[发明专利]数字式微流控变焦透镜及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字式微流控变焦透镜及其制作方法，属于变焦透镜以 及微光机电系统领域。

背景技术

变焦透镜是显微镜、照相机、拍照手机、医学内窥镜、光存储、光互连 等光学系统中的一个关键组件。传统变焦镜头一般是由多片透镜及其它光学 元件组成，利用马达等机械装置改变透镜之间位置以改变透镜焦距。这类变 焦透镜变焦速度慢、价格昂贵，且不易实现微型化，无法集成在微型光学系 统中。

微型变焦透镜具有体积小、成本低、变焦速度快、易加工等特点，可广 泛应用于拍照手机等便携式微型光学系统中，在信息技术、医疗卫生、空间 技术等领域具有广泛的应用前景。目前，已经提出了基于不同机制的微型变 焦透镜，且部分已实现商业化，代表性的公司有法国Varioptic、美国Sunex Inc.、 瑞士Optotune、加拿大Artificial Muscle Inc.等。其中，微型可变焦液体透镜尤 为引人注目。液体透镜实现变焦的原理主要可分为以下三种类型：基于电润 湿效应、基于折射率变化以及基于填充液体表面曲率变化。基于电润湿效应 的变焦透镜(B.Berge，et.al.，IEEE MEMS2005，2005，227-230；H.Zappe， Optoelctron.Lett.，2007，4，86-88；)是利用外加电压变化改变电润湿介质与绝缘 层之间的接触角，从而改变液体截面的表面曲率实现透镜变焦。这种变焦透 镜响应时间短、集成性能好，但驱动电压高、透镜口径大小有限；基于折射 率变化的通过改变材料折射率实现透镜的连续变焦，如液晶变焦透镜(H.W. Ren，et.al.，Opt.Express，2007，15，11328-11335)通过改变施加电压调节液晶折 射率分布，这种变焦透镜具有结构简单、抗振性能好、易阵列化等特点、但 由于液晶中电场的非均匀性会产生光学像差；基于填充液体表面曲率变化的 变焦透镜通过执行器(静电驱动(B.K.Nguyen，et.al.，Appl.Phys.Lett.，2008，93， 124101)、压电驱动(H.Oku，et.al.，Opt.Express，2004，12，2138-2149)，微泵驱 动(G.H.Feng，et.al.，Appl.Opt.，2009，48，3284-3290；M.Agarwal，et.al.，J. Micromech.Microeng.，2004，14，1665-1673)、热驱动(W.S.Wang，et.al.，IEEE Sens.J.，2007，7，11-17)、形状记忆合金驱动(H.M.Song，et.al.，Opt.Express， 2009，17，14339-14350)等)挤压腔体内液体，改变腔体表面透明的柔性薄膜曲 率，从而实现透镜聚焦。这种变焦透镜具有功耗低、透镜口径大小灵活、加 工容易、变焦范围大等特点，但对执行器控制精度要求高。

综上所述，已报道的微流体变焦透镜大多是通过改变电压等模拟输入方 式实现透镜变焦，因此需要控制电路模块提供变化的电压输出，增加了器件 成本。提高最大输出电压可增大透镜变焦比，但功耗也随之增加。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种数字式微流控变焦透镜，所述的数字式 微流控变焦透镜包括流体透镜、液压执行器单元、公共电极、控制电极、电 极引线及引脚、引线和引线槽、流体连通槽、进样孔、排气孔、密封带等。 其特征在于：①流体透镜和液压执行器单元是位于基底和盖板之间的充满流 体的腔体，且两者腔体内流体互相连通；②进样孔与排气孔通过流体连通槽 或引线槽与透镜或液压执行器单元的腔体连通；③控制电极位于液压执行器 单元的正下方，且与液压执行器单元的形状相同。液压执行器单元是由若干 个可独立控制的、容积相同或不相同的腔体组成。在公共电极和控制电极之 间施加电压时，对应的液压执行器单元盖板会产生变形或移动，挤压执行器 单元腔体内一部分流体进入透镜腔体内，使得流体透镜的透明盖板变形，从 而改变透镜的焦距。选择不同的液压执行器单元或多个执行器单元的控制电 极，能够挤压不同容积的流体进入透镜腔体内，使得流体透镜盖板产生不同 程度的变形，实现透镜焦距在一定范围内变化。

所述的流体透镜腔体的基底和盖板是透明的，盖板为单层或多层薄膜。

所述的液压执行器单元盖板为单层薄膜或多层薄膜。