专利名称：一种焦距可调的双焦点非球面微透镜的制作方法
技术领域：
本发明属于光学元器件技术领域，涉及双焦点非球面微透镜，尤其是焦距可调的双焦点非球面微透镜。
背景技术：
微透镜的设计、制作及其应用是微光学研究的重要内容之一。与体透镜相比，微透镜具有体积小、重量轻、便于阵列化和集成化等优点，在光通信、光计算、光互联、光电探测阵列、成像、光束成形与控制、光显示、传感等诸多领域有广泛应用，且应用领域不断扩大， 起着传统光学元件不可替代的作用。微透镜按其表面形状分为球面微透镜和非球面微透镜。球面微透镜具有设计与制作相对简单的特点，但因像差不可消除而导致其成像和焦斑质量变差，这对光学系统的性能产生严重的不利影响；而非球面微透镜因能有效消除或减少像差，提高成像和焦斑质量而得到人们的广泛关注和重视。双焦点非球面微透镜是一种新型的非球面微透镜，它能在光轴方向上的不同位置处同时产生两个焦点，在双层光盘读出系统、光镊、微流体光学系统、半导体激光耦合输出等方面存在广泛的应用前景。2005年，H. W. Choi等人报道了一种双焦点非球面微透镜的制作方法(见文献 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))，但其焦距是不可改变的，属于“静态”光学元件，即该透镜的设计与制作一旦完成，该透镜或由该透镜所构成的微光学系统的光学性能与功能就完全确定，不能进行调控。近年来，随着微光学的自身发展与市场需求的推动，双焦点非球面微透镜或由其所构成的系统开始引起人们的关注与重视，这种可调控微透镜明显不同于 “静态”的双焦点非球面微透镜，这类研究将大大拓展微光学器件的应用领域，同时丰富、 发展了微光学研究内涵。据报道，已有的双焦微透镜通常采用流体压力驱动来改变透镜的表面面形，从而实现透镜的焦距的调控(见文献H. B. Yu, G. Y. Zhou, F. K. Chau，F. 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，这种双焦微透镜属于球面微透镜，其表面形状不能精确控制，难以实现非球面微透镜面形结构，因而在焦距调控过程中其像差较大，成像质量和焦斑质量较差；另外，这种双焦微透镜还存在制作工艺复杂、调控速度慢以及难以实现微透镜阵列结构等诸多缺点，因而，它在实际应用中受到诸多限制。焦距可调控的双焦点非球面微透镜是一种新型变焦微透镜，在微光学系统中有着广泛应用前景，到目前为止，还未见这种可调微透镜的相关报道。因而，设计和制作焦距可调控的双焦点非球面微透镜对微光学系统具有重要的实际意义。
发明内容
本发明提供一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，即利用电光效应，通过对电极馈送电压，在调控区域产生电场，引起双焦点非球面微透镜折射率发生相应变化，从而使双焦点非球面微透镜实现焦距调控。该微透镜的非球面面形易于精确控制，具有结构简单、工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其潜在应用前景广阔。本发明技术方案如下—种焦距可调的双焦点非球面微透镜，如图1所示，包括下层透明玻璃基片1、下层ITO电极2、液晶层3、液晶密封层4、上层ITO电极5和上层透明玻璃基片6。上层ITO电极5位于上层透明玻璃基片6和液晶密封层4之间，下层ITO电极2位于下层透明玻璃基片1和液晶层3之间。所述液晶密封层4与液晶层3接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状如图3所示，由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成。所述液晶密封层4材料采用具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的光刻胶固化物。所述液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极2之间，具有与液晶密封层4的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。所述上层ITO电极5具有与液晶层3底面相同的形状。所述下层ITO电极2由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。需要解释的是，液晶密封层4材料的折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当是指二者的折射率差异不超过0. 5。本发明的工作原理可以描述为由于液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极2之间，具有与液晶密封层4 的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。该凸形非球面形状表面由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成，使得液晶层3具有双焦点。设上下透明玻璃基片1、6的折射率为Ii1,液晶层3的折射率为n2，液晶封装层的折射率为n3，当单色平面波光由下而上入射到该透镜上时，由于液晶层具有双焦点、同时两侧材料的折射率不同，使得该透镜对光束产生双焦点的聚焦过程。当在上、下ITO电极之间加调控电压时，由于电场作用将改变液晶层3的折射率，从而改变焦距。 同时由于下层ITO电极由内外电极组成，故可以实现该透镜的双焦点分别控制。下面对本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜的主要制备工艺进行说明。 本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜在制备时，主要工艺包括三个方面(1)液晶封装层凹形非球面形状的制作。当液晶密封层4材料采用与上层透明玻璃基片6的折射率相当的光刻胶固化物时，首先将光刻胶涂覆于于ITO透明玻璃基片的ITO电极表面，然后根据液晶封装层凹形非球面形状制作相应的灰阶掩膜，最后利用灰阶掩膜对光刻胶进行曝光、显影以及刻蚀，得到所述凹形非球面形状；当液晶密封层4材料采用具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物时，首先将透明有机聚合物涂覆于ITO透明玻璃基片的ITO电极表面，固化后再在透明有机聚合物表面涂覆一层光刻胶作牺牲层，然后根据液晶封装层凹形非球面形状制作相应的灰阶掩膜，利用灰阶掩膜对光刻胶进行曝光、显影以及刻蚀，得到所述凹形非球面形状，最后采用干法离子刻蚀将凹形非球面形状向下传递至有机聚合物固化层。( 下层ITO电极形状的制作。下层 ITO电极形状用普通光刻工艺即可实现。(3)液晶层的涂覆及封装。下层电极图形制作好之后，在其上面涂覆定向剂，在涂覆液晶，使液晶晶轴取向一致(沿平行于透明玻璃基片便面的方向)，液晶层涂覆好之后，将制作好液晶封装层的ITO透明玻璃倒扣在液晶层表面， 使用粘合剂冷压或直接热压，即可封装成功。整个设计、制作过程与传统微光学元件制作工艺兼容，因而不会引起双焦点非球面微透镜的制作难度和制作成本的额外增加。本发明的有益效果是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜，基于液晶的电光效应来实现焦距可调、且双焦点可独立调控，具有结构紧凑、设计与工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其微光学系统和微光机电系统中有广泛应用前景。
