一种基于图案化疏水层的变焦液体微透镜阵列的制备方法与流程

本发明属于液体透镜阵列的制备技术领域，具体涉及一种基于图案化疏水层的液体透镜阵列的制备方法。

背景技术：

液体透镜是仿人眼视觉系统，由一种或多种光学透明液体构成，通过改变液面形貌实现变焦功能。液体透镜具有体积小、重量轻、光学性能优良，无需机械移动且变焦响应速度快等优点，顺应变焦透镜微型化、智能化、稳定化、低功耗、成像质量高的发展趋势，在手机、数码相机、微型摄像头、内窥镜等方面有潜在的应用价值。

目前，制备变焦液体透镜阵列的方法主要是通过外力驱动两种液体在器件内的流动来实现并调节弹性膜的形变制成填充式可调焦液体透镜阵列，需要额外的液压马达提供外力，虽然成本较低但是光轴容易漂移，导致图像失真，液体表面曲率变化小，焦距范围变化小，并且要求弹性膜与液体高度匹配。基于电润湿或介电泳效应的液体透镜难以实现阵列化，因为相邻两液滴容易黏连，相互干扰。

技术实现要素：

为了克服填充式可调焦液体透镜阵列存在的光轴容易漂移、液体透镜阵列化难等缺陷，本发明提供一种基于图案化疏水层的变焦液体微透镜阵列的制备方法。

一种基于图案化疏水层的变焦液体微透镜阵列的制备操作步骤如下：

（1）在透明电极基板表面制备阵列图案化疏水层修饰层

（1.1）将透明电极基板用清洗液、丙酮、去离子水超声清洗干净，使用紫外臭氧清洗机进行表面处理，备用；

透明基电极板为在透明基板的一侧面上设有透明的导电膜；

（1.2）在导电透明基板的导电膜上表面涂覆正性光刻胶，软烤，得到光刻胶层；

（1.3）通过掩模版对光刻胶层进行紫外曝光处理，显影处理，硬烤，得到图案化光刻胶层；

（1.4）在具体图案化光刻胶层的导电膜表面涂覆疏水层溶液，加热将疏水层溶液中的溶剂挥发干净，形成透明疏水层薄膜；

（1.5）使用除胶剂去除光刻胶和附着在光刻胶表面的透明疏水层薄膜，保留附着在导电膜表面的透明疏水层薄膜，形成阵列图案化疏水层；

（2）制作变焦液体微透镜阵列

（2.1）采用一步刮涂法将光学液体涂覆在具有图案化疏水层的导电膜上，由于图案化疏水层修饰的电极基板表面的表面能不同，光学液体将附着在亲水区域，并在光学液体自身表面张力的作用下，自组装形成液体微透镜阵列；

（2.2）在液体微透镜阵列上覆盖具有导电膜的上透明基板，用厚度10μm-100μm的聚酯膜垫片封装四周形成盒体，注入环境液体，形成变焦液体微透镜阵列；

所述变焦液体微透镜阵列随着驱动电压的变化，使光学液体和环境液体之间的界面形貌发生变化，实现液体微透镜阵列焦距的调节。

进一步限定的技术方案如下：

所述透明基板材料为玻璃、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺中的一种。

所述导电膜材料为氧化铟锡、掺杂氟的氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/聚苯乙烯磺酸、纳米银、碳纳米管、石墨烯中的一种。

步骤（1.3）中，所述掩膜版上的图案为圆斑或多边形斑或条状斑，相邻图案之间的最小间距不低于3微米。

步骤（1.4）中，所述疏水层溶液由全氟（1-丁烯基乙烯醚）和全氟三丁胺按体积比1：5-40混合均匀制成。

步骤（1.5）中，所述除胶剂为丙酮。

步骤（2.1）中，所述光学液体为正性液晶、紫外固化胶noa65、noa81、noa61、noa60、noa63、noa68、noa71、noa72、noa73、noa74、noa75、noa78、noa83h、noa84、noa85、聚苯醚、聚甲基丙烯酸脂醚中的一种。

