CN102103220A - 基于离子液体的微流控液体变焦透镜 - Google Patents

基于离子液体的微流控液体变焦透镜 Download PDF

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基于离子液体的微流控液体变焦透镜的基本结构在于能容纳“导电流体+绝缘流体”两种液体的透镜孔的导电内芯。内芯(3)是具有圆柱状通孔的导电平板，全部表面涂覆有绝缘层(7)和疏水层(8)；上盖片(1)和下盖片(2)与通孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜材料；内芯(3)采用导电材料制作并作为一个电极，下盖片(2)上涂覆的透明导电层(6)作为一个导电电极；透镜腔内放置绝缘流体(4)和离子液体(5)，选择具备特定参数的不导电油(4)和离子液体(5)组合，使该变焦液体透镜系统在不施加电压或者施加低电压的情况下具备凸透镜的功能，同时实现该凸透镜焦距在低压下从短焦距至远距离大范围内连续可调。

Description

基于离子液体的微流控液体变焦透镜
技术领域
本发明涉及基于离子液体的液体变焦透镜结构及其工作原理，属于光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域。
背景技术
微流控光学是一项具有重要意义的新技术，它将现代微流控技术和微光电子技术相结合，研制一类能够根据外界环境变化、具有结构重组和自适应调节能力的光学集成器件和系统，在传感、通信、信息处理等领域具有重要的应用前景[1]。
液体变焦微透镜可以改变微光学系统的光通量和视场性能，具有良好的操控性和适应性，作为取代传统透镜可应用于光学开关和光互连、三维光存储、静态数码相机、医学内窥镜、望远镜和显微镜等系统。现有的液体变焦透镜技术主要分为两种，一种是基于改变压强控制液体表面曲率变化的液体透镜，另一种是基于电润湿效应。基于改变压强控制液体表面曲率变化的液体透镜基于改变压强控制液体表面曲率变化的液体透镜的典型形式，是机械驱动型液体透镜。由于这种透镜属于机械控制，结构不紧凑，不易实现阵列化缺陷，因此制约了其进一步发展。电润湿型的液体变焦透镜是采用两种互不相溶的液体，其中一种为电解液，一种为绝缘液，它包含第一基底玻璃板、第二基底玻璃板、第一金属电极、第二金属电极、憎水性绝缘层、电解质溶液、通过施加不同电压改变两种液体与固体容器间的接触角，从而改变两种液体间界面的曲率半径，实现变焦。相比较于机械变焦方式的液体透镜，基于电润湿型的变焦透镜具有响应速度快，变焦时连续性好、体积小、重量轻、功耗低，并且所有部件可做成一体化，透镜的抗震性能很好、较为成熟的封装形式，采用电控，且易于实现阵列化等优点，因此，引起了国内外诸多学者的兴趣[2-4]。
目前基于电润湿型的变焦液体透镜，在未施加电压或者施加电压不是很高的情况下，透镜为凹透镜，焦距是负值；随着两电极间电压的增大，两液体界面从凸起状向水平状变化，相应的凹透镜焦距逐渐增大至无穷；随后液体界面向绝缘流体一侧弯曲，相应的液体透镜由凹透镜转变为凸透镜。Philips公司的S.Kuiper等人[5]的研究发现：当电压小于100V时，液体界面呈凸起状，对应的液体透镜为凹透镜。当电压升高到100V时，液体界面呈水平状。继续增大电压，相应的液体透镜由凹透镜向凸透镜转变。当电压继续升高，界面的弯曲程度增大，对应的凸透镜焦距变小。该微透镜的焦距最小能够达到5厘米。要想使该凸透镜的焦距变得更短，必须施加更高的电压或者减小绝缘层的厚度。然而，高电压会导致绝缘层的击穿而绝缘层厚度的减小显然会增加工艺的难度进而影响器件寿命。单纯靠降低电压或者减小绝缘层厚度的方法受到限制。此外，上述液体透镜所用的导电体盐溶液对环境温度要求甚高，在极端高温或低温下都不能正常工作。故传统的基于电润湿型的变焦液体透镜难以取代传统光学系统。
本发明设计了基于离子液体的微流控液体变焦透镜。离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态，并由阴阳离子组成的物质。离子液体具有很多独特的物理化学性质，如蒸汽压低、不挥发、不可燃、热容量大、离子导电率高、电化学窗口宽、物质溶解性好、萃取能力好、相稳定性好、热稳定性好、水稳定性好、酸碱稳定性好等优点，同时离子液体液程宽(可达到400℃)，可通过选择适当的阴离子或微调阳离子的烷基链，改善离子液体的物理性质和化学性质。鉴于离子液体的上述独特性能，根据设计需要选择具备特定参数的离子液体和绝缘流体的组合，使其满足如下条件之一：(1)导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向导电液体一侧弯曲的同时导电流体的折射率大于绝缘流体；(2)导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向绝缘流体一侧弯曲的同时导电流体的折射率小于绝缘流体。