一種仿生復眼成像系統(tǒng)的光闌陣列加工方法
【專利說明】
所屬技術領域
[0001]本發(fā)明涉及到一種可實現(xiàn)用于平板透鏡陣列的仿生復眼的結構設計及其光闌一體成型加工技術，屬于光學成像系統(tǒng)設計領域，同時屬于光學加工領域。
【背景技術】
[0002]昆蟲復眼的光學結構可通過多個子眼把視場分割為若干部分分別成像，每個子眼只能形成一個像點，眾多子眼形成的像點拼合成一幅圖像。每個子眼由一個凸透鏡、一個晶錐和若干個感光細胞組成，分別起到收集光束、限制視場角和感光作用。近年來，人們仿照昆蟲復眼的成像原理，設計了仿生復眼成像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有結構緊湊、體積小、視場大以及對運動物體具有高靈敏度等優(yōu)點，這是單孔徑成像系統(tǒng)不具有的。
[0003]為了實現(xiàn)復眼成像功能，一般仿生復眼的結構由微透鏡陣列、光闌陣列或濾波器陣列和圖像探測器(如CCD或CMOS探測器等)等組成。微透鏡陣列由多個透鏡單元按照一定順序排列而成，相當于復眼光學系統(tǒng)中的多個子眼；圖像探測器相當于感光細胞；光闌陣列或者濾波器陣列，相當于晶錐，透鏡陣列的每個單元分別負責不同的視場角，通過所對應的光闌單元，消除了其他視場的雜散光，可見光闌單元和透鏡單元需要一一對應，才能保證光學系統(tǒng)的圖像采集的正確性。
[0004]由于光闌起到的對光線精確地阻擋作用，需要光闌通光孔口徑的尺寸和微透鏡陣列單元一致，一般口徑在毫米和幾百微米量級，同時需要光闌端部應該有很光滑平整的邊界棱角，如果存在毛邊、缺口等缺陷，會通過光學系統(tǒng)將缺陷呈現(xiàn)在探測器上，不能形成完好的單元圖像。因此，傳統(tǒng)機械加工方法并不能很好的實現(xiàn)加工。德國Fraunhofer研宄院的科學家借助高精度的特種加工光刻技術，在玻璃上進行光刻掩膜，制造高精度的光闌結構(參考文獻:A.Bruckner, J.Duparre, R.Leitel, P.Dannberg, A.Brauer, andA.Tunnermann, "Thin wafer-level camera lenses inspired by insect compoundeyes, 〃0pt Express 18, 24379-24394(2010).)。但是，玻璃作為光闌會造成光能損失，對于本來單元通光能量就偏小的復眼器件來說，并不是最佳選擇。同時，由于透鏡陣列和光闌陣列單元需要精確安裝，由于玻璃光闌沒有裝配定位基準，在裝配時需要精確地調整，會帶來生產線成本的提高，從而限制了仿生復眼的發(fā)展。因此，有必要研宄一種低成本仿生復眼系統(tǒng)加工方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對光闌陣列和透鏡陣列裝調困難的問題，提出了一種仿生復眼系統(tǒng)光闌陣列的高精度加工方法，利用超精密加工和電鑄技術可實現(xiàn)光闌陣列的一體成型加工，配合平板式透鏡陣列單元邊緣銜接，可實現(xiàn)光闌陣列和透鏡陣列的自動對正，且有效解決了透鏡陣列和光闌陣列裝調困難的問題。本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種仿生復眼成像系統(tǒng)的光闌陣列加工方法，所述的成像系統(tǒng)包括平面微透鏡陣列、平面微孔光闌陣列和平面?zhèn)鞲衅?，平面微透鏡陣列單元采用底面凸起的設計，單元和單元之間形成自然的凹槽界限，與光闌陣列鋒利的凸起相匹配，其特征在于，其中的平面微孔光闌陣列的制備方法如下:
