[发明专利]基于压电逆效应的变焦微透镜

说明书

技术领域

本发明属于光学元器件技术领域，涉及微透镜，尤其是焦距可变的微透镜。

背景技术

微透镜的设计、制作及其应用是信息光学领域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。近年来，微透镜的研究发展迅速，但所设计、制作的微透镜及其阵列，以及由这些元件所构成的微光学系统，通常属于“静态”元件或系统，即这些元件的设计与制作一旦完成，其元件或由这些元件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。随着微光学的自身发展与市场需求的推动，光学性能可调微透镜或由其所构成的系统开始引起人们的关注与重视，这种新型元件明显不同于“静态”微光学元件，研究这类新型微光学元件不仅能拓展微光学的研究范围和应用领域，同时丰富、发展了微光学研究内涵。

近年来，变焦微透镜已引起人们的广泛关注与重视，这种新型光学元件在成像、光束控制与整形、微流体传感、自适应光学、生物医学光子学等方面有着广泛的潜在应用。变焦微透镜是指通过施加一种或多种外加可调控物理量（如力、热、电等）来改变微透镜的形状或折射率分布，从而实现其光学性能的相应改变。其具体调控方式有多种，按调控过程所产生的实际物理效果主要分为两大类，即表面形状调控方法和折射率调控方法。对于表面形状调控方法，通常采用液体作为微透镜主体结构，利用压力、电润湿、热形变等效应来改变微透镜的表面曲率，实现对其焦距的调控。液体型可调微透镜通常具有变焦范围大、数值孔径大等特点，但同时存在以下缺点：1）调控响应速度慢，不能实现快速调控；2）其控制单元结构复杂、体积大，难以用于设计和制作阵列型结构。而对于折射率调控方法，通过采用电光、热光等效应来改变透镜的折射率，实现微透镜聚焦性能的调控。可调液晶微透镜是这种类型中的典型代表之一，具有响应速度相对较快、无机械运动、无表面形变、稳定性好等诸多优点，但是其焦距调控范围较小、且通常具有偏振依赖性、光损耗大等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电逆效应的变焦微透镜，通过对压电陶瓷馈送电压，使其压电陶瓷在电场作用下发生伸缩，从而驱动微透镜面形发生变化，最终实现微透镜焦距的调控功能。该微透镜具有调控速度快、调控范围大、结构简单、工艺制作简便、易于实现阵列结构等特点。

本发明技术方案如下：

基于压电逆效应的变焦微透镜，其结构如图1所示，包括第一玻璃片1、压电陶瓷环2、第二玻璃片4；所述第二玻璃片4中心具有一个圆形孔，第二玻璃片4的表面覆盖透明有机薄膜5；所述压电陶瓷环2夹于第一玻璃片1和第二玻璃片4之间，压电陶瓷环2与第二玻璃片4的中心圆孔保持同心；第一玻璃片1、压电陶瓷环2和第二玻璃片4密封形成的内部空间填充透明液体3。

上述技术方案中：

1、第一玻璃片1和第二玻璃片4可采用光学玻璃。

2、有机薄膜5可采用聚二甲基硅氧烷薄膜。

3、有机薄膜5在第二玻璃片4中心圆孔处的初始形状为凸形、凹形或平面结构。

4、透明液体3可采用甘油或其它透明液体。

5、变焦微透镜各部件可采用紫外固化聚合物封装。

本发明的工作原理可以描述为：

采用控制电源6对上述变焦微透镜的压电陶瓷环2馈送控制电压。由于压电逆效应，使压电陶瓷环2发生伸缩形变，这将导致内部封装的透明液体3各位置的压强发生变化，其压强在透明液体3内传递，由于透明液体3不可被压缩，从而引起第二玻璃片4圆孔位置处的透明有机薄膜5发生形变，即其曲率半径发生相应改变。当单色平面波光由下而上入射到该透镜上时，在第二玻璃片4圆孔位置处由透明有机薄膜5和透明液体3所构成的微透镜的焦距为：

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其中r表示微透镜的曲率半径，n表示微透镜的折射率。由于调控过程中微透镜的曲率半径发生了改变，其焦点位置也将发生相应变化，从而实现了微透镜焦距的调控。

本发明的有益效果是：