CN108037550A - 一种低电压驱动的反转变焦微透镜 - Google Patents

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Abstract

一种低电压驱动的反转变焦微透镜，包括底层，底层为透明导电层，作为电极；底层上面设有镶嵌有微透镜阵列的多孔结构，镶嵌有微透镜阵列的多孔结构作为中间层；多孔结构的四周连接有第一透明固体板，在多孔结构上部及第一透明固体板内部装有第一透明液体，第一透明固体板及透明液体的上部通过第二透明固体板封装，第一透明固体板、第一透明液体、第二透明固体板构成顶层，顶层为封装保护层；微透镜阵列和第一透明液体材料密度相近，表面能差大；通过在底层施加电压，微透镜能够从凸透镜到平面镜再到凹透镜的光滑连续可重复变化，本发明具有微透镜的高集成度、低成本、快响应、大范围连续无穷变焦的优点。

Description

一种低电压驱动的反转变焦微透镜
技术领域
本发明属于微纳工程中的微透镜技术领域，具体涉及一种低电压驱动的反转变焦微透镜。
背景技术
随着集成光学和光通讯技术的迅速发展，微型化、低功耗、快响应、大范围连续变焦以及高集成度等对现代微纳光学元件提出了新的需求。液体微透镜阵列作为其中重要的光学元件之一，吸引了越来越多的学术和工业研究人员的关注，已经在诸如光学传感器装置，光通信装置，片上实验系统，医学诊断和生命科学等领域中广泛应用。例如，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，但制作工艺复杂、响应速度慢以及调焦范围小；Jiang的研究小组设计制造的变焦微透镜阵列，利用水凝胶在不同温度环境中的膨胀与收缩特性，改变水油界面的曲率，达到调整焦距的目的，能够实现较大的调焦范围，但是水凝胶流道的存在，大大降低了器件的紧密型，降低了液体微透镜的占空比，难以满足高集成度要求；S.Kuiper小组提出的基于电润湿原理的液体变焦透镜，虽然结构灵活，但由于高电压的限制，通常电压大于150V，焦距的调节范围有限，且带来电极破裂、击穿失效等可靠性和稳定性问题。而且，目前研究的大多数微透镜的变焦范围，仅仅局限在有限范围内变焦。而实际应用中，在诸如点对点诊断、3D成像仪和需要快速精确控制的实时运动跟踪等领域，对大变焦范围的需求越来越迫切。因此开发低电压(通常电压小于10V)驱动的高集成度、低成本、快响应、大范围连续无穷变焦微透镜是目前研究变焦光学系统的关键。
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低电压驱动的反转变焦微透镜，具有微透镜的高集成度、低成本、快响应、大范围连续无穷变焦的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种低电压驱动的反转变焦微透镜，包括底层6，底层6为透明导电层，作为电极；底层6上面设有镶嵌有微透镜阵列4的多孔结构5，镶嵌有微透镜阵列4的多孔结构5作为中间层；多孔结构5的四周连接有第一透明固体板2，在多孔结构5上部及第一透明固体板2内部装有第一透明液体3，第一透明固体板2及透明液体3的上部通过第二透明固体板1封装，第一透明固体板2、第一透明液体3、第二透明固体板1构成顶层，顶层为封装保护层。
在底层6未施加电压U的初始状态下，微透镜呈现凸起形貌，具备凸透镜功能；施加外部电压U后，微透镜焦距能从初始有限正焦距到正无穷大连续变焦，微透镜仍为凸透镜；随施加电压U时间的延长，正无穷大焦距迅速反转为负无穷大焦距，微透镜表现为平面镜；继续施加电压U，又从负无穷大焦距到有限负焦距的连续变焦，此阶段微透镜为凹透镜；当断开电源U后，焦距逆向连续恢复，从有限负焦距到无穷大负焦距，再到无穷大正焦距最终恢复至初始有限正焦距，微透镜从凹透镜到平面镜再恢复至初始状态凸透镜。
所述的多孔结构5为周期性透明微孔阵列。
所述的多孔结构5材料为NOA。
所述的微透镜阵列4和第一透明液体3材料密度相近，表面能差大，不能混溶。
所述的微透镜阵列4的材料为丙三醇。
所述的第一透明液体3的材料为硅油。
一种低电压驱动的反转变焦微透镜的制备工艺，包括以下步骤：
第一步，多孔结构5制造：在底层6表面制备一层微米级别厚度为h2的透明薄膜，采用微纳米压印方法获得多孔结构5，多孔结构5为周期性透明微孔阵列，周期性透明微孔阵列的槽宽w1、间距w2和槽深h1为微米级别；
第二步，微透镜阵列4的制备：利用模板诱导的实验装置，将多孔结构5完全浸没在装有第二透明液体9的供液槽8内，通过调控线位移控制系统，使多孔结构5以一定的速度从供液槽8中竖直拉出，获得液面高度h3小于20um的微透镜阵列4，模板诱导的实验装置包括供液槽8和线位移控制系统，线位移控制系统由步进电机、线位移导轨、PLC控制器构成，利用PLC控制器设置不同的程序，使多孔结构5能以不同的速度从供液槽中拉出，而不同的移动速度能获得具有不同液面高度h3的微透镜阵列4；
第三步，顶层封装:在多孔结构5的四周连接厚度为h4的第一透明固体板2，要求h4大于微透镜的液面高度h3，注入第一透明液体3，另取第二透明固体板1与第一透明固体板2粘附，将微透镜阵列4和第一透明液体3密封在多孔结构5和第二透明固体板1、第一透明固体板2内。
