CN105842760B - 一种电调控的变焦微透镜阵列结构及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种电调控的变焦微透镜阵列结构及其制备工艺，结构为底层、中间层、顶层三层结构，顶层和底层为透明导电层，中间层为高折射率的介电液体镶嵌在高弹性的聚合物薄膜中的周期性阵列结构，制备工艺是先在底层制备一层第一预结构聚合物薄膜，并实现其结构化成型；然后利用电场辅助填充流变工艺，实现介电液体在第一预结构聚合物薄膜表面腔体内的可控填充；再在顶层表面一层第二预结构聚合物薄膜，并与已填充有介电液体的第一预结构聚合物薄膜粘附，融合形成完整的聚合物薄膜，把介电液体密封在聚合物薄膜之内；最后采用热场辅助介电液体自聚集形成液滴，本发明的复合结构能够在保持高集成度的前提下，表现出良好的光学性能。

Description

一种电调控的变焦微透镜阵列结构及其制备工艺
技术领域
本发明属于微纳工程中的微透镜阵列技术领域，具体涉及一种电调控的变焦微透镜阵列结构及其制备工艺。
背景技术
由于集成光学和光通信技术的迅速发展，智能化、稳定化、低功耗以及高集成度等对现代微纳光学元件提出了新的需求。随着工业、军事以及医学等领域对成像和光通讯速度要求的提高，微透镜阵列作为其中重要的光学元件之一，得到了广泛而深入的研究。例如在激光及其应用系统中，微透镜阵列主要应用于激光的准直、光信息处理和成像等方面，然而这些方面的应用往往都要求微透镜阵列的焦距可调以及具有较高的集成度。目前，国内外有众多学者和研究机构开展关于变焦微透镜阵列的研究工作，从不同角度，以不同的方式进行不同程度的探索和实验，已经取得了不少突破性的研究成果，少量已经产品化，并且已成功应用到日常生活工作研究中。例如，佛罗里达大学的Shin-Tson Wu研究团队设计制造了基于压力驱动的变焦微透镜阵列，能够实现较大的调焦范围，但该透镜通常需要附加的外力驱动系统，难以满足高集成度要求；日本科学家Sato等人提出了利用电光效应实现透镜的可控变焦性，易于实现透镜阵列化，但是由于液晶电场会导致液晶具有非均匀性这一光学特性，因此导致其自身的光学失真较大；S.Y.Lee等人提出了基于热效应的变焦微透镜阵列，具有价格低廉、结构设计灵活等优点，同时也存在制作工艺比较复杂、响应速度慢以及焦距调控范围不够大等缺点；S.Kuiper等人提出的基于电润湿原理的可控变焦透镜，虽然具有结构设计灵活、焦距调节范围比较大等优点，但该类微透镜还存在集成度低、受环境影响大、制造工艺复杂等缺点。由此可见，目前的微透镜阵列在集成度、性能表征以及工艺复杂度方面存在突出的矛盾。如何以一种简单工艺方法实现高集成度可变焦微透镜阵列的可控制造，并展现出良好的性能特征是一个巨大的挑战，即实现集成度、性能表征及工艺复杂度的有效结合。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电调控的变焦微透镜阵列结构及其制备工艺，实现微透镜阵列高集成度、高性能和工艺复杂度的有机统一。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电调控的变焦微透镜阵列结构，为底层3、中间层、顶层4三层结构，顶层4和底层3为透明导电层，用于提供外部电，中间层为高折射率的介电液体2镶嵌在高弹性的聚合物薄膜1中的周期性阵列结构。
所述的顶层4、底层3为氧化铟锡ITO或氧化氟锡FTO玻璃。
所述的介电液体2为光学硅油或丙三醇。
所述的聚合物薄膜1为聚丙烯酸脂。
所述的一种电调控的变焦微透镜阵列结构的制备工艺，包括以下步骤：
第一步，在底层3表面制备一层厚度为微米级别的第一预结构聚合物薄膜11，然后采用压印工艺实现第一预结构聚合物薄膜11的微米柱状阵列结构化成型；
第二步，介电液体的可控填充：首先，将装有介电液体2的介电液体容器6置于第一预结构聚合物薄膜11表面之上，两者之间的间距为微米或毫米级别；其次，在介电液体容器6与底层3之间施加电压U2；同时以毫米每秒或微米每秒的速度移动底层3，施加电压U2的大小和底层3的移动速度决定了介电液体2在第一预结构聚合物薄膜11腔体内的填充比例，完成介电液体2体积的可控注入；
