專利名稱：焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)便攜式攝像裝置的需求越來(lái)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(guò)注塑方法得到小鏡頭。然后通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)鏡頭的安裝螺紋改變鏡頭的位置，或者通過(guò)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(guò)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(guó)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(lái)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(guó)內(nèi)相關(guān)的研究很少，通過(guò)檢索，可以知道微小鏡頭組件的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的組件的制造相關(guān)的工藝和方法未見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提供一種焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微鏡頭及其制造方法，針對(duì)目前微鏡頭鏡組無(wú)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)方案本發(fā)明是一種完成焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微型液體鏡頭設(shè)計(jì)和制造方法。即是一種利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)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(guò)程中。
本發(fā)明的焦距和視場(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。
本發(fā)明的焦距和視場(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PDMS從微模具中剝離開(kāi)來(lái)；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(guò)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。
有益效果采用本發(fā)明的方法，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(guò)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(wú)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)施例方式
本發(fā)明的焦距和視場(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(guò)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(0-450V)，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0-100um/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。
本發(fā)明的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的微型液體鏡頭設(shè)計(jì)和制造是采用如下的方案實(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4、第二液體鏡片3。
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(kāi)來(lái)；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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)鏘C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(méi)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(guò)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(4)、第二液體鏡片(3)。
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(4)或第二液體鏡片(3)由PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)封裝液體(33)組成。
4.一種如權(quán)利要求1所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制造方法，其特征在于制造的方法為1).將PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)粘接形成封裝液體(33)的微腔，得到第一液體鏡片(4)或第二液體鏡片(3)；2).將第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)分別包圍第一液體鏡片(4)或第二液體鏡片(3)；3).將第一圓環(huán)形徑向壓電材料(5)、第二圓環(huán)形徑向壓電材料(6)、第一液體鏡片(4)、第二液體鏡片(3)與軸向變形壓電材料(2)連接；4).將以上的連接體組裝在鏡筒(1)的內(nèi)壁；
5.如權(quán)利要求4所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制造方法，其特征在于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PDMS從微模具中剝離開(kāi)來(lái)；4)在PDMS表面覆蓋PDMS片形成微流體的微腔。
6.如權(quán)利要求4所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制造方法，其特征在于基于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(guò)流體接口注入微腔并用PDMS封住。
7.如權(quán)利要求4所述的焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭的制造方法，其特征在于可在PDMS薄膜上片(31)、PDMS薄膜下片(32)的外表面粘接壓電材料。
全文摘要
焦距和視場(chǎng)可調(diào)的液體微鏡頭及其制造方法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(4)、第二液體鏡片(3)。
文檔編號(hào)G02B3/12GK101029939SQ200710020629
公開(kāi)日2007年9月5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)明者顧忠澤, 朱紀(jì)軍, 韓永昊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)