CN113238306A - 提高集成成像3d显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法 - Google Patents

提高集成成像3d显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列，所述多焦距微透镜阵列在光线入射方向上依次设有透光基板和微透镜阵列；当用于成像时，所述微透镜阵列与小孔光栅紧邻；小孔光栅处密布多个透光小孔；所述微透镜阵列由多种微透镜有序排列而成；微透镜阵列中的每个用于成像的微透镜均位于小孔光栅透光小孔的光路径处；本发明的多焦距微透镜阵列可以同时提高景深和空间分辨率，提高集成成像3D显示重构性能，该制备方法简单、效率快、成本低。

Description

提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法
技术领域
本发明涉及集成成像3D成像技术领域，具体为提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法。
背景技术
视觉信息是现实世界的直接映射，通过图像也是人类表达信息最直接的方式，因为图像可以直接提供物体的各种信息，便于更加直接的了解物体。近年来，随着3D电影的热映，传统的二维显示技术已经不能满足民众的需求，人们追求更清晰、更智能、更高端的3D成像显示***，因为它能够显示出物体深度信息，更能反应物体形状，增强人们的视觉体验。而三维集成成像显示技术因其具有连续视差、无需佩戴眼镜和完整视场的特点受到了研究者们的广泛关注，这种立体显示可以使场景中的深度、层次、位置等信息全部展现，并成为目前最有发展前景的3D显示技术之一。
集成成像利用微透镜阵列记录和重构目标物体的深度信息，获取并显示具有3D深度信息或视差图像或影像，作为集成成像的核心部件，微透镜阵列是改善集成成像显示效果的关键。然而，用于3D显示的传统微透镜阵列只有一个焦距，限制了成像阶段的景深范围，焦距越大，***获得的景深范围越大，但是空间分辨率却不高，这种制约关系很大程度上阻碍了集成成像重构***的景深。因此，本文提出一种多层光刻技术制备多焦距微透镜阵列来提高景深，这种方法可以实现不同焦距的微透镜阵列同时实现高空间分辨率和精确的深度估计。
发明内容
本发明提出提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法，该多焦距微透镜阵列可以同时提高景深和空间分辨率，提高集成成像3D显示重构性能，该制备方法简单、效率快、成本低。
本发明采用以下技术方案。
提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列，所述多焦距微透镜阵列在光线入射方向上依次设有透光基板和微透镜阵列；当用于成像时，所述微透镜阵列与小孔光栅紧邻；小孔光栅处密布多个透光小孔；所述微透镜阵列由多种微透镜有序排列而成；微透镜阵列中的每个用于成像的微透镜均位于小孔光栅透光小孔的光路径处。
各种微透镜的焦距不同；多种微透镜按预设的阵列图案有序排列。
提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，用于制备以上所述的微透镜阵列，所述制备方法包括以下步骤；
步骤S1：选择带透光图案的第二掩模版，所述第二掩模版的透光图案与阵列图案对应；
步骤S2：采用光刻刻蚀或丝网印刷在曝光基板上制备小孔光栅；
步骤S3：在所述曝光基板设置有小孔光栅的一面均匀涂覆第一层负性光刻胶，以小孔光栅为光学掩模版，采用背面曝光的方式，以小孔光栅的透光小孔为一次曝光区，经一次曝光区对第一层负性光刻胶进行第一次曝光；
步骤S4：在经过第一次曝光的第一层负性光刻胶表面旋涂第二层负性光刻胶，以第二掩模版遮挡小孔光栅，然后小孔光栅设置在步骤S3中的位置，采用背面曝光的方式，以第二掩模版的透光图案和未被遮挡的透光小孔形成二次曝光区，经二次曝光区对第二层负性光刻胶进行第二次曝光；
步骤S5：对曝光基板上的负性光刻胶区域进行显影处理后，被一次曝光区覆盖但未被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处只有第一层负性光刻胶留存，被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处第一层负性光刻胶和第二层负性光刻胶均留存，形成两种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S6：调整曝光区，多次重复步骤S3-步骤S5，以成型n种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S7：将所述光刻胶柱排列形成的柱状图案阵列倒置放置，采用光刻胶熔融法对光刻胶柱进行处理，使各光刻胶柱经熔融后，冷却为多个具有不同厚度的微透镜结构，从而得到所述具有不同焦距的微透镜阵列母版；
