CN105223635A - 一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，包括以下几个步骤：(1)通过实验和理论分析，建立液体透镜光学特性与单一/多个参数薄膜特性的对应关系表/图；(2)设计可变焦光学系统，并通过理论分析确定需要的液体透镜光学特性；(3)查找对应关系表/图，找到薄膜特性参数，进而制备薄膜和液体透镜；(4)装调包括液体透镜在内的可变焦光学系统，然后转向步骤(2)和(3)，对光学系统和透镜参数进行评估和优化。本发明利用非均匀薄膜获得任意形貌的液体透镜，从而优化和改善可变焦光学系统的成像质量；具有优良光学特性的液体透镜可用于眼镜、便携式成像设备、人工晶状体等不同的光学成像领域。

Description

一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法

技术领域

本发明涉及一种非球面液体透镜的设计和制作方法，具体涉及一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，属于薄膜制作技术领域。

背景技术

在自然界中，我们可以很容易找到光学透镜和液体之间的联系。动物的眼睛，无论是复合眼还是单眼，大多以液体做为成像的介质。有趣的是，尽管在人造光学系统中，人们大多采用移动透镜组之间的距离的办法调节光焦度，大自然却选择改变透镜表面曲率半径的方法改变焦距。这种通过透镜表面形貌变化而改变光焦度的方法简单而有效，可以获得人造光学系统难以比拟的调节幅度。比如年轻人眼可以获得14屈光度的调节范围，而一些水鸟具有高达50屈光度的调节能。这种有效而经济的调节方法在小型化光学器件和电子设备，如便携式笔记本、移动电话、眼镜、内窥镜、人工晶状体等中有广泛的应用价值，从而得到越来越多的业界和学术界的关注。

压力控制的液体透镜(US8665527B2；US8605361B2)是指液体密封在一层有弹性的透明薄膜里，当施加压力改变时，透明薄膜的曲率半径改变。透镜光焦度取决于透镜曲率半径和光学液体的光学折射率。弹性薄膜用于密封光学液体。基于液体透镜腔内与环境的压力差，弹性薄膜发生形变，形成需要的曲率半径。

利用人眼的睫状肌控制晶体囊形貌，人们设计并研究了可变焦的液体人工晶状体(US6836374B2)。例如专利公开号为US20110118834A1的液体人工晶状体为飞碟状的双凸透镜。它由薄膜、光学液体和支撑环组成。前后两个圆形薄膜彼此粘合，并与支撑环的上下表面粘合。两个圆形薄膜的连接处定义为赤道。液体人工晶体赤道的直径为12mm，比囊袋赤道的直径略大。因此当置于囊袋中时，径向压力可以固定人工晶体。

尽管人们常用曲率描述透镜的形状，但是仿真分析和实验结果均显示，均匀薄膜包裹的液体透镜并不是球面。实际透镜的表面形貌随压力变化如图1所示。

为准确的描述透镜表面，可引入圆锥曲线方程(conicfunction)：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(k+1)c^2{r}^2}}---\left(4.16\right)$

式中c是透镜顶点处的曲率；

r是到透镜中心的距离；

k是圆锥常数(conicconstant)。

圆锥曲线方程可以用于描述椭圆、双曲线、抛物线等，表1给出了圆锥常数和所描述曲线性质的关系。对于液体透镜而言，不同的曲线形状具有一些不同的光学和机械性质。就机械角度来说，当k>0时，需要更多的液体产生与球面镜相同的曲率。当k<0时，需要相对较少的液体产生同样的曲率。因此圆锥常数的符号决定了液体人工晶状体需要更多或者更少的形变来获得同样曲率的变化量。更为重要地，从光学角度来看，圆锥常数的符号决定了透镜的几何像差。因此圆锥常数在设计光学系统时具有控制或抵消像差，优化光学性能的重要作用。而这个作用对于像人眼这样有较大像差的光学系统尤为重要。

表1圆锥常数意义表

用圆锥曲线方程拟合均匀薄膜包裹的透镜形变表面，得到如图4所示为薄膜内外压力差与圆锥常数的关系。由图可知，圆锥常数并不是一个恒定值，其值随透镜薄膜内外压差的变化而变化。当内外压差较小时，圆锥常数变化较快；随着内外压差的增大，圆锥常数的变化量减小，并逐渐趋近于0.5。

在光学系统设计中，圆锥常数大于零的透镜常常引入较大的像差，成像质量不佳。为此，如何控制和优化液体透镜的圆锥常数是液体透镜应用于实际工业领域的关键技术之一。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种利用非均匀薄膜控制和改变液体透镜表面形貌，优化光学系统成像质量的设计和制作方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，包括以下几个步骤：