第三步，已填充介电液体2的第一预结构聚合物薄膜11的顶部封装：在顶层4表面制备一层厚度h3为微米级别的与第一步材料相同的第二预结构聚合物薄膜12，将其作为封装层与已填充有介电液体2的第一预结构聚合物薄膜11粘附，两部分预结构聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜1，实现把第二步填充的介电液体密封在聚合物薄膜1之内；
第四步，热场辅助介电液体自聚集形成液滴：施加外部热场7，令第三步制备的包裹有介电液体2的聚合物薄膜1升至聚合物的玻璃态转化温度，由于介电液体2与聚合物薄膜1非互溶，根据能量最小化原理，介电液体2在其表面张力作用下形成类圆形液滴形貌，最终将温度降至室温，即得到了聚合物薄膜1包裹类圆形介电液滴2的复合结构形式。
本发明的有益效果为：本发明的复合结构能够在保持高集成度的前提下，表现出良好的光学性能，其制备工艺在压印和电辅助填充工艺的基础上，实现复合结构的可控制造，本发明制备的基于电调控的变焦微透镜阵列结构可广泛用于光学成像和光通讯等微纳光学领域。
附图说明
图1-1为电调控的变焦微透镜阵列结构未施加外部电压时的示意图；图1-2为电调控的变焦微透镜阵列结构施加外部电压时的变形示意图。
图2为利用压印工艺在底层3实现第一预结构聚合物薄膜11的工艺示意图。
图3为底层3上制备的第一预结构聚合物薄膜11的示意图。
图4为利用电场辅助填充工艺实现介电液体在第一预结构聚合物薄膜11表面腔体内的填充示意图。
图5为介电液体2在第一预结构聚合物薄膜11填充后的示意图。
图6为在顶层4表面制备第二预结构聚合物薄膜12的示意图。
图7为填充有介电液体2的聚合物薄膜1的封装示意图。
图8为利用热场辅助实现介电液体2自聚集形成液体的示意图。
图9为制备的聚合物薄膜1包裹类圆形介电液体2的复合结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种电调控的变焦微透镜阵列结构，为底层3、中间层、顶层4三层结构，顶层4和底层3为透明导电层，用于提供外部电，中间层为高折射率的介电液体2镶嵌在高弹性的聚合物薄膜1中的周期性阵列结构，与人眼结构比较，介电液体2是人眼晶状体，聚合物薄膜1是人眼眼眶。
在顶层4与底层3之间，未施加电压U1时，介电液体2在表面张力以及聚合物薄膜1弹性力作用下维持近类圆形的形貌，如图1-1所示；施加外部电压U1后，顶层4和底层3由于静电吸引会挤压聚合物薄膜1，导致聚合物薄膜1的弹性变形，进而会对介电液体2产生相应的弹性挤压力，同时，介电液体2与聚合物薄膜1界面处在电场作用下能够产生麦克斯韦应力，驱动介电液体2对聚合物薄膜1产生推动作用，最终聚合物薄膜1弹性力、液固界面处的麦克斯韦应力以及介电液体2表面张力引发的附加压强的平衡状态决定了介电液体2的形貌，如图1-2所示，在此过程中，施加的外加电场U1不一致，介电液体2形貌就不一致，即通过改变外加电场U1能够实现透镜的曲率可控性，若是撤去外加电场U1，在聚合物薄膜1弹性力作用下，恢复到初始未施加电场状态，如图1-1所示。
一种电调控的变焦微透镜阵列结构得制备工艺，包括以下步骤：
第一步，热塑性聚合物预结构制造：在底层3表面制备一层厚度h2为微米级别的第一预结构聚合物薄膜11，然后采用压印工艺实现第一预结构聚合物薄膜11的结构化成型，采用的压印模板5凸起部分宽度w1，间距w2和高度h1均为微米级别，如图2所示，在聚合物薄膜上制备的阵列结构尺寸为槽宽w1、间距w2、槽深h1，如图3所示，所述的底层3为ITO或FTO，所述的第一预结构聚合物薄膜11为聚丙烯酸脂；
第二步，介电液体的可控填充：首先，将装有介电液体2的介电液体容器6置于第一预结构聚合物薄膜11表面之上，两者之间的间距为微米或毫米级别；其次，在介电液体容器6与底层3之间施加电压U2，同时以微米或毫米每秒的速度移动底层3，实现介电液体2在第一预结构聚合物薄膜11表面腔体内的电辅助填充，所述的介电液体2为光学硅油或丙三醇，如图4所示，在此过程，施加电压U2的大小、底层3的移动速度决定了介电液体2在第一预结构聚合物薄膜11腔体内的填充比例，完成介电液体2体积的可控注入，如图5所示；