步骤（2.1）中，采用刮涂法、提拉法、或旋涂法将光学液体涂敷在具有图案化疏水层的导电膜上。

步骤（2.2）中，所述的环境液体为丙三醇、乙二醇、硅油中的一种。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明的制备方法利用图案化疏水层修饰透明导电基板表面，利用亲疏水差异性使液体在基板表面自组装形成透镜阵列，其中亲水区域起到固定液体作用，防止液体透镜光轴偏移导致图像失真，而疏水区域起到提高液体透镜响应速度和隔绝液体与导电基板防止电离的作用。由于表面张力的作用，液滴呈球冠状，具有良好的成像性能和光学特性。光学液体与环境液体满足以下条件：二者互不相容，二者在热、光等条件下不发生反应，二者均为光学透明液体，二者折射率差大于0.2，二者介电常数差大于10，二者均无毒无害；故光学液体选择聚苯醚、环境液体选择丙三醇。当施加电压时，光学液体液滴的形貌发生变化，实现焦距的改变。该方法制备的变焦液体微透镜阵列，由于亲水区域与液体的粘附作用将液滴中心轴固定住，从而使液体微透镜阵列的光轴更加稳定。

2.本发明方法采用工艺成熟的紫外光刻技术制备在透明导电基板上制备出图案化光刻胶层，在具有图案化光刻胶的透明导电基板上涂覆疏水层溶液，加热将溶剂挥发干净后，去除光刻胶获得图案化疏水层阵列。以往的方法无法直接将疏水层图案化，是在疏水层表面作出亲水的围堰图形。最典型的案例是利用旋涂的方法在基板表面均匀涂布疏水层溶液全氟（1-丁烯基乙烯醚）和全氟三丁胺以体积比1：20混合均匀，180℃烘烤10分钟使之烘干成膜。围堰图形的材料选用su-8光刻胶来制备。但上述得到的全氟（1-丁烯基乙烯醚）薄膜表面非常疏水，光刻胶无法均匀地附着。因此必须对全氟（1-丁烯基乙烯醚）表面进行氧等离子处理，增强其亲水性，从而使得su-8光刻胶可以均匀涂布。涂布后的光刻胶经紫外曝光、显影和定影后形成围堰图形。再经过退火处理使全氟（1-丁烯基乙烯醚）表面恢复疏水性，从而获得亲疏水差异较大的图案化阵列。现有的这种方法不仅工艺复杂，步骤繁多，且所用设备精度要求高、价格昂贵。本发明无需氧等离子刻蚀与退火处理，直接将疏水层刻蚀出图形，不仅步骤简单，而且获得的图形精度高、均一度高、大面积均匀。

3.本发明制备的变焦液体微透镜阵列具有体积小、重量轻、光学性能优良，无需机械移动且变焦响应速度快等优点。

附图说明

图1为变焦液体微透镜阵列结构示意图。

图2为在氧化铟锡透明导电基板上涂覆光刻胶的示意图。

图3为紫外光刻法对光刻胶层进行曝光处理的结构示意图。

图4为具有圆斑阵列的掩模版结构示意图。

图5为经过显影后获得图案化光刻胶层的结构示意图。

图6为涂覆疏水材料溶液的结构示意图。

图7为加热使疏水材料溶液中的溶剂挥发的结构示意图。

图8为具有图案化疏水层的导电透明基板的结构示意图。

图9为涂覆光学液体形成液体微透镜阵列的结构示意图。

图10为变焦液体微透镜阵列未施加电压时的结构示意图。

图11为变焦液体微透镜阵列施加电压时的结构示意图。

图12为具有条形斑阵列的掩模版结构示意图。

图13为具有液体柱状微透镜阵列的结构示意图。

上图中序号：导电玻璃基板1、导电膜2、正性光刻胶3、紫外光4、掩膜版5、图案化光刻胶层6，透明疏水层薄膜7，图案化疏水层8，光学液体9，环境液体10，上透明基板12。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种基于图案化疏水层的变焦液体微透镜阵列的制备操作步骤如下：

