CN101694543A - 一种电控宽角度光扫描装置及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电控宽角度光扫描装置及其阵列，该装置为一个能容纳“导电流体+绝缘流体+导电流体”三种流体的流体棱镜的容器如液槽；在液槽的上、下两端分别设有透明的上盖片(1)和下盖片(2)，该二者之间的空间形成流体棱镜腔，用于存储流体棱镜材料；液槽内自上而下分别放置三种互不相溶的流体即第一导电流体(3)、绝缘流体(4)和第二导电流体(5)，这三种流体构成流体棱镜介质，分别具有不同的折射率；液槽的左壁(6)、右壁(7)采用导电材料制作并分别作为左右两个电极，另上下两个电极则是设在上盖片上的上透明导电层(10)和下盖片上的下透明导电层(11)，上述装置在电压控制系统(12)的控制下形成棱角可调的流体棱镜系统。

Description

一种电控宽角度光扫描装置及其阵列

技术领域

本发明涉及一种电控宽角度光扫描装置及其阵列结构及其工作原理，属于光通信、光电传感和图像处理的技术领域。

背景技术

光束高速且精准地重新配置是自由空间的光通信和激光探测(光雷达)的主要因素。为了继续提高这些应用的系统级性能，一直以来都需要克服体积、损耗、低速和类似双轴反射镜的与机械光束控制灵活的连接器。为了找到实现光束控制的新方法，这些需求已经激起了许多新的发明成果。现在有一些可用的方法：声光和电光结合装置、棱镜和透镜、建立在动态液晶光栅基础上的光学阵列和包含多层界面的液晶偏振旋转体。在一些主要部分已经取得了重大进展，比如尺寸、灵活度和能量。然而，用这些方法实现宽角度转向装置需要许多有源或者无源的转向器件。因此，宽角度的特性仍有待发展到突出的电光器件，而且，为实现人们在日常生活中的广泛应用，电光器件还得容易制造和易于使用。

一个好的将成为下一代光束控制技术的就是通过进行电润湿调制实现的液态光器件。利用电润湿微棱镜实现光束控制的EMPs的结构和实现过程。基于电润湿效应的电控流体棱镜具有高的切换速度(～ms)、无偏振化影响、良好的操控性和适应性，作为取代光学元件可应用于光开关和光互连、三维光存储、光扫描、光学雷达等系统。现有的电润湿效应研究和应用集中于液体透镜变焦成像技术，比较典型的如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，这些透镜的变焦是利用电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种技术采用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但现有的研究和应用集中于透镜变焦成像技术，对于应用于自由空间光通信领域的光路自由配置和激光探测及光扫描器件涉及很少。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种电控宽角度光扫描装置及其阵列器件结构，解决宽光束扫描器件的电控调谐问题。

技术方案：本发明的电控宽角度光扫描装置为一个能容纳“导电流体+绝缘流体+导电流体”三种流体的流体棱镜的容器如液槽；在液槽的上、下两端分别设有透明的上盖片和下盖片，该二者之间的空间形成流体棱镜腔，用于存储流体棱镜材料；液槽内自上而下分别放置三种互不相溶的流体即第一导电流体绝缘流体和第二导电流体，这三种流体构成流体棱镜介质，分别具有不同的折射率；液槽的左壁、右壁采用导电材料制作并分别作为左右两个电极，另上下两个电极则是设在上盖片上的上透明导电层和下盖片上的下透明导电层，上述装置在电压控制系统的控制下形成棱角可调的流体棱镜系统，从而构成宽角度光扫描装置。

所述的左右两个电极的内侧设有绝缘层，绝缘层与流体接触的内侧设有疏水层。所述的左右两个电极内侧的绝缘层和疏水层可以合并为既疏水又绝缘的一层。所述液槽横截面形状可以是矩形、梯形或其他形状。该阵列由所述的扫描装置按照线性或平面排列方式组成。

所述阵列的排列方式为横向线性排列。

所述阵列的排列方式为纵向线性排列。

所述阵列的排列方式为横纵向综合平面排列。

液槽前后两壁采用导电材料制作并分别作为前电极、后电极，上述装置在电压控制系统的控制下形成二维可调的万向宽角度光扫描系统。

在液槽的上、下两端分别设有镀有ITO导电层的透明玻璃的上盖片和下盖片，该三者之间的空间形成流体棱镜腔，用于存储流体棱镜材料；液槽内自上而下分别放置三种互不相溶的流体即第一导电流体、绝缘流体和第二导电流体，这三种流体构成流体棱镜介质，分别具有不同的折射率；液槽左右两壁采用导电材料制作并分别作为左右两个电极，另上下两个电极则是设在上盖片的上透明导电层和下盖片的下透明导电层。

