可拉伸聚合物透镜实现更佳对焦

2016-06-08 10:36:00
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        荷兰台夫特科技大学(Delft University of Technology;TU Delft)微电子系研究人员利用垂直生长的辐射状碳纳米管(CNT),将二元菲涅耳(Fresnel)透镜概念扩展到可拉伸的聚合物薄膜上。

        为垂直于光学平面生长的碳纳米管进行整合,可确保得到很高的光吸收率——在可见光谱段的透光率只有0.06%,而在聚二甲 基硅氧烷(PDMS)薄膜的透光率达93.9%,这与空间调变穿过二元菲涅耳透镜衍射图案的光强度分布形成了鲜明的对比。

        碳纳米管以同心环的形式生长,其高度仅10μm,然后再以PDMS过滤至能以可拉伸薄膜剥离。如此可做成厚度只有几十微米的衍射光学组件。

        在研究人员发表的《用可拉伸二元菲涅耳透镜调焦》(Stretchable Binary Fresnel Lens for Focus Tuning)论文中,描述了以放射状拉伸透镜几个百分点后,使用6×6mm2、焦距可调范围从7mm到约9mm的透镜所取得的结果。虽然研究人员用来拉 伸透镜的夹具系统造成了一点失真,但整合的圆形致动器完全可以解决这个问题,并提供均匀一致的放射状形变。

        该论文的主要作者李学明特别强调,虽然文中只提到了7mm的焦距,但研究人员也致力于研究其它的焦距。

        李学明指出,“在使用相同的概念和工艺技术下,我们制造出焦距范围从100um到20mm的透镜,足以满足特殊应用的需求。举例来说,从5um到8.5mm 的焦距可以用在显微镜中研究荧光信号;而焦距范围从2mm到20mm的透镜数组则可用于复眼应用和照护点(PoC)装置。”

        他补充说,“由于它是一种可加以控制的可变焦距,使得这种配置也适用于多焦隐形眼镜的应用。”

       

        图1:当以放射状从(a)到(b)拉伸软性基板s距离时,第nth区的半径从rn增加到r'n,焦距从f变到f′的变化倍数是s2

        针对另一竞争研究采用将自适应性较低的刚性材料(如黑硅)用于不透明材料,以取代CNT的作法,李学明表示:“使用CNT的优势首先是分层的多孔渗透特性, 可让PDMS更有效地渗透至CNT。这对于拉伸透镜时的辐射状控制来说非常重要。其次,CNT的制造比黑硅更好控制,因而使其成为大规模组件制造时更加可 靠的一种工艺。在我们的透镜(数组)制造工艺中,最关键的部份是图案化CNT的生长非常快速可靠。另外,由于使用了商用化的CVD系统,以及目前开发的晶圆规模工艺,更有助于透过扩大面积实现这些组件的大量制造。”

        李学明发现,这些平面光学组件正逐渐发展进入微型化的光子芯片、整合光路、光学互连、波束聚焦或无光罩的微影系统中,同时还能用于光学传感器系统中的偏转和校准任务,以及光学数据传输。

        “我们组件的成本低,并具有可扩展的制造能力,也为抛弃式显微镜提供了很好的解决方案,这对发展中国家的健康诊断来说极具价值。”

        图 2:主要的制造步骤:(1)将Ti/TiN (10nm/50nm)溅射到硅晶圆上,防止催化剂扩散至基板中;(2)涂覆1.4μm厚的光阻剂,(3)在晶圆上刻画图案;(4)让铁(5nm)蒸发作 为催化剂;接着(5)透过剥离过程确定CNT生长区域;(6)透过CVD生长出垂直对齐的CNT束(高度10μm),(7)利用定义好的CNT图案将 PDMS倾倒在水平硅晶圆基板上。在排过气后,从硅基板上剥离PDMS层和密封的CNT,形成最终的组件

        

        图 3:(a)包含2×2透镜单元的制造组件,每单元尺寸为6×6mm2。(b)单个透镜的光学显微镜影像,(c)单个透镜单元的SEM影像,焦距是7mm, 最里面的区域直径在PDMS渗透之前是133μm。(e)显示在PDMS内部经PDMS过滤形成CNT/PDMS复合材料之前完美对齐的CNT

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updated: 2020-09-25 05:30:30