專利名稱：一種靈敏度可控的變焦液體微透鏡的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種靈敏度可控的變焦液體微透鏡的加工方法。
背景技術(shù)：
作為光學(xué)系統(tǒng)的重要元件，變焦透鏡受到越來越廣泛的關(guān)注。 近來隨著光通訊技術(shù)和微型化技術(shù)的發(fā)展，微型變焦透鏡的需求也曰 益增大。傳統(tǒng)變焦通常依靠透鏡組合并由機(jī)械裝置調(diào)節(jié)透鏡相對(duì)位置 來實(shí)現(xiàn)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損且不利于微型化。為實(shí)現(xiàn)單透鏡 變焦和微型化，已有技術(shù)一般采用基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的流體變焦微透
鏡。公開號(hào)為CN 1705901的中國(guó)專利提供了一種利用電潤(rùn)濕原理實(shí) 現(xiàn)微透鏡焦距調(diào)節(jié)的功能。該可控透鏡組包括電壓控制的電潤(rùn)濕器 件，該器件包括具有不同折射率的第一流體和第二流體，并具有至少 兩個(gè)第一流體一第二流體界面。通過向該器件的電極施加電壓可獨(dú)立 地改變這些界面的曲率，由此改變透鏡的焦距，因此不需要機(jī)械移動(dòng) 這些透鏡元件。但是電潤(rùn)濕器件要求的加工精度高且驅(qū)動(dòng)電壓高，并 要求絕緣層擊穿電壓要高，同時(shí)還存在電潤(rùn)濕飽和的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏度可控的變焦液體微透鏡的加工 方法。
本發(fā)明利用夾在兩塊具有相同潤(rùn)濕性表面的玻璃板中的水滴為液體模板，制備了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基體的可變焦液體微透
鏡腔體。
本發(fā)明的具體制備方法如下如圖1所示， 通過改變兩塊玻璃板的表面潤(rùn)濕性可以改變腔體內(nèi)側(cè)壁的曲率半 徑，從而調(diào)節(jié)變焦微透鏡的靈敏度。由于該腔體內(nèi)壁呈弧形，如果注 入該腔體的液體與腔體內(nèi)壁接觸角保持恒定，當(dāng)液體在腔體中處于不 同液位高度時(shí)，其彎液面曲率半徑將發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)焦距的改變， 而其焦距改變的靈敏度，也由該腔體內(nèi)壁的曲率半徑?jīng)Q定。焦距變化 與液位高度的關(guān)系式如下(分別適用于圖1和圖2所示的微透鏡)
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，《為水與聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的平衡態(tài)接觸角，r 為微透鏡腔體側(cè)壁曲率半徑，b為微透鏡腔體開口最大處的半徑，h 為液位高度。
(1)將兩塊玻璃片在體積比為3:7的濃硫酸和雙氧水或在體積比 為1:1的氨水和雙氧水溶液中煮沸20-30分鐘后，用去離子水沖洗， 干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于體積濃度為0. 01%-0, 05%十八垸 基三氯硅烷(0TS)的環(huán)己垸溶液中，使0TS與玻璃片進(jìn)行接枝反應(yīng) 10-60秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為25° -118°的玻璃片，然后取出 兩玻璃片并用氮?dú)獯蹈桑?2)將歩驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃 片上滴加體積為1-3微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片 上使之與水滴接觸并使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)
位置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；然后，將上述玻璃片置于烘箱中于65 'C加熱4小時(shí)使PDMS交聯(lián)，待PDMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然 后將水滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
(3)將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板， 由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在 兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于8(TC加熱半小時(shí)使之交聯(lián)，用 50微升的微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦 液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。
有益效果本方法采用液模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了弧形側(cè)壁腔體的制備， 具有簡(jiǎn)單、高效、低成本的特點(diǎn)。由于采用液體模板，制備的可變焦 液體微透鏡腔體內(nèi)壁光滑。由于液體的形狀可塑性強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)玻璃 板潤(rùn)濕性可以獲得不同的液體模板曲率半徑，從而實(shí)現(xiàn)變焦液體微透 鏡靈敏度的可調(diào)控性。
圖1為利用親水表面玻璃片之間的液體模板加工可變焦液體微 透鏡腔體過程示意圖。圖中，1是玻璃基底，2是水滴，3是聚二甲 基硅氧烷(PDMS)， 4是微管道。
圖1 A為水滴夾在兩親水玻璃片之間的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖1B為填充PDMS后結(jié)構(gòu)剖面圖。圖l C為去除玻璃片和液體模板后的可變焦 液體微透鏡腔體與微管道粘結(jié)后的結(jié)構(gòu)剖面圖
圖2為利用疏水表面玻璃片之間的液體模板加工可變焦液體微 透鏡腔體過程示意圖。圖中，l是玻璃基底，2是水滴，3是聚二甲 基硅氧烷(PDMS)， 4是微管道。
圖2 A為水滴夾在兩疏水玻璃片之間的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2 B為填充PDMS后結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2 C為去除玻璃片和液體模板后的可變焦液體微透鏡腔體與微 管道粘結(jié)后的結(jié)構(gòu)剖面圖
圖3為制備得到的可變焦液體微透鏡的成像俯視圖與剖面圖。