本发明的有益效果为：本发明的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，采用电压驱动，与传统的电场驱动(电压百伏以上)相比，能够在电压小于10V下，变焦过程耗时仍然小于3min，所以具有低电压快响应的优点；与光、压力、磁驱动相比，不需要昂贵的红外激光和复杂的外场控制装置，一个纽扣电池就能实现变焦，因此结构简单、成本低、集成度好；由于采用模板诱导的实验装置，解决了微纳米压印填充和溶剂辅助填充方法导致的微透镜填充不均匀的问题，实现了微透镜填充的高效率制造和均一性；此外，传统微透镜只能单方向实现变焦，即只能使凸透镜下连续变焦或凹透镜下连续变焦，凸透镜和凹透镜之间无法连续切换，本发明的微透镜能够从凸透镜到凹透镜再到凸透镜的光滑连续可重复变化，焦距实现了大范围连续无穷变焦。
附图说明
图1-1为本发明低电压驱动的反转变焦微透镜三维结构示意图；图1-2为本发明低电压驱动的反转变焦微透镜二维剖面结构示意图。
图2-1为未施加外部电压时，低电压驱动的反转变焦微透镜初始状态示意图；图2-2施加外部电压U后，低电压驱动的反转变焦微透镜变形为平面镜状态时的示意图；图2-3施加外部电压U后，低电压驱动的反转变焦微透镜变形为凹透镜状态时的示意图。
图3为利用压印工艺在底层6表面制备多孔结构5的工艺示意图。
图4为底层6表面制备的多孔结构5的示意图。
图5为利用模板诱导的实验装置，获得微透镜阵列4的工艺示意图。
图6为微透镜阵列4的示意图。
图7-1为在多孔结构5的四周连接厚度为h4的第一透明固体板2的封装示意图；图7-2为在第一透明固体板2与微透镜阵列4形成的凹槽内注入第一透明液体3的封装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1-1和图1-2，一种低电压驱动的反转变焦微透镜，包括底层6，底层6为透明导电层，作为电极；底层6上面设有镶嵌有微透镜阵列4的多孔结构5，镶嵌有微透镜阵列4的多孔结构5作为中间层；多孔结构5的四周连接有第一透明固体板2，在多孔结构5上部及第一透明固体板2内部装有第一透明液体3，第一透明固体板2及透明液体3的上部通过第二透明固体板1封装，第一透明固体板2、第一透明液体3、第二透明固体板1构成顶层，顶层为封装保护层。
所述的多孔结构5为周期性透明微孔阵列。
所述的多孔结构5材料为NOA。
所述的微透镜阵列4和第一透明液体3密度相近，表面能差大，不能混溶。
所述的微透镜阵列4的材料为丙三醇。
所述的第一透明液体3的材料为硅油。
本发明低电压驱动的反转变焦微透镜的工作原理为：
在底层6未施加电压U的初始状态下，微透镜呈现凸起形貌，具备凸透镜功能，如图2-1所示；施加外部电压U后(通常变焦过程小于三分钟，且变焦时间与电压U成反比)，微透镜由于表面张力的变化，接触角和表面形貌发生改变，焦距能从初始有限正焦距到正无穷大连续变焦，微透镜为凸透镜；随施加电压U时间的延长，正无穷大焦距迅速反转为负无穷大焦距，微透镜表现为平面镜，如图2-2所示；继续施加电压U，又从负无穷大焦距到有限负焦距的连续变焦，微透镜为凹透镜，如图2-3所示；当断开电源U后，焦距逆向连续恢复，从有限负焦距到无穷大负焦距，再到无穷大正焦距最终恢复至初始有限正焦距，微透镜从凹透镜到平面镜再恢复至初始状态凸透镜。
一种低电压驱动的反转变焦微透镜的制备工艺，包括以下步骤：
第一步，多孔结构5制造：在底层6表面制备一层微米级别厚度为h2的透明薄膜，采用微纳米压印方法获得多孔结构5，多孔结构5为周期性透明微孔阵列；采用的压印模板7凸起部分宽度w1、间距w2和高度h1均为微米级别，如图3所示；周期性透明微孔阵列的槽宽w1、间距w2和槽深h1为微米级别，如图4所示；
第二步，微透镜阵列4的制备：利用模板诱导的实验装置，将多孔结构5完全浸没在装有第二透明液体9的供液槽8内，通过调控线位移控制系统，使多孔结构5以一定的速度从供液槽8中竖直拉出，获得液面高度h3小于20um的微透镜阵列4，所述的第二透明液体9和微透镜阵列4的材料为丙三醇，如图5所示，在此过程中，模板诱导的实验装置包括供液槽8和线位移控制系统，线位移控制系统作为装置的核心部分，由步进电机、线位移导轨、PLC控制器构成，利用PLC控制器设置不同的程序，使周期性透明微透镜阵列5能以不同的速度从供液槽8中拉出，而不同的移动速度能获得具有不同液面高度h3的微透镜阵列4，通过调控线位移控制系统，获得液面高度h3小于20um的微透镜阵列4，完成了微透镜阵列4的制备，如图6所示；
第三步，顶层封装:在多孔结构5的四周连接厚度为h4的第一透明固体板2，要求h4大于微透镜的液面高度h3，如图7-1所示，注入第一透明液体3，如图7-2所示，另取第二透明固体板1与第一透明固体板2粘附，将微透镜阵列4和第一透明液体3密封在多孔结构5和第二透明固体板1、第一透明固体板2内，如图1-1和图1-2所示；所述的微透镜阵列4和第一透明液体3这两种液体要求密度相近，表面能差大，不能混溶；所述的第一透明液体3为硅油。

