CN112162338A - 一种基于ipmc驱动的全固态可调焦微透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学领域和MEMS领域，具体涉及一种可调焦微透镜，其结构为：柔性聚合物放置在玻璃薄膜和支撑玻璃之间，玻璃薄膜硬度较小，容易变形，支撑玻璃硬度较大，不易变形。智能材料IPMC环形驱动器放置在最顶层。金属外壳在整个结构的最外侧，起支撑保护的作用。当向环形IPMC施加电压时，IPMC外侧固定，内侧产生向下的位移，使薄玻璃膜、柔性聚合物产生变形，形成平凸透镜结构。通过施加的电压不同，IPMC产生的驱动力不同，平凸透镜的凸面曲率不同，焦距则不同。微透镜是一种典型的MEMS集成产品，具有体积小、功耗低、结构简单、无磁干扰等优点。

Description

一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜

技术领域

本发明涉及光学技术元件领域，具体是一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜。

背景技术

目前的相机、手机摄像头等光学产品的调焦方式多为数字变焦，通过算法将图像放大，实际上数字变焦并没有改变镜头的焦距。通过数码变焦，拍摄的景物变大了，但清晰度会有一定程度的下降。为了提高摄像头的成像，本申请设计了以光学变焦为原理的可调焦微透镜。

在目前所研究的可调焦透镜中，主要有液体透镜、固体透镜及液晶透镜三种。液体可调焦微透镜制作成本低，结构简单，但液体蒸发、泄露现象较为严重，且其稳定性容易受重力、温度等外界因素影响。液晶可调焦微透镜响应速度快，稳定性强，但成像质量较差。固体可调焦微透镜与其它两种相比，稳定性强，具有体积小、结构简单、无磁干扰等优点。但是基于智能材料的柔性固体变焦透镜面临着驱动电压较高的挑战，严重限制了其发展和应用。

IPMC的全称为离子聚合物金属复合材料，作为一种新型智能材料，受到了很多领域的广泛关注，当给该材料施加电场时，它会产生机械变形，即可以由电能转化为机械能，根据此原理可以作驱动器。当使这种材料产生一定的机械变形，在其两侧会形成电位差，即由机械能转化为电能，据此可用作传感器。当其用作驱动器时，施加约1-3V的电压即可产生大的应变，且在致动过程中响应速度快、耗能低。在本申请中采用了环形IPMC结构，将IPMC材料典型的弯曲运动转化为直线运动，来实现对微透镜焦距的调节作用。