（1）在电极基板表面制备阵列图案化疏水层修饰层

（1.1）首先准备2cm×2cm大小的氧化铟锡导电玻璃基板1，用导电玻璃清洗液、丙酮、去离子水依次超声清洗干净，用氮气枪吹干，110℃烘干，再用紫外臭氧清洗机处理氧化铟锡导电玻璃基板1表面10分钟。在玻璃基板上设有导电膜，导电膜材料为氧氧化铟锡化铟锡，即为电极基板。

（1.2）参见图2，在黄光室，采用多步旋涂法在氧化铟锡导电膜上旋涂正性光刻胶，光刻胶型号为ar-p-5350，先以600r/min低速旋涂12秒，再以3500r/min高速旋涂40秒，获得厚度均匀、无缺陷、无颗粒的光刻胶层3，在120℃的热台上，烘干2分钟。

（1.3）参见图4，设计100×100不透明圆斑阵列的掩膜版5，不透明圆斑的直径d为100μm，相邻两个圆的圆心距w=l=150μm；参见图3，在黄光室,使用紫外光刻机和掩膜版5，对涂有光刻胶层3的导电玻璃基板1进行紫外光4曝光处理，曝光时间为15秒；参见图5，使用显影溶液（显影溶液由显影液的去离子水按体积比为1:8配制成）对曝光后的导电玻璃基板1显影约40秒，紫外光照射区域的光刻胶溶于显影溶液，紫外光未照到的区域不溶于显影紫外光，获得图案清晰的图案化光刻胶层6。

（1.4）参见图6，在图案化光刻胶层6的导电玻璃基板1上涂覆疏水层溶液，其中疏水层溶液由全氟（1-丁烯基乙烯醚）和全氟三丁胺按体积比1：30混合均匀制成。将疏水层溶液涂覆在具有图案化光刻胶层的氧化铟锡导电膜上；在180℃热台上使疏水层溶液中溶剂挥发，加热时间30分钟，在具有图案化光刻胶层的在氧化铟锡导电膜表面形成透明疏水层薄膜7。

（1.5）参见图7，在丙酮中浸泡1分钟去除光刻胶和附着在光刻胶表面的透明疏水层薄膜，只留下附着在在氧化铟锡导电膜表面的透明疏水层薄膜，得到具有微孔阵列的疏水层薄膜8，其中圆孔内是氧化铟锡导电膜，无透明疏水层薄膜，表面能为60mn/m,圆孔外有透明疏水层薄膜，表面能为12mn/m。

（2）制作变焦液体微透镜阵列

（2.1）参见图8，选取聚苯醚为光学液体9，聚苯醚的参数为：折射率1.67,介电常数5，密度为1.25g/cm。采用一步刮涂法将光学液体9涂在具有微孔阵列的疏水层薄膜8上，光学液体9将附着在微孔内，并由光学液体9自身表面张力形成半球形的液滴阵列，而微孔外的在氧化铟锡导电膜表面上没有光学液体9，得到液滴阵列，见图9。

（2.2）参见图10，以导电玻璃基板1为下基板，在液滴阵列上覆盖具有导电膜2的上透明基片12，导电膜2材料为氧化铟锡；用60μm厚的聚酯膜垫片封装四周形成盒体，留下注液口。注入环境液体丙三醇，丙三醇的参数为：折射率1.47,介电常数47，密度1.26g/cm，形成变焦液体微透镜阵列。

参见图11，施加一定的交流电压（0-200vrms），频率为100-700hz，变焦液体微透镜阵列中的液体微滴的形貌发生变化，实现液体微透镜焦距的调节。未施加电压时，液体微透镜阵列的焦距为2.5mm；当电压为15vrms时，焦距为2.1mm；当电压为30vrms时，焦距为1.8mm；当电压为45vrms时，焦距为1.6mm；当电压为60vrms时，焦距为1.5mm；当电压为75vrms时，焦距为1.2mm。当电压升高到一定程度，液体接触角达到饱和值，再升高电压，液面形貌不发生变化，所以焦距也不再改变。当撤去电压后，微透镜阵列的焦距又恢复到初始焦距。

