CN102338895A

CN102338895A - 一种焦距可调的双焦点非球面微透镜

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Publication number: CN102338895A
Application number: CN2011103014661A
Authority: CN
Inventors: 唐雄贵; 童伟; 廖进昆; 陆荣国; 李和平; 刘永; 刘永智
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102338895B

Abstract

一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，属于光学元器件技术领域。包括上、下透明玻璃基片，上、下ITO电极，液晶层和液晶密封层；液晶密封层与液晶层接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成；上层ITO电极具有与液晶层底面相同的形状；下层ITO电极由相互绝缘的圆形内电极和环形外电极组成。本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜，基于液晶的电光效应来实现焦距可调、且双焦点可独立调控，具有结构紧凑、设计与工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其微光学系统和微光机电系统中有广泛应用前景。

Description

一种焦距可调的双焦点非球面微透镜

技术领域

本发明属于光学元器件技术领域，涉及双焦点非球面微透镜，尤其是焦距可调的双焦点非球面微透镜。

背景技术

微透镜的设计、制作及其应用是微光学研究的重要内容之一。与体透镜相比，微透镜具有体积小、重量轻、便于阵列化和集成化等优点，在光通信、光计算、光互联、光电探测阵列、成像、光束成形与控制、光显示、传感等诸多领域有广泛应用，且应用领域不断扩大，起着传统光学元件不可替代的作用。微透镜按其表面形状分为球面微透镜和非球面微透镜。球面微透镜具有设计与制作相对简单的特点，但因像差不可消除而导致其成像和焦斑质量变差，这对光学系统的性能产生严重的不利影响；而非球面微透镜因能有效消除或减少像差，提高成像和焦斑质量而得到人们的广泛关注和重视。

双焦点非球面微透镜是一种新型的非球面微透镜，它能在光轴方向上的不同位置处同时产生两个焦点，在双层光盘读出系统、光镊、微流体光学系统、半导体激光耦合输出等方面存在广泛的应用前景。2005年，H.W.Choi等人报道了一种双焦点非球面微透镜的制作方法(见文献H.W.Choi，E.Gu，C.Liu，J.M.Girkin，and M.D.Dawson，Fabrication and evaluation ofGaN negative and bifocal microlenses，Journal of Applied Physics，Vol.97，No.6，2005：063101(1-3))，但其焦距是不可改变的，属于“静态”光学元件，即该透镜的设计与制作一旦完成，该透镜或由该透镜所构成的微光学系统的光学性能与功能就完全确定，不能进行调控。近年来，随着微光学的自身发展与市场需求的推动，双焦点非球面微透镜或由其所构成的系统开始引起人们的关注与重视，这种可调控微透镜明显不同于“静态”的双焦点非球面微透镜，这类研究将大大拓展微光学器件的应用领域，同时丰富、发展了微光学研究内涵。据报道，已有的双焦微透镜通常采用流体压力驱动来改变透镜的表面面形，从而实现透镜的焦距的调控(见文献H.B.Yu，G.Y.Zhou，F.K.Chau，F.W.Lee，S.H.Wang，and H.M.Leung，A liquid-filled tunable double-focus microlens，Optics Express，Vol.17，No.6，2009：4782-4790和Hui Min Leung，Guangya Zhou，Hongbin Yu，Fook Siong Chau，and A.SenthilKumar，Liquid tunable double-focus lens fabricated with diamond cutting and soft lithography，Applied Optics，Vol.48，No.30，2009：733-5740)。但是，这种双焦微透镜属于球面微透镜，其表面形状不能精确控制，难以实现非球面微透镜面形结构，因而在焦距调控过程中其像差较大，成像质量和焦斑质量较差；另外，这种双焦微透镜还存在制作工艺复杂、调控速度慢以及难以实现微透镜阵列结构等诸多缺点，因而，它在实际应用中受到诸多限制。

焦距可调控的双焦点非球面微透镜是一种新型变焦微透镜，在微光学系统中有着广泛应用前景，到目前为止，还未见这种可调微透镜的相关报道。因而，设计和制作焦距可调控的双焦点非球面微透镜对微光学系统具有重要的实际意义。

发明内容

本发明提供一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，即利用电光效应，通过对电极馈送电压，在调控区域产生电场，引起双焦点非球面微透镜折射率发生相应变化，从而使双焦点非球面微透镜实现焦距调控。该微透镜的非球面面形易于精确控制，具有结构简单、工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其潜在应用前景广阔。

本发明技术方案如下：

一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，如图1所示，包括下层透明玻璃基片1、下层ITO电极2、液晶层3、液晶密封层4、上层ITO电极5和上层透明玻璃基片6。上层ITO电极5位于上层透明玻璃基片6和液晶密封层4之间，下层ITO电极2位于下层透明玻璃基片1和液晶层3之间。所述液晶密封层4与液晶层3接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状如图3所示，由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成。所述液晶密封层4材料采用具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的光刻胶固化物。所述液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极2之间，具有与液晶密封层4的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。所述上层ITO电极5具有与液晶层3底面相同的形状。所述下层ITO电极2由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。