发明内容

本发明提供了一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，具有驱动电压低、体积小、结构简单易集成、功耗低等优点，解决了传统透镜结构复杂、体积笨重、变焦范围小、磁干扰等缺陷，同时避免了目前存在的液体透镜的液体泄露蒸发、易受温度重力影响等问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，包括IPMC环形驱动器、薄玻璃膜、柔性聚合物、支撑玻璃和金属外壳，柔性聚合物置于薄玻璃膜和支撑玻璃之间，IPMC环形驱动器位于薄玻璃膜上方形成可调焦结构，将该可调焦结构置于金属外壳中构成一个整体；施加电压时，IPMC环形驱动器的内侧向下变形，驱动薄玻璃膜的边缘向下弯曲，中间的柔性聚合物受到挤压开始变形，成平凸透镜状。本发明中IPMC环形驱动器替代了传统的音圈马达，作为一种新型智能材料，IPMC在较小的电压下即能产生较大的位移，具有低功耗、结构简单、无磁干扰等优点。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜， IPMC环形驱动器的外直径和支撑玻璃的直径相等，IPMC环形驱动器的外直径大于薄玻璃膜的直径，IPMC环形驱动器的内直径小于薄玻璃膜的直径，IPMC环形驱动器位于薄玻璃膜上方后，薄玻璃膜的顶面和IPMC环形驱动器下方环面接触，柱状的柔性聚合物的直径小于IPMC环形驱动器内直径，IPMC环形驱动器和支撑玻璃内嵌在管状的金属外壳内，IPMC环形驱动器、薄玻璃膜、柔性聚合物、支撑玻璃和金属外壳同轴设置。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，IPMC作为驱动器来调节微透镜的焦距，IPMC环形驱动器在较小的电压下即可产生较大的位移。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，通过控制IPMC环形驱动器上施加电压的大小来控制焦距的大小。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，薄玻璃膜的厚度为5-200μm，材料为二氧化硅，硬度比柔性聚合物的硬度大，在发生形变之后更容易恢复原状，具有良好的透光性及弹性形变。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，柔性聚合物是透镜能够实现变焦的主体部分，具有高透光率、低杨氏模量、永久弹性、化学稳定性特点。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，制作柔性聚合物的材料是PDMS溶液，PDMS溶液是由道康宁SYLRARD184的A溶液（预聚物）和B溶液（固化剂）以20：1重量比混合的溶液。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，将PDMS溶液注入圆柱形模具中，置于支撑玻璃上，PDMS拥有一定粘性，加热成型后，PDMS柔性聚合物和支撑玻璃结合在一起。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，支撑玻璃为普通玻璃，作为微透镜的基底部分，主要起支撑的作用。支撑玻璃与柔性聚合物结合的一面不会变形，是一个平面镜。支撑玻璃具有较大的硬度和高透光率，内嵌于金属外壳中，起底部支撑的作用。

上述的基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，金属外壳位于整个可调焦结构的外侧，对整个可调焦结构起支撑保护的作用，可以使用铝合金等材料。

本发明中的圆柱形柔性聚合物是透镜的主体部分，当施加电压为零时，圆柱形柔性聚合物保持原状，微透镜呈平面透镜，聚焦无限远，如图5所示。当施加电压不为零时，聚合物在IPMC驱动器的作用下开始变形，微透镜呈平凸透镜，聚焦有限距离，如图6所示。

本发明与现有的技术相比：

A．驱动电压小，耗能低；

B．无电磁干扰，无液体泄露的风险；

C．结构简单，稳定性强，变焦范围广。

附图说明

图1为本发明中的可调微透镜的各个组件的示意图。

图2为本发明中的可调微透镜的三维结构示意图，a图为结构侧视图，b图为结构俯视图。

图3为本发明中的可调微透镜的截面图，a图为变形前，b图为变形后。

图4为柔性聚合物模具的加工过程示意图。

图5为本发明聚焦无限远时的示意图。

图6为本发明聚焦有限距离时的示意图。

图中：1-IPMC环形驱动器，2-薄玻璃膜，3-柔性聚合物，4-金属外壳，5-支撑玻璃。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案，结构及优点更加明了，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

图1中1为IPMC环形驱动器，2为薄玻璃膜，3为柔性聚合物，4为金属外壳，5为支撑玻璃。支撑玻璃5内嵌在金属外壳4中，支撑整个微透镜。柔性聚合物3是可调焦微透镜的主体部分，施加电压后，在致动器的作用下，薄玻璃膜2和柔性聚合物3发生形变，透镜焦距随之改变。

