[发明专利]一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法

说明书

技术领域

本发明装置涉及透镜阵列，更具体地讲，涉及一种可变焦液体透镜阵列及其操控方法。

背景技术

透镜阵列是一种二维集成器件，这种器件在光显示、光通信、光成像和光存储等许多领域有很广泛的应用，如利用透镜阵列制作的光互连器件、图像多重变换和识别、光无源器件阵列等，一直受到了研究者和企业界的关注。

目前已报道了许多制造透镜阵列的方法，比如：光刻胶热回流、干刻蚀，聚合物喷射印刷、紫外线印刻、热压和激光加工。上述方法都是制造固态透镜阵列，其透镜表面轮廓和焦距取决于加工参数，加工成形后其参数不能改变。然而，在一些成像和显示应用领域，例如2D/3D可切换显示，光学器件在不同显示模式下需要调整。一般来说，使用机械移动式光学部件来实现调整，会使系统庞大和复杂。为实现小型化且可调的目标，专家们提出了具有可变焦的透镜阵列，主要有不混溶液体透镜（包括电湿润液体透镜和介电力液体透镜等）、液晶透镜和填充式液体透镜。不混溶液体透镜和液晶透镜都能在电场调节下调节焦距，但这些透镜的成本高。对于液晶透镜，由于需要转换成偏振光，其转换的光损失达50%；而不混溶液体透镜存在液体蒸发和工作电压高等不足。

相比之下，结合光学和微流控技术的填充式液体透镜具有一些独特的优点。首先，它的制作过程相对简单。其次，其常选用的薄膜材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)在一个宽光谱范围具有良好的光学传输特性。最后，它的表面轮廓以及焦距可以动态地调整，可简单采用液泵来制成一个紧凑的系统。

对于填充式液体透镜阵列，需要建立一个微流控网络连接各个透镜单元，这些微流控网络结构较为复杂、开口率有限，且大面积透镜阵列的均匀性受制于重力效应，只限于水平放置工作。

发明内容

为克服现有液体透镜阵列存在的结构复杂、开口率有限和透镜阵列均匀性受制于重力效应的困难，本发明提出一种可变焦液体透镜阵列，属于一种填充式液体透镜阵列，并能够实现从正焦距到负焦距的大范围变焦。所述透镜阵列包括：液体I、液体II、容器盒、弹性容器I、弹性容器II、弹性薄膜、微支柱阵列、导管I和导管II。液体I、液体II、容器盒、弹性薄膜都是无色透明的。容器盒内有一块弹性薄膜将容器盒分成腔I和腔II，腔I装满液体I，腔II装满液体II，液体I的折射率大于液体II的折射率，液体I和液体II不相混溶且密度近似相等。容器盒的腔I通过导管I与弹性容器I连通，且弹性容器I装有液体I；容器盒的腔II通过导管II与弹性容器II连通，且弹性容器II装有液体II。弹性容器I和弹性容器II均可以通过变形来改变容积。

弹性薄膜的两表面由二维的柱支撑阵列支撑，容器盒的腔I和腔II内都有微支柱阵列，微支柱一端固定在容器盒的内壁上，微支柱另一端与弹性薄膜接触，且当所述透镜阵列在初始状态时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列的焦距为无穷大、无透镜功能。

操控过程一：所述液体透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器I来减小其容积，且放松弹性容器II，使更多液体I流入容器盒的腔I内，腔II的液体II会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凸透镜阵列，其焦距f为有限正值。在f为正的情况下，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使f减小；反之，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使f增大，f增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态。操控过程一实现了所述透镜阵列从有限正焦距到正无穷大的变焦。

操控过程二：所述透镜阵列首先处于初始状态，通过挤压弹性容器II来减小其容积，且放松弹性容器I，使更多液体II流入容器盒的腔II内，腔I的液体I会同时减少，弹性薄膜在液压和微支柱阵列的作用下发生二维透镜阵列轮廓一样的形变，此时，所述透镜阵列形成凹透镜阵列，其焦距f为有限负值。在f为负的情况下，进一步减小弹性容器II的容积且放松弹性容器I，会使焦距的绝对值| f |减小；反之，进一步减小弹性容器I的容积且放松弹性容器II，会使| f |增大，| f |增大到无穷大时，弹性薄膜处于平面形态，所述透镜阵列回到初始状态。操控过程二实现了所述透镜阵列从有限负焦距到负无穷大的变焦。

由于所述透镜阵列的容器盒内部的两种液体具有一定深度，所以选用密度相近或相等的两种液体可以有效减小或消除重力效应，使透明弹性薄膜在不同深度的形变一致或者近似一致。