基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜

　　0　引　言

　　在光学系统中,可变焦透镜一直扮演着很重要的角色。在照相机、摄像机、显微镜、望远镜等许多光学系统中,广泛使用的传统型可变焦透镜一般由两片或多片透镜组合而成,有些甚至需要结合更加复杂的光学部件。要实现变焦就必须使用电机和齿轮等机械装置来调节可动部件。由于存在机械可动部件,此类透镜存在固有的缺陷,比如难以实现微型化,变焦速度慢,坚固性差[1]。而这些缺憾正与目前光学系统发展的方向背道而驰。

　　目前,人们着力于研究利用电润湿原理来改变液滴的形状以及改变形状后所具有的光学特性[2—5]。在此基础上,可变焦液体透镜很好解决了变焦透镜微型化和提高使用寿命等问题。随着人们研究的深入,基于介质上电润湿的变焦透镜以其突出的性能而越来越受到人们的重视。与传统变焦透镜调节透镜间相对位置的变焦方式不同,微型液体变焦透镜以微量透明液体为透镜的主体,利用变换电压来改变液体的形状从而实现变焦的功能[6—8]。

　　然而目前研制出的一些液体变焦透镜仍然存在着一些问题。首先,表面粗糙度对器件性能存在很大的影响,Varioptic公司制造的液体透镜的镜头面依赖液体之间的界面张力进行运作,因此界面的粗糙度是必须要仔细考虑的因素[9];其次,侧壁电极的形成过程通常需要利用真空镀膜或者溅射等工艺手段,Philips[10]公司的液体透镜电极由侧壁电极和底端平面电极组成,然而侧壁电极的形成工艺过程相对复杂;另外,液体透镜也面对着抗摔抗震性能的提高等问题。基于这些情况,我们提出了金属侧壁可变焦液体透镜。通过实验验证,利用金属做成液体透镜的壁垒,有效地解决了侧壁电极的形成工艺难问题,因为金属壁垒本身就是一个导电性能很好的导体,不需要额外的工艺过程去形成电极。同时金属具有很好的可加工性,采用电化学抛光方法可以得到粗糙度较低的表面,表面粗糙度降低后,也将一定程度上减小接触角迟滞特性。另外,相对于玻璃等其他材质,金属具有更好的柔韧性,对于有柔韧性要求的应用场合,比如柔性显示中,金属将取得更广阔的应用;良好的可加工性也将有利于把器件做成阵列化,实现更强大的功能。

　　1　表面处理

　　利用介质上电润湿现象,人们展开了很广泛地研究,但是目前的研究现状仍然存在几个突出问题:首先,在较低电压范围内,接触角随电压变化不明显;其次,接触角饱和问题,即电压加载到一定数值之后接触角度不再减小;另外,在电压加大的过程中往往出现电击穿。由于电击穿现象,目前的电润湿器件都是制备在表面平整的平面基板上,例如电子纸,生物芯片等。但是对于液体透镜来说,优化设计需要实现不同形状的侧壁结构,因此金属侧壁是一种比较好的解决方案,避免了复杂的侧壁电极加工工艺。但是金属表面存在粗糙度问题,若粗糙程度过高,不仅会增强接触角迟滞特性,还会降低透镜的耐电压强度。本文采用电化学抛光很好的解决了金属表面的粗糙度问题。