一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法。透鏡陣列包括：液體I、液體II、透明的容器盒、彈性容器I、彈性容器II、透明的彈性薄膜、微支柱陣列、導(dǎo)管I和導(dǎo)管II。容器盒內(nèi)的彈性薄膜將容器盒分成腔I和腔II，分別裝滿液體I和液體II，液體I的折射率大于液體II的折射率且密度近似相等。彈性薄膜的兩表面都由二維的微支柱陣列支撐，通過改變彈性容器I和彈性容器II的容積，驅(qū)使液體I和液體II流動(dòng)，使彈性薄膜發(fā)生二維透鏡陣列輪廓一樣的形變，使本發(fā)明透鏡陣列實(shí)現(xiàn)能從有限正焦距到正無窮大的變焦，以及能從有限負(fù)焦距到負(fù)無窮大的變焦。
【專利說明】一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明裝置涉及透鏡陣列，更具體地講，涉及一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]透鏡陣列是一種二維集成器件，這種器件在光顯示、光通信、光成像和光存儲(chǔ)等許多領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，如利用透鏡陣列制作的光互連器件、圖像多重變換和識別、光無源器件陣列等，一直受到了研究者和企業(yè)界的關(guān)注。
[0003]目前已報(bào)道了許多制造透鏡陣列的方法，比如:光刻膠熱回流、干刻蝕，聚合物噴射印刷、紫外線印刻、熱壓和激光加工。上述方法都是制造固態(tài)透鏡陣列，其透鏡表面輪廓和焦距取決于加工參數(shù)，加工成形后其參數(shù)不能改變。然而，在一些成像和顯示應(yīng)用領(lǐng)域，例如2D/3D可切換顯示，光學(xué)器件在不同顯示模式下需要調(diào)整。一般來說，使用機(jī)械移動(dòng)式光學(xué)部件來實(shí)現(xiàn)調(diào)整，會(huì)使系統(tǒng)龐大和復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)小型化且可調(diào)的目標(biāo)，專家們提出了具有可變焦的透鏡陣列，主要有不混溶液體透鏡(包括電濕潤液體透鏡和介電力液體透鏡等)、液晶透鏡和填充式液體透鏡。不混溶液體透鏡和液晶透鏡都能在電場調(diào)節(jié)下調(diào)節(jié)焦距，但這些透鏡的成本高。對于液晶透鏡，由于需要轉(zhuǎn)換成偏振光，其轉(zhuǎn)換的光損失達(dá)50% ；而不混溶液體透鏡存在液體蒸發(fā)和工作電壓高等不足。
[0004]相比之下，結(jié)合光學(xué)和微流控技術(shù)的填充式液體透鏡具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，它的制作過程相對簡單。其次，其常選用的薄膜材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)在一個(gè)寬光譜范圍具有良好的光學(xué)傳輸特性。最后，它的表面輪廓以及焦距可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整，可簡單采用液泵來制成一個(gè)緊湊的系統(tǒng)。
[0005]對于填充式液體透鏡陣列，需要建立一個(gè)微流控網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)透鏡單元，這些微流控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、開口率有限，且大面積透鏡陣列的均勻性受制于重力效應(yīng)，只限于水平放置工作。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為克服現(xiàn)有液體透鏡陣列存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開口率有限和透鏡陣列均勻性受制于重力效應(yīng)的困難，本發(fā)明提出一種可變焦液體透鏡陣列，屬于一種填充式液體透鏡陣列，并能夠?qū)崿F(xiàn)從正焦距到負(fù)焦距的大范圍變焦。所述透鏡陣列包括:液體1、液體I1、容器盒、彈性容器1、彈性容器I1、彈性薄膜、微支柱陣列、導(dǎo)管I和導(dǎo)管II。液體1、液體I1、容器盒、彈性薄膜都是無色透明的。容器盒內(nèi)有一塊彈性薄膜將容器盒分成腔I和腔II，腔I裝滿液體I，腔II裝滿液體II，液體I的折射率大于液體II的折射率，液體I和液體II不相混溶且密度近似相等。容器盒的腔I通過導(dǎo)管I與彈性容器I連通，且彈性容器I裝有液體I;容器盒的腔II通過導(dǎo)管II與彈性容器II連通，且彈性容器II裝有液體II。彈性容器I和彈性容器II均可以通過變形來改變?nèi)莘e。
[0007]彈性薄膜的兩表面由二維的柱支撐陣列支撐，容器盒的腔I和腔II內(nèi)都有微支柱陣列，微支柱一端固定在容器盒的內(nèi)壁上，微支柱另一端與彈性薄膜接觸，且當(dāng)所述透鏡陣列在初始狀態(tài)時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列的焦距為無窮大、無透鏡功能。
[0008]操控過程一:所述液體透鏡陣列首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器I來減小其容積，且放松彈性容器II，使更多液體I流入容器盒的腔I內(nèi)，腔II的液體II會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜在液壓和微支柱陣列的作用下發(fā)生二維透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，所述透鏡陣列形成凸透鏡陣列，其焦距/為有限正值。在/為正的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會(huì)使/減??；反之，進(jìn)一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會(huì)使/增大，/增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。操控過程一實(shí)現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限正焦距到正無窮大的變焦。
