焦距和視場可調的液體微鏡頭的製作方法
2023-10-20 07:55:17
專利名稱：焦距和視場可調的液體微鏡頭的製作方法
技術領域：
本實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 度處理技術相結合的焦距和視場可調的微鏡頭的設計和製造工藝，屬於微細制 造、表面改性技術和微光學技術相交叉的技術領域。
發明背景
隨著對可攜式攝像裝置的霈求越來越大，各種手機、筆記本、監視器的微 型鏡頭模組的生產、組裝等形成了一個龐大的電子製造的特色產業。全球每年
手機的產能接近9億部，其中大約5.6億部左右是攝像手機，因此對於各種尺 寸的攝像鏡頭的需求也十分的驚人。目前市場上的微型鏡頭主要採用小型的玻 璃或者塑料通過注塑方法得到小鏡頭。然後通過光學幾何設計，將小型的鏡頭 集成在位置可調的微型鏡筒內，通過調節鏡頭的安裝螺紋改變鏡頭的位置，或 者通過直線電機帶動鏡頭的組件運動，完成自動改變鏡頭位置的目的。
由於通過機械方法改變焦距對於日益的小型化而言逐漸成為工藝和設計 的難點，目前國際上多家公司提出一種可調節焦距的液體微行鏡頭的設計和相 關的專利。專利US6014259, 6538823， 6545815， 6545816， 6625351, 6665127， 6768536, 6778328, 6829415， 6847493 ， 6893877等提出了液體微鏡頭的設計 與研究裝置。系統提出了基於電電浸潤效應的可變曲率/焦距的微液體透鏡以 及相關的光學檢測系統和校準裝置的設計。PHLIPS和VARIOPTIC推出了利 用電浸潤效應的液體微鏡，可以在微小的空間調節鏡頭的焦距。另一種設計是 ASTART公司採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申請了相關的專利，提出了改變電極的設計、 電極的表面特性、電極間表面特性等方法來調節液體微鏡頭的焦距。所有這些 研究，如何在手機、筆記本電腦等上使用的微型攝像頭上實施調節焦距與曲率 同時進行的部件，應用得很少。同時，採用微型機械傳動或者直線電機驅動完
成焦距可調或者視場可調的單功能的部件已經得到了產業化，但是同時調節的 部件產業化的報導很少。國內相關的研究很少，通過檢索，可以知道微小鏡頭 組件的焦距和視場可調的絢件的制強
發明內容
技術問題本實用新型的目的在於提供一種焦距和視場可調的微鏡頭，針 對目前微鏡頭鏡組無法實現視場和鏡頭的同時可調以實現鏡組在近距離和遠 距離之間實現精密聚焦。
技術方案本實用新型是一種完成焦距和視場可調的微型液體鏡頭的制 造方法。即是一種利用PDMS(聚二甲基矽氧垸)薄膜封裝微量液體，將微流體 控制器件、彈性體微變形控制、表面梯度處理技術相結合的焦距和視場可調的 微鏡頭的設計和製造工藝。並成功應用於手機微型鏡頭的製造過程中。
本實用新型的焦距和視場可調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、第一圓環形徑向壓電材料、第二圓環形徑向壓 電材料；其中，第一圓環形徑向壓電材料、第二圓環形徑向壓電材料分別位於 鏡筒的內壁上，在鏡筒內壁上的其餘部分設有軸向變形壓電材料，在第一圓環 形徑向壓電材料、第二圓環形徑向壓電材料的內圓中分別對應設有第一液體鏡 片、第二液體鏡片。第一圓環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。
本實用新型的焦距和視場可調的液體微鏡頭的製造方法為
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) .將第一圓環形徑向壓電材料、第二圓環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) .將第一圓環形徑向壓電材料、第二圓環形徑向壓電材料、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壁； PDMS微腔的製造方法如下
1) PDMS型腔的製造採用微細加工的方法獲得微細模具，
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。 基於PDMS微腔的微鏡頭的製造可以採用如下方法
1) 採用雷射/準分子雷射加工的工藝，採用直接光照或者雷射掃描或者基 片掃描的方法，在PDMS表面獲得微腔；
2) 將另一層PDMS片與該PDMS層粘接形成密封的聯接；
3) 將液體通過流體接口注入微腔並用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。 有益效果採用本實用新型的方法，獲得焦距可調和視場可調的微鏡模組。
當完成模組的組裝以後，在鏡頭的前端放置物體，通過與鏡頭模組連接的 CCD/CMOS圖象處理晶片，在計算機圖象處理軟體的控制下可以得到不同清 晰度和放大倍率的像。針對目前微鏡頭鏡組無法實現視場和鏡頭的同時可調以 實現鏡組在近距離和遠距離之間實現精密聚焦。
圖1為焦距和視場可調的微鏡頭鏡組的結構示意圖。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、第一圓環形徑向壓電材 料5、第二圓環形徑向壓電材料6。
圖2為圖1中A-A剖面結構示意圖。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為液體鏡片的結構示意圖。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製造工藝，其中有矽基體7， 塗光刻膠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。
具體實施方式