(1)通过实验和理论分析，建立液体透镜光学特性与单一/多个参数薄膜特性的对应关系表/图；

(2)基于实际应用领域的要求设计可变焦光学系统，并确定可变焦光学系统中液体透镜的光学特性；

(3)查找步骤(1)中的对应关系表/图，确定所需的薄膜特性，进而制备液体透镜；

(4)根据步骤(2)设计的结构装调包括液体透镜在内的光学零部件，得到所设计的可变焦光学系统，并对该光学系统的光学特性进行实际测试后，转向步骤(2)，对可变焦光学系统和透镜参数进行评估和优化。

步骤(1)中，薄膜是指用于密封和包裹光学液体的弹性材料，其平均厚度在1um-1mm之间。

步骤(1)中，所述液体透镜光学特性包括曲率、圆锥常数和屈光度；所述薄膜特性包括材料特性和结构特性，所述材料特性包括杨氏模量、密度和非线性形变参数，所述结构特性包括薄膜厚度分布参数和表面微结构分布参数，所述薄膜厚度分布参数包括薄膜平均厚度和厚度变化函数。

步骤(1)中，建立液体透镜和薄膜特性对应关系的理论分析方法如下：利用光线追击方法，分析液体透镜表面形貌及表面形变对光学特性的影响；利用有限元分析方法，考察液体透镜薄膜特性对透镜表面形貌及表面形变的影响，从而建立液体透镜光学特性与薄膜特性的对应关系表/图；建立液体透镜和薄膜特性对应关系的实验分析方法如下：通过薄膜材料的形变实验，确定薄膜的杨氏模量和非线性形变参数；通过制作基于不同结构薄膜的液体透镜，逐一测量薄膜特性与透镜表面形貌、透镜光学特性的对应关系，形成完整数据库。

步骤(2)中，实际应用领域的要求包括图像质量要求、调焦能力要求、系统尺寸要求和成本要求。

步骤(2)中，可变焦光学系统的设计具体通过光线追击方法实现，系统方案确定后，液体透镜的光学特性也随之确定。

步骤(3)中，液体透镜的制备方法如下：

(a)根据设计要求，确定液体透镜和薄膜的结构和材料特性；

(b)制作非均匀薄膜，方法如下：(i)制备薄膜母版，并选取设定的光敏或热敏弹性材料；

(ii)利用旋涂或压印的方法获得非均匀薄膜；(iii)固化并剥离非均匀弹性薄膜；

(c)利用非均匀弹性薄膜密封透镜腔体，并灌注光学液体；

(d)装配和连接透镜驱动装置。

步骤(4)中，对光学系统进行评估时，综合评估各级次像差对光学系统的影响，分析光学系统的调制传递函数MTF和波面形图，定性定量地考查非球面液体透镜对光学系统光学特性的影响；对光学系统的优化指通过调整液体透镜和传统透镜的表面形貌、空间位置、数量，达到改进光学品质、提高图像锐度和分辨率，减少光学元件、实现镜头小型化设计的目的。

步骤(4)中，步骤(4)中，透镜参数的评估包括透镜光学质量的评估，透镜薄膜制备可行性、可重复性的评估，透镜系统装调良品率的评估；为优化透镜光学特性，可分别对含有双面和单面薄膜的液体透镜进行评估和测试，选取优化的液体透镜结构；还应评估变焦过程中非均匀薄膜的结构及形变，进而优化薄膜结构参数和薄膜材料参数。

本发明液体透镜及薄膜的制作方法可以获得任意形貌的液体透镜，减小人眼系统的光学像差，优化视觉效果；此外，具有优良光学特性的液体透镜也可用于眼镜、便携式成像设备等不同的光学成像领域。

