一种双腔体二甲基硅氧烷液体变焦透镜

　　调焦是光学系统中非常重要的功能之一,特别是对变焦距透镜而言.通常变焦透镜采用机械传动装置,整个系统显得非常复杂,体积较大,同时价格也较为昂贵.而液体变焦透镜的出现为减小变焦透镜体积、质量和降低其成本带来了新的可能,在自适应光学系统以及微小型相机等领域受到广泛关注[1-4].众多变焦透镜的模型中,基于单点金刚石切削和刷软刻蚀工艺的PDMS(二甲基硅氧烷)透镜以其工艺简单、低加工周期短而且容易嵌入各种非球面位相轮廓等优点而备受关注[5-6].但该类透镜直接利用等离子体表面处理技术将PDMS薄膜和PDMS腔体粘合,当薄膜变形较大时,常会导致边缘脱落,从而影响透镜性能.本研究提出了一种双PDMS腔体的液体变焦透镜的改进结构.采用一个腔体来装载液态,另一个腔体用来保护PDMS变形膜,同时该腔体的底部仍然可以根据需求融入特殊设计的相位轮廓.采用此模型,变形膜的边缘实际上是由PDMS表面粘合和边界固定共同保护,避免了因粘合不牢固带来边缘脱落的情况,从而增强了透镜工作的稳定性.

　　1　PDMS腔体变焦透镜结构

　　PDMS腔体液体变焦透镜结构一般如图1(a)所示,PDMS材料具备良好的光学性能,而且相互间利用等离子体进行表面处理后粘合极好.图中所有的部件都是PDMS材料制作的,其中PDMS腔体用于装载液体,微通道用于进水和排水,PDMS薄膜在液压条件下会发生变形.研究表明:不考虑边缘粘合问题以及薄膜厚度分布均匀问题时,若只利用变形膜工作区域的80%孔径[7],可以安全地将变形部分视作球面来处理,而透镜焦距f与变形膜曲率R的对应关系为[8]

　　式中nl和na分别为腔内液体和空气折射率.

　　该结构最大优点在于腔体内容易嵌入各种非球面位相轮廓来改善透镜光学性能[9-11],而且利用精密的单点金刚石切削工艺可以保证该位相轮廓中心与变焦透镜中心对齐,但是由于该结构PDMS薄膜与腔体是利用等离子体技术表面处理后直接粘合,保证两者的严格缝合不太容易,而且在液体压力较大条件下容易产生PDMS薄膜边缘脱落情况,这些都严重影响了透镜的光学性能,甚至使其无法正常工作.针对此情况,本研究提出如图1(b)所示的改进模型.

　　图1(b)中PDMS腔体1用于装载液体,两侧的微通道为液体输送和排出管道.变焦透镜中的变形膜位于2个PDMS腔体中间.PDMS腔体2则用于限制PDMS薄膜的边缘,起保护作用,另外由于难以保证PDMS腔体1中心与PDMS变形膜中心一致,因此用于改善光学性能的各种特殊相位轮廓应位于PDMS腔体2底部.而且由于PDMS良好的光线透过率(高于90%),因此腔体厚度的增加对于该透镜的光学效率影响不大.