本實用新型的焦距和視場可調的微鏡頭鏡組的實施方式如下1 )在PDMS 或者其他透明薄膜利用微細注塑的方法形成微流體的微腔，具體的製造工藝如 圖4所示，獲得的微腔的平面布局如圖5所示；2) PDMS的粘接採用通用的 等離子處理後(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1000Pa左右)；3)將用注射器液體或者水 注入容腔並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)， 或者給原環壓電陶瓷、軸向壓電陶瓷(PZT)施加驅動電壓(0"450V)，改變 薄膜曲率(薄膜形變(M00um/mm); 5)將原環壓電陶瓷、軸向壓電陶瓷和液 體微鏡集成到攝像微鏡筒；6)將鏡筒與手機鏡頭的檢測模組連接。
本實用新型的焦距和視場可調的微型液體鏡頭設計和製造是釆用如下的 方案實現的
1) 在PDMS透明薄膜內封注液體；
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的可調。
具體實施方案如附圖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、第一圓環形徑向壓電材料5、第二圓 環形徑向壓電材料6;其中，第一圓環形徑向壓電材料5、第二圓環形徑向壓 電材料6分別位於鏡筒1的內壁上，在鏡筒1內壁上的其餘部分設有軸向變形 壓電材料2，在第一圓環形徑向壓電材料5、第二圓環形徑向壓電材料6的內 圓中分別對應設有第一液體鏡片J、第二液體鏡片厶。
PDMS微腔的製造如下1) PDMS型腔的製造採用微細加工的方法獲得 微細模具，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。
基於PDMS微腔的微鏡頭的製造可以採用如下方法1)採用雷射/準分子 雷射加工的工藝，可以採用直接光照或者雷射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PDMS層粘接形成密封的聯 接；3)將液體通過流體接口注入微腔並用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，改變壓電材料的驅動位移，達到改變液體微鏡 在光路中的位置。將液體微鏡頭連結到光學檢測座上，通過控制電路板對鏡頭施加變形，完 成對鏡頭的檢測。本發明提出的微小流體鏡頭的製造工藝如下1)採用微細加工的工藝例 如IC工藝、MEMS工藝、微切削工藝、雷射加工工藝在基體表面獲得微流體 晶片的微模具；2)採用微注塑的工藝將PDMS注入微模具；3)將PDMS從 微細模具中剝離；4)將PDMS的注塑件與PDMS片進行可剝離的粘接，形成 微流體的型腔；5)在微細流道內注入不同的特性的溶液；6)將溶液排出微流 體晶片的流道；7)在PDMS片的表面沒有流體處理的地方採用保護蒸發或者 壓映的方法沉積一層導電的電極；8)將PDMS層彎曲得到一種固定流體鏡片 的鏡筒並用玻璃或者透明樹脂片封住鏡筒的兩端；9)在鏡筒內用氣泡隔離液 滴；10)通過控制電極的導電控制液滴的運動和液滴的彎曲半徑；11)將鏡筒 與手機鏡頭的檢測模組連接。本發明提出的微細鏡頭的製造工藝也包括如下的工藝1)採用PVDF材 料或者分段PVDF材料做成鏡筒；2)在PVDF材料的表面採用固定電極；3) 將包含液體的PDMS薄膜分端填充到鏡筒內；4)鏡筒兩端由玻璃和透明樹脂 固定5)給PVDF材料施加電場，改變PDMS薄膜的位置和曲率；6)將鏡筒 與手機鏡頭的檢測模組連接。本發明提出的微細鏡頭的製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)採用壓電陶瓷材料對PDMS薄膜施加外界機械作 用；3) PDMS薄膜在外界機械作用下產生變形改變了透鏡的曲率半徑；4)液 體透鏡封裝鏡筒；5)將鏡筒與手機鏡頭的檢測模組連接。
權利要求1.一種焦距和視場可調的液體微鏡頭，其特徵在於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)、第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)；其中，第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)分別位於鏡筒(1)的內壁上，在鏡筒(1)內壁上的其餘部分設有軸向變形壓電材料(2)，在第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)的內圓中分別對應設有第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)。
2. 如權利要求1所述的焦距和視場可調的液體微鏡頭，其特徵在於第一圓 環形徑向壓電材料(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) 分段環繞在鏡片四周所組成。
3. 如權利要求1所述的焦距和視場可調的液體微鏡頭，其特徵在於第一 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可調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、表面梯度處理技術相結合的焦距和視場可調的微鏡頭的設計和製造工藝，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)、第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)；其中，第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)分別位於鏡筒(1)的內壁上，在鏡筒(1)內壁上的其餘部分設有軸向變形壓電材料(2)，在第一圓環形徑向壓電材料(5)、第二圓環形徑向壓電材料(6)的內圓中分別對應設有第一液體鏡片(3)、第二液體鏡片(4)。
文檔編號G02B3/12GK201017048SQ20072003512
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月16日 優先權日2007年3月16日
發明者朱紀軍, 韓永昊, 顧忠澤 申請人:東南大學