需要解释的是，液晶密封层4材料的折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当是指二者的折射率差异不超过0.5。

本发明的工作原理可以描述为：

由于液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极2之间，具有与液晶密封层4的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。该凸形非球面形状表面由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成，使得液晶层3具有双焦点。设上下透明玻璃基片1、6的折射率为n₁，液晶层3的折射率为n₂，液晶封装层的折射率为n₃，当单色平面波光由下而上入射到该透镜上时，由于液晶层具有双焦点、同时两侧材料的折射率不同，使得该透镜对光束产生双焦点的聚焦过程。当在上、下ITO电极之间加调控电压时，由于电场作用将改变液晶层3的折射率，从而改变焦距。同时由于下层ITO电极由内外电极组成，故可以实现该透镜的双焦点分别控制。

下面对本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜的主要制备工艺进行说明。本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜在制备时，主要工艺包括三个方面：(1)液晶封装层凹形非球面形状的制作。当液晶密封层4材料采用与上层透明玻璃基片6的折射率相当的光刻胶固化物时，首先将光刻胶涂覆于于ITO透明玻璃基片的ITO电极表面，然后根据液晶封装层凹形非球面形状制作相应的灰阶掩膜，最后利用灰阶掩膜对光刻胶进行曝光、显影以及刻蚀，得到所述凹形非球面形状；当液晶密封层4材料采用具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物时，首先将透明有机聚合物涂覆于ITO透明玻璃基片的ITO电极表面，固化后再在透明有机聚合物表面涂覆一层光刻胶作牺牲层，然后根据液晶封装层凹形非球面形状制作相应的灰阶掩膜，利用灰阶掩膜对光刻胶进行曝光、显影以及刻蚀，得到所述凹形非球面形状，最后采用干法离子刻蚀将凹形非球面形状向下传递至有机聚合物固化层。(2)下层ITO电极形状的制作。下层ITO电极形状用普通光刻工艺即可实现。(3)液晶层的涂覆及封装。下层电极图形制作好之后，在其上面涂覆定向剂，在涂覆液晶，使液晶晶轴取向一致(沿平行于透明玻璃基片便面的方向)，液晶层涂覆好之后，将制作好液晶封装层的ITO透明玻璃倒扣在液晶层表面，使用粘合剂冷压或直接热压，即可封装成功。整个设计、制作过程与传统微光学元件制作工艺兼容，因而不会引起双焦点非球面微透镜的制作难度和制作成本的额外增加。

本发明的有益效果是：

本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜，基于液晶的电光效应来实现焦距可调、且双焦点可独立调控，具有结构紧凑、设计与工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其微光学系统和微光机电系统中有广泛应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜剖面结构示意图。

图2是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜下层电极结构示意图。

图3是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜中液晶层的凸形非球面形状表面(或液晶密封层4的凹形非球面形状表面)的剖面结构示意图。

图4是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜中液晶层的凸形非球面形状表面的设计曲线(单位：微米)。

图5是本发明提供的一种具体的焦距可调的双焦点非球面微透镜在相同电压条件下双焦点非球面微透镜的光束聚焦过程模拟，其中内、外电极电压为：a)U₁＝U₂＝0V；b)U₁＝U₂＝50V；c)U₁＝U₂＝100V。(坐标单位：微米)

具体实施方式

一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，如图1所示，包括下层透明玻璃基片1、下层ITO电极2、液晶层3、液晶密封层4、上层ITO电极5和上层透明玻璃基片6。上层ITO电极5位于上层透明玻璃基片6和液晶密封层4之间，下层ITO电极2位于下层透明玻璃基片1和液晶层3之间。所述液晶密封层4与液晶层3接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状如图3所示，由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成。所述液晶密封层4材料为具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片6的折射率相当的光刻胶固化物。所述液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极2之间，具有与液晶密封层4的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。所述上层ITO电极5具有与液晶层3底面相同的形状。所述下层ITO电极2由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。

对于上述技术方案，发明人设计了一种具体的液晶密封层的凹形非球面形状表面(或)液晶层的凹形非球面形状表面，如图3所示，表示为：

其中：H_short表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的顶点高度，H_long表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的顶点高度，R₀表示两个旋转对称曲面相交所得圆的半径，k₁表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的非球面系数，k₂表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的非球面系数，c₁和c₂分别表示为：

c_{1} = \frac{1}{f_{short}} \frac{1}{n_{2} - n_{3}},

c_{2} = \frac{1}{f_{long}} \frac{1}{n_{2} - n_{3}}

其中f_long为双焦点非球面透镜中曲率半径较小的旋转对称曲面一对应的初始焦距，f_short为双焦点非球面透镜中曲率半径较大的旋转对称曲面二对应的初始焦距，n₂为液晶层的折射率，n₃为液晶封装层的折射率。