图1是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜剖面结构示意图。图2是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜下层电极结构示意图。图3是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜中液晶层的凸形非球面形状表面(或液晶密封层4的凹形非球面形状表面)的剖面结构示意图。图4是本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜中液晶层的凸形非球面形状表面的设计曲线(单位微米)。图5是本发明提供的一种具体的焦距可调的双焦点非球面微透镜在相同电压条件下双焦点非球面微透镜的光束聚焦过程模拟，其中内、外电极电压为WU1 = U2 = OV ；b) U1 = U2 = 50V ； ^U1 = U2 = 100V。(坐标单位微米)
具体实施例方式一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，如图1所示，包括下层透明玻璃基片1、下层ITO电极2、液晶层3、液晶密封层4、上层ITO电极5和上层透明玻璃基片6。上层ITO 电极5位于上层透明玻璃基片6和液晶密封层4之间，下层ITO电极2位于下层透明玻璃基片1和液晶层3之间。所述液晶密封层4与液晶层3接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状如图3所示，由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成。所述液晶密封层4材料为具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片6的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片6的折射率相当的光刻胶固化物。所述液晶层3封装于液晶密封层4和下层ITO电极 2之间，具有与液晶密封层4的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面。所述上层ITO电极5具有与液晶层3底面相同的形状。所述下层ITO电极2由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。
对于上述技术方案，发明人设计了一种具体的液晶密封层的凹形非球面形状表 (或)液晶层的凹形非球面形状表面，如图3所示，表示为
权利要求
1.一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，包括下层透明玻璃基片(1)、下层ITO电极 ⑵、液晶层⑶、液晶密封层⑷、上层ITO电极(5)和上层透明玻璃基片(6)；上层ITO电极(5)位于上层透明玻璃基片(6)和液晶密封层(4)之间，下层ITO电极(2)位于下层透明玻璃基片(1)和液晶层(3)之间；所述液晶密封层(4)与液晶层(3)接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成；所述液晶密封层(4)材料为具有光或热固化特性、且折射率与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的透明有机聚合物或是与上层透明玻璃基片(6)的折射率相当的光刻胶固化物；所述液晶层(3)封装于液晶密封层⑷和下层ITO电极( 之间，具有与液晶密封层的凹形非球面形状表面相对应的凸形非球面形状表面；所述上层ITO电极( 具有与液晶层C3)底面相同的形状；所述下层ITO电极(2)由相互绝缘的内电极和外电极组成，所述内电极形状为圆形、半径不超过所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径，所述外电极形状为圆环形、内半径不低于所述旋转对称曲面一和旋转对称曲面二相交所得圆的半径。
2.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶密封层的凹形非球面形状表面或液晶层(3)的凸形非球面形状表面为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表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的顶点高度，Hlmg表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的顶点高度，Rtl表示两个旋转对称曲面相交所得圆的半径，&表示曲率半径较小的旋转对称曲面一的非球面系数，h表示曲率半径较大的旋转对称曲面二的非球面系数，C1和C2分别表示为11 11Q —__Q —__1 fshort 2 " 3 ‘ 2 flong 2 ~ 3其中flmg为双焦点非球面透镜中曲率半径较小的旋转对称曲面一对应的初始焦距， fshort为双焦点非球面透镜中曲率半径较大的旋转对称曲面二对应的初始焦距，Il1为液晶层的折射率，H3为液晶封装层的折射率。
3.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述上、下透明玻璃基片采用BK7光学玻璃。
4.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶层(3)采用UCF-2型液晶。
5.根据权利要求1所述的焦距可调的双焦点非球面微透镜，其特征在于，所述液晶封装层(4)采用SU-8型光刻胶固化物。
全文摘要
一种焦距可调的双焦点非球面微透镜，属于光学元器件技术领域。包括上、下透明玻璃基片，上、下ITO电极，液晶层和液晶密封层；液晶密封层与液晶层接触的表面为凹形非球面形状，所述凹形非球面形状由高度较高但曲率半径较小的旋转对称曲面一和高度较低但曲率半径较大的旋转对称曲面二相交而成；上层ITO电极具有与液晶层底面相同的形状；下层ITO电极由相互绝缘的圆形内电极和环形外电极组成。本发明提供的焦距可调的双焦点非球面微透镜，基于液晶的电光效应来实现焦距可调、且双焦点可独立调控，具有结构紧凑、设计与工艺制作简便、易于实现阵列结构、易于与其它光子器件集成、调控速度快等诸多优势，其微光学系统和微光机电系统中有广泛应用前景。
文档编号G02B3/02GK102338895SQ20111030146
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者刘永, 刘永智, 唐雄贵, 廖进昆, 李和平, 童伟, 陆荣国 申请人:电子科技大学