光学透镜技术发展脉络

光学透镜技术发展脉络透镜最简单的形式是由两个球面或一个球面和一个平 面所构成。随着时代的发展，人们对透镜的精度、成像质量、 大小、加工、成本等都有了更高的要求，在技术方面，追求 高性能、高精度，小型化、微细化，以及综合技术、尤其是 光机电综合技术；在产品方面，越来越多的采用变焦透镜、 非球面透镜、菲涅尔透镜、微透镜阵列等非传统的透镜形式。4.1 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜具有不逊于传统透镜的光学聚焦和光学成 像性能，因其质量轻、厚度薄、口径大、结构紧凑等优点， 在太阳能热水器、太阳能电站及显像领域有着广泛的应用。图 5-6 为传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化。依据光学 设计的原理不同，菲涅尔透镜可以分为正菲涅尔透镜和负菲 涅尔透镜。从具体的结构形状上来划分，则可以分为：圆形 菲涅尔透镜、柱状菲涅尔透镜、线性菲涅尔透镜、衍射菲涅 尔透镜、菲涅尔反射透镜、菲涅尔透镜阵列、菲涅尔光束分 离器和菲涅尔棱镜等。图 1 传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化菲涅尔透镜早期主要应用于传统的光学透镜领域（如眼 镜、目镜、灯具、在透镜投影机中用于准直光线等），随着 电视技术的发展，菲涅尔透镜开始应用到显示领域，之后随 着投影技术的发展，菲涅尔透镜被应用到大型投影屏中，到 21 世纪以后，菲涅尔透镜的应用研究转向了太阳能领域。4.2 微透镜阵列 微透镜阵列是由一系列直径在微米至毫米的阵列元按 照一定的规则排列而成，微透镜的典型尺寸为直径在一个微 米至几百个微米之间，具有很多优点，例如质量小、重量轻、 体积小、易于集成、性能稳定、大批量化生产、低功耗、高 频率响应、响应时间短等，在医学、军事、天文等各种科学 领域发挥着举足轻重的作用。利用微透镜阵列可以实现光束 的发射、聚焦、偏析、复合、开关、祸合、分割、接收等功 能，并以其体积小、重量轻、设计灵活、可阵列化并且易于 集成等优点，微透镜阵列被广泛用于光通信、自动控制、数 据存储、图像处理、信号变换、光互联和光计算等方面，在 这些领域显示出了巨大的潜力。随着微机电一体化技术的发展，阵列化、一体化、微型 化己经成为微透镜阵列加工技术的发展方向。微加工技术得 到了长足的发展和提高，同时由于微透镜越来越小，为微阵 列的发展创造了更好的发展条件。由于微透镜阵列具有并 行、高速的处理光信息的特点，被广泛的应用到各行各业， 微阵列的设计与制作也成为科研工作者研究的热点之一。微透镜光学元件分为衍射(Diffractive)和折射光学元件 (Refractive Optical Element, ROE)两大类。如图 5-7 所示 为菲涅尔微透镜阵列。由二元光学方法，制作出的衍射微透 镜及其阵列的表面是不连续的，制作浮雕结构采用多台阶相 位结构近似的方法，衍射元件的加工制作问题得到解决。折 射型微透镜及其阵列的制作工艺可以制作出直径在一个到 几个毫米之间的微透镜阵列，其典型的直径为几十到几百微 米，并且具有一定的厚度。光刻胶热熔方法制作出的微透镜 及其阵列可以达到毫米量级的直径。具有较高的填充因子和 衍射效率的衍射微透镜阵列在很多领域有巨大的需求和前 景，也是科研工作者的研究重点。图2菲涅尔微透镜阵列上世纪八十年代以来，半导体硅的制作工艺技术越来越 高，对微结构的制作起到了推动作用。微透镜阵列中的阵列 元的制作技术得到了不断进步同时制作工艺得到了不断的 完善。光、机、电一体化促使仪器设备和光机电系统朝向微 型化的方向发展。同时微光学元件也具有十分广泛的应用范 围。衍射微透镜阵列被广泛的应用到了很多领域比如红外焦 平面探测、波前感测仪、共焦探测、生物芯片等。折射微透 镜阵列，广泛的应用于许多领域如3D成像、光互联、光束 整形等。4.3液体透镜根据工作原理和结构的不同，液体透镜主要可分为3个 种类：通过机械力改变透镜外形和体积的单液体透镜；(2)基于电润湿(Electrowetting)原理的双液体透镜；通过加电改变液晶分子排列状态从而引起折射率变化的液晶透镜。其中基于电润湿原理的双液体透镜是当前液体透镜发 展的主流方向。第一种类型的液体透镜采用机械方式对腔体内液体加 压，通过液体在腔体内的重新分布，改变腔体表面透明弹性 薄膜或液滴自身表面的曲率半径，从而实现焦距改变。这种 方法具有驱动功耗小、控制简便，透镜口径大小灵活的优点， 尤其可以通过合理选择不同折射率液体，实现大的变焦范 围，具有很大优势。