[0009]操控過程二:所述透鏡陣列首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器II來減小其容積，且放松彈性容器I，使更多液體II流入容器盒的腔II內(nèi)，腔I的液體I會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜在液壓和微支柱陣列的作用下發(fā)生二維透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，所述透鏡陣列形成凹透鏡陣列，其焦距/為有限負(fù)值。在/為負(fù)的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會(huì)使焦距的絕對值I f I減?。环粗?，進(jìn)一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會(huì)使I f I增大，I f I增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。操控過程二實(shí)現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限負(fù)焦距到負(fù)無窮大的變焦。
[0010]由于所述透鏡陣列的容器盒內(nèi)部的兩種液體具有一定深度，所以選用密度相近或相等的兩種液體可以有效減小或消除重力效應(yīng)，使透明彈性薄膜在不同深度的形變一致或者近似一致。
[0011]微支柱制作得很細(xì)，減少檔光面積，使所述透鏡陣列具有較大開口率。
[0012]所述透鏡陣列產(chǎn)生的透鏡面可采用成本比較低的材料制造，制造難度不高，而且不需要施加專門的電場和安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，能有效降低成本。
[0013]附圖的說明
附圖1為本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例的初始狀態(tài)時(shí)的剖面圖。
[0014]附圖2為本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例的微支柱09陣列和容器盒04的俯視圖。
[0015]附圖3為本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例變焦為凸透鏡陣列時(shí)的剖面圖。
[0016]附圖4為本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例變焦為凹透鏡陣列時(shí)的剖面圖。
[0017]上述附圖中的圖示標(biāo)號為:
01:液體I，02:液體II，03:彈性薄膜，04:容器盒，05:導(dǎo)管I，06:導(dǎo)管II，07:彈性容器I，08:彈性容器II，09:微支柱
注:上述附圖只是示意性的，并沒有按比例繪制。
[0018]【具體實(shí)施方式】
附圖1為本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例初始狀態(tài)時(shí)的剖面圖，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例包括:無色透明的液體101、無色透明的液體1102、無色透明的彈性薄膜03、無色透明的容器盒
04、彈性容器107、彈性容器1108、微支柱09陣列、導(dǎo)管105和導(dǎo)管1106。容器盒04內(nèi)有彈性薄膜03將第一容器分成兩個(gè)腔，分別為腔I和腔II，腔I裝有液體101，腔II裝有液體1102，液體1l和液體1102不相混溶，且液體1l選用二硫化碳，其折射率為1.628，密度為1.263g/cm3，液體1102選用甘油，其折射率為1.473，密度為1.260g/cm3。容器盒04的腔I通過導(dǎo)管105與彈性容器107聯(lián)通，且彈性容器107裝有液體1l ;容器盒的腔II通過導(dǎo)管1106與彈性容器1108聯(lián)通，且彈性容器1108裝有液體1102。彈性容器107和彈性容器1108均可以通過變形來改變?nèi)莘e。
[0019]彈性薄膜03由微支柱09陣列來支撐，微支柱09陣列屬于二維陣列，微支柱09和容器盒04的俯視圖如附圖2所示，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例的微支柱是等間距的，相鄰微支柱09的水平和豎直方向的中心間距均為0.900mm。容器盒04的腔I和腔II內(nèi)都有微支柱09陣列，微支柱09 —端固定在容器盒04的內(nèi)壁上，微支柱09另一端與彈性薄膜03接觸，且當(dāng)本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例在初始狀態(tài)時(shí)，彈性薄膜03處于平面形態(tài)，腔I內(nèi)的微支柱09與腔II內(nèi)的微支柱09是相對于彈性薄膜03鏡面對稱分布，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例的焦距為無窮大、無透鏡功能，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例此時(shí)的剖面圖如附圖1所示。
[0020]操控過程一:本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器107來減小其容積，且放松彈性容器1108，使更多液體1l流入容器盒04的腔I內(nèi)，腔II的液體1102會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜03在液壓和微支柱09陣列的作用下發(fā)生透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例成凸透鏡陣列，焦距/為正值，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例此時(shí)的剖面圖如附圖3所示。在/為正的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器107的容積且放松彈性容器Π08，會(huì)使/減?。环粗?，進(jìn)一步減小彈性容器1108的容積且放松彈性容器107，會(huì)使/增大，/增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜03處于平面形態(tài)，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例回到初始狀態(tài)。操控過程一實(shí)現(xiàn)了透鏡陣列的正焦距變焦，且單個(gè)透鏡尺寸為0.900mmX0.900mm。