Claims (8)

1.一种低电压驱动的反转变焦微透镜，包括底层(6)，其特征在于：底层(6)为透明导电层，作为电极；底层(6)上面设有镶嵌有微透镜阵列(4)的多孔结构(5)，镶嵌有微透镜阵列(4)的多孔结构(5)作为中间层；多孔结构(5)的四周连接有第一透明固体板(2)，在多孔结构(5)上部及第一透明固体板(2)内部装有第一透明液体(3)，第一透明固体板(2)及透明液体(3)的上部通过第二透明固体板(1)封装，第一透明固体板(2)、第一透明液体(3)、第二透明固体板(1)构成顶层，顶层为封装保护层。
2.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：在底层(6)未施加电压U的初始状态下，微透镜呈现凸起形貌，具备凸透镜功能；施加外部电压U后，微透镜焦距能从初始有限正焦距到正无穷大连续变焦，微透镜仍为凸透镜；随施加电压U时间的延长，正无穷大焦距迅速反转为负无穷大焦距，微透镜表现为平面镜；继续施加电压U，又从负无穷大焦距到有限负焦距的连续变焦，此阶段微透镜为凹透镜；当断开电源U后，焦距逆向连续恢复，从有限负焦距到无穷大负焦距，再到无穷大正焦距最终恢复至初始有限正焦距，微透镜从凹透镜到平面镜再恢复至初始状态凸透镜。
3.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：所述的多孔结构(5)为周期性透明微孔阵列。
4.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：所述的多孔结构(5)材料为NOA。
5.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：所述的微透镜阵列(4)和第一透明液体(3)材料密度相近，表面能差大，不能混溶。
6.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：所述的微透镜阵列(4)的材料为丙三醇。
7.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的反转变焦微透镜，其特征在于：所述的第一透明液体(3)的材料为硅油。
8.一种低电压驱动的反转变焦微透镜的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，多孔结构(5)制造：在底层(6)表面制备一层微米级别厚度为h2的透明薄膜，采用微纳米压印方法获得多孔结构(5)，多孔结构(5)为周期性透明微孔阵列，周期性透明微孔阵列的槽宽w1、间距w2和槽深h1为微米级别；
第二步，微透镜阵列(4)的制备：利用模板诱导的实验装置，将多孔结构(5)完全浸没在装有第二透明液体(9)的供液槽(8)内，通过调控线位移控制系统，使多孔结构(5)以一定的速度从供液槽(8)中竖直拉出，获得液面高度h3小于20um的微透镜阵列(4)，模板诱导的实验装置包括供液槽(8)和线位移控制系统，线位移控制系统作由步进电机、线位移导轨、PLC控制器构成，利用PLC控制器设置不同的程序，使多孔结构(5)能以不同的速度从供液槽中拉出，而不同的移动速度能获得具有不同液面高度h3的微透镜阵列(4)；
第三步，顶层封装:在多孔结构5的四周连接厚度为h4的第一透明固体板(2)，要求h4大于微透镜的液面高度h3，注入第一透明液体(3)，另取第二透明固体板(1)与第一透明固体板(2)粘附，将微透镜阵列(4)和第一透明液体(3)密封在多孔结构(5)和第二透明固体板(1)、第一透明固体板(2)内。
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