[发明专利]一种基于温度控制的自动变焦薄膜液体透镜及制备方法

说明书

本发明涉及一种基于温度控制的自动变焦薄膜液体透镜及制备方法，光学薄膜结构位于圆孔结构与微通道之间，透明玻璃片位于微通道与半导体制冷片之间，半导体制冷下端设有热沉结构；微通道内设有空气腔，与微通道侧壁的空气出口连通；光学薄膜结构与透明玻璃片之间设有光学液体腔，空气腔与光学液体腔之间设有微通道结构，与微通道恻壁的液体入口连通；本发明实现薄膜液体透镜的精确调焦功能，通过控制密封空间内气体的温度，使得空气体积变化，从而引起薄膜向上膨出或者向内凹陷，最后实现对光线的会聚或发散作用。该液体透镜同时具备凹透镜和凸透镜的功能，并且焦距连续可调。

技术领域

本发明属于薄膜液体透镜领域，涉及一种基于温度控制的自动变焦薄膜液体透镜及制备方法，更具体地说，是涉及一种通过控制密封腔体内气体的温度、压强及体积，驱动微管道内液体流动，实现自动变焦的薄膜液体透镜及相关设计的液体透镜阵列。

背景技术

液体透镜是以液体材料作为光学材料，可通过控制液体界面曲率或改变液体折射率而实现变焦功能。与自动对焦镜头相比，液体透镜因为少了移动的机械结构，具有体积小、反应速度快等优点，已经在生物医疗仪器、微小光学系统检测、智能光学仪器、仿生视觉、光信息通讯等领域应用广泛。

液体透镜主要分为液晶透镜、电润湿透镜、薄膜液体透镜等类型。主要利用液晶材料的双折射效应，即针对不同偏振光的折射率不同，通过控制电压来改变液晶分子的晶向分布，而不同晶向分布对应着不同的折射率，从而实现折射率的渐变，产生了透镜效应。液晶透镜操作简单，但是要求入射光源为偏振光，针对自然光宽光谱变焦仍然是液体透镜的研究难点。

电润湿透镜利用电润湿效应，及通过改变液滴与绝缘基板之间的电压，来改变液滴的形状，进而改变液滴与基板的接触角，这样，液滴表层的润湿特性也会随之有所改变。1995年Gorman等利用介质上的电润湿效应在透明电极上放置一个液滴，并对其通电来改变外形，初步实现了变焦功能。2000年，B.Berge等共同对Gorman的研究进行了改进，并且成立了商业公司。如今较为成熟的液体透镜多是利用介质上的电润湿效应的变焦液体透镜。但是该种透镜存在以下问题：工艺制备较为复杂、控制电压较高，通光孔径较小等限制。

薄膜液体透镜是通过外力来改变薄膜曲率的液体透镜，美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)研究了一种液体变焦透镜结构，液体腔使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，将光学液体注入到透镜腔，由外置液压马达来控制液体透镜的容积，进而液体透镜腔表面的曲率发生相应变化，达到了调节透镜焦距的目的。薄膜液体透镜是光学设计最为丰富、光学效果最佳的一种变焦透镜，它具有成本低、结构简单、操作方便、光学孔径大小灵活等优点。但是，目前研究领域主要采用PMDS材料作为薄膜材料，该材料具有多孔性质，容易与无极性光学液体溶胀，进而使得薄膜液体透镜无法使用。现有较多使用去离子水、乙醇等易挥发的液体，影响液体透镜使用寿命。

聚二甲基硅(PDMS)薄膜是目前应用最为广泛的薄膜液体透镜材料。该材料具有高透光率、高弹性等优点，可实现不同结构的液体透镜，成像效果良好。但是， PDMS材料的多孔结构造成了其与大多数油性光学液体不能相互兼容，出现溶胀现象，破坏透镜结构。为了避免光学液体与PDMS薄膜溶胀，大部分研究选择蒸馏水等极性液体，但是此类光学液体折射率低、色散度大、挥发性强，影响液体透镜成像性能和使用寿命。同时，利用旋涂法所制备的厚度均一的PDMS薄膜，在制备过程中残余应力分布不均匀而导致薄膜变形时不是理想球面，引入更多的像差。综合以上因素，该领域迫切需求一种新的薄膜材料和新的薄膜加工工艺优化液体透镜成像性能。