專利名稱：一種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，尤其是焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡。
背景技術(shù)：
微透鏡的設(shè)計(jì)、制作及其應(yīng)用是微光學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。與體透鏡相比，微透鏡具有體積小、重量輕、便于陣列化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光計(jì)算、光互聯(lián)、光電探測(cè)陣列、成像、光束成形與控制、光顯示、傳感等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大， 起著傳統(tǒng)光學(xué)元件不可替代的作用。微透鏡按其表面形狀分為球面微透鏡和非球面微透鏡。球面微透鏡具有設(shè)計(jì)與制作相對(duì)簡單的特點(diǎn)，但因像差不可消除而導(dǎo)致其成像和焦斑質(zhì)量變差，這對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響；而非球面微透鏡因能有效消除或減少像差，提高成像和焦斑質(zhì)量而得到人們的廣泛關(guān)注和重視。雙焦點(diǎn)非球面微透鏡是一種新型的非球面微透鏡，它能在光軸方向上的不同位置處同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)焦點(diǎn)，在雙層光盤讀出系統(tǒng)、光鑷、微流體光學(xué)系統(tǒng)、半導(dǎo)體激光耦合輸出等方面存在廣泛的應(yīng)用前景。2005年，H. W. Choi等人報(bào)道了一種雙焦點(diǎn)非球面微透鏡的制作方法(見文獻(xiàn) H. W. Choi，Ε. Gu, C. Liu, J. Μ. Girkin，and Μ. D. Dawson, Fabrication and evaluation of GaN negative and bifocal microlenses，Journal of Applied Physics, Vol.97, No. 6,2005 :063101 (1-3))，但其焦距是不可改變的，屬于“靜態(tài)”光學(xué)元件，即該透鏡的設(shè)計(jì)與制作一旦完成，該透鏡或由該透鏡所構(gòu)成的微光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能與功能就完全確定，不能進(jìn)行調(diào)控。近年來，隨著微光學(xué)的自身發(fā)展與市場(chǎng)需求的推動(dòng)，雙焦點(diǎn)非球面微透鏡或由其所構(gòu)成的系統(tǒng)開始引起人們的關(guān)注與重視，這種可調(diào)控微透鏡明顯不同于 “靜態(tài)”的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，這類研究將大大拓展微光學(xué)器件的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)豐富、 發(fā)展了微光學(xué)研究內(nèi)涵。據(jù)報(bào)道，已有的雙焦微透鏡通常采用流體壓力驅(qū)動(dòng)來改變透鏡的表面面形，從而實(shí)現(xiàn)透鏡的焦距的調(diào)控(見文獻(xiàn)H. B. Yu, G. Y. Zhou, F. K. Chau，F(xiàn). W. Lee, S. H. Wang, and H. Μ. Leung, A liquid-filled tunable double-focus microlens, Optics Express, Vol. 17，No. 6,2009 :4782-4790 禾口 Hui Min Leung, Guangya Zhou, Hongbin Yu, Fook Siong Chau,and A. Senthil Kumar,Liquid tunable double-focus lens fabricated with diamond cutting and soft lithography, Applied Optics, Vol.48, No. 30,2009 733-5740)。但是，這種雙焦微透鏡屬于球面微透鏡，其表面形狀不能精確控制，難以實(shí)現(xiàn)非球面微透鏡面形結(jié)構(gòu)，因而在焦距調(diào)控過程中其像差較大，成像質(zhì)量和焦斑質(zhì)量較差；另外，這種雙焦微透鏡還存在制作工藝復(fù)雜、調(diào)控速度慢以及難以實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列結(jié)構(gòu)等諸多缺點(diǎn)，因而，它在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。焦距可調(diào)控的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡是一種新型變焦微透鏡，在微光學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用前景，到目前為止，還未見這種可調(diào)微透鏡的相關(guān)報(bào)道。因而，設(shè)計(jì)和制作焦距可調(diào)控的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡對(duì)微光學(xué)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，即利用電光效應(yīng)，通過對(duì)電極饋送電壓，在調(diào)控區(qū)域產(chǎn)生電場(chǎng)，引起雙焦點(diǎn)非球面微透鏡折射率發(fā)生相應(yīng)變化，從而使雙焦點(diǎn)非球面微透鏡實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)控。該微透鏡的非球面面形易于精確控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝制作簡便、易于實(shí)現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)、易于與其它光子器件集成、調(diào)控速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，其潛在應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明技術(shù)方案如下—種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，如圖1所示，包括下層透明玻璃基片1、下層ITO電極2、液晶層3、液晶密封層4、上層ITO電極5和上層透明玻璃基片6。上層ITO電極5位于上層透明玻璃基片6和液晶密封層4之間，下層ITO電極2位于下層透明玻璃基片1和液晶層3之間。所述液晶密封層4與液晶層3接觸的表面為凹形非球面形狀，所述凹形非球面形狀如圖3所示，由高度較高但曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和高度較低但曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交而成。