一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)及其制備工藝，結(jié)構(gòu)為底層、中間層、頂層三層結(jié)構(gòu)，頂層和底層為透明導(dǎo)電層，中間層為高折射率的介電液體鑲嵌在高彈性的聚合物薄膜中的周期性陣列結(jié)構(gòu)，制備工藝是先在底層制備一層第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜，并實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)化成型；然后利用電場(chǎng)輔助填充流變工藝，實(shí)現(xiàn)介電液體在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜表面腔體內(nèi)的可控填充；再在頂層表面一層第二預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜，并與已填充有介電液體的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜粘附，融合形成完整的聚合物薄膜，把介電液體密封在聚合物薄膜之內(nèi)；最后采用熱場(chǎng)輔助介電液體自聚集形成液滴，本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在保持高集成度的前提下，表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能。
【專利說(shuō)明】
一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)及其制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微納工程中的微透鏡陣列技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]由于集成光學(xué)和光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化、穩(wěn)定化、低功耗以及高集成度等對(duì)現(xiàn)代微納光學(xué)元件提出了新的需求。隨著工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Τ上窈凸馔ㄓ嵥俣纫蟮奶岣?，微透鏡陣列作為其中重要的光學(xué)元件之一，得到了廣泛而深入的研究。例如在激光及其應(yīng)用系統(tǒng)中，微透鏡陣列主要應(yīng)用于激光的準(zhǔn)直、光信息處理和成像等方面，然而這些方面的應(yīng)用往往都要求微透鏡陣列的焦距可調(diào)以及具有較高的集成度。目前，國(guó)內(nèi)外有眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開展關(guān)于變焦微透鏡陣列的研究工作，從不同角度，以不同的方式進(jìn)行不同程度的探索和實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)取得了不少突破性的研究成果，少量已經(jīng)產(chǎn)品化，并且已成功應(yīng)用到日常生活工作研究中。例如，佛羅里達(dá)大學(xué)的Shin-Tson Wu研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了基于壓力驅(qū)動(dòng)的變焦微透鏡陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的調(diào)焦范圍，但該透鏡通常需要附加的外力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，難以滿足高集成度要求；日本科學(xué)家Sato等人提出了利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)透鏡的可控變焦性，易于實(shí)現(xiàn)透鏡陣列化，但是由于液晶電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致液晶具有非均勻性這一光學(xué)特性，因此導(dǎo)致其自身的光學(xué)失真較大;S.Y.Lee等人提出了基于熱效應(yīng)的變焦微透鏡陣列，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在制作工藝比較復(fù)雜、響應(yīng)速度慢以及焦距調(diào)控范圍不夠大等缺點(diǎn)；S.Kuiper等人提出的基于電潤(rùn)濕原理的可控變焦透鏡，雖然具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、焦距調(diào)節(jié)范圍比較大等優(yōu)點(diǎn)，但該類微透鏡還存在集成度低、受環(huán)境影響大、制造工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。由此可見(jiàn)，目前的微透鏡陣列在集成度、性能表征以及工藝復(fù)雜度方面存在突出的矛盾。如何以一種簡(jiǎn)單工藝方法實(shí)現(xiàn)高集成度可變焦微透鏡陣列的可控制造，并展現(xiàn)出良好的性能特征是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，即實(shí)現(xiàn)集成度、性能表征及工藝復(fù)雜度的有效結(jié)合。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)及其制備工藝，實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列高集成度、高性能和工藝復(fù)雜度的有機(jī)統(tǒng)一。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]—種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，為底層3、中間層、頂層4三層結(jié)構(gòu)，頂層4和底層3為透明導(dǎo)電層，用于提供外部電，中間層為高折射率的介電液體2鑲嵌在高彈性的聚合物薄膜I中的周期性陣列結(jié)構(gòu)。
[0006]所述的頂層4、底層3為氧化銦錫ITO或氧化氟錫FTO玻璃。
[0007]所述的介電液體2為光學(xué)硅油或丙三醇。
[0008]所述的聚合物薄膜I為聚丙烯酸脂。
[0009]所述的一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的制備工藝，包括以下步驟:
[0010]第一步，在底層3表面制備一層厚度為微米級(jí)別的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11，然后采用壓印工藝實(shí)現(xiàn)第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的微米柱狀陣列結(jié)構(gòu)化成型；