[0007](I)根據(jù)平面微透鏡陣列單元的大小，確定平面微孔光闌陣列中光闌單元的尺寸，并根據(jù)需要確定陣列邊緣傾斜角度；
[0008](2)選定制作平面微孔光闌陣列母版的工件，根據(jù)陣列邊緣傾斜角度選擇適當?shù)慕饎偸毒?，利用超精密飛刀切削技術，保證刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中進行高速旋轉，在旋轉到最低端時對表面進行切削，同時刀具切削路徑沿著直線運動，從而在被加工材料表面切削微溝槽陣列；
[0009](3)將工件旋轉90°，進行飛刀車削，重復步驟(2)進行微溝槽陣列加工，最終形成凸型微四棱錐陣列；
[0010](4)將得到的四棱錐陣列進行電鑄，翻印得到電鑄材料的平面微孔光闌陣列結構。
[0011]本發(fā)明簡化了仿生復眼系統(tǒng)的加工過程，不僅實現(xiàn)了難加工微孔光闌的一次成型加工，還通過復眼透鏡陣列和微孔光闌特定的定位結構，實現(xiàn)透鏡陣列和光闌陣列的高效裝調。同時，制造復眼系統(tǒng)中兩個部件的加工過程均可實現(xiàn)批量生產，不僅降低了生產成本，并且可以加速復眼的商業(yè)化，實現(xiàn)其光學價值。
【附圖說明】
[0012]圖1平板透鏡陣列式的復眼結構截面圖
[0013]圖2平板透鏡陣列式復眼結構整體圖
[0014]圖3飛刀車削四棱錐陣列
[0015]圖4電鑄過程
[0016](a)三維視圖(b) 二維視圖
[0017]圖5最終得到的光闌陣列
[0018]【附圖說明】如下:I透鏡陣列2CXD陣列3光闌陣列
[0019]4凸型微四棱錐陣列5電鑄材料的平面微孔光闌陣列結構
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明所涉及的復眼結構由三部分組成，如圖1所示，分別為透鏡陣列、光闌陣列和平面?zhèn)鞲衅麝嚵小Ｃ恳粋€透鏡單元、光闌單元和傳感器單元構成了一個成像單元。每個成像單元負責不同的視場角度的成像任務，可將該視場角范圍的物面成像在該單元所對應的CCD上，光闌將不屬于該視場范圍的入射光線濾除，保證成像的清晰。將所有CCD的成像組合，就可獲得整個視場的物面的像。本發(fā)明的復眼結構的三維示意圖，如圖2所示。
[0021]該復眼結構的加工分為兩部分:平面透鏡陣列和光闌陣列加工。平面透鏡陣列采用微注塑加工方式，可實現(xiàn)批量生產，所需要的超精密加工模具加工技術及微注塑成型技術支撐已較成熟，并無特別需要注意之處；光闌陣列由于具有大量微孔陣列，且需要較高質量，采用現(xiàn)有加工手段較難實現(xiàn)，因此，本發(fā)明借助超精密飛刀切削和電鍍的方式加工實現(xiàn)其高效加工。為實現(xiàn)平面透鏡陣列和光闌陣列兩者的快速高精度對正，平面透鏡陣列單元采用底面凸起的設計，單元和單元之間形成自然的凹槽界限，與光闌陣列鋒利的凸起相匹配，當兩者放置一起時，可實現(xiàn)兩者之間的自動對正，減少裝配對正的調整時間。
