一種電調控的變焦微透鏡陣列結構及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種電調控的變焦微透鏡陣列結構及其制備工藝，結構為底層、中間層、頂層三層結構，頂層和底層為透明導電層，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構，制備工藝是先在底層制備一層第一預結構聚合物薄膜，并實現其結構化成型；然后利用電場輔助填充流變工藝，實現介電液體在第一預結構聚合物薄膜表面腔體內的可控填充；再在頂層表面一層第二預結構聚合物薄膜，并與已填充有介電液體的第一預結構聚合物薄膜粘附，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；最后采用熱場輔助介電液體自聚集形成液滴，本發明的復合結構能夠在保持高集成度的前提下，表現出良好的光學性能。
【專利說明】
一種電調控的變焦微透鏡陣列結構及其制備工藝
技術領域
[0001]本發明屬于微納工程中的微透鏡陣列技術領域，具體涉及一種電調控的變焦微透鏡陣列結構及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]由于集成光學和光通信技術的迅速發展，智能化、穩定化、低功耗以及高集成度等對現代微納光學元件提出了新的需求。隨著工業、軍事以及醫學等領域對成像和光通訊速度要求的提高，微透鏡陣列作為其中重要的光學元件之一，得到了廣泛而深入的研究。例如在激光及其應用系統中，微透鏡陣列主要應用于激光的準直、光信息處理和成像等方面，然而這些方面的應用往往都要求微透鏡陣列的焦距可調以及具有較高的集成度。目前，國內外有眾多學者和研究機構開展關于變焦微透鏡陣列的研究工作，從不同角度，以不同的方式進行不同程度的探索和實驗，已經取得了不少突破性的研究成果，少量已經產品化，并且已成功應用到日常生活工作研究中。例如，佛羅里達大學的Shin-Tson Wu研究團隊設計制造了基于壓力驅動的變焦微透鏡陣列，能夠實現較大的調焦范圍，但該透鏡通常需要附加的外力驅動系統，難以滿足高集成度要求；日本科學家Sato等人提出了利用電光效應實現透鏡的可控變焦性，易于實現透鏡陣列化，但是由于液晶電場會導致液晶具有非均勻性這一光學特性，因此導致其自身的光學失真較大;S.Y.Lee等人提出了基于熱效應的變焦微透鏡陣列，具有價格低廉、結構設計靈活等優點，同時也存在制作工藝比較復雜、響應速度慢以及焦距調控范圍不夠大等缺點；S.Kuiper等人提出的基于電潤濕原理的可控變焦透鏡，雖然具有結構設計靈活、焦距調節范圍比較大等優點，但該類微透鏡還存在集成度低、受環境影響大、制造工藝復雜等缺點。由此可見，目前的微透鏡陣列在集成度、性能表征以及工藝復雜度方面存在突出的矛盾。如何以一種簡單工藝方法實現高集成度可變焦微透鏡陣列的可控制造，并展現出良好的性能特征是一個巨大的挑戰，即實現集成度、性能表征及工藝復雜度的有效結合。

【發明內容】

[0003]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種電調控的變焦微透鏡陣列結構及其制備工藝，實現微透鏡陣列高集成度、高性能和工藝復雜度的有機統一。
[0004]為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為:
[0005]—種電調控的變焦微透鏡陣列結構，為底層3、中間層、頂層4三層結構，頂層4和底層3為透明導電層，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中的周期性陣列結構。
[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]所述的一種電調控的變焦微透鏡陣列結構的制備工藝，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別的第一預結構聚合物薄膜11，然后采用壓印工藝實現第一預結構聚合物薄膜11的微米柱狀陣列結構化成型；
[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置于第一預結構聚合物薄膜11表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級別;其次，在介電液體容器6與底層3之間施加電壓U2;同時以毫米每秒或微米每秒的速度移動底層3，施加電壓U2的大小和底層3的移動速度決定了介電液體2在第一預結構聚合物薄膜11腔體內的填充比例，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的第一預結構聚合物薄膜11的頂部封裝:在頂層4表面制備一層厚度h3為微米級別的與第一步材料相同的第二預結構聚合物薄膜12，將其作為封裝層與已填充有介電液體2的第一預結構聚合物薄膜11粘附，兩部分預結構聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜I，實現把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜I之內；
[0013]第四步，熱場輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場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轉化溫度，由于介電液體2與聚合物薄膜I非互溶，根據能量最小化原理，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的復合結構形式。
[0014]本發明的有益效果為:本發明的復合結構能夠在保持高集成度的前提下，表現出良好的光學性能，其制備工藝在壓印和電輔助填充工藝的基礎上，實現復合結構的可控制造，本發明制備的基于電調控的變焦微透鏡陣列結構可廣泛用于光學成像和光通訊等微納光學領域。
【附圖說明】
[0015]圖1-1為電調控的變焦微透鏡陣列結構未施加外部電壓時的示意圖；圖1-2為電調控的變焦微透鏡陣列結構施加外部電壓時的變形示意圖。
[0016]圖2為利用壓印工藝在底層3實現第一預結構聚合物薄膜11的工藝示意圖。
[0017]圖3為底層3上制備的第一預結構聚合物薄膜11的示意圖。
[0018]圖4為利用電場輔助填充工藝實現介電液體在第一預結構聚合物薄膜11表面腔體內的填充示意圖。
[0019]圖5為介電液體2在第一預結構聚合物薄膜11填充后的示意圖。