所述液晶密封層4材料采用具有光或熱固化特性、且折射率與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)?shù)耐该饔袡C(jī)聚合物或是與上層透明玻璃基片(6)的折射率相當(dāng)?shù)墓饪棠z固化物。所述液晶層3封裝于液晶密封層4和下層ITO電極2之間，具有與液晶密封層4的凹形非球面形狀表面相對(duì)應(yīng)的凸形非球面形狀表面。所述上層ITO電極5具有與液晶層3底面相同的形狀。所述下層ITO電極2由相互絕緣的內(nèi)電極和外電極組成，所述內(nèi)電極形狀為圓形、半徑不超過所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑，所述外電極形狀為圓環(huán)形、內(nèi)半徑不低于所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑。需要解釋的是，液晶密封層4材料的折射率與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)是指二者的折射率差異不超過0. 5。本發(fā)明的工作原理可以描述為由于液晶層3封裝于液晶密封層4和下層ITO電極2之間，具有與液晶密封層4 的凹形非球面形狀表面相對(duì)應(yīng)的凸形非球面形狀表面。該凸形非球面形狀表面由高度較高但曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和高度較低但曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交而成，使得液晶層3具有雙焦點(diǎn)。設(shè)上下透明玻璃基片1、6的折射率為Ii1,液晶層3的折射率為n2，液晶封裝層的折射率為n3，當(dāng)單色平面波光由下而上入射到該透鏡上時(shí)，由于液晶層具有雙焦點(diǎn)、同時(shí)兩側(cè)材料的折射率不同，使得該透鏡對(duì)光束產(chǎn)生雙焦點(diǎn)的聚焦過程。當(dāng)在上、下ITO電極之間加調(diào)控電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用將改變液晶層3的折射率，從而改變焦距。 同時(shí)由于下層ITO電極由內(nèi)外電極組成，故可以實(shí)現(xiàn)該透鏡的雙焦點(diǎn)分別控制。下面對(duì)本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡的主要制備工藝進(jìn)行說明。 本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡在制備時(shí)，主要工藝包括三個(gè)方面(1)液晶封裝層凹形非球面形狀的制作。當(dāng)液晶密封層4材料采用與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)?shù)墓饪棠z固化物時(shí)，首先將光刻膠涂覆于于ITO透明玻璃基片的ITO電極表面，然后根據(jù)液晶封裝層凹形非球面形狀制作相應(yīng)的灰階掩膜，最后利用灰階掩膜對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光、顯影以及刻蝕，得到所述凹形非球面形狀；當(dāng)液晶密封層4材料采用具有光或熱固化特性、且折射率與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)?shù)耐该饔袡C(jī)聚合物時(shí)，首先將透明有機(jī)聚合物涂覆于ITO透明玻璃基片的ITO電極表面，固化后再在透明有機(jī)聚合物表面涂覆一層光刻膠作犧牲層，然后根據(jù)液晶封裝層凹形非球面形狀制作相應(yīng)的灰階掩膜，利用灰階掩膜對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光、顯影以及刻蝕，得到所述凹形非球面形狀，最后采用干法離子刻蝕將凹形非球面形狀向下傳遞至有機(jī)聚合物固化層。( 下層ITO電極形狀的制作。下層 ITO電極形狀用普通光刻工藝即可實(shí)現(xiàn)。(3)液晶層的涂覆及封裝。下層電極圖形制作好之后，在其上面涂覆定向劑，在涂覆液晶，使液晶晶軸取向一致(沿平行于透明玻璃基片便面的方向)，液晶層涂覆好之后，將制作好液晶封裝層的ITO透明玻璃倒扣在液晶層表面， 使用粘合劑冷壓或直接熱壓，即可封裝成功。整個(gè)設(shè)計(jì)、制作過程與傳統(tǒng)微光學(xué)元件制作工藝兼容，因而不會(huì)引起雙焦點(diǎn)非球面微透鏡的制作難度和制作成本的額外增加。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，基于液晶的電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)、且雙焦點(diǎn)可獨(dú)立調(diào)控，具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)與工藝制作簡便、易于實(shí)現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)、易于與其它光子器件集成、調(diào)控速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，其微光學(xué)系統(tǒng)和微光機(jī)電系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡下層電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡中液晶層的凸形非球面形狀表面(或液晶密封層4的凹形非球面形狀表面)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡中液晶層的凸形非球面形狀表面的設(shè)計(jì)曲線(單位微米)。圖5是本發(fā)明提供的一種具體的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡在相同電壓條件下雙焦點(diǎn)非球面微透鏡的光束聚焦過程模擬，其中內(nèi)、外電極電壓為WU1 = U2 = OV ；b) U1 = U2 = 50V ； ^U1 = U2 = 100V。(坐標(biāo)單位微米)