实施例2

一种基于图案化疏水层的变焦液体微透镜阵列的制备操作步骤如下：

（1）在电极基板表面制备阵列图案化疏水层修饰层

（1.1）首先准备2cm×2cm大小的导电玻璃基板1，用导电玻璃清洗液、丙酮、去离子水依次超声清洗干净，用氮气枪吹干，110℃烘干，再用紫外臭氧清洗机处理氧化铟锡导电玻璃基板1表面10分钟。在玻璃基板上设有导电膜2，导电膜2材料为纳米银，即为电极基板。

（1.2）同实施例1中步骤（1.2），采用多步旋涂法在纳米银的导电膜2上旋涂正性光刻胶。

（1.3）参见图12，设计100×100条形阵列的掩膜版5，电极条宽度w-1为20μm，相邻电极条之间的间隙w-2为20μm；在黄光室，使用紫外光刻机对涂有光刻胶层的导电玻璃基板1进行紫外光4曝光处理，曝光时间为18秒；

使用配制好的显影溶液（显影溶液由显影液与去离子水按体积比1:8配制成）对曝光后的光刻胶层显影约40秒，被紫外光照射区域的光刻胶溶于显影溶液，未照到的区域不溶于显影溶液，如此获得图案清晰的光刻胶条形阵列的图案化光刻胶层6。

（1.4）参见图6，在图案化光刻胶层6的导电玻璃基板1上涂覆疏水层溶液，其中疏水层溶液由全氟（1-丁烯基乙烯醚）和全氟三丁胺按体积比1：10混合均匀制成。将疏水层溶液涂覆在具有图案化光刻胶层的纳米银导电膜上；在180℃热台上使疏水层溶液中溶剂挥发，加热时间30分钟，在具有图案化光刻胶层的在纳米银的导电膜2表面形成透明疏水层薄膜7。

（1.5）同实施例1的步骤（1.5）；在丙酮中约1分钟去除光刻胶，光刻胶溶于丙酮的同时也将附着在光刻胶表面的疏水层去除，只保留附着在在纳米银的导电膜2上的疏水层，得到具有亲水疏水相间排列的条形阵列的疏水层薄膜8。其中，纳米银的导电膜2的表面能为80mn/m，疏水层薄膜8的表面能为10mn/m。

（2）制作变焦液体微透镜阵列

（2.1）选取紫外固化胶noa65为光学液体9，紫外固化胶noa65的参数为：折射率为1.52，介电常数为5，密度为1.2g/cm。采用一部提拉法将光学液体9涂覆在具有条形阵列的疏水层薄膜8上，光学液体9将附着在具有亲水性的疏水层薄膜表面，而具有疏水性的疏水层薄膜表面没有光学液体9，从而获得光学液体9自组装形成的液体柱状阵列。

（2.2）选取乙二醇为环境液体10，丙三醇的参数为：折射率1.43，介电常数37，密度1.11g/cm。以具有导电膜的玻璃作为上透明基板12，导电膜材料为纳米银；以具有液体柱状阵列的导电玻璃基板1为下基板，用40μm厚的聚酯膜垫片封装形成盒体，制成液体柱的变焦液体微透镜阵列，参见图13，为基于图案化疏水层的液体柱的变焦液体微透镜阵列。

施加一定的交流电压（0-200vrms），频率（100-700hz），液体柱透镜阵列的形貌发生变化，从而调节焦距。

未施加电压时，液体柱透镜阵列的焦距为5mm；当电压为10vrms时，焦距为4.5mm；当电压为20vrms时，焦距为4.3mm；当电压为30vrms时，焦距为4mm；当电压为40vrms时，焦距为3.5mm；当电压为50vrms时，焦距为3mm。当电压升高到一定程度，液体接触角达到饱和值，再升高电压，液面形貌不发生变化，所以焦距也不再改变。当撤去电压后，微透镜阵列的焦距又恢复到初始焦距。