[0020]圖6為在頂層4表面制備第二預結構聚合物薄膜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為利用熱場輔助實現介電液體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的復合結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0025]—種電調控的變焦微透鏡陣列結構，為底層3、中間層、頂層4三層結構，頂層4和底層3為透明導電層，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中的周期性陣列結構，與人眼結構比較，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，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由于靜電吸引會擠壓聚合物薄膜I，導致聚合物薄膜I的彈性變形，進而會對介電液體2產生相應的彈性擠壓力，同時，介電液體2與聚合物薄膜I界面處在電場作用下能夠產生麥克斯韋應力，驅動介電液體2對聚合物薄膜I產生推動作用，最終聚合物薄膜I彈性力、液固界面處的麥克斯韋應力以及介電液體2表面張力引發的附加壓強的平衡狀態決定了介電液體2的形貌，如圖1-2所示，在此過程中，施加的外加電場Ul不一致，介電液體2形貌就不一致，即通過改變外加電場UI能夠實現透鏡的曲率可控性，若是撤去外加電場Ul，在聚合物薄膜I彈性力作用下，恢復到初始未施加電場狀態，如圖1-1所示。
[0027]—種電調控的變焦微透鏡陣列結構得制備工藝，包括以下步驟:
[0028]第一步，熱塑性聚合物預結構制造:在底層3表面制備一層厚度1!2為微米級別的第一預結構聚合物薄膜U，然后采用壓印工藝實現第一預結構聚合物薄膜11的結構化成型，采用的壓印模板5凸起部分寬度W1，間距W2和高度In均為微米級別，如圖2所示，在聚合物薄膜上制備的陣列結構尺寸為槽寬W1、間距W2、槽深In，如圖3所示，所述的底層3為ITO或FT0，所述的第一預結構聚合物薄膜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置于第一預結構聚合物薄膜11表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級別;其次，在介電液體容器6與底層3之間施加電壓U2，同時以微米或毫米每秒的速度移動底層3，實現介電液體2在第一預結構聚合物薄膜11表面腔體內的電輔助填充，所述的介電液體2為光學硅油或丙三醇，如圖4所示，在此過程，施加電壓U2的大小、底層3的移動速度決定了介電液體2在第一預結構聚合物薄膜11腔體內的填充比例，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的第一預結構聚合物薄膜11的頂部封裝:在頂層4表面制備一層厚度h3為微米級別的與第一步材料相同的第二預結構聚合物薄膜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的第一預結構聚合物薄膜11粘附，兩部分預結構聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜1，實現把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜I之內，底層3和頂層4之間的間距h4為微米或毫米級別，鑲嵌在聚合物薄膜I中的介電液體2的尺寸為寬度W1為微米級別，間距W2為微米級別，高度In為微米級別，如圖7所示;
[0031 ]第四步，熱場輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場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轉化溫度，由于介電液體2與聚合物薄膜I非互溶，根據能量最小化原理，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的復合結構形式，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為微米級別，間距《3為微米級別，如圖9所示。
[0032]本發明設計的電調控變焦微透鏡陣列的復合結構及其制備工藝克服了傳統微透鏡陣列高集成度、高性能及其工藝簡單性之間有機統一的難題，實現了大范圍內微透鏡陣列的電場調控變焦，能夠滿足微納光學領域中變焦微透鏡陣列的廣泛需求。
【主權項】
1.一種電調控的變焦微透鏡陣列結構，為底層(3)、中間層、頂層(4)三層結構，其特征在于:頂層(4)和底層(3)為透明導電層，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)中的周期性陣列結構。2.根據權利要求1所述的一種電調控的變焦微透鏡陣列結構，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.根據權利要求1所述的一種電調控的變焦微透鏡陣列結構，其特征在于:所述的介電液體(2)為光學硅油或丙三醇。4.根據權利要求1所述的一種電調控的變焦微透鏡陣列結構，其特征在于:所述的聚合物薄膜(I)為聚丙烯酸脂。5.根據權利要求1所述的一種電調控的變焦微透鏡陣列結構的制備工藝，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別的第一預結構聚合物薄膜(11)，然后采用壓印工藝實現第一預結構聚合物薄膜(11)的微米柱狀陣列結構化成型； 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)置于第一預結構聚合物薄膜(11)表面之上，兩者之間的間距為微米或毫米級別;其次，在介電液體容器(6)與底層(3)之間施加電壓U2;同時以毫米每秒或微米每秒的速度移動底層(3)，施加電壓U2的大小和底層(3)的移動速度決定了介電液體(2)在第一預結構聚合物薄膜(11)腔體內的填充比例，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)的第一預結構聚合物薄膜(11)的頂部封裝:在頂層(4)表面制備一層厚度為微米級別的與第一步材料相同的第二預結構聚合物薄膜(12)，將其作為封裝層與已填充有介電液體(2)的第一預結構聚合物薄膜(11)粘附，兩部分預結構聚合物薄膜融合形成完整的聚合物薄膜(I)，實現把第二步填充的介電液體密封在聚合物薄膜(I)之內； 第四步，熱場輔助介電液體自聚集形成液滴:施加外部熱場(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轉化溫度，由于介電液體(2)與聚合物薄膜(I)非互溶，根據能量最小化原理，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)的復合結構形式。
【文檔編號】G02B3/14GK105842760SQ201610177789
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】田洪淼, 邵金友, 李祥明, 王炎, 王春慧, 胡鴻, 陳首任
【申請人】西安交通大學