图1中的1IPMC环形驱动器外直径为5mm，内直径为3mm，厚度为200μm。

图1中的2薄玻璃膜直径为4mm，厚度为50μm。

图1中的3柔性聚合物的直径为2mm，厚度为400μm。

图1中的4金属外壳的外直径为6mm，内直径为5mm，高度为1mm。

图1中的5支撑玻璃的直径为5mm，厚度为200μm。

IPMC环形驱动器的制作过程如下：

a.将Nafion膜裁剪成正方形的小片，采用超细水性砂纸打磨Nafion膜两侧使表面粗化。

b.打磨过的Nafion膜放入蒸馏水中，超声振荡15min进行清洗。

c.主化学镀反应：处理完后的Nafion膜置于盛有0.25mol/L的NaOH溶液的烧杯中，浸泡40min。

d.将Nafion膜取出置于0.03mol/L的银氨溶液中充分浸泡15h。

e.将装有银氨溶液和Nafion膜的烧杯置于水浴锅中，温度为27℃，将0.025mol/L的葡萄糖溶液缓慢滴加到烧杯中，直至反应完成，期间不断搅拌。

f.次化学镀反应：将Nafion膜在银氨溶液中的浸泡时间缩短至4h，其他与主化学镀反应过程相同（即重复步骤c-e）。

g.反应完毕后的Ag-IPMC已具有致动效果，利用激光切割机切割成环形备用。

薄玻璃膜2是二氧化硅薄膜，它比柔性聚合物PDMS的硬度大，更不容易变形。

薄玻璃膜2和支撑玻璃5的切割过程如下：

a.清洁玻璃表面并根据所需要的尺寸进行标记。

b.在玻璃和玻璃刀上刷一层煤油，防止出现爆皮。

c.用圆笔刀匀速用力在标记上进行划痕。

d.用玻璃刀均匀敲打标记圆的外侧玻璃直到外侧玻璃掉落，然后就得到一个圆形的玻璃薄膜。

e.基片表面的处理：玻璃薄膜清洗烘干：用丙酮、乙醇溶液分别超声清洗玻璃片10分钟左右，之后用去离子水冲洗，氮气吹干；再将其置于用烘箱烘干，温度120℃，时间5分钟，冷却待用。

采用光刻工艺来进行柔性聚合物PDMS的模具的制作如图4所示，它的过程如下：

a.基片表面的处理：玻璃片清洗烘干：用丙酮、乙醇溶液分别超声清洗玻璃片10分钟左右，之后用去离子水冲洗，氮气吹干；再将其置于用烘箱烘干，温度120℃，时间5分钟，冷却待用。

b.涂SU-8胶：采用旋涂法，设置甩胶机的转速为500转/分，时长为5min。得到的SU-8胶的厚度为400um。

c.前烘：将旋涂在玻璃片上的SU-8胶放置加热板上，将加热板初始温度设为35℃，然后逐渐升温在95℃结束，确保玻璃片在热板上自然冷却至室温，从而完成胶层的前烘固化。

d.对准和曝光：首先把一个内直径为2mm的圆形图案在玻璃片表面准确定位或对准。然后通过曝光将图案转移到光刻胶图层上（由于该模型需要曝光的胶层较厚，所以需要尽量避免使用波长小于等于365nm的紫外光源进行曝光）。