附图说明

图1为液体透镜表面形貌随压力变化图；

图2为圆锥常数随压力变化曲线图；

图3为凹形薄膜结构图；

图4为凸形薄膜结构图；

图5为不同薄膜结构包裹的液体透镜圆锥常数随曲率变化图；

图6为凹形薄膜结构对圆锥常数的影响图；

图7为具有微纳柱状结构的液体透镜薄膜(其柱状结构的尺寸随径向增大)；

图8为具有微纳柱状结构的液体透镜薄膜(其柱状结构的尺寸随径向减小)；

图9为本发明的非均匀液体透镜及薄膜的制作方法工作流程图；

图10(a)制备、固定母版，并滴定光敏或热敏弹性材料；

图10(b)在母版上旋涂光谱或热敏材料；

图10(c)固化并脱离弹性薄膜；

图11(a)喷涂光敏或热敏弹性材料；

图11(b)光固化或热固化；

图11(c)剥离软母版；

图11(d)洗涤并制得器件；

图12(a)具有单边非均匀薄膜结构的液体透镜；

图12(b)具有双边非均匀薄膜结构的液体透镜。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

非均匀薄膜对透镜形貌的影响包括以下几个方面：非均匀薄膜的厚度对透镜形貌的影响、非均匀薄膜的表面微纳结构对透镜形貌的影响、非均匀材料薄膜对透镜形貌的影响。

(1)非均匀薄膜的厚度对透镜形貌的影响

为说明非均匀薄膜结构对透镜形貌，特别是圆锥常数的影响，此处举例说明两种情况：凹形薄膜和凸形薄膜。凹形薄膜为中心薄，边缘厚的非均匀薄膜。以图3所示凹形薄膜为例，液体透镜的直径为6mm。该薄膜的下表面为平面，上表面为半径是45.05mm的球面，球心位于图中z轴正方向。该凹形薄膜的中心厚度为0.1mm，边缘厚度为0.2mm。为对比方便，此处采用的凸形薄膜的结构(参见图4)正好相反：中心厚度为0.2mm，边缘厚度为0.1mm。该薄膜也是下表面为平面，上表面为半径45.05的球面，但球心位于图中z轴负方向。

由于薄膜的平均厚度很薄(在10um-1mm之间)，当其厚度细微变化时，该变化对液体透镜屈光度的影响较小，但对液体透镜非球面系数(圆锥常数)的影响较大。当改变薄膜结构时，液体透镜的圆锥常数随透镜曲率的变化如图5所示。由图可知，基于凸形薄膜的液体透镜圆锥常数大于均匀薄膜，而凹形薄膜包裹的液体透镜具有比均匀薄膜小的圆锥常数。更进一步地，通过改变薄膜球面的半径R,可以精确设计和控制液体透镜的圆锥常数。如图6所示，为三种不同凹形薄膜(球面半径分别为90.025mm、45.05mm和22.6mm)包裹的液体透镜的圆锥常数随透镜曲率分布。当凹形薄膜上表面半径减小时，圆锥常数减小。这种变化在透镜的曲率较小时尤为明显。

(2)非均匀薄膜的表面微纳结构对透镜形貌的影响

除了采用非均匀厚度的薄膜，还可以设计和制作具有表面微纳结构的薄膜，从而控制液体透镜的表面形貌。图7所示，为表面具有微纳柱状结构的液体透镜薄膜，其柱状结构的尺寸随径向增大，图8反之。

除微纳结构的尺寸外，还可以通过改变微纳形状、周期分布、深高比、占宽比等参数随径向分布，达到同样的目的。当薄膜材料的折射率和光学液体的折射率接近或匹配时，透镜表面的微纳结构对液体透镜的成像质量不会造成太大影响。此外，这种改变表面微纳结构随薄膜径向分布的方法，可实现对透镜形貌的精确操控，具有操作性强、制备方法与现有半导体制作工艺兼容，易于实现等优点。

(3)非均匀材料薄膜对透镜形貌的影响

通过非均匀掺杂的方式，可以获得杨氏模量随空间分布的薄膜，从而调节和控制薄膜形变时的形貌，达到优化液体透镜光学性能的目的。

综上所述液体透镜的光学特性受薄膜特性的影响，其中包括薄膜材料、结构、形貌等。通过采用空间上物理特性不均匀分布的薄膜(包括厚度不均匀、表面不均匀的微纳结构、非均均材料等)，可设计和控制需要的液体透镜薄膜形貌，起到优化光学系统图像质量的作用。然而，薄膜特性和透镜的光学性能并不是线性的一一对应关系，这给通过控制薄膜物理特性，优化透镜光学特性的方法制造了一定困难。在实际操作中，本发明提出采用建立参数对应表(图)的方式，方便含有液体透镜模块的光学系统设计和优化。

以控制薄膜厚度分布的方法为例，图9说明了含有液体透镜的光学设计流程。首先，通过实验和理论分析，建立透镜光学特性(即曲率、圆锥常数)与压强、薄膜厚度分布参数(薄膜平均厚度、厚度变化函数等)等的对应关系表(图)。在一个具体的光学系统设计中，通过模拟分析确定所需的液体透镜光学特性，其中包括所需基本屈光度、变焦范围、圆锥常数等。下一步，就在对应关系表(图)中找到所需的薄膜参数，进而制备薄膜和液体透镜。最后，对这个光学系统进行评估和优化。不失一般性地，这种建立对应关系库的方法也可用于薄膜表面具有不均匀微结构或非均匀材料的液体透镜系统设计和优化。

