CN106873057B - 可控焦距液体透镜阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控焦距液体透镜阵列的制作方法，通过控制滴入硅胶基底的硅油液体质量大小，控制单个微透镜的折射面曲率和透镜焦距。通过对实验过程中对温度的控制，制作平凸或双凸两种透镜形状。通过位移平台，控制阵列中微透镜的排布和个数。本发明中涉及的制作方法可适用于更大面积的液体微透镜阵列的制备。制作周期短，制作成本低，制作方法简便。本发明的成品，抗挤压能力强，焦距可控，阵列规整。本发明可实现透镜焦距可控，反应速度快，成像品质优良。本发明可广泛适用于光伏电池，微流体装置，三维成像，单分子成像，人造复眼和光耦合器件等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学器件制作技术，特别涉及一种可控焦距液体透镜阵列的制作方法。
背景技术
可控焦距阵列透镜在光伏电池，微流体装置，三维成像，单分子成像，人造复眼和光耦合器件等领域有着广泛的应用。传统微透镜阵列一部分是通过微切除的方法制作，如激光烧蚀和离子束切割等。这种切除方法，通过在三维模型上进行雕刻，从而产生微透镜阵列。但通过这种激光烧蚀和离子束切割的方式制作的微透镜阵列，在材料拥有较高的光滑度时，难以去除级联，造成微透镜折射面的不光滑。因此，此种方法制作出来的微透镜阵列，难以用于高精确度光学系统之中。
此外，喷墨打印技术，激光诱导聚合物溶胀技术以及热回流技术也同样是传统制作微透镜阵列的方法。这些技术虽然可以制作较高光滑度的透镜折射面，但它们都成本高昂。这些方法制作的透镜阵列，其透镜的折射率可控，但都受限与入瞳大小和入瞳距。这些传统方法制作出的透镜，在设定特定焦距的时候，将不可避免的影响微透镜的入瞳参数。由于上述原因，这些方法制作出来的微透镜阵列，使用范围有限。
发明内容
本发明是针对现有的微透镜阵列制作技术中存在的问题，提出了一种可控焦距液体透镜阵列的制作方法，是一种表面光滑度高，阵列微透镜焦距可控，透镜焦距与入瞳参数无关的微透镜制作方法。
本发明的技术方案为：一种可控焦距液体透镜阵列的制作方法，具体包括如下步骤：
1）配置硅胶基底：
采用聚二甲基硅氧烷PDMS混合液作为基底，硅胶基料与固化剂按照质量比10：1进行配制，两者按量混合后，充分搅拌5分钟，使混合液浓度均匀；
2）抽真空：
首先，将配置好的PDMS基底，放入真空箱中，反复抽真空，直到混合硅胶基底液中无明显气泡为止，将基底拿出，放在水平试验台上；
然后，使用注射器抽取一定体积的硅油液体，放入真空箱中，抽取硅油液体中的气泡，抽真空完成后，将注射器固定在可调流速的注射泵上，润湿导管，准备滴液；
3）调控透镜初始焦距
抽真空后的PDMS基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至PDMS基底上方，根据所需透镜焦距，选择合适孔径的出液针头连接在导管末端，在设定范围内，所选针头孔径越大，通过针头滴出的单个油滴质量越大，得到的为微透镜折射面曲率越大，焦距越长；
4）平凸-液体透镜阵列制作：
注射器出口通过导管伸至PDMS基底上方，导管末端连接出液针头，调整水平位移平台与可控流速的注射泵之间的相对位置，调整注射泵注射速率，使滴液速率与位移平台移动速度相适应，根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液，直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟；
5）加热固化：
将阵列完成后的硅胶基底，平稳放置在恒温加热箱中，设置温度为80摄氏度，恒温烘烤时间2小时，完成制作。
所述步骤4）由下面步骤代替实现双凸液体透镜阵列制作，将PDMS硅胶基底，放置到恒温加热箱中，设置温度为40摄氏度，恒温烘烤40分钟，烘烤完成后，将烘烤后PDMS基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至PDMS基底上方，调整注射泵注射速率，使其与位移平台阵列移动速度相适应，根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液。直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟。
本发明的有益效果在于：本发明可控焦距液体透镜阵列的制作方法，可适用于更大面积的液体微透镜阵列的制备。制作周期短，制作成本低，制作方法简便。本发明的成品，抗挤压能力强，焦距可控，阵列规整。本发明可实现透镜焦距可控，反应速度快，成像品质优良。本发明可广泛适用于光伏电池，微流体装置，三维成像，单分子成像，人造复眼和光耦合器件等领域。
附图说明
图1为本发明方法制作出的平凸透镜阵列结构示意图；
图2为本发明方法制作出的双凸透镜阵列结构示意图；
图3为本发明可控焦距液体透镜阵列的制作方法的制作装置结构示意图；
图4为本发明方法制作出的单个平凸透镜结构侧视图；
图5为本发明方法制作出的单个双凸透镜结构侧视图。
具体实施方式
本发明实施例所提供的两种可控焦距液体透镜的阵列制作方法，液体透镜的焦距由滴入硅油的质量决定。制作可控焦距液体透镜阵列的基底是一种硅胶混合液，通过加热可形成弹性固体。通过控制制作温度，控制透镜平凸或双凸形状。通过二维位移平台，控制阵列透镜的个数和方向。
本发明实施例中，由于硅油和硅胶的折射率不同，光线进入阵列透镜时会光路会发生改变，形成透镜。