对于这个密封液槽的装置，对其侧面电极作绝缘层处理以免侧面电极与导电液体直接接触，为了防止电极和导电流体直接接触，所述的侧面电极的内侧设有绝缘层，从而在侧面电极与导电液体间构成电容器结构；为方便控制流体棱镜形状和减少阻力，绝缘层与流体接触的内侧设有疏水层。有时绝缘层和疏水层可合并为一层。

上述液槽的大小应精心设计为符合在电湿效应下流体棱镜工作需要的尺寸，其长、宽、高大约为10mm、1mm、2mm。精心挑选的工作物质即流体棱镜材料(第一导电流体、绝缘流体和第二导电流体，其中三种流体材料要求密度尽可能接近以消除了震动、万有引力和加速度的影响，折射率差尽量大)装入经上述处理的装置后，在外加电压为零时由于几何特性和侧壁、顶部、终端面的张力和其他的一些特性，在沟道形液槽内流体会形成圆柱浸润形状。长沟道形的液槽设计就是满足流体圆柱几何体需要。在具体施加电压时，为简化电路可以将两导电流体的电路连接在一起作为公共电极，左右两电极分别加上不同的电压直流或交流，此电压应保证不同液体之间接触面为平面。

在我们的器件几何图形中，液体接触角很容易转换成棱镜顶角。电润湿公式将液体接触角与外加电压联系起来了。为了形成电润湿效应需要一对平行的电容器或者是近似不导电的器件：

$\cos \left({\mathrm{\θ}}_v\right)=\cos \left({\mathrm{\θ}}_0\right)+\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}\·V^2}{\mathrm{\γ}\·d}---\left(1\right)$

这里θ₀是在外界电压为0V时的接触角，ε是绝缘层在流体之下的介电常数，γ是导电流体表面张力，d是绝缘层的厚度。本装置工作过程如下所述。如图2，，由于导电流体与疏水层的接触角很大(θ₀＞90°)，沟道形液槽内导电流体会形成圆柱浸润形状。在涂有疏水层的绝缘层中加电压(电荷)图3，4，流体和含疏水层的绝缘层间的有效表面张力将会减小，从而会导致接触角的减小(θ_v)。接触角是与棱镜顶角

相关的，

为了在两壁之间形成一条直线，图3，根据(θ_VL＝180-θ_VR)左侧接触角(θ_VL)和右侧接触角(θ_VR)应该相互翻转90°。例如，如果像图4中左侧加电压80V，θ_VL＝70°，那么右侧接触角θ_VR应该为110°，这就要求右壁加电压25V。给定任何一个顶角，就可以画出两板之间的直线，而且也能得到相应的电压值。考虑到流体电湿效应的饱和现象，可以通过增大液体表面张力或者减小绝缘体表面张力(提高疏水性)，来增大θ₀。

上述装置在电压控制系统的控制下形成可调的流体棱镜系统。如图4光路，偏向角可以通过电调制流体棱镜顶角，当线偏振光束通过一个棱镜的角偏差为(δ)，这个棱镜的折射率n＞1(假设两导电流体折射率相同为n_导，绝缘流体折射率n_绝，n＝n_绝-n_导＞1)，顶角

入射角度范围α_i(图4为0°)：

δ＝α_i-Φ+sin^-1[(n²-sin²α_i)^1/2sinΦ-cosΦsinα_i]        (2)

上述装置可以构造三类电控宽角度光扫描阵列器件，如图7所示电控光扫描阵列装置示意图，若干个可调的流体棱镜系统横向线性排列为阵列；或如图8所示电控光扫描阵列装置示意图，若干个可调的流体棱镜系统纵向线性排列为阵列；或综合图7、8线性阵列成为面阵列图9。

对图1示长沟道形的液槽装置进行改造，液槽前后两壁采用导电材料制作并分别作为前后两个电极，此二电极由绝缘层分明与其他电极隔开，上述装置分别在左右电极和前后电压控制系统的控制下形成二维可调万向宽角度光扫描系统。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将电润湿技术与现代光学技术相结合，设计了一种电控宽角度光扫描装置及其阵列结构，具有非常重要的技术价值。本发明设计的光扫描装置器件具有可实现高速(～ms)、独立操作光偏振、视场束的调制(棱镜化)和独立于偏转角的高效转向率等优点。

