CN101430390B - 一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法，本方法采用液模板技术实现了弧形侧壁腔体的制备，具有简单、高效、低成本的特点。由于采用液体模板，制备的可变焦液体微透镜腔体内壁光滑。由于液体的形状可塑性强，通过调节玻璃板润湿性可以获得不同的液体模板曲率半径，从而实现变焦液体微透镜灵敏度的可调控性。

Description

一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法 

技术领域

本发明属于一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法。 

背景技术

作为光学系统的重要元件，变焦透镜受到越来越广泛的关注。近来随着光通讯技术和微型化技术的发展，微型变焦透镜的需求也日益增大。传统变焦通常依靠透镜组合并由机械装置调节透镜相对位置来实现，这种系统结构复杂、易磨损且不利于微型化。为实现单透镜变焦和微型化，已有技术一般采用基于介质上电润湿的流体变焦微透镜。公开号为CN 1705901的中国专利提供了一种利用电润湿原理实现微透镜焦距调节的功能。该可控透镜组包括电压控制的电润湿器件，该器件包括具有不同折射率的第一流体和第二流体，并具有至少两个第一流体-第二流体界面。通过向该器件的电极施加电压可独立地改变这些界面的曲率，由此改变透镜的焦距，因此不需要机械移动这些透镜元件。但是电润湿器件要求的加工精度高且驱动电压高，并要求绝缘层击穿电压要高，同时还存在电润湿饱和的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法。 

本发明利用夹在两块具有相同润湿性表面的玻璃板中的水滴为液 体模板，制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体的可变焦液体微透镜腔体。 

本发明的具体制备方法如下：如图1所示， 

通过改变两块玻璃板的表面润湿性可以改变腔体内侧壁的曲率半径，从而调节变焦微透镜的灵敏度。由于该腔体内壁呈弧形，如果注入该腔体的液体与腔体内壁接触角保持恒定，当液体在腔体中处于不同液位高度时，其弯液面曲率半径将发生变化，从而实现焦距的改变，而其焦距改变的灵敏度，也由该腔体内壁的曲率半径决定。焦距变化与液位高度的关系式如下(分别适用于图1和图2所示的微透镜)： 

$f_1=3\frac{b-\sqrt{2\mathrm{rh}-h^2}}{-\sin (\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_0-\arccos \frac{r-h}{r})}$

$f_2=3\frac{b-r+\sqrt{2\mathrm{rh}-h^2}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\arccos \frac{r-h}{r})}$

其中，θ₀为水与聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的平衡态接触角，r为微透镜腔体侧壁曲率半径，b为微透镜腔体开口最大处的半径，h为液位高度。 

(1)将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水中煮沸20分钟或在体积比为1∶1的氨水和双氧水溶液中煮沸30分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.01％-0.05％十八烷基三氯硅烷(OTS)的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应10-60秒，得到水滴平衡态接触角为25°-118°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 体模板，制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体的可变焦液体微透镜腔体。 

本发明的具体制备方法如下：如图1所示， 

(1) 将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水中煮沸20分钟或在体积比为1∶1的氨水和双氧水溶液中煮沸30分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.01％-0.05％十八烷基三氯硅烷(OTS)的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应10-60秒，得到水滴平衡态接触角为25°-118°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为1-3微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触并使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；然后，将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联，用50微升的微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

有益效果：本方法采用液模板技术实现了弧形侧壁腔体的制备，具有简单、高效、低成本的特点。由于采用液体模板，制备的可变焦液体微透镜腔体内壁光滑。由于液体的形状可塑性强，通过调节玻璃板润湿性可以获得不同的液体模板曲率半径，从而实现变焦液体微透镜灵敏度的可调控性。 

附图说明

图1为利用亲水表面玻璃片之间的液体模板加工可变焦液体微透镜腔体过程示意图。图中，1是玻璃基底，2是水滴，3是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，4是微管道。 

图1A为水滴夹在两亲水玻璃片之间的结构剖面图。图1B为填 充PDMS后结构剖面图。图1C为去除玻璃片和液体模板后的可变焦液体微透镜腔体与微管道粘结后的结构剖面图 

图2为利用疏水表面玻璃片之间的液体模板加工可变焦液体微透镜腔体过程示意图。图中，1是玻璃基底，2是水滴，3是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，4是微管道。 