步骤S8：以步骤S7制备的具有不同焦距的微透镜阵列母版为模板，采用软印刷的方式制备与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具；
步骤S9：利用步骤S8制备的模具，采用热压印方法或紫外压印方法加工透光材料，以制备具有多焦距的微透镜阵列。
所述小孔光栅由一带有镂空小孔阵列的不透明金属或者不透明光刻胶制成；所述镂空小孔阵列由小孔光栅的透光小孔排列而成；所述微透镜阵列的透镜单元与镂空小孔阵列的透光小孔一一对应；
在步骤S9中，采用热压印方法或紫外压印方法成型带微透镜阵列的透光基板。
步骤S8包括以下步骤：
步骤S81：将PDMS单体和固化剂按照100:1～1:1的比例均匀混合，抽真空去除气泡；
步骤S82：将PDMS单体和固化剂的混合物均匀旋涂于步骤S7所得的具有不同焦距的微透镜阵列母版上，静置一段时间后加热固化，剥离后得到与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具，即多焦距微透镜阵列的PDMS负模版。
步骤S9包括以下步骤：
步骤S91：将步骤S8得到的具有PDMS多焦距微透镜阵列的PDMS负模版放置在真空仓中，以排出PDMS负模版内部的气体，并形成负压；
步骤S92：将步骤S81处理后的具有负压的PDMS模版放置在培养皿内，使其有图案一面朝上，用胶头滴管将UV胶滴在多焦距微透镜阵列负模版内，将其倒置放置在玻璃基板上在负压和重力下静置一段时间，然后以紫外曝光使其固化后再剥离PDMS模版，即得到以固化的UV胶成型的带微透镜阵列的透光基板。
步骤S9中用于制备多焦距微透镜阵列的材料为NOA61。
所述曝光基板的材料采用透明玻璃、透明PET或者PMMA亚克力板中的一种。
步骤S3和步骤S4中的曝光时长范围为10S-60S。
在步骤S7中，把柱状图案阵列倒置放置的时长范围为10S～1h，对光刻胶柱进行熔融处理，以使光刻胶柱在液体表面张力的作用下形成曲面，然后冷却形成具有不同厚度的微透镜阵列结构，微透镜阵列中的各微透镜焦距与微透镜厚度相关。
本发明的显著优点在于：提出一种复合结构，通过多层光刻和软压印方法，有效解决了由于单一微透镜的固定焦距带来的景深范围有限的问题，且微透镜的焦距数目可以根据需求设计，易于实现集成成像***的景深范围可调，本发明提供的多焦距微透镜阵列制作方法简单，并且软压印得到的PDMS模版可以多次重复使用，有效节约成本。
本发明提出一种多层光刻技术制备多焦距微透镜阵列来提高景深，可以实现不同焦距的微透镜阵列同时实现高空间分辨率和精确的深度估计。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明，图中的UV为紫外线（紫外光）：
图1a-图1e、图1f、图1g为本发明实施例的多焦距微透镜阵列的母版制备过程示意；具体为：
图1a为在曝光基板上进行光刻胶旋涂的示意图；
图1b是以光刻刻蚀在曝光基板上制备小孔光栅的示意图，光刻刻蚀采用第一掩模版，第一掩模版与第二掩模版的遮光区不同；
图1c是在曝光基板上成型的小孔光栅的示意图；
图1d是在小孔光栅上旋涂第一层负性光刻胶，并通过小孔光栅进行第一次曝光的示意图；
图1e是旋涂第二层负性光刻胶后，使用第二掩模版的非透光区遮挡小孔光栅进行第二次曝光的示意图；
图1f是显影得到的不同厚度光刻胶柱的排列示意图；
图1g是对光刻胶柱进行热熔处理，冷却后得到的多焦距微透镜阵列的示意图；
图2a-图2b是本发明实施例的以母版制备PDMS负模版的过程示意；具体为：
图2a是以PDMS旋涂填充多焦距微透镜阵列母版的示意图；
图2b是PDMS负模版的示意图；
图2c-图2e是本发明实施例中以PDMS负模版制备带微透镜阵列的透光基板的过程示意，具体为：
图2c是在PDMS模版上涂覆紫外固化胶（UV胶）的示意图；
图2d为紫外固化胶固化形成多焦距微透镜阵列的示意图；
图2e是是脱模后制成的多焦距微透镜阵列的示意图；
图中，1-曝光基板，2-光刻胶，3-第一掩模版，4-小孔光栅，5-第一层负性光刻胶，6-第二掩模版，7-第二层负性光刻胶，8-光刻胶柱，9-具有不同焦距的微透镜阵列母版，10-PDMS单体和固化剂的混合物，11-胶头滴管，12-微透镜阵列；13-透光基板。
具体实施方式
