一种形状记忆微透镜阵列及多通道的非接触式光控开关

本发明属于光学器件领域，具体涉及一种形状记忆微透镜阵列以及多通道的非接触式光控开关。

背景技术：

1、由数百个微透镜组成的微透镜阵列(mla)是一种典型的小尺寸、高集成度的光学元件。迄今为止，mla已经在光学成像、红外制导和光学传感等领域得到了广泛的应用，在一些先进的光学系统中，mla通常在实现其先进的光学性能方面起着至关重要的作用。mla的每个微透镜单元独立运行并作为一个整体工作，从而实现光操纵、光学相位调制、分辨率提高和像差校正。近年来，微/纳米加工技术的进步推动了微型光学器件制造方法的快速发展。通过先进的增材和减材制造技术，可以成功地制造出各种类型的mla。

2、为了利用微透镜阵列实现可调节的成像能力，部分技术人员将更多的功能组件集成到mla中，这些组件可以实现机械变形或调整电/光场，但这也增加了系统的尺寸和复杂性。另外一些技术人员通过改变介质溶液ph等策略来改变mla的折射率。但这些方法仍然存在功耗高、刚体不可变形、系统结构较大且复杂、焦距可调性有限等问题。另外，智能材料与微透镜结构的结合能够带来明显的优势，包括可编程变形、远程操作和多模态可调性。然而，与允许灵活结构的光聚合物不同，基于透明智能材料的可调谐mla的制造仍然很少见。

3、部分技术人员提出将记忆材料与微透镜阵列结合，开发出具有形状记忆功能的微透镜阵列，这提升了微透镜阵列的性能，降低了微透镜阵列的调节难度。然而，现有的各类形状记忆微透阵列的制造难度大、良率低，成本高昂，且形状记忆微透阵列的应用研究仍处于起步阶段，实际应用场景有限。如何开发新型微透镜阵列以及基于微透镜阵列新应用，仍属于本领域技术人员的热门研究领域。

技术实现思路

1、为了解决现有形状记忆微透镜阵列制造难度大，成本高，应用价值有限的问题，本发明提供一种形状记忆微透镜阵列以及多通道的非接触式光控开关。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种形状记忆微透镜阵列，其由形状记忆聚合物smp制备而成，制备方法包括如下步骤：

