液滴透镜在电场中的变形研究

　　0　引言

　　微透镜是微光学领域的重要元件之一.近年来,微透镜及其阵列器件在光互联[1]、光学神经网络[2]、集成成像[3]等领域得到了广泛的应用,其制作技术也得到了飞速的发展.目前,制作微透镜的方法主要有金刚石切削、光刻胶热熔成型法[4]、模压成型法[5]、光刻离子交换技术[6]等.液滴透镜法[7]制作成本低,表面光洁度高,适合大批量生产和制造透镜阵列器件,是制作微透镜的重要方法之一.由于液滴自然形成的面形一般是球面,通常不能很好地符合光学成像的要求,因此目前采用液滴透镜法制作的微透镜多用于聚光,而不能用于成像.随着复眼透镜、3D图像识别等技术的发展对微透镜及其阵列成像性能要求的提高,非球面微透镜制作技术成为研究热点.

　　电场作用可以改变液滴面形现象的发现促进了非球面液滴透镜技术的迅速发展.Bell实验室通过在分割的基底区域上施加电压,改变液滴与基底的浸润角和液滴的表面张力从而改变了液滴的面形[8].利用类似原理,Philips公司研制出可变焦的微透镜并已形成产品[9].实验证明通过施加电场,液滴面形会由自然状态下的球冠形变为抛物面形甚至成为类圆锥形[10].若采用紫外光固化技术将变形的液滴透镜固化,则能形成固体微透镜[11].

　　本文提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并实时检测其光学性能的新方法.选择透光的紫外光固化材料,在实时进行光学检测的条件下,利用电场作用操控液滴透镜的面形,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可以制作具有良好成像和聚焦性能的非球面微透镜[12].本文比较了不同强度电场下的液滴透镜面形,研究了液滴透镜的主曲率和焦距随电场的变化规律,计算了液滴透镜的波像差、光学传递函数和Strehl Ratio等参数.

　　1　透镜制作

　　本文研制了电场作用下的光固化非球面液滴透镜制作及实时检测的实验平台,该系统的原理示意图如图1.该系统主要由液滴面形操控模块、横向检测光路、纵向检测光路和紫外光固化模块组成.

　　将液滴透镜放置于两个平行的ITO透明导电玻璃电极之间,上电极接高压电源,下电极为零电位电极.液滴透镜的面形随电场的变化而变化.横向光路由漫散射白光照明,使液滴侧面在CCD相机上成像,通过图像处理提取液滴透镜的面形轮廓,并经多项式拟合可以得出液滴透镜的面形表达式;根据面形表达式可以进一步进行光线追迹和像差计算.纵向光路由半导体激光器发出的光束经准直扩束后,经液滴透镜聚焦,用高倍光学显微物镜将聚焦光斑放大,通过CCD相机和自动寻焦系统获取液滴透镜的聚焦光斑图像,可以得到焦斑的位置,还可以进一步计算光学传递函数.若选用对紫外光敏感的液滴材料,在实时检测到较好的液滴面形和聚焦状态时,启动紫外光源将液滴透镜固化,则可以获得具有良好光学性能的非球面微透镜.该方法工艺简单,重复性高,配合精密二维平移台,可以制造非球面微透镜阵列器件.