[0022]對于光闌陣列的加工中的微孔陣列直接加工的難題，本發(fā)明提出借助翻印的手段實現(xiàn)微孔光闌陣列加工，先由超精密加工方法中的飛刀切削法加工一個微四棱錐陣列。飛刀切削加工法是采用三角形單點金剛石刀具，保證刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中進行高速旋轉，在旋轉到最低端時對表面進行切削，同時刀具切削路徑沿著直線運動，從而在被加工材料表面切削微溝槽陣列，陣列的截面形狀即為金剛石刀具的形狀。這樣借助飛刀切削方法分別切削垂直方向的微溝槽陣列而最終形成微四棱錐陣列，如圖3所示。該加工過程中的加工材料一般采用鋁、銅或者電解鎳等軟材料。然后，通過電鑄方法將凸形四棱錐陣列變?yōu)榘夹臀⒖钻嚵?，如圖4所示。最終得到的光闌陣列如圖5所示。在電鑄過程中，加工模板作為陰極，用電鑄材料作為陽極，一同放入與陽極材料相同的金屬鹽溶液中，通以直流電，在電解作用下，原模表面逐漸沉積出金屬電鑄層，達到所需的厚度后從溶液中取出，將電鑄層與原模分離，便獲得與原模形狀相對應的金屬復制件。常用于電鑄的金屬有銅、鎳和鐵3種，有時也用金、銀、鉑鎳-鈷、鈷-鎢等合金，以鎳的電鑄應用最廣。在實際加工中，一個凸形四棱錐陣列母版可實現(xiàn)多個微孔陣列的電鑄加工，同時，微孔陣列還可以再反制出凸形四棱錐陣列，這樣通過無數(shù)次的反復電鑄，使用一個母版就可以實現(xiàn)大量微孔陣列光闌的生產，從而降低加工成本。
【主權項】
1.一種仿生復眼成像系統(tǒng)的光闌陣列加工方法，所述的成像系統(tǒng)包括平面微透鏡陣列、平面微孔光闌陣列和平面?zhèn)鞲衅?，平面微透鏡陣列單元采用底面凸起的設計，單元和單元之間形成自然的凹槽界限，與光闌陣列鋒利的凸起相匹配，其特征在于，其中的平面微孔光闌陣列的制備方法如下: (1)根據(jù)平面微透鏡陣列單元的大小，確定平面微孔光闌陣列中光闌單元的尺寸，并根據(jù)需要確定陣列邊緣傾斜角度； (2)選定制作平面微孔光闌陣列母版的工件，根據(jù)陣列邊緣傾斜角度選擇適當?shù)慕饎偸毒撸贸茱w刀切削技術，保證刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中進行高速旋轉，在旋轉到最低端時對表面進行切削，同時刀具切削路徑沿著直線運動，從而在被加工材料表面切削微溝槽陣列； (3)將工件旋轉90°，進行飛刀車削，重復步驟(2)進行微溝槽陣列加工，最終形成凸型微四棱錐陣列； (4)將得到的四棱錐陣列進行電鑄，翻印得到電鑄材料的平面微孔光闌陣列結構。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種仿生復眼成像系統(tǒng)的光闌陣列加工方法，包括：(1)根據(jù)平面微透鏡陣列單元的大小，確定平面微孔光闌陣列中光闌單元的尺寸，并根據(jù)需要確定陣列邊緣傾斜角度；(2)選定制作平面微孔光闌陣列母版的工件，保證刀具前刀面垂直工件表面，刀具在加工中進行高速旋轉，在旋轉到最低端時對表面進行切削，同時刀具切削路徑沿著直線運動，從而在被加工材料表面切削微溝槽陣列；(3)將工件旋轉90°，進行飛刀車削，重復步驟(2)進行微溝槽陣列加工，最終形成凸型微四棱錐陣列；(4)將得到的四棱錐陣列進行電鑄，翻印得到電鑄材料的平面微孔光闌陣列結構。本發(fā)明可實現(xiàn)光闌陣列和透鏡陣列的自動對正，且有效解決了透鏡陣列和光闌陣列裝調困難的問題。
【IPC分類】G02B3-00, G02B5-00
【公開號】CN104834030
【申請?zhí)枴緾N201510219730
【發(fā)明人】張效棟, 盧永斌, 房豐洲, 劉現(xiàn)磊
【申請人】天津大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月30日