e.后烘：使曝光区域的胶层能够充分发生交联反应形成致密结构。

f.显影：使用有机溶剂将没有被紫外光照射的胶层溶解去除。

g.硬烘：把玻璃片放置在加热板上加热1-2分钟，温度为100-130℃。

h.剥离：采用湿法化学剥离的方法，用高浓度的强酸或强碱溶液在加热的条件下可以在不破坏SU-8结构的前提下，完成胶层的剥离，得到具有直径为2mm通孔的模具。

柔性聚合物PDMS溶液的制备过程如下：

a.先用离心称称取适量道康宁SYLRARD184的A溶液（预聚物）和B溶液（固化剂），以20:1的重量比混合置入烧杯中。

b.用搅拌器搅拌5分钟。

c.真空脱泡，将烧杯放入真空室抽气20分钟。

d.把配置好的溶液放入冰箱冷冻室备用。

柔性聚合物的配备过程如下：

a.在加热板上铺上一层锡纸，把切割好的支撑玻璃放置在锡纸上。

b.把制作好的模具放在支撑玻璃的中心位置，然后用注射器将配制好的溶液注入模具通孔中。

c.打开加热板的开关，温度设置为150℃，时间为10min。

d.聚合物固化完毕后取下模具，支撑玻璃5和柔性聚合物3粘合在一起。

注意：PDMS溶液注入模具中时，溶液表面与模具尽量保持齐平，不可溢出，否则上表面不平整，影响透光效果。

如图1所示为微透镜的各个部分及其组合效果。

如图2所示为微透镜的三维结构示意图。

如图3所示为微透镜施加电压前后的变形示意图。由图a所示，未施加电压时，环形IPMC驱动器保持不动，整个透镜为平透镜状态，焦距为去无限远处。当施加电压后，如图b所示，微透镜开始发生改变，IPMC环形驱动器外侧固定，内侧向下驱动，薄玻璃膜和柔性聚合物PDMS外侧向下，中心处向上凸起，PDMS下表面依旧处于平面状态，此时微透镜呈平凸透镜状态，开始聚焦于有限距离。

本发明所研究的可变焦透镜是MEMS的集成产品，其微型化、智能化的特征使其适用于更多的领域。基于IPMC驱动的全固态可变焦微透镜克服了传统光学变焦的许多缺点，具有驱动电压低、结构简单、功耗低、易集成、变焦范围广等特点，在智能化光学设备等方面有着巨大的潜力与应用前景。

Claims (10)

1.一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：包括IPMC环形驱动器（1）、薄玻璃膜（2）、柔性聚合物（3）、支撑玻璃（5）和金属外壳（4），柔性聚合物（3）置于薄玻璃膜（2）和支撑玻璃（5）之间，IPMC环形驱动器（1）位于薄玻璃膜（2）上方形成可调焦结构，将该可调焦结构置于金属外壳中构成一个整体；施加电压时，IPMC环形驱动器（1）的内侧向下变形，驱动薄玻璃膜（2）的边缘向下弯曲，中间的柔性聚合物受到挤压开始变形，成平凸透镜状。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：IPMC环形驱动器（1）的外直径和支撑玻璃（5）的直径相等，IPMC环形驱动器（1）的外直径大于薄玻璃膜（2）的直径，IPMC环形驱动器（1）的内直径小于薄玻璃膜（2）的直径，IPMC环形驱动器（1）位于薄玻璃膜（2）上方后，薄玻璃膜（2）的顶面和IPMC环形驱动器（1）下方环面接触，柱状的柔性聚合物（3）的直径小于IPMC环形驱动器（1）内直径，IPMC环形驱动器（1）和支撑玻璃（5）内嵌在管状的金属外壳（4）内，IPMC环形驱动器（1）、薄玻璃膜（2）、柔性聚合物（3）、支撑玻璃（5）和金属外壳（4）同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：IPMC作为驱动器来调节微透镜的焦距，IPMC环形驱动器（1）在较小的电压下即可产生较大的位移。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：通过控制IPMC环形驱动器（1）上施加电压的大小来控制焦距的大小。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：薄玻璃膜（2）的厚度为5-200μm，硬度比柔性聚合物（3）的硬度大，具有良好的透光性及弹性形变。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：柔性聚合物（3）是透镜能够实现变焦的主体部分，具有高透光率、低杨氏模量、永久弹性、化学稳定性特点。

7.根据权利要求3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：制作柔性聚合物（3）的材料是PDMS溶液，PDMS溶液是由道康宁SYLRARD184的A溶液和B溶液以20：1重量比混合的溶液。

8.根据权利要求7所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：将PDMS溶液注入圆柱形模具中，置于支撑玻璃（5）上，PDMS拥有一定粘性，加热成型后，PDMS柔性聚合物和支撑玻璃（5）结合在一起。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：支撑玻璃（5）为普通玻璃，具有较大的硬度和高透光率，内嵌于金属外壳中，起底部支撑的作用。

10.根据权利要求1或2或3所述的一种基于IPMC驱动的全固态可调焦微透镜，其特征在于：金属外壳（4）位于整个可调焦结构的外侧，对整个可调焦结构起支撑保护的作用，可以使用铝合金等材料。

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