具體實(shí)施例方式一種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，如圖1所示，包括下層透明玻璃基片1、下層ITO電極2、液晶層3、液晶密封層4、上層ITO電極5和上層透明玻璃基片6。上層ITO 電極5位于上層透明玻璃基片6和液晶密封層4之間，下層ITO電極2位于下層透明玻璃基片1和液晶層3之間。所述液晶密封層4與液晶層3接觸的表面為凹形非球面形狀，所述凹形非球面形狀如圖3所示，由高度較高但曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和高度較低但曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交而成。所述液晶密封層4材料為具有光或熱固化特性、且折射率與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)?shù)耐该饔袡C(jī)聚合物或是與上層透明玻璃基片6的折射率相當(dāng)?shù)墓饪棠z固化物。所述液晶層3封裝于液晶密封層4和下層ITO電極 2之間，具有與液晶密封層4的凹形非球面形狀表面相對(duì)應(yīng)的凸形非球面形狀表面。所述上層ITO電極5具有與液晶層3底面相同的形狀。所述下層ITO電極2由相互絕緣的內(nèi)電極和外電極組成，所述內(nèi)電極形狀為圓形、半徑不超過所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑，所述外電極形狀為圓環(huán)形、內(nèi)半徑不低于所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑。
對(duì)于上述技術(shù)方案，發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種具體的液晶密封層的凹形非球面形狀表 (或)液晶層的凹形非球面形狀表面，如圖3所示，表示為
權(quán)利要求
1.一種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，包括下層透明玻璃基片(1)、下層ITO電極 ⑵、液晶層⑶、液晶密封層⑷、上層ITO電極(5)和上層透明玻璃基片(6)；上層ITO電極(5)位于上層透明玻璃基片(6)和液晶密封層(4)之間，下層ITO電極(2)位于下層透明玻璃基片(1)和液晶層(3)之間；所述液晶密封層(4)與液晶層(3)接觸的表面為凹形非球面形狀，所述凹形非球面形狀由高度較高但曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和高度較低但曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交而成；所述液晶密封層(4)材料為具有光或熱固化特性、且折射率與上層透明玻璃基片(6)的折射率相當(dāng)?shù)耐该饔袡C(jī)聚合物或是與上層透明玻璃基片(6)的折射率相當(dāng)?shù)墓饪棠z固化物；所述液晶層(3)封裝于液晶密封層⑷和下層ITO電極( 之間，具有與液晶密封層的凹形非球面形狀表面相對(duì)應(yīng)的凸形非球面形狀表面；所述上層ITO電極( 具有與液晶層C3)底面相同的形狀；所述下層ITO電極(2)由相互絕緣的內(nèi)電極和外電極組成，所述內(nèi)電極形狀為圓形、半徑不超過所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑，所述外電極形狀為圓環(huán)形、內(nèi)半徑不低于所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交所得圓的半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，其特征在于，所述液晶密封層的凹形非球面形狀表面或液晶層(3)的凸形非球面形狀表面為Hshort , (χ2”2)若X2 + / < R20l + Jl-cXl + k.Xx2+/) H(x,y) = \, 2 2、Hlong ——.c2(x ”)--mx2+y2>R2l + ^Jl-c^(l + k2)(x2+y2)。其中=Hstot表示曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二的頂點(diǎn)高度，Hlmg表示曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一的頂點(diǎn)高度，Rtl表示兩個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面相交所得圓的半徑，&表示曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一的非球面系數(shù)，h表示曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二的非球面系數(shù)，C1和C2分別表示為11 11Q —__Q —__1 fshort 2 " 3 ‘ 2 flong 2 ~ 3其中flmg為雙焦點(diǎn)非球面透鏡中曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一對(duì)應(yīng)的初始焦距， fshort為雙焦點(diǎn)非球面透鏡中曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二對(duì)應(yīng)的初始焦距，Il1為液晶層的折射率，H3為液晶封裝層的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，其特征在于，所述上、下透明玻璃基片采用BK7光學(xué)玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，其特征在于，所述液晶層(3)采用UCF-2型液晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，其特征在于，所述液晶封裝層(4)采用SU-8型光刻膠固化物。
全文摘要
一種焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，屬于光學(xué)元器件技術(shù)領(lǐng)域。包括上、下透明玻璃基片，上、下ITO電極，液晶層和液晶密封層；液晶密封層與液晶層接觸的表面為凹形非球面形狀，所述凹形非球面形狀由高度較高但曲率半徑較小的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面一和高度較低但曲率半徑較大的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面二相交而成；上層ITO電極具有與液晶層底面相同的形狀；下層ITO電極由相互絕緣的圓形內(nèi)電極和環(huán)形外電極組成。本發(fā)明提供的焦距可調(diào)的雙焦點(diǎn)非球面微透鏡，基于液晶的電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)、且雙焦點(diǎn)可獨(dú)立調(diào)控，具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)與工藝制作簡便、易于實(shí)現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)、易于與其它光子器件集成、調(diào)控速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，其微光學(xué)系統(tǒng)和微光機(jī)電系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B3/02GK102338895SQ20111030146
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者劉永, 劉永智, 唐雄貴, 廖進(jìn)昆, 李和平, 童偉, 陸榮國 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)