圖3 a-d為圖1所示方法制備的可變焦液體微透鏡隨腔體內(nèi)水位 上升的焦距變化圖。圖的上半部分為成像俯視圖，下半部分為剖面圖。
圖3 e-h為圖2所示方法制備的可變焦液體微透鏡隨腔體內(nèi)水位 上升的焦距變化圖。圖的上半部分為成像俯視圖，下半部分為剖面圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1) 將兩塊玻璃片在體積比為3:7的濃硫酸和雙氧水溶液中煮沸 20分鐘后，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于 體積濃度為0. 01%的0TS的環(huán)己垸溶液中，使0TS與玻璃片進(jìn)行接枝 反應(yīng)10秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為25°的玻璃片，然后取出兩玻
璃片并用氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃片上滴加體積為2微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上 使之與水滴接觸，使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位
置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧垸(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；將上述玻璃片置于烘箱中于65。C加熱 4小時(shí)使PDMS交聯(lián)，待PDMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水 滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
(3)將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板， 由P麗S交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在 兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于8CTC加熱半小時(shí)使之交聯(lián)。用 50微升的微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦 液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。 實(shí)施例2
(1) 將兩塊玻璃片在體積比為3:7的濃硫酸和雙氧水溶液中煮沸 20分鐘后，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于 體積濃度為0. 01%的0TS的環(huán)己烷溶液中，使0TS與玻璃片進(jìn)行接枝 反應(yīng)30秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為51。的玻璃片，然后取出兩玻
璃片并用氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃 片上滴加體積為2微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上 使之與水滴接觸，使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位 置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧垸(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；將上述玻璃片置于烘箱中于65。C加熱4小時(shí)使P躍S交聯(lián)，待PDMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水
滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
G)將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板，
由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)
在兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于8(TC加熱半小時(shí)使之交聯(lián)，
根據(jù)焦距變化與液位高度的關(guān)系式1用微量注射器調(diào)控在微透鏡腔
體中填充的水量，得到可變焦液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液
體微透鏡。 實(shí)施例3
(1) 將兩塊玻璃片在體積比為3:7的濃硫酸和雙氧水溶液中煮沸 20分鐘后，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于 體積濃度為0. 02%的0TS的環(huán)己垸溶液中，使0TS與玻璃片進(jìn)行接枝 反應(yīng)30秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為77°的玻璃片，然后取出兩玻 璃片并用氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃 片上滴加體積為2微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上 使之與水滴接觸，使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位 置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；將上述玻璃片置于烘箱中于65。C加熱 4小時(shí)使PDMS交聯(lián)，待PDMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水 滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
(3) 將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板，由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在 兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于80。C加熱半小時(shí)使之交聯(lián)。用 50微升的微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦 液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。 實(shí)施例4