4、一、制备凹面mla模板

5、(1)通过飞秒激光加工系统对石英玻璃进行加工，在石英玻璃上形成与形状记忆微透镜阵列中各个透镜单元的尺寸和空间分布相匹配的凹坑。

6、(2)通过20％的hf蚀刻液对加工出凹坑阵列的石英玻璃进行化学蚀刻，得到表面光滑均匀的凹面mla模板。

7、二、制备透明smp材料

8、(3)将用于制备透明形状记忆材料的各个组分按照预定的质量比例混合，充分搅拌确保两者能够混合均匀。

9、(4)将混合物在内抽式真空机中进行抽真空处理，得到排除空气和挥发性物质的透明smp材料。

10、三、重构形状记忆微透镜阵列

11、(5)将透明smp材料均匀涂覆在凹面mla模板上。

12、(6)将涂覆好的模板放置到加热平台上，以65℃的温度持续加热3h，使透明smp材料充分固化，得到形状记忆微透镜阵列。

13、(7)将固化好的形状记忆微透镜阵列与mla模板一起转移到85℃的红外灯下，照射2-3min后，对软化后的形状记忆微透镜阵列进行脱模。

14、作为本发明进一步的改进，飞秒激光加工系统的光源为1030nm飞秒激光，加工过程中，脉冲持续时间为100fs、重复频率为100khz。

15、作为本发明进一步的改进，步骤(2)中化学蚀刻后的石英分别进行清洁和干燥，得到所需的凹面mla模板。

16、作为本发明进一步的改进，步骤(3)中，用于制备透明形状记忆材料的组分包括环氧树脂e51与环氧树脂固化剂d230，二者的质量比为3:1。

17、作为本发明进一步的改进，步骤三中，形状记忆微透镜阵列在无尘环境中完成重构过程。

18、本发明还包括一种多通道的非接触式光控开关，其包括：光控盒、激光器、透镜阵列、激光扩束器、光敏阵列、位移机构、压平机构、温控机构，以及控制器。

19、其中，光控盒内包括一个截面为方形的管状暗室。激光器位于光控盒内的暗室的一端。激光器用于从暗室的一端向另一端发射激光；激光器发射的激光光路沿暗室的轴线方向。透镜阵列安装在光控盒中的暗室中间，并垂直于暗室的延伸方向。透镜阵列中包含多个透镜单元；透镜阵列采用如前述的形状记忆微透镜阵列。透镜阵列为柔性透镜阵列，并具有在指定温度条件下恢复自身形变的能力。激光扩束器位于激光器和透镜阵列之间，激光扩束器用于将激光器发射的激光扩束为能够覆盖透镜阵列的准直光束。

20、光敏阵列位于暗室中远离激光器的另一侧，光敏阵列中包含与透镜阵列中的透镜单元数量对应的若干个光敏单元，光敏阵列中的各个光敏单元分别位于透镜阵列的各个透镜单元的焦点处。

21、位移机构用于沿光控盒的延伸方向移动光敏阵列，进而调整光敏阵列与透镜阵列的相对距离。

22、压平机构位于光控盒中，用于对透镜阵列施加应力，以使得透镜阵列发生塑性形变。温控机构用于通过调节透镜阵列的温度来驱动透镜阵列在发生塑性形变后恢复至自然状态。

23、控制器与激光器、位移机构、压平机构和温控机构电连接，控制器用于调节激光器、位移机构、压平机构和温控机构的运行状态。

24、在本发明的多通道的非接触式光控开关中，光敏阵列中每个光敏单元作为一个独立的光开关，激光器出射的激光经激光扩束器扩束和透镜阵列聚焦后，达到光开关的启动阈值。以使得当透镜阵列处于形变状态时，光开关处于关闭状态；当透镜阵列处于自然状态时，光开关处于开启状态。

25、作为本发明进一步的改进，压平机构包括第一转向板、第二转向板和驱动组件。第一转向板和第二转向板分别位于透镜阵列的两侧；驱动组件用于驱动第一转向板和第二转向板同步转动，并使得二者在第一状态和第二状态之间进行切换。

26、在第一状态下，第一转向板和第二转向板均向内转动至与透镜阵列平行的状态，以夹紧透镜阵列，并使得透镜阵列发生塑性形变。在第二状态下，第一转向板和第二转向板均向外转动至与透镜阵列垂直的状态，进而从激光器的光路上移开。

27、作为本发明进一步的改进，温控机构采用红外加热器，红外加热器中包括一个红外光源和一个驱动电路，驱动电路用于调整红外光源的发光功率；红外光源的照射方向指向透镜阵列。

28、作为本发明进一步的改进，多通道的非接触式光控开关中还包括一个温度传感器；温度传感器位于光控盒内的暗室中，温度传感器与控制器电连接，控制器通过温度传感器测量暗室内环境温度。

29、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

30、本发明采用飞秒激光加工结合化学蚀刻的方法加工mla模板，并利用转印方法实现了形状记忆微透镜阵列的批量加工。本发明提供的纸杯方法不仅提高了微透镜阵列的加工精度和空间分辨率，更重要的是，它从根本上改变了激光与材料之间的相互作用机制。这种加工方式具备极高的精度和适用性，可以提供产品的生产良率并降低加工成本，适用于批量生产和应用。

31、本发明提供的形状记忆微透镜阵列将微透镜结构与可重构智能材料相结合，展现出显著的优势特性，如可编程变形、远程操作能力以及多模态可调性。可重构mla具有良好的表面质量和光学性能，在特定过渡温度下，形状记忆mla能够灵活塑造为任意临时结构，例如扁平mla。这一特性使得mla的聚焦和成像行为能在可控方式下进行调整。通过加热触发重新配置过程，mla能够迅速恢复其光学性能，实现动态适应和高效应用。

32、基于本发明加工出的形状记忆微透镜阵列的光学性能和记忆恢复的特性，本发明进一步研发了一种可以多通道同步控制的非接触是光控开关，这种特殊的光学器件可以实现光控的非接触式开关控制，因而在电子技术和显示等领域具有广阔的实用前景。