创新之处在于：

1)将液体的电润湿效应应用于光扫描装置之中，实现了宽角度光扫描的电控调谐。这种新颖的装置将会在自由空间的光通信和激光探测(光雷达)领域中得到广泛的应用。

2)利用三种液体在电压的控制下形成流体棱镜，同样条件下相比于两种液体在电压控制下形成的流体棱镜，光的偏转角提高了一倍。

3)利用电控流体棱镜单元可方便地构造横向线性，纵向线性，平面光扫描阵列。

4)基于电润湿效应的偏光控制技术由于是利用电容效应控制流体棱镜形状从而控制光的扫描，所以能耗极低，响应速度较快。

5)无波长选择和偏振敏感性。

附图说明

图1是电控光扫描装置整体结构示意图(未加电时)。

图2是电控光扫描装置前端横截面结构示意图(未加电时)。

以上的图中有：上盖片1、下盖片2、导电流体3、绝缘流体4、导电流体5、左导电墙6、左导电墙7，绝缘层8、疏水层9、上透明电极10、下透明电极11、控制电路系统12、上电压V_U、下电压V_D、左电压V_L、右电压V_R。

图3是电控光扫描装置整体结构示意图(施加合适电压，V_L＞V_R并使导电/绝缘流体接触面成平面)，其中流体棱镜顶角在左侧。

图4是电控光扫描装置前端横截面结构示意图(施加合适电压，V_L＞V_R并使导电/绝缘流体接触面成平面)，其中流体棱镜顶角在左侧，控制出射光线右偏，δ为偏转角。

图5是电控光扫描阵列装置13示意图，其排列方式为横向线性排列。

图6是处于工作状态的电控光扫描阵列装置示意图，其排列方式为横向线性排列。

图7是电控光扫描阵列装置14示意图，其排列方式为纵向线性排列。

图8是电控光扫描阵列装置15示意图，其排列方式为横纵向平面排列。

图9是二维可调电控宽角度光扫描装置16，其中有：前电极17，后电极18，各电极之间的绝缘层19。

具体实施方式

本发明的电控宽角度光扫描装置，其基本结构在于能容纳“导电流体+绝缘流体+导电流体”三种液体的流体棱镜的液槽。在液槽的上、下两端分别设有透明的上盖片1和下盖片2，该三者之间的空间形成流体棱镜腔，用于存储流体棱镜材料；液槽内自上而下分别放置三种互不相溶的流体即第一导电流体3、绝缘流体4和第二导电流体5，这三种流体构成流体棱镜介质，分别具有不同的折射率；液槽左右两壁6，7采用导电材料制作并分别作为左右两个电极，另上下两个电极则是设在上盖片1上的上透明导电层10和下盖片2上的下透明导电层11，上述装置在电压控制系统12的控制下形成棱角可调的流体棱镜系统，从而构成宽角度光扫描装置。

所述的侧面电极的内侧设有绝缘层8，绝缘层8与流体接触的内侧设有疏水层9。多个电控宽角度光扫描装置按一定的排列方式可组成横向13、纵向14和平面排列15的阵列；甚至可以另加一对电极实现二维万向宽角度光扫描装置。

具体实施例1：

如图1、2所示，左右两侧面导电材料6、7为导电性能良好的金属材料，在金属材料的表面真空镀膜法生成3微米厚的派瑞林作为绝缘层8。疏水层9通过浸蘸疏水剂FOTs来实现。导电流体3和5使用盐溶液，该盐溶液在低温使用时可能会有冰冻问题。可以用高浓度的盐溶液来降低冰点。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐：氯化锂。20％浓度的氯化锂导致冰点低于-40℃，密度ρ为1.12kg/m3，折射率为1.38。绝缘流体4采用混合的苯基甲基硅氧烷，它具有高折射率和良好的电湿性能。溶解几个百分点碳四溴化合物(ρ＝2.96kg/m³)的绝缘液体的密度与盐溶液的密度相匹配。由此得到的折射率为1.55。这两种液体的温度相关折射率大体相同(dn/dT＝-0.0003/K)。因此，在所需的温度范围内，对流体棱镜形状的影响是很小的，这种影响可以通过微调电压来补偿。透明玻璃1和2采用高性能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生产的一种生化实验专用的盖玻片。型号：WEST Chester，PA19380)，该玻片韧性很好，透光率高，在其上溅射一层ITO导电层10和11作为电极。