此外，还可以同时控制薄膜的几个特性分布，得到圆锥常数随透镜曲率的对应关系。例如，所述的凹形薄膜上可结合上述的非均匀表面微纳结构，以达到进一步精确控制圆锥常数的目的。

在人工晶状体领域，需要综合考虑人眼像差，设计出具有最小像差的透镜曲面。本发明提出的薄膜设计和制作方法，可以获得任意形貌的液体透镜，减小人眼系统的光学像差，优化视觉效果。此外，具有优良光学特性的液体透镜也可用于眼镜、便携式成像设备等不同的光学成像领域。

本发明的一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，包括以下几个步骤：

(1)通过实验和理论分析，建立液体透镜光学特性与单一/多个参数薄膜特性的对应关系表/图；

液体透镜是相对于固体透镜而言的。不同于玻璃或树脂的固体透镜，液体透镜的表面形貌可变，从而实现屈光度(焦距)的改变。液体透镜的光学特性包括曲率、圆锥常数和屈光度；

薄膜是指用于密封和包裹光学液体的弹性材料，其平均厚度在1um-1mm之间。薄膜特性包括材料特性和结构特性。材料特性包括杨氏模量、密度和非线性形变参数。所述薄膜结构特性包括薄膜厚度分布参数和表面微结构分布参数。所述薄膜厚度分布参数包括薄膜平均厚度和厚度变化函数；

建立液体透镜和薄膜特性对应关系的理论方法主要包括：利用光线追击方法，分析液体透镜表面形貌及表面形变对光学特性的影响。利用有限元分析方法，考察液体透镜薄膜特性对透镜表面形貌及表面形变的影响。从而建立液体透镜光学特性与薄膜特性的对应关系表/图。

建立液体透镜和薄膜特性对应关系的实验方法主要包括：通过薄膜材料的形变实验，确定薄膜的杨氏模量和非线性形变参数。通过制作基于不同结构薄膜的液体透镜，逐一测量薄膜特性与透镜表面形貌、透镜光学特性的对应关系，形成完整数据库。相比理论方法，建立数据库的实验方法具有准确性好、可靠性高的优点，但相对而言，工作量大，时间耗费久。

(2)基于实际应用领域的要求(主要包括图像质量要求、调焦能力要求、系统尺寸要求、成本要求等)，设计可变焦光学系统。并确定系统中液体透镜的光学特性，包括所需基本屈光度、变焦范围、圆锥常数。可变焦光学系统的设计主要通过光线追击方法实现。系统方案确定后，液体透镜的光学特性也随之确定。

(3)查找步骤(1)中的对应关系表/图，确定所需的薄膜特性(结构参数、材料参数等)，进而制备薄膜和液体透镜。

常用的非均匀薄膜制备方法为旋涂或压印。图10为利用旋涂法制备非均匀薄膜的工艺流程图。参见图10(a)至图10(c)，以旋涂为例获得非均匀厚度薄膜。先根据所需薄膜厚度分布制作母版，并将其固定在水平转台或甩胶机上。利用注射器将一定量的光敏或热敏弹性材料滴在母版中央。转动水平转台(或甩胶机)，在离心力的作用下，多余弹性材料被甩出。最后，弹出材料固化，形成不均匀厚度的薄膜。薄膜的整体厚度可由水平转台(或甩胶机)转速控制。最后通过紫外曝光或加热的方法实现薄膜固化。

图11为利用压印法制备非均匀薄膜的工艺流程图。利用压印的方法获得非均匀微结构薄膜的实例如图11(a)至图11(d)所示。根据实际要求设计所需母板，利用卷压平、平压平、或卷压卷的方式，将光敏或热敏弹性材料压入微结构中。固化后将母版剥离，形成非均匀微结构薄膜。其薄膜厚度与施压大小有关。相比于旋涂的方法，压印技术具有效率高、成本低等特点。

利用非均匀薄膜制作的液体透镜如图12所示，主要由光学液体、液体透镜内腔、液体透镜外腔、非均匀薄膜和孔径光阑(可省略)组成。12(a)图所示液体透镜前表面为非均匀薄膜，后表面为透明基底，因此只有前表面的形貌可变。12(b)图所示液体透镜含有两个薄膜，因此透镜前后两个表面的形貌均可变化。透镜腔体内密封光学液体，其折射率决定液体透镜的折射率。液体透镜外腔与内腔连通，并与外部驱动相连。外部驱动可以是电致形变材料(如压电陶瓷)，也可是光致或热致形变材料。在外加驱动的作用下，透镜外腔内压力改变，并导致内腔压力变化。当压力变小时，光学液体流出透镜内腔，形成非球面凹透镜。当压力变大时，外部光学液体进入透镜腔体，形成非球面凸透镜。液体透镜的表面形变，进而其光焦度和成像质量，由外部施加压力和薄膜特性共同控制和改变。

