CN104035149B - 一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法。透镜阵列包括：液体I、液体II、透明的容器盒、弹性容器I、弹性容器II、透明的弹性薄膜、微支柱阵列、导管I和导管II。容器盒内的弹性薄膜将容器盒分成腔I和腔II，分别装满液体I和液体II，液体I的折射率大于液体II的折射率且密度近似相等。弹性薄膜的两表面都由二维的微支柱阵列支撑，通过改变弹性容器I和弹性容器II的容积，驱使液体I和液体II流动，使弹性薄膜发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，使本发明透镜阵列实现能从有限正焦距到正无穷大的变焦，以及能从有限负焦距到负无穷大的变焦。

Description

一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法

技术领域

本发明装置涉及透镜阵列，更具体地讲，涉及一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法。

背景技术

透镜阵列是一种二维集成器件，这种器件在光显示、光通信、光成像和光存储等许多领域有很广泛的应用，如利用透镜阵列制作的光互连器件、图像多重变换和识别、光无源器件阵列等，一直受到了研究者和企业界的关注。

目前已报道了许多制造透镜阵列的方法，比如：光刻胶热回流、干刻蚀，聚合物喷射印刷、紫外线印刻、热压和激光加工。上述方法都是制造固态透镜阵列，其透镜表面轮廓和焦距取决于加工参数，加工成形后其参数不能改变。然而，在一些成像和显示应用领域，例如2D/3D可切换显示，光学器件在不同显示模式下需要调整。一般来说，使用机械移动式光学部件来实现调整，会使系统庞大和复杂。为实现小型化且可调的目标，专家们提出了具有可变焦的透镜阵列，主要有不混溶液体透镜（包括电湿润液体透镜和介电力液体透镜等）、液晶透镜和填充式液体透镜。不混溶液体透镜和液晶透镜都能在电场调节下调节焦距，但这些透镜的成本高。对于液晶透镜，由于需要转换成偏振光，其转换的光损失达50%；而不混溶液体透镜存在液体蒸发和工作电压高等不足。

相比之下，结合光学和微流控技术的填充式液体透镜具有一些独特的优点。首先，它的制作过程相对简单。其次，其常选用的薄膜材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)在一个宽光谱范围具有良好的光学传输特性。最后，它的表面轮廓以及焦距可以动态地调整，可简单采用液泵来制成一个紧凑的系统。

对于填充式液体透镜阵列，需要建立一个微流控网络连接各个透镜单元，这些微流控网络结构较为复杂、开口率有限，且大面积透镜阵列的均匀性受制于重力效应，只限于水平放置工作。

发明内容

为克服现有液体透镜阵列存在的结构复杂、开口率有限和透镜阵列均匀性受制于重力效应的困难，本发明提出一种可变焦液体透镜阵列，属于一种填充式液体透镜阵列，并能够实现从正焦距到负焦距的大范围变焦。所述透镜阵列包括：液体I、液体II、容器盒、弹性容器I、弹性容器II、弹性薄膜、微支柱阵列、导管I和导管II。液体I、液体II、容器盒、弹性薄膜都是无色透明的。容器盒内有一块弹性薄膜将容器盒分成腔I和腔II，腔I装满液体I，腔II装满液体II，液体I的折射率大于液体II的折射率，液体I和液体II不相混溶且密度近似相等。容器盒的腔I通过导管I与弹性容器I连通，且弹性容器I装有液体I；容器盒的腔II通过导管II与弹性容器II连通，且弹性容器II装有液体II。弹性容器I和弹性容器II均可以通过变形来改变容积。

弹性薄膜的两表面由二维的柱支撑阵列支撑，容器盒的腔I和腔II内都有微支柱阵列，微支柱一端固定在容器盒的内壁上，微支柱另一端与弹性薄膜接触，且当所述透镜阵列在初始状态时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列的焦距为无穷大、无透镜功能。

操控过程一：所述液体透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器I来减小其容积，且放松弹性容器II，使更多液体I流入容器盒的腔I内，腔II的液体II会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凸透镜阵列，其焦距f为有限正值。在f为正的情况下，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使f减小；反之，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使f增大，f增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态。操控过程一实现了所述透镜阵列从有限正焦距到正无穷大的变焦。

操控过程二：所述透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器II来减小其容积，且放松弹性容器I，使更多液体II流入容器盒的腔II内，腔I的液体I会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凹透镜阵列，其焦距f为有限负值。在f为负的情况下，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使焦距的绝对值| f |减小；反之，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使| f |增大，| f |增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态。操控过程二实现了所述透镜阵列从有限负焦距到负无穷大的变焦。