[0011]第二步，介電液體的可控填充:首先，將裝有介電液體2的介電液體容器6置于第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級(jí)別;其次，在介電液體容器6與底層3之間施加電壓U2;同時(shí)以毫米每秒或微米每秒的速度移動(dòng)底層3，施加電壓U2的大小和底層3的移動(dòng)速度決定了介電液體2在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11腔體內(nèi)的填充比例，完成介電液體2體積的可控注入；
[0012]第三步，已填充介電液體2的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的頂部封裝:在頂層4表面制備一層厚度h3為微米級(jí)別的與第一步材料相同的第二預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜12，將其作為封裝層與已填充有介電液體2的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11粘附，兩部分預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜I，實(shí)現(xiàn)把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜I之內(nèi)；
[0013]第四步，熱場(chǎng)輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場(chǎng)7，令第三步制備的包裹有介電液體2的聚合物薄膜I升至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，由于介電液體2與聚合物薄膜I非互溶，根據(jù)能量最小化原理，介電液體2在其表面張力作用下形成類圓形液滴形貌，最終將溫度降至室溫，即得到了聚合物薄膜I包裹類圓形介電液滴2的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在保持高集成度的前提下，表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能，其制備工藝在壓印和電輔助填充工藝的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控制造，本發(fā)明制備的基于電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)可廣泛用于光學(xué)成像和光通訊等微納光學(xué)領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1-1為電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)未施加外部電壓時(shí)的示意圖；圖1-2為電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)施加外部電壓時(shí)的變形示意圖。
[0016]圖2為利用壓印工藝在底層3實(shí)現(xiàn)第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的工藝示意圖。
[0017]圖3為底層3上制備的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的示意圖。
[0018]圖4為利用電場(chǎng)輔助填充工藝實(shí)現(xiàn)介電液體在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11表面腔體內(nèi)的填充示意圖。
[0019]圖5為介電液體2在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11填充后的示意圖。
[0020]圖6為在頂層4表面制備第二預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜12的示意圖。
[0021 ]圖7為填充有介電液體2的聚合物薄膜I的封裝示意圖。
[0022]圖8為利用熱場(chǎng)輔助實(shí)現(xiàn)介電液體2自聚集形成液體的示意圖。
[0023]圖9為制備的聚合物薄膜I包裹類圓形介電液體2的復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0025]—種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，為底層3、中間層、頂層4三層結(jié)構(gòu)，頂層4和底層3為透明導(dǎo)電層，用于提供外部電，中間層為高折射率的介電液體2鑲嵌在高彈性的聚合物薄膜I中的周期性陣列結(jié)構(gòu)，與人眼結(jié)構(gòu)比較，介電液體2是人眼晶狀體，聚合物薄膜I是人眼眼眶。
[0026]在頂層4與底層3之間，未施加電壓Ul時(shí)，介電液體2在表面張力以及聚合物薄膜I彈性力作用下維持近類圓形的形貌，如圖1-1所示;施加外部電壓Ul后，頂層4和底層3由于靜電吸引會(huì)擠壓聚合物薄膜I，導(dǎo)致聚合物薄膜I的彈性變形，進(jìn)而會(huì)對(duì)介電液體2產(chǎn)生相應(yīng)的彈性擠壓力，同時(shí)，介電液體2與聚合物薄膜I界面處在電場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生麥克斯韋應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)介電液體2對(duì)聚合物薄膜I產(chǎn)生推動(dòng)作用，最終聚合物薄膜I彈性力、液固界面處的麥克斯韋應(yīng)力以及介電液體2表面張力引發(fā)的附加壓強(qiáng)的平衡狀態(tài)決定了介電液體2的形貌，如圖1-2所示，在此過(guò)程中，施加的外加電場(chǎng)Ul不一致，介電液體2形貌就不一致，即通過(guò)改變外加電場(chǎng)UI能夠?qū)崿F(xiàn)透鏡的曲率可控性，若是撤去外加電場(chǎng)Ul，在聚合物薄膜I彈性力作用下，恢復(fù)到初始未施加電場(chǎng)狀態(tài)，如圖1-1所示。
[0027]—種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)得制備工藝，包括以下步驟:
[0028]第一步，熱塑性聚合物預(yù)結(jié)構(gòu)制造:在底層3表面制備一層厚度1!2為微米級(jí)別的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜U，然后采用壓印工藝實(shí)現(xiàn)第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的結(jié)構(gòu)化成型，采用的壓印模板5凸起部分寬度W1，間距W2和高度In均為微米級(jí)別，如圖2所示，在聚合物薄膜上制備的陣列結(jié)構(gòu)尺寸為槽寬W1、間距W2、槽深I(lǐng)n，如圖3所示，所述的底層3為ITO或FT0，所述的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11為聚丙烯酸脂；