(4)装调包括液体透镜在内的光学零部件，得到可变焦光学系统。对实际系统的光学特性进行实际测试后，转向步骤(2)和(3)，对光学系统和透镜参数进行评估和优化。

对光学系统进行评估时，应综合评估各级次像差(如球差、慧差、象散、场曲等)对光学系统的影响，分析光学系统的调制传递函数(MTF)和波面形图，定性定量地考查非球面液体透镜对光学系统光学特性的影响。

对光学系统的优化主要指通过调整液体透镜和传统透镜(组)的表面形貌、空间位置、数量等，达到改进光学品质、提高图像锐度和分辨率，减少光学元件、实现镜头小型化设计的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)通过实验和理论分析，建立液体透镜光学特性与单一/多个参数薄膜特性的对应关系表/图；

(2)基于实际应用领域的要求设计可变焦光学系统，并确定可变焦光学系统中液体透镜的光学特性；

(3)查找步骤(1)中的对应关系表/图，确定所需的薄膜特性，进而制备液体透镜；

(4)根据步骤(2)设计的结构装调包括液体透镜在内的光学零部件，得到所设计的可变焦光学系统，并对该光学系统的光学特性进行实际测试后，转向步骤(2)，对可变焦光学系统和透镜参数进行评估和优化。

2.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(1)中，薄膜是指用于密封和包裹光学液体的弹性材料，其平均厚度在1um-1mm之间。

3.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述液体透镜光学特性包括曲率、圆锥常数和屈光度；所述薄膜特性包括材料特性和结构特性，所述材料特性包括杨氏模量、密度和非线性形变参数，所述结构特性包括薄膜厚度分布参数和表面微结构分布参数，所述薄膜厚度分布参数包括薄膜平均厚度和厚度变化函数。

4.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(1)中，建立液体透镜和薄膜特性对应关系的理论分析方法如下：利用光线追击方法，分析液体透镜表面形貌及表面形变对光学特性的影响；利用有限元分析方法，考察液体透镜薄膜特性对透镜表面形貌及表面形变的影响，从而建立液体透镜光学特性与薄膜特性的对应关系表/图；

建立液体透镜和薄膜特性对应关系的实验分析方法如下：通过薄膜材料的形变实验，确定薄膜的杨氏模量和非线性形变参数；通过制作基于不同结构薄膜的液体透镜，逐一测量薄膜特性与透镜表面形貌、透镜光学特性的对应关系，形成完整数据库。

5.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，

步骤(2)中，实际应用领域的要求包括图像质量要求、调焦能力要求、系统尺寸要求和成本要求。

6.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(2)中，可变焦光学系统的设计具体通过光线追击方法实现，系统方案确定后，液体透镜的光学特性也随之确定。

7.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(3)中，液体透镜的制备方法如下：

(a)根据设计要求，确定液体透镜和薄膜的结构和材料特性；

(b)制作非均匀薄膜，方法如下：(i)制备薄膜母版，并选取设定的光敏或热敏弹性材料；(ii)利用旋涂或压印的方法获得非均匀薄膜；(iii)固化并剥离非均匀弹性薄膜；

(c)利用非均匀弹性薄膜密封透镜腔体，并灌注光学液体；

(d)装配和连接透镜驱动装置。

8.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(4)中，对光学系统进行评估时，综合评估各级次像差对光学系统的影响，分析光学系统的调制传递函数MTF和波面形图，定性定量地考查非球面液体透镜对光学系统光学特性的影响；

对光学系统的优化指通过调整液体透镜和传统透镜的表面形貌、空间位置、数量，达到改进光学品质、提高图像锐度和分辨率，减少光学元件、实现镜头小型化设计的目的。

9.根据权利要求1所述的利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，其特征在于，步骤(4)中，步骤(4)中，透镜参数的评估包括透镜光学质量的评估，透镜薄膜制备可行性、可重复性的评估，透镜系统装调良品率的评估；为优化透镜光学特性，可分别对含有双面和单面薄膜的液体透镜进行评估和测试，选取优化的液体透镜结构；还应评估变焦过程中非均匀薄膜的结构及形变，进而优化薄膜结构参数和薄膜材料参数。