当上、下电极没有被施加电压信号时，液晶内不存在电场，因而液晶的光轴取向保持初始状态。由于入射到该双焦点非球面透镜的单色平面波光束，其偏振方向与液晶光轴方向平行。这时，光束在液晶中传播时的折射率n₂应为液晶的非常光的主折射率n_e。若在下电极的两不同区域独自施加电压，分别记为U₁和U₂(如图2所示)，而上电极作为接地公共端，这时在液晶的不同区域将产生电极独自控制的电场，其液晶的光轴在电场驱动下的发生旋转，其旋转角度受到电场大小与方向的影响，因而其折射率变化也随之变化，折射率变化量与光轴旋转角度的关系为：

Δn = n^{'} - n_{e} = \frac{n_{o} n_{e}}{\sqrt{n_{o}^{2} \cos^{2} θ + n_{e}^{2} \sin^{2} θ}} - n_{e}

其中θ表示液晶光轴旋转角度，n_o表示液晶的寻常光的主折射率。由于调控区域的折射率独立变化，因而非球面透镜的两个焦点位置也将独立变化，从而实现了对非球面微透镜的双焦距的独立调控。

下面结合附图，通过对实例进行模拟仿真来说明本发明。上、下透明玻璃基片采用BK7光学玻璃(折射率n₁为1.517)，液晶层采用UCF-2型液晶(主折射率n_o和n_e分别为1.50和1.90)，液晶封装层采用SU-8型光刻胶固化物(折射率为1.578)，单色平面波由下向上入射，其偏振态与液晶的光轴初始方向相同，工作波长为0.633微米。液晶层的凸形非球面形状表面直径为90微米矢高为25微米，其初始值双焦距为90微米和180微米，非球面系数k₁＝k2＝-1.45，其非球面面形计算曲线如图4所示。

我们采用有限元方法对其光束传播过程进行模拟仿真。为简单起见，这里模拟内、外电极施加电压分别为：a)U₁＝U₂＝0V；b)U₁＝U₂＝50V；c)U₁＝U₂＝100V的三种不同情形时光束在非球面微透镜中的传播过程，在图5(a)、(b)、(c)中给出了的相应模拟结果。由图5可以看出，非球面微透镜的双焦点位置随调控电压的变化而发生了明显改变，且两个焦点位置变化大小不同。在此基础上，通过上述同样方法，可容易获得非球面微透镜的两焦点位置随施加电压的变化曲线。利用该变化曲线，通过对非球面微透镜中特定电极上施加特定电压，从而实现焦点位置特定移动。

本发明所提出的方案是一种基于电光效应的变焦距的双焦点非球面微透镜，它具有设计简单、易于制作、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快、且调控简便等诸多特点，其应用前景广阔。本发明提出的焦距可变的双焦点非球面微透镜不仅可通过利用液晶的电光效应来实现，也可选择其它具有高电光系数的材料(如有机聚合物材料)来实现。本发明所提供的变焦距的双焦点非球面微透镜实现方案，在微光学系统和微光机电系统(MOEMS)中有广泛应用前景。

Claims

1.一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，包括下层透明玻璃基片(1)、下层ITO电极(2)、液晶层(3)、液晶密封层(4)、上层ITO电极(5)和上层透明玻璃基片(6)；上层ITO电极(5)位于上层透明玻璃基片(6)和液晶密封层(4)之间，下层ITO电极(2)位于下层透明玻璃基片(1)和液晶层(3)之间；所述液晶密封层(4)与液晶层(3)接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成；所述液晶密封层(4)材料为具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的光刻胶固化物；所述液晶层(3)封装于液晶密封层(4)和下层ITO电极(2)之间，具有与液晶密封层(4)的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面；所述上层ITO电极(5)具有与液晶层(3)底面相同的形状；所述下层ITO电极(2)由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。

2.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶密封层(4)的凹形非球面形状表面或液晶层(3)的凸形非球面形状表面为：

其中：H_short表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的顶点高度，H_long表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的顶点高度，R₀表示两个旋转对称曲面相交所得圆的半径，k₁表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的非球面系数，k₁表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的非球面系数，c₁和c₂分别表示为：

c_{1} = \frac{1}{f_{short}} \frac{1}{n_{2} - n_{3}},

c_{2} = \frac{1}{f_{long}} \frac{1}{n_{2} - n_{3}}

其中f_long为双焦点非球面透镜中曲率半径较小的旋转对称曲面一对应的初始焦距，f_short为双焦点非球面透镜中曲率半径较大的旋转对称曲面二对应的初始焦距，n₁为液晶层的折射率，n₃为液晶封装层的折射率。

3.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述上、下透明玻璃基片采用BK7光学玻璃。

4.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶层(3)采用UCF-2型液晶。

5.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶封装层(4)采用SU-8型光刻胶固化物。