图2A为水滴夹在两疏水玻璃片之间的结构剖面图。 

图2B为填充PDMS后结构剖面图。 

图2C为去除玻璃片和液体模板后的可变焦液体微透镜腔体与微管道粘结后的结构剖面图 

图3为制备得到的可变焦液体微透镜的成像俯视图与剖面图。 

图3a-d为图1所示方法制备的可变焦液体微透镜随腔体内水位上升的焦距变化图。图的上半部分为成像俯视图，下半部分为剖面图。 

图3e-h为图2所示方法制备的可变焦液体微透镜随腔体内水位上升的焦距变化图。图的上半部分为成像俯视图，下半部分为剖面图。 

具体实施方式

实施例1 

(1)将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水溶液中煮沸20分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.01％的OTS的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应10秒，得到水滴平衡态接触角为25°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃 片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触，使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联。用50微升的微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

实施例2 

(1)将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水溶液中煮沸20分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.01％的OTS的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应30秒，得到水滴平衡态接触角为51°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触，使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热 4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联，根据焦距变化与液位高度的关系式1用微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

实施例3 

(1)将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水溶液中煮沸20分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.02％的OTS的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应30秒，得到水滴平衡态接触角为77°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触，使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板， 由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联。用50微升的微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

实施例4 

(1)将两块玻璃片在体积比为1∶1的氨水和双氧水的溶液中煮沸30分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.05％的OTS的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应30秒，得到水滴平衡态接触角为101°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触，使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联。用50微升的微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

实施例5 

(1)将两块玻璃片在体积比为1∶1的氨水和双氧水的溶液中煮沸30分钟后，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.05％的OTS的环己烷溶液中，使OTS与玻璃片进行接枝反应60秒，得到水滴平衡态接触角为118°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干； 

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触，使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之间，并使PDMS包裹住玻璃片间的水滴；将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使PDMS交联，待PDMS交联完全后，将玻璃片剥离，然后将水滴去除，得到由交联PDMS构成的可变焦液体微透镜腔体； 

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由PDMS交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的PDMS，于80℃加热半小时使之交联。用50微升的微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

Claims (1)

1.一种灵敏度可控的变焦液体微透镜的加工方法，其特征在于步骤和条件如下：焦距变化与液位高度的关系式1如下：

其中，θ₀为水与聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的平衡态接触角，r为微透镜腔体侧壁曲率半径，b为微透镜腔体开口最大处的半径，h为液位高度；

(1)将两块玻璃片在体积比为3∶7的浓硫酸和双氧水煮沸20分钟或在体积比为1∶1的氨水和双氧水溶液中煮沸30分钟，用去离子水冲洗，干燥；再将干燥后两玻璃片同时置于体积浓度为0.01％-0.05％十八烷基三氯硅烷的环己烷溶液中，使十八烷基三氯硅烷与玻璃片进行接枝反应10-60秒，得到水滴平衡态接触角为25°-118°的玻璃片，然后取出两玻璃片并用氮气吹干；

(2)将步骤(1)得到的两块玻璃片水平相对而置，在下方的玻璃片上滴加体积为2微升的水滴，将上方的玻璃片压在下方的玻璃片上使之与水滴接触并使水滴夹在两玻璃片之间，固定两玻璃片的相对位置；随后将预交联的聚二甲基硅氧烷灌入玻璃片之间，并使聚二甲基硅氧烷包裹住玻璃片间的水滴；然后，将上述玻璃片置于烘箱中于65℃加热4小时使聚二甲基硅氧烷交联，待交联完全后，将玻璃片剥 离，然后将水滴去除，得到由交联聚二甲基硅氧烷构成的可变焦液体微透镜腔体；

(3)将以截面半径为300微米，长2厘米的直线形金属丝为模板，由聚二甲基硅氧烷交联制备的微管道与可变焦液体微透镜腔体粘结，粘结时在两者间涂覆一薄层预交联的聚二甲基硅氧烷，于80℃加热半小时使之交联，根据焦距变化与液位高度的关系式1用微量注射器调控在微透镜腔体中填充的水量，得到可变焦液体微透镜腔体与微管道相连的变焦液体微透镜。 

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