CN109375298A - 一种液体透镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于透镜技术领域，具体涉及一种液体透镜及其制备方法，一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：(1)制备PDMS薄膜；(2)制备支撑环；(3)制备液体腔；(4)制备基底；(5)组合液体透镜；(6)注入光学液体。本发明制备液压式液体透镜的方法简单，工艺容易控制，整个透镜质量轻、密封性好、耐用且抗静电效果好；本发明公布的液体透镜，结构简单，曲率能精确控制，从而使得焦距易控制。
Description
技术领域
本发明属于透镜技术领域，具体涉及一种液体透镜及其制备方法。
背景技术
液体透镜是一种新型的依据仿生学原理提出的光学元件，由液体材料制作而成，可通过控制外部形状或改变内部折射率而变焦，目前基于液压式液体透镜是当前液体透镜的一个发展方向。与传统的自动对焦镜头相比，液体透镜因为少了移动的机械结构，所以具有体积小、反应速度快、耗电量小、无磨损、寿命长等优点，因此在手机、数码相机、网络摄像头、内窥镜等追求轻、薄、短、小的光学系统中具有很好的应用前景。然而目前制备液体透镜的工艺复杂，成本高，且多种原因引起液体曲率控制不够精确，导致焦距有不够精确。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种液体透镜的制备方法，该制备方法工艺简单、制造成本低且容易控制，适合规模生产；本发明的另一目的在于提供一种液体透镜，该液体透镜的曲率容易控制，变焦精确灵敏。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在30-35℃的温度下慢速搅拌10-20min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在50-60℃的温度下固化80-100min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在30-40℃的温度下放置5-10min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在80-90℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1-1.5mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射3-5min后，将整体取出后在100-150℃下放置10-15h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
本发明制备液压式液体透镜的方法简单，工艺容易控制，制备的PDMS薄膜弹性适中，使得液体透镜的曲率半径能得到精确控制，从而能精确控制透镜焦距；其次，本发明通过使用碳纤维环作为支撑环，使得整个透镜质量轻、耐用且抗静电效果好，在碳纤维环表面涂覆有SiO2涂层，使得支撑环与PDMS薄膜能更好的结合，从而使得液体透镜的密封性更好，更耐用；最后，本发明通过使用紫外臭氧将透镜组件键合，使得透镜结合牢固，密封性好。
进一步的，步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为(10-15)：1。
羟基封端聚二甲基硅氧烷具有优良的绝缘性、耐电弧、电晕、耐水以及耐气候老化，本发明使用羟基封端聚二甲基硅氧烷使得所制备的液体透镜耐用且易清洁。
本发明通过使用羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂以重量比为(10-15)：1制备PDMS薄膜，使得所制备的PDMS薄膜硬度和弹性均适中，制备出的PDMS薄膜的曲率容易控制。
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中的至少一种。
本发明采用氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中的至少一种作为固化剂，使得PDMS薄膜固化速度快，且固化均匀。
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中以重量比为1：(1-3)组成的混合物。
本发明使用氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中以重量比为1：(1-3)组成的混合物作为固化剂，既节约原料，又使得控制PDMS薄膜的交联结构不太长，从而使得PDMS的硬度适中。
进一步的，步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为10-30r/min。
本发明通过控制混合物料的搅拌速度为10-30r/min既能使得羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂快速混合均匀，又不引起气泡，使得制备的PDMS薄膜结构均匀且无气泡。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的环境湿度为40-50％。
本发明通过控制旋涂时的环境湿度为40-50％，能有效防止PDMS薄膜起静电，从而能提升产品良率。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的转速为600-750r/min。
本发明通过控制旋涂时的转速为600-750r/min，使得PDMS薄膜厚度容易控制且结构均匀。
进一步的，步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为10-25nm。
本发明通过控制SiO2涂层的厚度为10-25nm，其一，使得支撑环和SiO2涂层结合牢固、不易脱落；其二，能保证支撑环与PDMS薄膜及液体腔更紧密的结合，进而保证液体透镜的密封性；其三，能有效节约生产成本。
一种液体透镜，包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
本发明公布的液体透镜，结构简单，曲率能精确控制，从而使得焦距易控制。
进一步的，所述PDMS薄膜的厚度为110-130μm。
厚度为110-130μm的PDMS薄膜硬度和弹性均适中，使得液体透镜的的焦距更易控制且液体透镜耐用。
进一步的，所述光学液体的折射率为1.45-1.60。
本发明的有益效果在于：本发明制备液压式液体透镜的方法简单，工艺容易控制，制备的PDMS薄膜弹性适中，使得液体透镜的曲率半径能得到精确控制，从而能精确控制透镜焦距；其次，本发明通过使用碳纤维环作为支撑环，使得整个透镜质量轻、耐用且抗静电效果好，在碳纤维环表面涂覆有SiO2涂层，使得支撑环与PDMS薄膜能更好的结合，从而使得液体透镜的密封性更好，更耐用；最后，本发明通过使用紫外臭氧将透镜组件键合，使得透镜结合牢固，密封性好；本发明公布的液体透镜，结构简单，曲率能精确控制，从而使得焦距易控制。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1，
一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在30℃的温度下慢速搅拌20min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在50℃下固化80min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在30℃的温度下放置10min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在80℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射3min后，将整体取出后在100℃下放置15h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
进一步的，步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为10：1。
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷。
进一步的，步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为10r/min。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的环境湿度为40％。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的转速为600r/min。
进一步的，步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为10nm。
一种液体透镜，包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
进一步的，所述PDMS薄膜的厚度为110μm。
进一步的，所述光学液体的折射率为1.45。
实施例2，
一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在35℃的温度下慢速搅拌20min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在60℃下固化80min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在40℃的温度下放置5min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在90℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1.5mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射5min后，将整体取出后在150℃下放置10h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