满足上述条件的导电流体和绝缘流体组成的液体变焦透镜在不施加电压或者施加低电压的情况下均具备凸透镜的功能。离子液体与绝缘体的组合满足条件(1)的液体变焦凸透镜的焦距随着施加电压的增大而变短，且在不加电压时焦距为最大。该透镜在短焦范围内连续可调，同时实现远小于5厘米的超短焦距；离子液体与绝缘体的组合满足条件(2)的液体变焦凸透镜的焦距随着施加电压的增大而增大，且在不加电压时焦距为最小。继续增大电压，交界面将呈由凸起状过渡到水平状再到凹陷状，此时透镜的焦距为负值，进而实现透镜从凸透镜到凹透镜的转变。此外，还可以将这两种液体凸透镜组合，通过控制电压实现焦距从超短焦距到无穷远的大范围变化。综上所述，本发明的基于离子液体的液体变焦透镜不需要通过施加高电压或者减小绝缘层的厚度来实现凸透镜功能并达到小焦距，从而降低了电压及对工艺的要求，也提高了器件的稳定性和寿命。此外，离子液体的物化性质也决定了该液体变焦透镜不仅适合室温的工作环境，也适用于高温(+90℃)和低温工作环境(-40℃)。因此，具有重要的技术价值和经济价值，将会在光电成像和光信息处理领域得到广泛的应用。
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发明内容
技术问题：本发明目的在于提出采用离子液体新材料作为液体透镜的导电液体以及采用该导电液体的液体变焦透镜；该可变焦液体透镜在不施加电压或者低电压情况下实现凸透镜的功能，且在低电压下解决凸透镜的超短焦距及实现从超短焦距到无穷远范围内的连续可调问题；同时还大大降低了液体变焦透镜对环境温度的要求。
技术方案：本发明的基于离子液体的微流控液体变焦微透镜包括内芯和位于内芯上面的上盖片和位于内芯下面的下盖片；内芯是具有圆柱状通孔的导电平板，全部表面涂覆有绝缘层和疏水层；上盖片和下盖片与通孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔内放置两种彼此分开且彼此不互溶的液体，具有不同的折射率，分别为绝缘流体和导电流体，这两种液体构成透镜介质；内芯采用导电材料制作并作为一个电极，下盖片上涂覆的透明导电层作为另一个导电电极；绝缘流体和导电流体两种液体之间的弯曲界面起着透镜作用，通过在两电极之间施加电压改变弯曲界面的形状以调节透镜的焦距；绝缘流体和导电流体构成一个变焦液体透镜。
所述的导电流体是一种离子液体。
所述的导电流体是两种或两种以上离子液体的混合物。
所述的导电流体是离子液体和电解质盐溶液的混合物。
所加的电压是直流电压、交流定频电压或交流变频电压。
有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：
本发明将微流控技术与现代光学技术相结合，设计了一种基于离子液体的微流控液体变焦透镜，具有重要的技术价值。本发明设计的微流控器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。
创新之处在于：
1)微流控液体变焦透镜在不施加电压或者施加低电压的情况具备凸透镜的功能。
2)微流控液体变焦凸透镜的焦距随着电压增大连续增大，实现在大范围内焦距连续可调。
3)微流控液体变焦凸透镜的焦距随着电压增大不增反减，实现在超短焦距范围内连续可调。
4)微流控液体变焦凸透镜组合，实现焦距从超短焦距到无穷远范围内连续可调。
5)改变微流控液体变焦凸透镜的焦距所需的驱动电压大大降低。
附图说明
图1是本发明的液体透镜未加电压时，导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向导电液体一侧弯曲，同时离子液体的折射率高于不导电油的折射率的透镜示意图。
图2是本发明的液体透镜未加电压时，导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向绝缘流体一侧弯曲，同时离子液体的折射率低于不导电油的折射率的透镜示意图。
图3是本发明的液体透镜在施加一定电压时，导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向导电液体一侧弯曲，同时离子液体的折射率高于不导电油的折射率的透镜的焦距变化示意图。
图4是本发明的液体透镜在施加一定电压时，导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向绝缘流体一侧弯曲，同时离子液体的折射率低于不导电油的折射率的透镜的焦距变化示意图。