第三步，已填充介电液体2的第一预结构聚合物薄膜11的顶部封装：在顶层4表面制备一层厚度h3为微米级别的与第一步材料相同的第二预结构聚合物薄膜12，所述的顶层4为ITO或FTO，如图6所示，将其作为封装层与已填充有介电液体2的第一预结构聚合物薄膜11粘附，两部分预结构聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜1，实现把第二步填充的介电液体密封在聚合物薄膜1之内，底层3和顶层4之间的间距h4为微米或毫米级别，镶嵌在聚合物薄膜1中的介电液体2的尺寸为宽度w1为微米级别，间距w2为微米级别，高度h1为微米级别，如图7所示；
第四步，热场辅助介电液体自聚集形成液滴：施加外部热场7，令第三步制备的包裹有介电液体2的聚合物薄膜1升至聚合物的玻璃态转化温度，由于介电液体2与聚合物薄膜1非互溶，根据能量最小化原理，介电液体2在其表面张力作用下形成类圆形液滴形貌，如图8所示，最终将温度降至室温，即得到了聚合物薄膜1包裹类圆形介电液滴2的复合结构形式，制备的镶嵌在聚合物薄膜1中的周期性介电液滴2的尺寸为直径D1为微米级别，间距w3为微米级别，如图9所示。
本发明设计的电调控变焦微透镜阵列的复合结构及其制备工艺克服了传统微透镜阵列高集成度、高性能及其工艺简单性之间有机统一的难题，实现了大范围内微透镜阵列的电场调控变焦，能够满足微纳光学领域中变焦微透镜阵列的广泛需求。

Claims (5)

1.一种电调控的变焦微透镜阵列结构，为底层(3)、中间层、顶层(4)三层结构，其特征在于：顶层(4)和底层(3)为透明导电层，用于提供外部电，中间层为高折射率的类圆形形状的介电液体(2)镶嵌在高弹性的聚合物薄膜(1)中的周期性阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种电调控的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的顶层(4)、底层(3)为氧化铟锡ITO或氧化氟锡FTO玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种电调控的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的介电液体(2)为光学硅油或丙三醇。
4.根据权利要求1所述的一种电调控的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的聚合物薄膜(1)为聚丙烯酸脂。
5.根据权利要求1所述的一种电调控的变焦微透镜阵列结构的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在底层(3)表面制备一层厚度为微米级别的第一预结构聚合物薄膜(11)，然后采用压印工艺实现第一预结构聚合物薄膜(11)的微米柱状阵列结构化成型；
第二步，介电液体的可控填充：首先，将装有介电液体(2)的介电液体容器(6)置于第一预结构聚合物薄膜(11)表面之上，两者之间的间距为微米或毫米级别；其次，在介电液体容器(6)与底层(3)之间施加电压U2；同时以毫米每秒或微米每秒级别的速度移动底层(3)，施加电压U2的大小和底层(3)的移动速度决定了介电液体(2)在第一预结构聚合物薄膜(11)腔体内的填充比例，完成介电液体(2)体积的可控注入；
第三步，已填充介电液体(2)的第一预结构聚合物薄膜(11)的顶部封装：在顶层(4)表面制备一层厚度为微米级别的与第一步材料相同的第二预结构聚合物薄膜(12)，将其作为封装层与已填充有介电液体(2)的第一预结构聚合物薄膜(11)粘附，两部分预结构聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜(1)，实现把第二步填充的介电液体密封在聚合物薄膜(1)之内；
第四步，热场辅助介电液体自聚集形成液滴：施加外部热场(7)，令第三步制备的包裹有介电液体(2)的聚合物薄膜(1)升至聚合物的玻璃态转化温度，由于介电液体(2)与聚合物薄膜(1)非互溶，根据能量最小化原理，介电液体(2)在其表面张力作用下形成类圆形液滴形貌，最终将温度降至室温，即得到了聚合物薄膜(1)包裹类圆形介电液滴(2)的复合结构形式。
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