王春水，张斌珍* ，龚 珊，杨潞霞，毛 静

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

可调焦透镜作为一种重要的光学元件，在光通信、光学成像及Lab-On-a-Chip中等都有广泛的应用。目前，可变焦透镜主要包含3种类型:(1)基于电润湿效应的可变焦透镜［1-4］(2)基于聚合物分散液晶的可变焦透镜［5-8］(3)充液型可变焦透镜［9-10］。前两种方法都需要电压控制，且电润湿效应需要较高的驱动电压，同时液晶的通光率较差，光损失较大。而充液型调焦具有调节方式多样、焦距变化大等优点。同时可以填充不同折射率的液体，来实现焦距的变化。

与传统的变焦微透镜不同的是，可变双焦微透镜可以在同一光轴上同时产生两个不同的焦点:它在DVD读写系统、光镊、微流体检测等领域有广阔的应用前景。然而，关于双焦点微透镜的报道较少。2005年，Choi H W等［11］报道了一种固定焦距的双焦点非球面微透镜的制作方法。唐雄贵等［12］人设计与仿真了一种填充蓝晶材料的可变双焦微透镜，虽然可以调控双焦距，但是液晶的通光率较差，且制作工艺繁琐。为了利于与其他光学器件集成，利用充液型可调微透镜的可调焦距大等优点和PDMS在近紫外到近红外光谱范围内具有良好的透光性能，设计了一种由底部的含有内外薄膜的PDMS主体结构和包含出入液口的PDMS盖片组成的主光轴平行于基底的充液型可调双焦微透镜。

1 充液型可调双焦透镜原理

充液型可调双焦透镜原理图如图1所示，通过填充液体，来使腔体对应的中心薄膜和周围薄膜发生变形，从而使得两个薄膜的曲率发生变化。周围薄膜曲率半径相同，近似为外球面透镜，中心薄膜曲率半径一致，形成内球面透镜，这样就形成了可调双焦微透镜。

图1 充液型可调双焦透镜原理图

2 制作流程

主光轴平行于基底的可调双焦微透镜的制作流程:(1)甩第一层 SU-8胶，高度100 μm(可根据microchem提供的说明书甩到相应的高度)利用第一块掩膜版，曝光出底层图形，得到进出口和与腔体相连的通道;(2)选择性溅射一层300 nm Cu，作为牺牲层，主要目的是遮挡第一层未曝光的SU-8胶，防止曝光第二层SU-8胶(形成腔体凸结构)时对其也进行了曝光;(3)甩第二层SU-8胶，高度400 μm，利用第二块掩膜版曝光得到腔体凸结构;(4)甩第三层胶，高度100 μm，曝光形成腔体侧壁及顶部侧壁;(5)显影，即可得到SU-8双焦透镜的负模;(6)将预聚物与固化剂配比为10∶1的PDMS倒入SU-8双焦透镜的负模中进行倒模，即可得到PDMS正模;(7)制作PDMS盖片，并打好孔作为液体出入口;(8)氧等离子体处理PDMS双焦透镜和PDMS盖片表面，键合，封装。

图2 加工流程

图3 可调双焦微透镜结构示意图

3 薄膜变形仿真及光学仿真

3.1 薄膜变形仿真

PDMS由于其具有良好的透光性，且十分柔软，广泛的应用于制作微透镜阵列，是制作充液型微透镜的最佳材料之一。PDMS是一种弹性体，弹性模量为0.7 MPa，泊松比为0.49，利用ANSYS软件对双焦微透镜腔体薄膜受不同压强进行了仿真，图4为双焦透镜腔体内外薄膜分别受5 kPa、8 kPa、10 kPa、12 kPa后得到的位移变形云图。

图4 5 kPa、8 kPa、10 kPa、12 kPa 作用下薄膜位移变形云图

得到上述4种不同的变形云图后，查看其在Y-Z平面的的变形截面图，然后提取外围轮廓的Y轴坐标和Z方向变形位移，将得到的多组数据进行拟合，得到上述不同压强下的截面变形轮廓图。如图5所示。

图5 5 kPa、8 kPa、10 kPa、12 kPa 下透镜截面轮廓曲线图

图5中，径向分布X坐标-300到-200和200到300之间组成外透镜截面轮廓曲线，径向分布X坐标-200到200组成了内透镜截面轮廓曲线。a、b、c、d 曲线依次是 5 kPa、8 kPa、10 kPa、12 kPa 所得到内外双焦透镜截面轮廓线。

3.2 内外透镜半径的求解

图6为双焦透镜几何关系图。其中，R外为周围曲面组成的外部透镜的曲率半径，R内为中心曲面组成的内部透镜的曲率半径，D外为外透镜的通光孔径，D内为内透镜的通光孔径，S外为外部薄膜中心位移变形量，S内为内部薄膜中心位移变形量。由数学几何关系得，则由拟合得到的曲线及上述关系式得到5 kPa、8 kPa、10 kPa、12 kPa 下的内外透镜的半径。

图6 双焦透镜几何关系图

3.3ZEMAX 仿真焦距

将得到的上述4种不同的轮廓曲线输入ZEMAX中建立混合序列模型，进行光学仿真，得到内外曲面的焦距。由仿真结果得，当内外薄膜受到的压强从5 kPa变为12 kPa时，外围曲面得到的外焦距由7.82 mm变为2.38 mm，中心曲面得到的内焦距由1.28 mm变为0.71 mm，内外焦距差由6.54 mm变为1.67 mm。

图7 内外焦距及焦差变化曲线

图8 光线追迹示意图和3个像面上的成像点列图

3.4 ZEMAX光线追迹图及成像图

为了描述平行光线经过双焦透镜后的光线传播示意图，利用ZEMAX对其进行了光学仿真。分别取了3个像面，第一个像面为内透镜形成的焦面，设为像面1;第二个像面为外透镜形成的焦面，设为像面3;同时在上述两个焦面之间取一个像面，设为像面2。图8(a)、8(b)、8(c)分别为平行光线经过双焦透镜(压力在8 kPa下形成的微透镜)后在像面1、像面2、像面3所成的点列图。由光线追迹示意图可知，光线到达像面1时，经过内透镜的光线汇聚成一个斑点(艾丽斑)，而经过外透镜的的光线继续向中心汇聚，在像面上形成了圆环，所以在像面1上观察到一个光环包围一个斑点的图像;当经过焦面1后，经过中心透镜的光线开始发散，而经过外透镜的光线继续汇聚，光线叠加，所以在像面2上观察到了形成增强型圆环而周围都为发散光;当光线到像面3时，经过外透镜的光线形成微小斑点，而经过内透镜的光线继续发散，所以观察到中心形成微小斑点，而四周发散的的图像。

4 结论

设计与仿真了一种主光轴平行于基底的充液型可调双焦微透镜。当内外薄膜受到的压强由5 kPa增大到12 kPa时，周围曲面形成的外透镜的焦距由7.82 mm变为2.38 mm，中心曲面形成的内透镜的焦距由1.28 mm变为0.71 mm，内外焦距差由6.54mm变为1.67 mm.同时利用ZEMAX仿真得到平行光通过双焦透镜后的传播规律，并得到了在两个焦面及两个焦面间的像面上形成的点列图图像，为成像规律提供了参考。

可变双焦透镜在DVD读写系统、光镊、微流体检测等领域有广阔的应用前景。主光轴平行于基底的可调双焦透镜不仅具有变焦功能，还可以提高观测景深，同时由于平行于基底，所以利于与其他微光学器件集成在一起，组成完整的微光学检测系统，完成光学检测功能。

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