如图所示，提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列，图2e中，所述多焦距微透镜阵列在光线入射方向上依次设有透光基板13和微透镜阵列12；当用于成像时，所述微透镜阵列与小孔光栅紧邻；小孔光栅处密布多个透光小孔；所述微透镜阵列由多种微透镜有序排列而成；微透镜阵列中的每个用于成像的微透镜均位于小孔光栅透光小孔的光路径处。
各种微透镜的焦距不同；多种微透镜按预设的阵列图案有序排列。
提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，用于制备以上所述的微透镜阵列，所述制备方法包括以下步骤；
步骤S1：选择带透光图案的第二掩模版6，所述第二掩模版的透光图案与阵列图案对应；
步骤S2：采用光刻刻蚀或丝网印刷在曝光基板1上制备小孔光栅4；
步骤S3：在所述曝光基板设置有小孔光栅的一面均匀涂覆第一层负性光刻胶5，以小孔光栅为光学掩模版，采用背面曝光的方式，以小孔光栅的透光小孔为一次曝光区，经一次曝光区对第一层负性光刻胶进行第一次曝光；
步骤S4：在经过第一次曝光的第一层负性光刻胶表面旋涂第二层负性光刻胶7，以第二掩模版6遮挡小孔光栅，然后小孔光栅设置在步骤S3中的位置，采用背面曝光的方式，以第二掩模版的透光图案和未被遮挡的透光小孔形成二次曝光区，经二次曝光区对第二层负性光刻胶进行第二次曝光；
步骤S5：对曝光基板上的负性光刻胶区域进行显影处理后，被一次曝光区覆盖但未被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处只有第一层负性光刻胶留存，被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处第一层负性光刻胶和第二层负性光刻胶均留存，形成两种具有不同厚度的光刻胶柱8；
步骤S6：调整曝光区，多次重复步骤S3-步骤S5，以成型n种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S7：将所述光刻胶柱排列形成的柱状图案阵列倒置放置，采用光刻胶熔融法对光刻胶柱进行处理，使各光刻胶柱经熔融后，冷却为多个具有不同厚度的微透镜结构，从而得到所述具有不同焦距的微透镜阵列母版9；
步骤S8：以步骤S7制备的具有不同焦距的微透镜阵列母版为模板，采用软印刷的方式制备与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具；
步骤S9：利用步骤S8制备的模具，采用热压印方法或紫外压印方法加工透光材料，以制备具有多焦距的微透镜阵列。
所述小孔光栅由一带有镂空小孔阵列的不透明金属或者不透明光刻胶制成；所述镂空小孔阵列由小孔光栅的透光小孔排列而成；所述微透镜阵列的透镜单元与镂空小孔阵列的透光小孔一一对应；
在步骤S9中，采用热压印方法或紫外压印方法成型带微透镜阵列的透光基板。
步骤S8包括以下步骤：
步骤S81：将PDMS单体和固化剂按照100:1～1:1的比例均匀混合，抽真空去除气泡；
步骤S82：将PDMS单体和固化剂的混合物10均匀旋涂于步骤S7所得的具有不同焦距的微透镜阵列母版上，静置一段时间后加热固化，剥离后得到与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具，即多焦距微透镜阵列的PDMS负模版。
步骤S9包括以下步骤：
步骤S91：将步骤S8得到的具有PDMS多焦距微透镜阵列的PDMS负模版放置在真空仓中，以排出PDMS负模版内部的气体，并形成负压；
步骤S92：将步骤S81处理后的具有负压的PDMS模版放置在培养皿内，使其有图案一面朝上，用胶头滴管11将UV胶滴在多焦距微透镜阵列负模版内，将其倒置放置在玻璃基板上在负压和重力下静置一段时间，然后以紫外曝光使其固化后再剥离PDMS模版，即得到以固化的UV胶成型的带微透镜阵列的透光基板。
步骤S9中用于制备多焦距微透镜阵列的材料为NOA61。
所述曝光基板的材料采用透明玻璃、透明PET或者PMMA亚克力板中的一种。
步骤S3和步骤S4中的曝光时长范围为10S-60S。
在步骤S7中，把柱状图案阵列倒置放置的时长范围为10S～1h，对光刻胶柱进行熔融处理，以使光刻胶柱在液体表面张力的作用下形成曲面，然后冷却形成具有不同厚度的微透镜阵列结构，微透镜阵列中的各微透镜焦距与微透镜厚度相关。
本例中，在多焦距微透镜阵列用于成像时，与其紧邻的小孔光栅的透光小孔布局，可使用步骤S2中的小孔光栅的透光布局，以使各微透镜容易对齐小孔光栅的透光小孔。
实施例：