[0021]操控過程二:本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器1108來減小其容積，且放松彈性容器107，使更多液體1102流入容器盒04的腔II內(nèi)，腔I的液體1l會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜03在液壓和微支柱09陣列的作用下發(fā)生透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例成凹透鏡陣列，/為負(fù)值，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例此時(shí)的剖面圖如附圖4所示。在/為負(fù)的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器1108的容積且放松彈性容器107，會(huì)使焦距的絕對值I f I減小；反之，進(jìn)一步減小彈性容器107的容積且放松彈性容器1108，會(huì)使I f I增大，I f I增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜03處于平面形態(tài)，本發(fā)明透鏡陣列實(shí)施例回到初始狀態(tài)。操控過程二實(shí)現(xiàn)了透鏡陣列的負(fù)焦距變焦，且單個(gè)透鏡尺寸為0.900mmX0.900mm。
【權(quán)利要求】
1.一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法，所述透鏡陣列包括:無色透明的液體1、無色透明的液體I1、無色透明的容器盒、彈性容器1、彈性容器I1、無色透明的彈性薄膜、微支柱陣列、導(dǎo)管I和導(dǎo)管II，無色透明的容器盒內(nèi)有一塊無色透明的彈性薄膜將容器盒分成兩個(gè)腔，分別為腔I和腔II，腔I裝液體I，腔II裝液體II，液體I和液體II不相混溶，且液體I和液體II的密度近似相等，液體I的折射率大于液體II的折射率，容器盒的腔I通過導(dǎo)管I與彈性容器I連通，且彈性容器I裝有液體I，容器盒的腔II通過導(dǎo)管II與彈性容器II連通，且彈性容器II裝有液體II，彈性容器I和彈性容器II均可以通過變形來改變?nèi)莘e，通過操控過程一實(shí)現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限正焦距到正無窮大的變焦，且通過操控過程二實(shí)現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限負(fù)焦距到負(fù)無窮大的變焦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種可變焦液體透鏡陣列，其特征在于，彈性薄膜的兩表面由二維的柱支撐陣列支撐，容器盒的腔I和腔II內(nèi)都有微支柱陣列，微支柱一端固定在容器盒的內(nèi)壁上，微支柱另一端與彈性薄膜接觸，且所述透鏡陣列在初始狀態(tài)時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列的焦距為無窮大、無透鏡功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法，其特征在于，對于操控過程一，所述透鏡陣列首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器I來減小其容積，且放松彈性容器II，使更多液體I流入容器盒的腔I內(nèi)，腔II的液體II會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜在液壓和微支柱陣列的作用下發(fā)生二維透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，所述透鏡陣列成凸透鏡陣列，其焦距f為有限正值，在f為正的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會(huì)使f減??；反之，進(jìn)一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會(huì)使f增大，f增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法，其特征在于，對于操控過程二，所述透鏡陣列首先處于初始狀態(tài)，通過擠壓彈性容器II來減小其容積，且放松彈性容器I，使更多液體II流入容器盒的腔II內(nèi)，腔I的液體I會(huì)同時(shí)減少，彈性薄膜在液壓和微支柱陣列的作用下發(fā)生二維透鏡陣列輪廓一樣的形變，此時(shí)，所述透鏡陣列成凹透鏡陣列，其焦距f為有限負(fù)值，在f為負(fù)的情況下，進(jìn)一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會(huì)使焦距的絕對值I f I減?。环粗?，進(jìn)一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會(huì)使I f I增大，I f I增大到無窮大時(shí)，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。
【文檔編號】G02B3/14GK104035149SQ201410231010
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】趙悟翔, 王瓊?cè)A, 鄧歡 申請人:四川大學(xué)