通过对图2中电极10和11通过外接电路并联在一起并接地，对两侧壁电极6和7施加一特定等值电压V_等如60V，可以实现实现三液体呈直条状使光的传播方向不发生偏折。如果电极6的电压大于V_等而电源7电压小于V_等，则可形成图3、4示的流体棱镜来实现光向右偏折，反之则可形成图5、6示的流体棱镜来实现光向左偏折。根据电润湿理论和实验实际关系来推算光的偏折角从而确定电源的控制电压，此电压由外围IC电路提供，为了实现更精准的应用，该电路可以与偏光角度实现反馈控制。

工作时，在导电液体3和5和左右电极6和7分别施加适当控制电压时，该装置内三种液体形成一流体棱镜从而使折射光实现偏光和扫描作用，当此控制电压变化时，流体棱镜棱角将跟随发生变化完成光扫描动作。

具体实施例2：

如图1、2所示，左右两侧面导电材料6、7为掺杂的导电材料Si，在Si的表面氧化一层500nm的SiO₂作为绝缘层8。透明基片仍然采用高性能的盖玻片溅射ITO膜层。疏水层9通过浸蘸疏水剂FOTs来实现。使用盐溶液。疏水层9采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文缩写为PTFE，商标名特富龙

Teflon@AF)涂层来实现。绝缘流体采用溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，导电流体3和5采用配置为密度与之相等的食盐水溶液，以去除重力的影响。电压控制绝缘流体和导电流体界面的形状来调整液体棱镜形状和位置，从而实现电控宽光束偏光控制和扫描动作的完成。

具体实施例3：

其他制作过程同实施例1和2。将实施例1或2的电控宽角度光扫描装置通过粘连方法制作成电控光扫描阵列装置(横向线性，纵向线性和面型)，或在一整块基底材料上制作成阵列装置。在实施例1或2的基础上将长沟道状液槽设计为方形状液槽，再用导电材料来制作前后壁，在前后壁与左右壁之间设一层绝缘层。

Claims (9)

1.一种电控宽角度光扫描装置，其特征在于该装置为一个能容纳“导电流体+绝缘流体+导电流体”三种流体的流体棱镜的容器如液槽；在液槽的上、下两端分别设有透明的上盖片(1)和下盖片(2)，该二者之间的空间形成流体棱镜腔，用于存储流体棱镜材料；液槽内自上而下分别放置三种互不相溶的流体即第一导电流体(3)、绝缘流体(4)和第二导电流体(5)，这三种流体构成流体棱镜介质，分别具有不同的折射率；液槽的左壁(6)、右壁(7)采用导电材料制作并分别作为左右两个电极，另上下两个电极则是设在上盖片(1)上的上透明导电层(10)和下盖片(2)上的下透明导电层(11)，上述装置在电压控制系统(12)的控制下形成棱角可调的流体棱镜系统，从而构成宽角度光扫描装置。

2.根据权利要求1所述的一种电控宽角度光扫描装置，其特征在于所述的左右两个电极的内侧设有绝缘层(8)，绝缘层(8)与流体接触的内侧设有疏水层(9)。

3.根据权利要求2所述的一种电控宽角度光扫描装置，其特征在于所述的左右两个电极内侧的绝缘层(8)和疏水层(9)可以合并为既疏水又绝缘的一层。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种电控宽角度光扫描装置组成的光扫描装置，其特征在于液槽前后两壁均采用导电材料制作并分别作为前电极(17)、后电极(18)，各电极间设隔离绝缘层(19)，上述装置在电压控制系统的控制下形成二维可调的万向宽角度光扫描系统。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种电控宽角度光扫描装置，其特征在于所述液槽横截面形状可以是矩形、梯形或其他形状。

6.一种如权利要求5所述的电控宽角度光扫描装置组成的光扫描阵列，其特征在于该阵列由所述的扫描装置按照线性或平面排列方式组成。

7.根据权利要求6所述的电控宽角度光扫描装置组成的光扫描阵列，其特征在于所述阵列的排列方式为横向线性排列(13)。

8.根据权利要求6所述的电控宽角度光扫描装置组成的光扫描阵列，其特征在于所述阵列的排列方式为纵向线性排列(14)。

9.根据权利要求6所述的电控宽角度光扫描装置组成的光扫描阵列，其特征在于所述阵列的排列方式为横纵向综合平面排列(15)。

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