如图1a-1g和2a-2e为本发明用于提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制作方法的剖面流程图，用于成像的多焦距微透镜阵列依次由透明基板、小孔光栅和具有不同焦距的有序排列微透镜阵列组成；
一种所述多焦距微透镜阵列的制备方法包括如下步骤：
步骤S1：设计并制备菲林6（第二掩模版），所述菲林图案与不同焦距微透镜阵列图案一一对应；
步骤S2：采用光刻刻蚀或丝网印刷在透明基板（曝光基板）上制备小孔光栅4；
步骤S21:如图1a所示以2000rpm,时间40s在玻璃基板上旋涂一层光刻胶，并以100度加热固化5min,以图1b所示的3为光学掩模版，采用背面曝光的方式进行曝光，显影后形成具有孔光栅形状的光刻胶阵列。
步骤S3：如图1d所示以1000rpm,时间40s, 在所述基板设置有小孔光栅的一面均匀涂覆第一层负性光刻胶5，并以100度加热5分钟等待固化，以图1c所示的小孔光栅4为光学掩模版，采用背面曝光的方式进行曝光；
步骤S4：在步骤S3经过一次曝光的第一层负性光刻胶表面以1500rpm,时间40s,旋涂第二层负性光刻胶7，利用菲林6遮挡部分小孔光栅的透光区域，如图1e所示，采用背面曝光进行曝光；
步骤S5：显影，由于被菲林6遮挡部分小孔光栅的透光区域只有第一层负性光刻胶留下，其它没有被菲林遮挡部分小孔光栅的透光区域，第一层负性光刻胶和第二层负性光刻胶均留下，形成两种具有不同厚度的光刻胶柱8；
步骤S6：重复步骤S3-S5，可以形成n种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S7：将所述光刻胶柱状图案阵列倒置放置，采用光刻胶熔融法形成具有不同厚度的光刻胶微透镜阵列9，从而得到所述具有不同焦距的微透镜阵列母版；
步骤S8：以步骤S7制备的具有不同焦距的微透镜阵列为模板，采用软印刷的方式制备与母版具有相反图案的模具；
步骤S81:将PDMS和固化剂按照100:1～1:1的比例均匀混合，抽真空去除气泡；
步骤S82:如图2a所示，将PDMS和固化剂的混合物以3000rpm,时间60s,旋涂于步骤S7所得的n种不同厚度的微透镜阵列上，静置20分钟后并在85度高温加热1h，剥离后得到PDMS多焦距微透镜阵列负模版，如图2b。
步骤S9:利用步骤S8制备的模具，采用热压印或紫外压印方法在不同材料上形成具有多焦距微透镜阵列；
步骤S91:将步骤S8得到的具有PDMS多焦距微透镜阵列的PDMS负模版放置在真空仓中排出聚二甲基硅氧烷内的气体，并形成负压；
步骤S92:如图2c所示，将步骤S81处理后的具有负压的PDMS模版放置在培养皿内，有图案一面朝上，用胶头滴管11将紫外固化胶滴在多焦距微透镜阵列负模版内，将其倒置放置在玻璃基板上在负压和重力下静置一段时间，经紫外曝光10min后剥离PDMS模版，得到与n种不同厚度的微透镜阵列结构相反的UV胶复合图案。
在本实施例中，步骤S3中，所述小孔光栅由一带有镂空小孔阵列的不透明金属或者不透明光刻胶制成，所述多焦距微透镜阵列的透镜单元与小孔光栅的小孔阵列小孔一一对应。
在本实施例中，步骤S3和S4中的曝光时间为10S-60S。
在本实施例中，步骤S4所述菲林的部分透光区域与小孔光栅的透光区域一一对应。
在本实施例中，步骤S7中，将负性光刻胶曝光并倒置放置10S～1h不同的时间，加热回流实现对微透镜形貌的有效控制，在表面张力的作用下形成曲面，冷却后形成微透镜阵列结构。
在本实施例中，步骤S9制备与母版具有相反图案的模具的材料为NOA61。
在本实施例中，所述基板是透明玻璃、透明PET或者PMMA亚克力板。
较佳的，本实施例所制得的多焦距微透镜阵列可以应用于集成成像3D显示，在集成成像3D显示时，物体的光按小孔成像原理，经小孔光栅的透光小孔入射至各微透镜，经各微透镜折射后形成多组光路，可记录和重构目标物体的深度信息，使成像设备获取并显示具有3D深度信息或视差图像或影像。
上述较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应该理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列，其特征在于：所述多焦距微透镜阵列在光线入射方向上依次设有透光基板和微透镜阵列；当用于成像时，所述微透镜阵列与小孔光栅紧邻；小孔光栅处密布多个透光小孔；所述微透镜阵列由多种微透镜有序排列而成；微透镜阵列中的每个用于成像的微透镜均位于小孔光栅透光小孔的光路径处；
各种微透镜的焦距不同；多种微透镜按预设的阵列图案有序排列。
2.提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，用于制备权利要求1中所述的微透镜阵列，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤；
