CN103424790B - 一种液体透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体透镜，包括相互平行的上密封板和下密封板，所述上密封板和下密封板之间设有多个由上基板、隔断板以及下基板组成的结构单元，上密封板、下密封板和相邻的结构单元围合成腔体I，其中，腔体I中位于隔断板以上的为上腔体，位于隔断板以下的为下腔体，在所述上腔体内填充第一液体，在所述下腔体内填充第二液体，所述第一液体与第二液体互不相溶。本发明还公开了上述液体透镜的制备方法。本发明的液体透镜结构简单，造价低廉，特性稳定，具有体积小、反应快、耗电量小、无磨损、使用寿命长以及精度高等优点，另外，本发明的液体透镜制备方法制备工艺简单，原料易得，成本低，适合工业化生产。

Description

一种液体透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种液体透镜，还涉及上述液体透镜的制备方法，属于光学材料领域。

背景技术

随着现代光学仪器的发展，对透镜的要求也越来越多样，然而目前的透镜都是以玻璃或塑料为基材，需要通过机械装置来改变焦距，但是机械结构制作复杂，反复使用容易磨损老化，精度也随之降低。

传统透镜系统的缺点使得液体透镜技术近年来受到越来越多的关注。液体透镜技术以一种或两种液体为基材，通过改变液体表面曲率达到变焦的目的。与传统变焦系统的设计加工方法完全不同，液体透镜系统通过微流控技术实现系统的微型化，可以不采用任何的移动组件，且具有一定的自主变焦能力。液体透镜的这种设计方法可以通过微通道结构做到阵列透镜的同时变焦，使得其在大面积应用方面很有发展前景，如电子纸及显示技术等。

由于液体透镜主要通过改变液面曲率来变焦，液体表面要比玻璃或塑料所制造的镜头表面光滑的多，不仅避免了传统变焦系统复杂的结构而且几乎使透镜几乎没有磨损。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种反应快、耗电量小、无磨损、使用寿命长、精度高的液体透镜。

本发明还要解决的技术问题是提供一种液体透镜的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种液体透镜，包括相互平行的上密封板和下密封板，所述上密封板和下密封板之间设有多个由上基板、隔断板以及下基板组成的结构单元，上密封板、下密封板和相邻的结构单元围合成腔体I，其中，腔体I中位于隔断板以上的为上腔体，位于隔断板以下的为下腔体，在所述上腔体内填充第一液体，在所述下腔体内填充第二液体，所述第一液体与第二液体互不相溶，所述上密封板与每个结构单元的上基板之间设有通道I，所述下密封板与每个结构单元的下基板之间设有通道II，所述通道I在其靠近出口的一侧设有小孔I，所述通道II在其靠近出口的一侧设有小孔II，所述小孔I和小孔II呈对角线位置；

上述液体透镜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，在PET膜上下两面镀上厚度均匀的PDMS膜，经风干、固化后，PDMS膜牢固粘在PET膜上下两面；

步骤2，利用电子束或激光直写技术，先使用大功率在PDMS膜和PET膜上刻蚀出所需腔体的尺寸和结构以及腔体在整个透镜上的排布结构，再使用小功率分别在上下两层PDMS的表面雕刻出深度一致的通道I和通道II；

步骤3，采用光学玻璃进行外层封装；

步骤4，向封装好的透镜内注入液体，先向上层预留的小孔内注入硅油，至液体充满上下整个通道空间，再向下层预留的小孔内慢慢注入水，至水充满下腔体并布满整个下通道，所述上层小孔和下层小孔呈对角线位置。

其中，所述液体透镜中含有多个腔体I，多个腔体I呈网状结构排布。

作为优选，每个所述腔体I的形状为正方形、六边形、八边形、圆形或其他规则的几何图形。

其中，所述上密封板、下密封板、上基板、隔断板以及下基板均由透明、透光材料制成。

其中，所述上密封板、下密封板、上基板、隔断板以及下基板均互相平行且保持平整。

其中，所述上基板、隔断板以及下基板均为网状结构。

其中，每个所述腔体I的长度为3～5mm。

有益效果：本发明的液体透镜具有体积小、反应快、耗电量小、无磨损、使用寿命长以及精度高等优点，其可以通过改变腔体I的结构和尺寸或注入液体的种类或腔体内液体分界面的形状等方法来改变整体透镜的焦距，进而达到理想的光学特性，同时本发明的液体透镜能简单快速的填充和排出液体，大大增强了透镜的实用性和重复利用性，本发明结构简单，造价低廉，特性稳定，另外，本发明的液体透镜制备方法制备工艺简单，原料易得，成本低，适合工业化生产。

附图说明

图1是本发明液体透镜的截面图；

图2是本发明液体透镜中单个结构的俯视图；

其中，a为腔体结构为圆形的液体透镜，b为腔体结构为六边形的液体透镜，c为腔体结构为八边形的液体透镜；

图3是本发明液体透镜的俯视图；

其中，a为液体透镜中腔体结构呈品字结构排布的俯视图，b为液体透镜中腔体结构呈口字结构排布的俯视图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种液体透镜，包括相互平行的上密封板1和下密封板2，所述上密封板1和下密封板2之间设有多个由上基板3、隔断板7以及下基板4组成的结构单元，上密封板1、下密封板2和相邻的结构单元围合成腔体I10，其中，腔体I10中位于隔断板以上的为上腔体8，位于隔断板以下的为下腔体9，在所述上腔体8内填充第一液体11，在所述下腔体9内填充第二液体12，所述第一液体11与第二液体12互不相溶，本发明透镜中含有多个腔体I10，多个腔体I10呈网状结构排布，每个腔体I10的形状为正方形、六边形、八边形、圆形或其他规则的几何图形，每个腔体I的长度为3～5mm，上密封板1与每个结构单元的上基板3之间设有通道I5，下密封板2与每个结构单元的下基板4之间设有通道II6。