[0029]第二步，介電液體的可控填充:首先，將裝有介電液體2的介電液體容器6置于第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級(jí)別;其次，在介電液體容器6與底層3之間施加電壓U2，同時(shí)以微米或毫米每秒的速度移動(dòng)底層3，實(shí)現(xiàn)介電液體2在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11表面腔體內(nèi)的電輔助填充，所述的介電液體2為光學(xué)硅油或丙三醇，如圖4所示，在此過(guò)程，施加電壓U2的大小、底層3的移動(dòng)速度決定了介電液體2在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11腔體內(nèi)的填充比例，完成介電液體2體積的可控注入，如圖5所示；
[0030]第三步，已填充介電液體2的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11的頂部封裝:在頂層4表面制備一層厚度h3為微米級(jí)別的與第一步材料相同的第二預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜12，所述的頂層4為ITO或FT0，如圖6所示，將其作為封裝層與已填充有介電液體2的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜11粘附，兩部分預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜1，實(shí)現(xiàn)把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜I之內(nèi)，底層3和頂層4之間的間距h4為微米或毫米級(jí)別，鑲嵌在聚合物薄膜I中的介電液體2的尺寸為寬度W1為微米級(jí)別，間距W2為微米級(jí)別，高度In為微米級(jí)別，如圖7所示;
[0031 ]第四步，熱場(chǎng)輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場(chǎng)7，令第三步制備的包裹有介電液體2的聚合物薄膜I升至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，由于介電液體2與聚合物薄膜I非互溶，根據(jù)能量最小化原理，介電液體2在其表面張力作用下形成類圓形液滴形貌，如圖8所示，最終將溫度降至室溫，即得到了聚合物薄膜I包裹類圓形介電液滴2的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，制備的鑲嵌在聚合物薄膜I中的周期性介電液滴2的尺寸為直徑D1為微米級(jí)別，間距《3為微米級(jí)別，如圖9所示。
[0032]本發(fā)明設(shè)計(jì)的電調(diào)控變焦微透鏡陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備工藝克服了傳統(tǒng)微透鏡陣列高集成度、高性能及其工藝簡(jiǎn)單性之間有機(jī)統(tǒng)一的難題，實(shí)現(xiàn)了大范圍內(nèi)微透鏡陣列的電場(chǎng)調(diào)控變焦，能夠滿足微納光學(xué)領(lǐng)域中變焦微透鏡陣列的廣泛需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，為底層(3)、中間層、頂層(4)三層結(jié)構(gòu)，其特征在于:頂層(4)和底層(3)為透明導(dǎo)電層，用于提供外部電，中間層為高折射率的介電液體(2)鑲嵌在高彈性的聚合物薄膜(I)中的周期性陣列結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的頂層(4)、底層(3)為氧化銦錫ITO或氧化氟錫FTO玻璃。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的介電液體(2)為光學(xué)硅油或丙三醇。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的聚合物薄膜(I)為聚丙烯酸脂。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電調(diào)控的變焦微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，在底層(3)表面制備一層厚度為微米級(jí)別的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)，然后采用壓印工藝實(shí)現(xiàn)第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)的微米柱狀陣列結(jié)構(gòu)化成型； 第二步，介電液體的可控填充:首先，將裝有介電液體(2)的介電液體容器(6)置于第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級(jí)別;其次，在介電液體容器(6)與底層(3)之間施加電壓U2;同時(shí)以毫米每秒或微米每秒的速度移動(dòng)底層(3)，施加電壓U2的大小和底層(3)的移動(dòng)速度決定了介電液體(2)在第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)腔體內(nèi)的填充比例，完成介電液體(2)體積的可控注入； 第三步，已填充介電液體(2)的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)的頂部封裝:在頂層(4)表面制備一層厚度為微米級(jí)別的與第一步材料相同的第二預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(12)，將其作為封裝層與已填充有介電液體(2)的第一預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜(11)粘附，兩部分預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜(I)，實(shí)現(xiàn)把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜(I)之內(nèi)； 第四步，熱場(chǎng)輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場(chǎng)(7)，令第三步制備的包裹有介電液體(2)的聚合物薄膜(I)升至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，由于介電液體(2)與聚合物薄膜(I)非互溶，根據(jù)能量最小化原理，介電液體(2)在其表面張力作用下形成類圓形液滴形貌，最終將溫度降至室溫，即得到了聚合物薄膜(I)包裹類圓形介電液滴(2)的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。
【文檔編號(hào)】G02B3/14GK105842760SQ201610177789
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】田洪淼, 邵金友, 李祥明, 王炎, 王春慧, 胡鴻, 陳首任
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)