进一步的，步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为10：1。
进一步的，所述硅烷偶联剂为乙烯基三羟基硅烷。
进一步的，步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为30r/min。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的环境湿度为50％。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的转速为750r/min。
进一步的，步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为25nm。
一种液体透镜，包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
进一步的，所述PDMS薄膜的厚度为130μm。
进一步的，所述光学液体的折射率为1.60。
实施例3
一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在35℃的温度下慢速搅拌10min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在60℃下固化80min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在30℃的温度下放置5min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在90℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1.5mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射5min后，将整体取出后在130℃下放置12h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
进一步的，步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为15：1。
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中以重量比为1：1组成的混合物。
进一步的，步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为20r/min。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的环境湿度为45％。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的转速为700r/min。
进一步的，步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为20nm。
一种液体透镜，包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
进一步的，所述PDMS薄膜的厚度为120μm。
进一步的，所述光学液体的折射率为1.50。
实施例4，
一种液体透镜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在35℃的温度下慢速搅拌15min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在55℃下固化90min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在35℃的温度下放置8min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在90℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1.5mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射4min后，将整体取出后在130℃下放置10h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
进一步的，步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为12：1。
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中以重量比为1：3组成的混合物。
进一步的，步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为20r/min。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的环境湿度为45％。
进一步的，步骤(1)中旋涂时的转速为750r/min。
进一步的，步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为20nm。
一种液体透镜，包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
进一步的，所述PDMS薄膜的厚度为120μm。
进一步的，所述光学液体的折射率为1.60。
对上述实施例所制备的液体透镜进行物化性能测试，四个实施例所制备的液体透镜PDMS薄膜内部均无气泡，且质地均匀；连续充放光学液体500次，没有发现有漏液及各组件开裂的现象。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，但本发明不局限于上述详细原料配比及具体操作方法，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液体透镜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备PDMS薄膜：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，在30-35℃的温度下慢速搅拌10-20min混合均匀后得到混合物，将混合物旋涂在硅片上，在50-60℃的温度下固化80-100min形成PDMS薄膜，用防静电真空吸钳将PDMS薄膜从硅片上吸下后备用；
(2)制备支撑环：取碳纤维环，在碳纤维环的上下表面均涂覆一层SiO2涂层；
(3)制备液体腔：称取羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂，搅拌混合均匀后，在30-40℃的温度下放置5-10min得到混合物，将混合物涂覆于圆柱体模具四周后，在80-90℃下固化成型、取出，得到液体腔，在液体腔的腔壁横向间隔打第一通液孔和第二通液孔，第一通液孔和第二通液孔的一端均与液体腔的腔室相连通，第一通液孔和第二通液孔的另一端均与外界相连通，所述液体腔的内径与步骤(2)中所述支撑环的内径相等；
(4)制备基底：将1-1.5mm厚的的玻璃片用丙酮和去离子水先后进行清洗，风干后备用；
(5)组合液体透镜：将制备好的PDMS薄膜、支撑杯、液体腔以及基底从上到下依次对齐堆叠后，放置于紫外臭氧清洗机内照射3-5min后，将整体取出后在100-150℃下放置10-15h，即得到液体透镜壳体；
(6)注入光学液体：通过第一通液孔将液体腔抽真空后，通过第二通液孔注入光学液体后密封第一通液孔，在第二通液孔的末端连接注液泵，即得到液体透镜。
2.如权利要求1所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述羟基封端聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的重量比为(10-15)：1。
3.如权利要求2所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为氨丙基三羟基硅烷和乙烯基三羟基硅烷中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述慢速搅拌的搅拌速度为10-30r/min。
5.如权利要求1所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中旋涂时的环境湿度为40-50％。
6.如权利要求1所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中旋涂时的转速为600-750r/min。
7.如权利要求1所述的一种液体透镜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述SiO2涂层的厚度为10-25nm。
8.如权利要求1-7中任一所述的一种液体透镜的制备方法所制备的液体透镜，其特征在于：包括玻璃基底、设于玻璃基底上方的液体腔、盖设于液体腔顶端的PDMS薄膜、用于支撑PDMS薄膜的支撑环以及容设于液体腔的光学液体，所述支撑环设于液体腔的腔壁上端，所述液体腔的腔壁间隔开设有第一通液孔和第二通液孔，所述第二通液孔的末端连接有注液泵。
9.如权利要求8中所述的液体透镜，其特征在于：所述PDMS薄膜的厚度为110-130μm。
10.如权利要求8中所述的液体透镜，其特征在于：所述光学液体的折射率为1.45-1.60。
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