本发明实施例中，由于硅油的密度高于硅胶基底液的密度，将硅油液滴滴入基底液后，硅油液滴会发生下沉，形成透镜折射面。通过控制温度，可以控制硅油液滴下沉程度。硅油液滴下沉至硅胶基底底部时，透镜上表面为曲面下表面为平面，用于制作平凸透镜阵列，如图1所示；硅油液滴下沉至硅胶基底中部时，透镜上下表面均为曲面，用于制作双凸透镜阵列，如图2所示。
本发明实施例中，使用二维位移平台，减少阵列制作过程中产生的误差。
本发明实施例，具体实施过程如下：
1、配置硅胶基底：
实验采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）混合液作为实验用基底。硅胶基料与固化剂按照质量比10：1进行配制。两者按量混合后，充分搅拌5分钟，使混合液浓度均匀。
2、抽真空：
1）将配置好的PDMS基底，放入真空箱中，反复抽真空，直到混合硅胶基底液中无明显气泡为止。将基底拿出，放在水平试验台上；
2）使用注射器抽取一定体积的硅油液体，放入真空箱中，抽取硅油液体中的气泡，抽真空完成后，将注射器固定在可调流速的注射泵上，润湿导管，准备滴液。
3、调控透镜初始焦距
根据所需透镜焦距，选择合适孔径的出液针头连接在导管末端。在一定范围内，所选针头孔径越大，通过针头滴出的单个油滴质量越大，得到的为微透镜折射面曲率越大，焦距越长。由此，通过选择不同孔径的针头，调控透镜的初始焦距。
4、制作透镜阵列：
1）平凸液体透镜阵列制作：
如图3所示制作装置结构示意图，抽真空后的PDMS基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至PDMS基底上方，导管末端连接出液针头，调整出液针头与PDMS基底相对位置知道合适为止。调整水平位移平台与可控流速的注射泵之间的相对位置直到合适为止。调整注射泵注射速率，使滴液速率与位移平台移动速度相适应。根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液。直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟。
2）双凸液体透镜阵列制作：
将PDMS硅胶基底，放置到恒温加热箱中，设置温度为40摄氏度，恒温烘烤40分钟。烘烤完成后，如图3所示制作装置结构示意图，将烘烤后PDMS基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至PDMS基底上方，调整注射泵注射速率，使其与位移平台阵列移动速度相适应。根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液。直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟。
5、加热固化：
将阵列完成后的硅胶基底，平稳放置在恒温加热箱中。设置温度为80摄氏度，恒温烘烤时间2小时。
制作完成的平凸透镜阵列如图1所示，单个平凸透镜侧视图如图4所示；制作完成的双凸透镜阵列如图2所示，单个双凸透镜侧视图如图5所示。
Claims (2)
1.一种可控焦距液体透镜阵列的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)配置硅胶基底：
采用聚二甲基硅氧烷混合液作为基底，硅胶基料与固化剂按照质量比10：1进行配制，两者按量混合后，充分搅拌5分钟，使混合液浓度均匀；
2)抽真空：
首先，将配置好的聚二甲基硅氧烷基底，放入真空箱中，反复抽真空，直到混合硅胶基底液中无明显气泡为止，将基底拿出，放在水平试验台上；
然后，使用注射器抽取一定体积的硅油液体，放入真空箱中，抽取硅油液体中的气泡，抽真空完成后，将注射器固定在可调流速的注射泵上，润湿导管，准备滴液；
3)调控透镜初始焦距
抽真空后的聚二甲基硅氧烷基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至聚二甲基硅氧烷基底上方，根据所需透镜焦距，选择合适孔径的出液针头连接在导管末端，在设定范围内，所选针头孔径越大，通过针头滴出的单个油滴质量越大，得到的微透镜折射面曲率越大，焦距越长；
4)平凸液体透镜阵列制作：
注射器出口通过导管伸至聚二甲基硅氧烷基底上方，导管末端连接出液针头，调整水平位移平台与可控流速的注射泵之间的相对位置，调整注射泵注射速率，使滴液速率与位移平台移动速度相适应，根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液，直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟；
5)加热固化：
将阵列完成后的硅胶基底，平稳放置在恒温加热箱中，设置温度为80摄氏度，恒温烘烤时间2小时，完成制作。
2.根据权利要求1所述可控焦距液体透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤4)由下面步骤代替实现双凸液体透镜阵列制作，
将聚二甲基硅氧烷硅胶基底，放置到恒温加热箱中，设置温度为40摄氏度，恒温烘烤40分钟，烘烤完成后，将烘烤后聚二甲基硅氧烷基底置于微米级二维水平位移平台上，注射器固定在可调流速的注射泵上，注射器出口通过导管伸至聚二甲基硅氧烷基底上方，调整注射泵注射速率，使其与位移平台阵列移动速度相适应，根据设定的阵列个数和方向，调整位移平台，进行滴液，直至滴液完成后，关闭注射泵，静置10分钟。
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