上密封板1、下密封板2、上基板3、隔断板7以及下基板4均由透明、透光材料制成，且它们互相平行、保持平整，另外，上基板3、隔断板7以及下基板4为网状结构。

上密封板1和下密封板2要求具有一定硬度和良好的透光性，本发明液体透镜的上密封板1和下密封板2采用的是1.5mm的光学玻璃；隔断板7要求具有一定的硬度、耐热性、抗腐蚀性以及良好的透明性，本发明液体透镜的隔断板7采用的是PET膜；上基板3和下基板4要求具有良好的粘合性、均匀性和透明性，并且能一次成型做出各种不同的结构，还能起到支撑液体的作用，本发明液体透镜的上基板3和下基板4采用的是PDMS，第一液体11与第二液体12要求都是透明溶液，不易挥发，没有毒性并且容易清理，本发明液体透镜的第一液体11为硅油，本发明液体透镜的第二液体12为去离子水。

上述液体透镜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，在PET膜的两面镀上厚度均匀的PDMS膜，经过一段时间的风干和固化，使PDMS能够牢固的粘在PET膜的上下两面，确保内层结构的稳定牢固；

步骤2，利用电子束或激光直写技术，先使用大功率在PDMS膜和PET膜上刻蚀出所需腔体的尺寸和结构以及腔体在整个透镜上的排布结构，再使用小功率分别在上下两层PDMS的表面雕刻出深度一致的通道I和通道II；

步骤3，用光学玻璃进行外层封装，从而得到完整的结构；

步骤4，向封装好的透镜内注入液体，先向上层预留的小孔内注入硅油，至液体充满上下整个通道空间，再向下层预留的小孔内慢慢注入水，至水充满下腔体并布满整个下通道。

选取靠近边缘的一个通道I5，在其靠近出口一侧预留小孔，再在通道I5对角线位置选取一个通道II6，在其靠近出口一侧预留小孔，形成了上下2个小孔。预留的上下小孔用于两种液体的注入或抽取操作，两孔呈对角线位置，当下层通道中注满一种液体，再从上通道注入另一种液体时，下层通道中液体会被部分赶走，则可以在上层通道一端处留有一小槽，用于存储被水赶出的液体。

通道I5与隔断板7的高度为1mm，通道II6与隔断板7的高度为1.5mm，可采用外直径约1mm的注射器针头插入上下层的输入口，通过标有刻度的注射器往通道里注入液体。

先从上端小孔注入硅油，至硅油充满上下整个通道空间，硅油和PDMS有很好的亲和力，注入硅油时不会在su-8胶层形成曲率界面，无透镜效果，再从下端小孔慢慢注入水，水所流到之处和硅油在圆孔处形成具有一定曲率的两相界面，产生了透镜效果，水未达到的地方仍然呈现原来非透镜状态，当注入的水布满整个下通道后，如果继续加水，就会呈现每个孔处所有液面的曲率一起变化，即液体透镜阵列的变焦过程。在注入液体时，如果通道内有气泡出现，可以将装置预留的上槽口一端微微上倾，由于气泡密度低于液体密度，则气泡会上升至槽口处消失。

当在上密封板1和下密封板2上施加压力时，会引起上基板3和下基板4的形变，从而改变了第一液体11和第二液体12的分界面形状，最终达到了改变透镜焦距的目的，使液体透镜能达到不同的要求，拥有良好的光学特性。

Claims (7)

1.一种液体透镜，其特征在于：包括相互平行的上密封板和下密封板，所述上密封板和下密封板之间设有多个由上基板、隔断板以及下基板组成的结构单元，上密封板、下密封板和相邻的结构单元围合成腔体I，其中，腔体I中位于隔断板以上的为上腔体，位于隔断板以下的为下腔体，在所述上腔体内填充第一液体，在所述下腔体内填充第二液体，所述第一液体与第二液体互不相溶，所述上密封板与每个结构单元的上基板之间设有通道I，所述下密封板与每个结构单元的下基板之间设有通道II，所述通道I在其靠近出口的一侧设有小孔I，所述通道II在其靠近出口的一侧设有小孔II，所述小孔I和小孔II呈对角线位置；

其中，所述液体透镜采用如下方法制备得到：步骤1，在PET膜上下两面镀上厚度均匀的PDMS膜，经风干、固化后，PDMS膜牢固粘在PET膜上下两面；步骤2，利用电子束或激光直写技术，先使用大功率在PDMS膜和PET膜上刻蚀出所需腔体的尺寸和结构以及腔体在整个透镜上的排布结构，再使用小功率分别在上下两层PDMS的表面雕刻出深度一致的通道I和通道II；步骤3，采用光学玻璃进行外层封装；步骤4，向封装好的透镜内注入液体，先向上层预留的小孔内注入硅油，至液体充满上下整个通道空间，再向下层预留的小孔内慢慢注入水，至水充满下腔体并布满整个下通道，所述上层小孔和下层小孔呈对角线位置。

2.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：所述液体透镜中含有多个腔体I，多个腔体I呈网状结构排布。

3.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：每个所述腔体I的形状为正方形、六边形、八边形或圆形。

4.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：所述上密封板、下密封板、上基板、隔断板以及下基板均由透明、透光材料制成。

5.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：所述上密封板、下密封板、上基板、隔断板以及下基板均互相平行且保持平整。

6.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：所述上基板、隔断板以及下基板均为网状结构。

7.根据权利要求1所述液体透镜，其特征在于：每个所述腔体I的长度为3～5mm。