由于所述透镜阵列的容器盒内部的两种液体具有一定深度，所以选用密度相近或相等的两种液体可以有效减小或消除重力效应，使透明弹性薄膜在不同深度的形变一致或者近似一致。

微支柱制作得很细，减少档光面积，使所述透镜阵列具有较大开口率。

所述透镜阵列产生的透镜面可采用成本比较低的材料制造，制造难度不高，而且不需要施加专门的电场和安装相应的驱动电路，能有效降低成本。

附图的说明

附图1为本发明透镜阵列实施例的初始状态时的剖面图。

附图2为本发明透镜阵列实施例的微支柱09阵列和容器盒04的俯视图。

附图3为本发明透镜阵列实施例变焦为凸透镜阵列时的剖面图。

附图4为本发明透镜阵列实施例变焦为凹透镜阵列时的剖面图。

上述附图中的图示标号为：

01：液体I，02：液体II，03：弹性薄膜，04：容器盒，05：导管I，06：导管II，07：弹性容器I，08：弹性容器II，09：微支柱

注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

附图1为本发明透镜阵列实施例初始状态时的剖面图，本发明透镜阵列实施例包括：无色透明的液体I01、无色透明的液体II02、无色透明的弹性薄膜03、无色透明的容器盒04、弹性容器I07、弹性容器II08、微支柱09阵列、导管I05和导管II06。容器盒04内有弹性薄膜03将第一容器分成两个腔，分别为腔I和腔II，腔I装有液体I01，腔II装有液体II02，液体I01和液体II02不相混溶，且液体I01选用二硫化碳，其折射率为1.628，密度为1.263g/cm³，液体II02选用甘油，其折射率为1.473，密度为1.260g/cm³。容器盒04的腔I通过导管I05与弹性容器I07联通，且弹性容器I07装有液体I01；容器盒的腔II通过导管II06与弹性容器II08联通，且弹性容器II08装有液体II02。弹性容器I07和弹性容器II08均可以通过变形来改变容积。

弹性薄膜03由微支柱09阵列来支撑，微支柱09阵列属于二维阵列，微支柱09和容器盒04的俯视图如附图2所示，本发明透镜阵列实施例的微支柱是等间距的，相邻微支柱09的水平和竖直方向的中心间距均为0.900mm。容器盒04的腔I和腔II内都有微支柱09阵列，微支柱09一端固定在容器盒04的内壁上，微支柱09另一端与弹性薄膜03接触，且当本发明透镜阵列实施例在初始状态时，弹性薄膜03处于平面形态，腔I内的微支柱09与腔II内的微支柱09是相对于弹性薄膜03镜面对称分布，本发明透镜阵列实施例的焦距为无穷大、无透镜功能，本发明透镜阵列实施例此时的剖面图如附图1所示。

操控过程一：本发明透镜阵列实施例首先处于初始状态，通过挤压弹性容器I07来减小其容积，且放松弹性容器II08，使更多液体I01流入容器盒04的腔I内，腔II的液体II02会同时减少，弹性薄膜03在液压和微支柱09阵列的作用下发生透镜阵列轮廓一样的形变，此时，本发明透镜阵列实施例成凸透镜阵列，焦距f为正值，本发明透镜阵列实施例此时的剖面图如附图3所示。在f为正的情况下，进一步减小弹性容器I07的容积且放松弹性容器II08，会使f减小；反之，进一步减小弹性容器II08的容积且放松弹性容器I07，会使f增大，f增大到无穷大时，弹性薄膜03处于平面形态，本发明透镜阵列实施例回到初始状态。操控过程一实现了透镜阵列的正焦距变焦，且单个透镜尺寸为0.900mm×0.900mm。

操控过程二：本发明透镜阵列实施例首先处于初始状态，通过挤压弹性容器II08来减小其容积，且放松弹性容器I07，使更多液体II02流入容器盒04的腔II内，腔I的液体I01会同时减少，弹性薄膜03在液压和微支柱09阵列的作用下发生透镜阵列轮廓一样的形变，此时，本发明透镜阵列实施例成凹透镜阵列，f为负值，本发明透镜阵列实施例此时的剖面图如附图4所示。在f为负的情况下，进一步减小弹性容器II08的容积且放松弹性容器I07，会使焦距的绝对值| f |减小；反之，进一步减小弹性容器I07的容积且放松弹性容器II08，会使| f |增大，| f |增大到无穷大时，弹性薄膜03处于平面形态，本发明透镜阵列实施例回到初始状态。操控过程二实现了透镜阵列的负焦距变焦，且单个透镜尺寸为0.900mm×0.900mm。

Claims (2)

1.一种可变焦液体透镜阵列，所述透镜阵列包括：无色透明的液体I、无色透明的液体II、无色透明的容器盒、弹性容器I、弹性容器II、无色透明的弹性薄膜、微支柱阵列、导管I和导管II，无色透明的容器盒内有一块无色透明的弹性薄膜将容器盒分成两个腔，分别为腔I和腔II，腔I装液体I，腔II装液体II，液体I和液体II不相混溶，且液体I和液体II的密度近似相等，液体I的折射率大于液体II的折射率，容器盒的腔I通过导管I与弹性容器I连通，且弹性容器I装有液体I，容器盒的腔II通过导管II与弹性容器II连通，且弹性容器II装有液体II，弹性容器I和弹性容器II均可以通过变形来改变容积，所述透镜阵列的操控方法包括操控过程一和操控过程二，操控过程一实现所述透镜阵列从有限正焦距到正无穷大的变焦，操控过程一具体为：所述液体透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器I来减小其容积，且放松弹性容器II，使更多液体I流入容器盒的腔I内，腔II的液体II会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凸透镜阵列，其焦距f为有限正值，在f为正的情况下，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使f减小，反之，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使f增大，f增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态；操控过程二实现所述透镜阵列从有限负焦距到负无穷大的变焦，操控过程二具体为：所述透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器II来减小其容积，且放松弹性容器I，使更多液体II流入容器盒的腔II内，腔I的液体I会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凹透镜阵列，其焦距f为有限负值，在f为负的情况下，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使焦距的绝对值| f |减小，反之，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使| f |增大，| f |增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态。

2.根据权利要求1中所述的一种可变焦液体透镜阵列，其特征在于，弹性薄膜的两表面由二维的微支柱阵列支撑，容器盒的腔I和腔II内都有微支柱阵列，微支柱一端固定在容器盒的内壁上，微支柱另一端与弹性薄膜接触，且所述透镜阵列在初始状态时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列的焦距为无穷大、无透镜功能。