在智能化、自动化时代到来的今天,随着柔性器件在消费品市场的日益渗透,人们对可穿戴光电子器件的兴趣激增。作为消费电子产品中的重要组成部分,柔性光电子产品在大量新兴领域具有增长式的需求,如极板间光互连,光机械调谐,表皮监测、应变传感、适形光学等。在这些应用中,不仅要求其内部的光学元件有着极高的可调可控性,同时还需要具备良好的可弯曲、可拉伸的特性。以可穿戴光电子产品内的元件为例,在适应人体皮肤高达到20%的延展性的同时,还需要具备完美的可逆性。而传统光学中,曲率固定的光学元件已经无法适应柔性光电子产品的需求,成为限制其发展的严重技术问题。上述问题的解决需依赖于新型柔性光电材料及其制备技术的发展。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的柔性材料有着柔韧性好、可逆性好、宽波段透光率高、光热稳定性好、生物兼容等独特的优势,从材料特性的角度可以很好地解决上述问题。在柔性材料加工技术方面,掩膜光刻技术和纳米压印技术均可在主流柔性材料表面制备高精度的微纳结构。然而,制备在表面的微纳结构易受静电力的影响吸附灰尘等杂质。同时,调控过程中的使用不当易也造成表面微纳结构的损伤,从而降低元件的光学性能。针对上述问题,本论文利用纳米压印技术和飞秒激光直写技术,分别在PDMS表面和内部制备微光学元件,从材料精密加工的角度解决柔性光电子器件表面元件易污染等问题。利用机械应力(液体压力和拉力)驱动的方式实现了具有大视场角可变焦成像仿生复眼、贴附式应力传感器、具有动态双目立体视觉及三维重构能力元件的制备与调控。本论文的主要工作如下:(1)PDMS基柔性微光学元件的制备。利用纳米压印技术和飞秒激光直写技术分别在PDMS的表面和内部制备了不同的微光学元件。其一,利用纳米压印技术制备在PDMS表面的柔性微透镜阵列的填充因子达100%、透镜成像效果良好,其二,利用飞秒激光直写技术制备在PDMS内部的衍射光栅和菲涅耳波带片结构完整,具有各自不同的光学效果。这些制备在材料内部的元件具有良好的柔韧性和易清洁性。(2)利用有限元分析方法对液压驱动PDMS薄膜透镜的形变进行仿真,讨论透镜焦距随透镜体积变化的关系。本章节中,首先简单介绍了液压驱动微透镜。然后借助COMSOL Multiphysics软件利用有限元分析方法建立了二维轴对称的液压驱动PDMS薄膜透镜的模型。最后得到PDMS薄膜透镜在液体压力的作用下,体积增大,薄膜曲率半径减小,屈光度增加,即焦距减小的结论。(3)液压驱动可变焦成像的仿生复眼。本章中,我们将昆虫复眼的生物学结构与人眼晶状体调控的机制相结合,解决了仿生复眼曲率固定,无法变焦成像的问题。利用等离子体处理的方式将PDMS基柔性微透镜阵列与微流控通道集成,获得由约1200只小眼组成的仿生复眼,小眼的成像清晰度基本相同;复眼的最大视场角可达120°。采用液压驱动的方式,实现仿生复眼焦距的快速调控。同时还可以将小眼作为成像单元,为主眼的变焦成像提供像素点。利用该可调谐微光学元件可以对1165mm和1833mm处的物体进行观测,验证了其可变焦成像的能力。该仿生复眼具有良好的机械稳定性,在1000次的变焦实验中未发生破损或泄漏。由于该可变焦成像仿生复眼的整体结构均由具有良好生物兼容性的PDMS组成,未来有望应用在内窥镜等使用空间受限但对观测范围具有较高要求的医疗成像器械等领域。(4)拉力驱动的衍射微光学元件。衍射光学元件具有体积小、质量轻、可折叠、设计自由度高等优点,成为光学系统中不可或缺的重要组成部分。而振幅、相位固定的衍射微光学元件对实现柔性器件的小型化、集成化具有一定的限制。本章中,我们利用拉力驱动的方式对制备在PDMS薄膜内部衍射微光学元件的周期、振幅、相位等进行调谐。其一,对光栅进行调控时,元件的衍射角随拉力近似线性变化,各级次衍射光斑能量未发生明显波动。同时,该元件具有良好的机械稳定性,在62.5%的拉伸程度下重复拉伸5000次,光学性能未发生变化。其二,对菲涅耳波带片进行调控时,展现出较固定结构更加丰富的光学特性。一方面,沿拉伸后菲涅耳波带片的光轴方向可以观测到三种光强分布不同的聚焦光斑,为激光整形提供了新思路。另一方面,形变的波带片上不同区域可以分别对同一被测物体进行成像。由于成像区域间存在一定的距离,造成在观测同一个物体时会存在一定的角度偏差。利用这种成像差异,可以实现被测物体的三维重构。所制备的可调谐衍射微光学元件具有良好的形貌和光学性能,兼具优秀的柔性和生物兼容性,在可贴附应力传感器及细胞图像的三维重构等方面有很好的应用前景。综上所述,本论文的工作主要依托于柔性材料PDMS,借助纳米压印技术和飞秒激光直写技术,分别在材料表面和内部制备具有不同性能的微光学元件,并利用机械应力(液体压力和拉力)驱动的方式实现了元件性能的动态调谐。所制备的液压驱动可变焦成像仿生复眼与拉力驱动的衍射微光学元件均具有良好的机械稳定性和可调可控的光学特性。针对柔性可调谐微光学元件的研究拓展了光学设计的新思路,对未来微型化、集成化、智能化、可穿戴的柔性器件的发展做出了有益的探索。