步骤S1：选择带透光图案的第二掩模版，所述第二掩模版的透光图案与阵列图案对应；
步骤S2：采用光刻刻蚀或丝网印刷在曝光基板上制备小孔光栅；
步骤S3：在所述曝光基板设置有小孔光栅的一面均匀涂覆第一层负性光刻胶，以小孔光栅为光学掩模版，采用背面曝光的方式，以小孔光栅的透光小孔为一次曝光区，经一次曝光区对第一层负性光刻胶进行第一次曝光；
步骤S4：在经过第一次曝光的第一层负性光刻胶表面旋涂第二层负性光刻胶，以第二掩模版遮挡小孔光栅，然后小孔光栅设置在步骤S3中的位置，采用背面曝光的方式，以第二掩模版的透光图案和未被遮挡的透光小孔形成二次曝光区，经二次曝光区对第二层负性光刻胶进行第二次曝光；
步骤S5：对曝光基板上的负性光刻胶区域进行显影处理后，被一次曝光区覆盖但未被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处只有第一层负性光刻胶留存，被二次曝光区覆盖的负性光刻胶区域处第一层负性光刻胶和第二层负性光刻胶均留存，形成两种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S6：调整曝光区，多次重复步骤S3-步骤S5，以成型n种具有不同厚度的光刻胶柱；
步骤S7：将所述光刻胶柱排列形成的柱状图案阵列倒置放置，采用光刻胶熔融法对光刻胶柱进行处理，使各光刻胶柱经熔融后，冷却为多个具有不同厚度的微透镜结构，从而得到所述具有不同焦距的微透镜阵列母版；
步骤S8：以步骤S7制备的具有不同焦距的微透镜阵列母版为模板，采用软印刷的方式制备与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具；
步骤S9：利用步骤S8制备的模具，采用热压印方法或紫外压印方法加工透光材料，以制备具有多焦距的微透镜阵列。
3.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述小孔光栅由一带有镂空小孔阵列的不透明金属或者不透明光刻胶制成；所述镂空小孔阵列由小孔光栅的透光小孔排列而成；所述微透镜阵列的透镜单元与镂空小孔阵列的透光小孔一一对应；
在步骤S9中，采用热压印方法或紫外压印方法成型带微透镜阵列的透光基板。
4.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：步骤S8包括以下步骤：
步骤S81：将PDMS单体和固化剂按照100:1～1:1的比例均匀混合，抽真空去除气泡；
步骤S82：将PDMS单体和固化剂的混合物均匀旋涂于步骤S7所得的具有不同焦距的微透镜阵列母版上，静置一段时间后加热固化，剥离后得到与微透镜阵列母版微透镜结构匹配的模具，即多焦距微透镜阵列的PDMS负模版。
5.根据权利要求4所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：步骤S9包括以下步骤：
步骤S91：将步骤S8得到的具有PDMS多焦距微透镜阵列的PDMS负模版放置在真空仓中，以排出PDMS负模版内部的气体，并形成负压；
步骤S92：将步骤S81处理后的具有负压的PDMS模版放置在培养皿内，使其有图案一面朝上，用胶头滴管将UV胶滴在多焦距微透镜阵列负模版内，将其倒置放置在玻璃基板上在负压和重力下静置一段时间，然后以紫外曝光使其固化后再剥离PDMS模版，即得到以固化的UV胶成型的带微透镜阵列的透光基板。
6.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：步骤S9中用于制备多焦距微透镜阵列的材料为NOA61。
7.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述曝光基板的材料采用透明玻璃、透明PET或者PMMA亚克力板中的一种。
8.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：步骤S3和步骤S4中的曝光时长范围为10S-60S。
9.根据权利要求2所述的提高集成成像3D显示景深的多焦距微透镜阵列制备方法，其特征在于：在步骤S7中，把柱状图案阵列倒置放置的时长范围为10S～1h，对光刻胶柱进行熔融处理，以使光刻胶柱在液体表面张力的作用下形成曲面，然后冷却形成具有不同厚度的微透镜阵列结构，微透镜阵列中的各微透镜焦距与微透镜厚度相关。
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