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光学胶膜液体可变焦微透镜阵列.docx
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光学胶膜液体可变焦微透镜阵列.docx
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0. 引 言
微透镜阵列是一系列微米级至毫米级孔径尺寸的透镜按照一定的排列形成的阵列。相
较于传统的单透镜,微透镜阵列具有高并行性,每个单元都能独立完成各项功能。微透镜
阵列在光场成像
[1-2]
、光束匀化
[3]
、集成成像
[4]
、LED 相关色温调节
[5]
等方面有广泛应用。然
而,传统的定焦微透镜阵列却无法在一些可变焦距或宽视场的应用中发挥作用。采用微流
体操控技术制备的微透镜阵列以其灵活的可调控性、制造工艺简便性、制造成本低廉等优
点在微透镜制造领域一直是研究热点。其形成原理是微流体克服薄膜张力使薄膜表面发生
凸起形变,从而形成微透镜阵列,微透镜阵列表面曲率由注入的微流体体积控制。目前,
根据控制条件的不同,这种焦距可调的微透镜阵列主要被分为以下几种:驱动电压控制的
电湿润效应的可变焦透镜阵列
[6-8]
、电压控制的聚合物分散液晶的可变焦透镜阵列
[9-10]
以及
液压控制的充液型可变焦透镜阵列
[11-12]
。相较于电压控制的微透镜阵列,充液型微透镜阵
列可实现液压调节、液体粘稠度调节等多方式调节。
近年来,液体可调焦微透镜阵列通常采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为塑形材料
[13-14]
。但由于其无粘合性,需要利用键合技术将其与基片贴合。而光学胶膜(OCA)作为触摸
屏的重要组成部分,具有良好的弹性、粘性(泊松比 0.3,杨氏模量 58 kPa)以及可见光范围
高透光率(达到 99%以上)等特性。薄膜本身还具有易于加工、成本低的特点,并且便于大
量生产。相较于 PDMS 薄膜,由于其自身粘性较强,可以直接与基片贴合从而提升制作效
率。由此,笔者利用 OCA 薄膜、微孔硅片阵列、基板玻璃、去离子水等材料设计了一种
液体可变焦平凸微透镜阵列。
1. 原理与制备
1.1 原理
液体可变焦微透镜阵列结构与形成原理如图 1 所示,OCA 薄膜粘附于具有矩形排布
微孔的硅片上,玻璃基底、玻璃支撑与硅片组成微流体腔。微流体腔两侧分别设有毛细管
作为微流体通道,用于空气的排出和液体的注入。未注入液体前,微流体腔内的气压与外
界大气压保持一致,薄膜两侧压强相等,此时薄膜不发生形变,如图 1(a)所示。利用注射
器注入去离子水,待微流体腔内气体排净后,密封出口。继续注入一定体积的去离子水,
此时 OCA 薄膜两侧形成压强差,并发生一定程度的形变,形成平凸透镜,如图 1(b)所示。
通过调控薄膜形变量可以实现微透镜阵列的变焦。
图 1 可变焦液体微透镜阵列原理图。(a)注水前;(b)注水后
Fig. 1 Schematic diagram of tunable-focus liquid microlens array. (a) Before the water injection;
(b) After the water injection
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.2 制备工艺流程
(1) 微孔阵列制作:采用厚度为 0.2 mm 的硅片作为基材,利用飞秒激光打孔技术在该
硅片上雕刻 3×3(单个孔径为 500 μm)的微孔阵列。飞秒激光波长为 515 nm,单脉冲能量为
120 μJ。获得的微孔阵列典型光学显微镜图如图 2 所示,各微孔均匀性较好,无崩边。
图 3 微透镜阵列制作流程图
Fig. 3 Flow chart of microlens array fabrication
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(3) 微流体通道制作:如图 3(c)所示,一块面积为 2 cm×2 cm、厚度为 1.1 mm 的玻璃
作为基底,四块厚度为 0.6 mm 的矩形玻璃作为支撑,内壁两侧预留宽度 0.6 mm 微孔通道
放置毛细管(内径为 0.3 mm),利用紫外光学胶将毛细管密封到微孔通道中,制成微流体通
道。
(4) 微流体腔制作:如图 3(d)所示,将紫外光学胶均匀涂抹至图 3(c)中玻璃支撑上表
面,将步骤(2)中制得的结构以 OCA 胶面朝玻璃支撑上表面粘贴,并置于紫外光下照射 20
min 至紫外光学胶完全固化。
(5) 制作完成的可变焦液体微透镜阵列实物图如图 4 所示。
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