min，前烘后在室温环境下冷却。
[0067]
然后是飞秒激光增材制造：将准备好的样品片放置到振镜基飞秒激光直写加工系统中。在该加工系统中，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光(中心波长为780nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80mhz)依次通过衰减片和光闸，经过反射镜反射后通过扩束系统，光束尺寸扩大5倍后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由4f光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由奥利巴斯公司生产的数值孔径为1.35的油浸物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，由照明光源、长波通滤光片、以及成像ccd组成实时监控系统，实时观察样品加工过程中的状态。正式加工前，将激光聚焦到聚合物薄膜与衬底片交界面的位置，以该位置作为加工的起始界面。然后，将步骤三中获取的多层衍射光学元件的点云文本文件导入到加工软件中，通过调节衰减片位置使物镜前测量激光功率为15.5mw。最后，在加工软件上设置单点曝光时间为300μs，点击开始按钮，开始逐点扫描加工。
[0068]
然后是器件的显影与干燥：将加工后的样品置于光刻胶显影液正丙醇中浸泡显影40min。显影结束后，将样品从显影液中取出，自然干燥。
[0069]
最后是器件的后处理：将干燥后的曲面人造复眼结构放在高功率紫外灯下照射3min，紫外灯功率为2w，从而使飞秒激光直写过程中未曝光的树脂聚合，起到均匀结构折射率和提高结构长期稳定性的作用。最终制备得到无离焦的微型曲面人造复眼。
[0070]
如图1可知，昆虫的复眼是由许多独立的感光单元呈半球形曲面排布构成，因此具有出色的无失真、宽视场成像特性。
[0071]
如图2所示，在传统曲面人造复眼中，由于小眼的曲面排布，小眼成像的像面是一个弯曲的曲面。
[0072]
如图3可知，通过设计对数小眼的参数可以拉长对数小眼的焦斑。虽然曲面人造复眼的前焦面和后焦面仍然是弯曲的曲面，但是可以找到合适的位置，在这个位置可以使用平面探测器接收到所有小眼的聚焦和成像。
[0073]
如图4所示，加工过程中，只有壳层部分会被激光逐点扫描，从而大幅度节省加工时间。
[0074]
由图5可知制备的无离焦的微型曲面人造复眼的表面光滑、结构完整、形貌良好，整体制备效果好。
[0075]
由图6可知制备的无离焦的微型曲面人造复眼可以实现在某一平面接收到所有小眼的聚焦。
[0076]
由图7可知制备的无离焦的微型曲面人造复眼可以实现在某一平面接收到所有小眼的成像。
[0077]
实施例2
[0078]
通过设计小眼的函数面型，扩展小眼的聚焦范围和成像景深，从而实现在某一个平面位置接收到所有小眼的聚焦和成像。人造复眼通过飞秒激光增材制造辅助壳层扫描技术精密制备，具有符合设计的精密的函数曲面轮廓，可以实现宽视场下的无离焦成像。最终
将人造复眼与商业的平面图像传感器集成，制备得到光电集成的微型人造复眼相机。
[0079]
一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，具体步骤如下：
[0080]
步骤(1)、(2)、(3)、同实施例1。
[0081]
其中，对数面小眼的半径r
l
为55μm，聚焦起点d1为500μm，聚焦终点d2为1000μm。
[0082]
(4)、微型人造复眼相机的光电集成
[0083]
具体步骤：通过飞秒激光增材制造完成人造复眼的制备后，在平面图像传感器cmos感光芯片的表面滴加紫外光刻胶，然后将制备的无离焦对数面人造复眼贴到感光芯片表面。在紫外灯的照射下，光刻胶固化，完成微型人造复眼相机的光电集成。其中，cmos感光芯片的型号是omnivision 9734，紫外光刻胶为noa61。紫外灯的功率为2w，波长为365nm,照射时间为10s。
[0084]
(5)图像采集
[0085]
具体步骤：将制备的人造复眼相机放置在目标物体正前方一段距离，使用照明光源照亮目标物体，然后使用集成后的复眼相机直接采集目标物体图像。
[0086]
由图8可知制备的小眼孔径更大的无离焦的微型曲面人造复眼的表面光滑、结构完整、形貌良好，整体制备效果好。
[0087]
如图9可知，通过飞秒激光增材制造完成人造复眼的制备后，在平面图像传感器cmos感光芯片的表面滴加紫外光刻胶，然后将制备的无离焦对数面人造复眼贴到感光芯片表面。在紫外灯的照射下，光刻胶固化，完成微型人造复眼相机的光电集成。
[0088]
由图10可知制备的光电集成的微型人造复眼相机的尺寸较小，加上驱动电路的尺寸仍然小于五角硬币。
[0089]
由图11可知制备的光电集成的微型人造复眼相机可以直接采集目标物体的图像，成像质量良好。
[0090]
实施例3
[0091]
通过设计小眼的函数面型，扩展小眼的聚焦范围和成像景深，从而实现在某一个平面位置接收到所有小眼的聚焦和成像。人造复眼通过飞秒激光增材制造辅助壳层扫描技术精密制备，具有符合设计的精密的函数曲面轮廓，可以实现宽视场下的无离焦成像。将人造复眼与商业的平面图像传感器集成，制备得到光电集成的微型人造复眼相机。最终，使用集成的微型人造复眼相机观察微流控芯片内部活体草履虫的运动情况。
[0092]
一种用于活体草履虫运动观察的光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，具体步骤如下：
[0093]
步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)同实施例2。
[0094]
其中光电集成的微型人造复眼相机的观察目标为微流控通道内部的活体草履虫。
[0095]
由图12可知光电集成的微型人造复眼相机直接倒扣在微流控芯片上，微流控通道内有运动的活体草履虫。
[0096]
由图13可知为本发明的光电集成的微型人造复眼相机可以采集的微观目标活体草履虫在不同时刻的运动图像。
[0097]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0098]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0099]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。