一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法与流程

技术特征：
1.一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、无离焦微型对数面人造复眼的设计；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：球冠上；对数透镜的函数曲面方程为：球冠上；对数透镜的函数曲面方程为：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；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；(2)、三维加工点云数据的获取；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visualbasic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；(3)、飞秒激光直写制备无离焦微型曲面人造复眼；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；(4)、微型人造复眼相机的光电集成；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。2.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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；步骤(1)所述的曲面复眼的工作环境为空气、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，所述有机、无机溶液为乙二醇、醋酸、丙酮、环己烷、水杨酸甲酯、甲醇、乙醇、丙三醇或丁醇。4.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的光学树脂为环氧树脂su
‑
8，有机
‑
无机杂化光刻胶ip
‑
dip、sz2080，紫外光学固化胶noa61或noa63。5.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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。7.如权利要求6所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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。8.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的加工起始界面的具体确定方法具体如下：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。9.如权利要求1所述的一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，其特征在于，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；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)；所述的紫外光刻胶为环氧树脂su
‑
8、有机
‑
无机杂化光刻胶ip
‑
dip、sz2080、紫外光学固化胶noa61或noa63。10.一种光电集成的微型人造复眼相机，其特征在于，由权利要求1
‑
9的任意一项制备得到。

技术总结
本发明公开了一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法，属于光电器件技术领域，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。本发明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。化。化。


技术研发人员：张永来 胡志勇 陈岐岱 孙洪波
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2021/10/28