(1) 將兩塊玻璃片在體積比為1:1的氨水和雙氧水的溶液中煮沸 30分鐘后，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于 體積濃度為0. 05%的OTS的環(huán)己垸溶液中，使OTS與玻璃片進(jìn)行接枝 反應(yīng)30秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為101°的玻璃片，然后取出兩 玻璃片并用氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃 片上滴加體積為2微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上 使之與水滴接觸，使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位 置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；將上述玻璃片置于烘箱中于65r加熱 4小時(shí)使PDMS交聯(lián)，待PDMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水 滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
(3) 將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板， 由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在 兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于8(TC加熱半小時(shí)使之交聯(lián)。用 50微升的微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦 液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。實(shí)施例5
(1) 將兩塊玻璃片在體積比為1:1的氨水和雙氧水的溶液中煮沸 30分鐘后，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于 體積濃度為0. 05%的0TS的環(huán)己烷溶液中，使0TS與玻璃片進(jìn)行接枝 反應(yīng)60秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為118°的玻璃片，然后取出兩 玻璃片并用氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃 片上滴加體積為2微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上 使之與水滴接觸，使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位 置；隨后將預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧垸(PDMS)灌入玻璃片之間，并使 PDMS包裹住玻璃片間的水滴；將上述玻璃片置于烘箱中于65'C加熱 4小時(shí)使PDMS交聯(lián)，待PMS交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水 滴去除，得到由交聯(lián)PDMS構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；
(3) 將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板， 由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在 兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的PDMS，于8(TC加熱半小時(shí)使之交聯(lián)。用 50微升的微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦 液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。
權(quán)利要求
1、一種靈敏度可控的變焦液體微透鏡的加工方法，其特征在于步驟和條件如下焦距變化與液位高度的關(guān)系式1如下其中，θ0為水與聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的平衡態(tài)接觸角，r為微透鏡腔體側(cè)壁曲率半徑，b為微透鏡腔體開口最大處的半徑，h為液位高度；(1)將兩塊玻璃片在體積比為3∶7的濃硫酸和雙氧水或在體積比為1∶1的氨水和雙氧水溶液中煮沸20-30分鐘，用去離子水沖洗，干燥；再將干燥后兩玻璃片同時(shí)置于體積濃度為0.01％-0.05％十八烷基三氯硅烷的環(huán)己烷溶液中，使十八烷基三氯硅烷與玻璃片進(jìn)行接枝反應(yīng)10-60秒，得到水滴平衡態(tài)接觸角為25°-118°的玻璃片，然后取出兩玻璃片并用氮?dú)獯蹈桑?2)將步驟(1)得到的兩塊玻璃片水平相對(duì)而置，在下方的玻璃片上滴加體積為1-3微升的水滴，將上方的玻璃片壓在下方的玻璃片上使之與水滴接觸并使水滴夾在兩玻璃片之間，固定兩玻璃片的相對(duì)位置；隨后將預(yù)交聯(lián)的灌入玻璃片之間，并使聚二甲基硅氧烷包裹住玻璃片間的水滴；然后，將上述玻璃片置于烘箱中于65℃加熱4小時(shí)使聚二甲基硅氧烷交聯(lián)，待交聯(lián)完全后，將玻璃片剝離，然后將水滴去除，得到由交聯(lián)聚二甲基硅氧烷構(gòu)成的可變焦液體微透鏡腔體；(3)將以截面半徑為300微米，長(zhǎng)2厘米的直線形金屬絲為模板，由PDMS交聯(lián)制備的微管道與可變焦液體微透鏡腔體粘結(jié)，粘結(jié)時(shí)在兩者間涂覆一薄層預(yù)交聯(lián)的聚二甲基硅氧烷，于80℃加熱半小時(shí)使之交聯(lián)，根據(jù)焦距變化與液位高度的關(guān)系式1用微量注射器調(diào)控在微透鏡腔體中填充的水量，得到可變焦液體微透鏡腔體與微管道相連的變焦液體微透鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種靈敏度可控的變焦液體微透鏡的加工方法，本方法采用液模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了弧形側(cè)壁腔體的制備，具有簡(jiǎn)單、高效、低成本的特點(diǎn)。由于采用液體模板，制備的可變焦液體微透鏡腔體內(nèi)壁光滑。由于液體的形狀可塑性強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)玻璃板潤(rùn)濕性可以獲得不同的液體模板曲率半徑，從而實(shí)現(xiàn)變焦液體微透鏡靈敏度的可調(diào)控性。
文檔編號(hào)G02B3/12GK101430390SQ20081005161
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者平 楊, 胡本慧, 薛龍建, 韓艷春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所