缺点在于口径大时，对振动及重力的影 响较为敏感。加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的硏究团队发明的液体 透镜是由两个装满液体的透镜腔所组成，以背靠背方式紧贴 在玻璃基板的两侧。腔体则是由具有弹性的聚二甲基硅氧烷 所制成，直径约20mm，厚度只有8mm，在每个腔体中注 入 63%的铬酸钠溶液（折射率=1.5） ，并以 PDMS 薄膜密封， 透镜腔的出、入口设有活塞，并由一个与腔体集成在一起的 微型泵来控制压力，进而改变透镜的焦距。这种集成型液体 变焦透镜是利用液体的连通原理，通过作用于与液体透镜连 通的另一个液体容器，用挤压或拉伸力使之产生物理形变来 控制其焦距，这种控制方法属于机械力控制。第二种实现液体可变焦透镜的方法是基于介质上电润 湿流体接触角变化的原理。电润湿效应是一种物理化学现 象，它通过改变液体一固体界面的外加电压来控制液体在固 体面上润湿特性。2003年,Lucent公司硏究部门的科学家推出世界上第 一款纯电力控制的液体变焦透镜，在电场作用下能改变自己 的光学特性。这种液体透镜是在带有特殊涂层的基底上由一 种导电液滴（例如硫酸钾溶液）形成的，在基底上安放有触点， 在这些触点上加电就能控制透镜的焦距，做成的产品大小可 从几十微米至几毫米不等。由于它的透镜表面是液体与空气 的交界面，故变焦的效率高，但同时也带来一个弊端，其表 面只能平放，不好控制，而且对周围环境的要求苛刻。为改善其可控性， 2004 年，在 CeBIT 博览会上，菲利 普公司展出了他们的新型变焦液体透镜，这是一款特殊的无 机械活动部件的可变焦液体透镜系统。菲利普公司的这种液 体透镜是由两种互不相溶且具有不同折射率的液体组成（如 图 5-8）：一种是导电的水溶液，另一种则是不导电的油。把 两者装在一个一端有透明盖板的短管里面，管的内壁和另一 端的盖板上都涂有疏水性材料，这使得水溶液由于表面张力 的作用向没有疏水性材料的一端弯曲成了一个半球状，通过 在两片电极上加一直流电压，致使液面曲率发生改变，从而 改变透镜焦距。菲利普公司此次展示出的这种液体透镜具有 诸多优点。例如体积小、变焦速度快、耗电量小、寿命长、 成像质量好等。图 3 菲利普公司的柱状变焦液体透镜法国VariOptic公司的透镜用的也是电浸润法”如图 5-9 所示，该液体透镜是由两部分组成的：其中一半是玻璃 底板，上置一金属圈，这是液体透镜其中一个电极，把电解 液滴放在玻璃底板上金属圈中间；另一半也是一个玻璃底 板，上面装一个圆锥形金属圈，就成为另一个电极，在金属 圈上附着一层绝缘层，再在绝缘层和玻璃底板上均涂一层疏 水性材料，在这样形成的圆锥形容器里面，放置不导电的油 性液体，最后把两部分扣起来，两电极之间用绝缘介质隔开， 封装之后，就是V ariOptic公司的液体透镜。图 4 VariOptic 公司的锥状变焦透镜这种液体透镜结构简单：液体用的是两种等密度的液体，它们的密度差以及它们的密度平均值的比例必须做到低 于10-2。其中一种是能导电的电解液，另一种是绝缘的油， 充当眼睑的作用，像三明治似的夹在一个圆锥形器皿的两个 窗口中间，这使得可操作的液体是定量的，并可在一定程度 上起到稳定光轴的作用。电解液与油之间界面的形状依靠加 在电极上的电压来控制，不同的电压引起两种液体界面弯曲 度的变化，从而导致透镜焦距的变化。当用施加电压的方法 去改变这个界面的形状时，就可以获得所期望的折射率。不 施加电压的时候，界面是稍微凹进去的;当电压加到40V时， 界面变成咼咼凸起的了。第三种类型的液体透镜是基于液体折射率变化的可变 焦透镜，主要是通过改变液体的折射率，通过使其产生梯度 变化来实现变焦。例如液晶微变焦透镜，如图5-10所示， 通过改变施加的电压调节液晶折射率，从而实现对透镜焦距 的控制。美国、日本、韩国以及我国的一些大学与研究机构 都在这方面开展过研究。这种液晶微变焦透镜具有易子实现 阵列化的优点，但其焦距可调范围较小，能量损失率大，并 且由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。liu 1 L 11 L LXJJ-. J LI E .丄1 1 1 1 1 1y rum !R夕歹o 0鴛1 +VT-lOJLjD4苗1_Pt0于一:血第1樓丸靳射爭奇布115 1】4114 p15103I阴申间电压快抡1H11$ 114 1H 11UM i棋式I0C1 H 114 115