[發(fā)明專利]一種可變焦液體透鏡陣列及其操控方法

有效

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• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN104035149A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設計）人: 趙悟翔;王瓊華;鄧歡
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G02B3/14
• 分類號: G02B3/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

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

透鏡陣列是一種二維集成器件，這種器件在光顯示、光通信、光成像和光存儲等許多領域有很廣泛的應用，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)界的關注。

目前已報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用領域，例如2D/3D可切換顯示，光學器件在不同顯示模式下需要調整。一般來說，使用機械移動式光學部件來實現(xiàn)調整，會使系統(tǒng)龐大和復雜。為實現(xiàn)小型化且可調的目標，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節(jié)下調節(jié)焦距，但這些透鏡的成本高。對于液晶透鏡，由于需要轉換成偏振光，其轉換的光損失達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。

相比之下，結合光學和微流控技術的填充式液體透鏡具有一些獨特的優(yōu)點。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)在一個寬光譜范圍具有良好的光學傳輸特性。最后，它的表面輪廓以及焦距可以動態(tài)地調整，可簡單采用液泵來制成一個緊湊的系統(tǒng)。

對于填充式液體透鏡陣列，需要建立一個微流控網(wǎng)絡連接各個透鏡單元，這些微流控網(wǎng)絡結構較為復雜、開口率有限，且大面積透鏡陣列的均勻性受制于重力效應，只限于水平放置工作。

發(fā)明內容

為克服現(xiàn)有液體透鏡陣列存在的結構復雜、開口率有限和透鏡陣列均勻性受制于重力效應的困難，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，并能夠實現(xiàn)從正焦距到負焦距的大范圍變焦。所述透鏡陣列包括：液體I、液體II、容器盒、彈性容器I、彈性容器II、彈性薄膜、微支柱陣列、導管I和導管II。液體I、液體II、容器盒、彈性薄膜都是無色透明的。容器盒內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容積。

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內都有微支柱陣列，微支柱一端固定在容器盒的內壁上，微支柱另一端與彈性薄膜接觸，且當所述透鏡陣列在初始狀態(tài)時，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。

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，腔II的液體II會同時減少，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，所述透鏡陣列形成凸透鏡陣列，其焦距f為有限正值。在f為正的情況下，進一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會使f減小；反之，進一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會使f增大，f增大到無窮大時，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。操控過程一實現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限正焦距到正無窮大的變焦。

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，腔I的液體I會同時減少，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，所述透鏡陣列形成凹透鏡陣列，其焦距f為有限負值。在f為負的情況下，進一步減小彈性容器II的容積且放松彈性容器I，會使焦距的絕對值|?f?|減小；反之，進一步減小彈性容器I的容積且放松彈性容器II，會使|?f?|增大，|?f?|增大到無窮大時，彈性薄膜處于平面形態(tài)，所述透鏡陣列回到初始狀態(tài)。操控過程二實現(xiàn)了所述透鏡陣列從有限負焦距到負無窮大的變焦。

由于所述透鏡陣列的容器盒內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，使透明彈性薄膜在不同深度的形變一致或者近似一致。