图5是本发明的结构示意图，其中包括：上盖片1、下盖片2、内芯3、绝缘流体4、导电流体5、透明导电层6、绝缘层7、疏水层8。
具体实施方式
本发明的基于离子液体的微流控液体变焦透镜，位于上盖片和下盖片之间的内芯为具有圆柱状通孔的导电平板，全部表面涂覆有绝缘层和疏水层；上盖片和下盖片与圆柱状通孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜材料。本发明中容纳在通孔中的导电流体为离子液体，其在操作和保存温度范围内能稳定地操作，且具有与绝缘溶液基本相同的密度和粘度。这两种液体通过界面彼此分开且彼此不相混合，具有不同的折射率和表面张力；选取具有特定参数的导电体和绝缘体，两种液体彼此分开且彼此不相混合，使其满足当导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向导电液体一侧弯曲的同时导电流体的折射率大于绝缘流体或者导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向绝缘流体一侧弯曲的同时导电流体的折射率小于绝缘流体。在不施加电压或者低电压范围内，绝缘流体4、导电流体5的弯曲界面具备凸透镜的功能。在内芯3表面涂覆具有一定厚度的绝缘层7，避免内芯与基片和导电的离子液体接触。内芯采用导电材料制作并作为一个电极，下盖片上涂覆的透明导电层作为另一个导电电极；对镜腔内进行疏水处理，使两种液体的接触边界自然形成弯曲面。当两电极之间施加电压后，导电的离子液体与侧壁之间的界面张力因电润湿效应的作用而降低，改变接触液体界面的形状，从而实现凸透镜焦距的改变。
与用于液体透镜的传统液体相比，本发明中采用离子液体作为导电流体的液体变焦透镜模块，确实实现液体微透镜在不施加电压或者较低电压下具备凸透镜的功能，并解决该凸透镜焦距在短焦至无穷远范围内连续可调的问题。针对不同离子液体与绝缘体的组合，该液体凸透镜的焦距变化趋势可分为两类。一种是随着施加电压的增大，曲形界面的弯曲程度增大，相应的凸透镜焦距变短，且在不加电压时焦距为最大。该透镜在短焦范围内连续可调，进而实现超短焦距；另一种是不加电压时焦距为最小，随着施加电压的增大该液体凸透镜的焦距增大，继续增大电压，交界面将呈由凸起状过渡到水平状再到凹陷状，此时透镜的焦距为负值，进而实现透镜从凸透镜到凹透镜的转变。此外，将这两种类型的液体凸透镜组合，还可以通过控制电压实现在低电压范围内焦距从超短焦距到无穷远的大范围变化。
在下文中，将参照附图来详细描述本发明的优选的实施例。然而，这些实施例用于说明目的而并不旨在限制本发明。
图1示出了根据本发明的可变焦液体透镜未施加电压时，当绝缘流体和离子液体曲形界面向导电液体一侧弯曲的同时离子液体的折射率大于绝缘流体的情形。图2示出当导电流体和绝缘流体之间的曲形界面向绝缘流体一侧弯曲的同时导电流体的折射率小于绝缘流体。
具体实施例1：根据本发明用于液体透镜的导电溶液的离子液体的折射率与表面张力均大于绝缘流体。离子液体可以是C8H15IN2(密度1.2124g/cm3，折射率1.572，表面张力54.7mN/m)，绝缘流体采用KF56硅油(密度0.995g/cm3，折射率1.497，表面张力26.5mN/m)与少量有机添加剂苯基溴(密度1.495g/cm3，折射率1.5590，表面张力38.14mN/m)的混合物。导电体与绝缘流体的密度差异通过硅油和有机添加剂的混合比例来调节。粘度的差异可以通过在导电体中加入表面活性剂的方式来调节。
具体实施例2：根据本发明用于液体透镜的导电溶液的离子液体的折射率与表面张力均小于绝缘流体。导电流体采用表面张力和折射率较小的离子液体[Bmim]BF4(密度1.120g/cm3，折射率1.42，表面张力46.6mN/m)，绝缘流体采用具有高折射率和良好的电湿性能的苯基甲基硅氧烷。导电流体与绝缘流体的密度差异通过在苯基甲基硅氧烷中溶解几个百分点碳四溴化合物(ρ＝2.96g/cm3)来调节，混合的绝缘流体的折射率约1.55和表面张力均大于导电流体。粘度的差异可以通过在导电体中加入表面活性剂的方式来调节。

Claims (5)

1.一种基于离子液体的微流控液体变焦微透镜，其特征在于该透镜包括内芯(3)和位于内芯(3)上面的上盖片(1)以及位于内芯(3)下面的下盖片(2)；内芯(3)是具有圆柱状通孔的导电平板，全部表面涂覆有绝缘层(7)，在绝缘层(7)外再涂疏水层(8)；上盖片(1)和下盖片(2)与通孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔内放置两种彼此分开且彼此不互溶的液体，具有不同的折射率，分别为绝缘流体(4)和导电流体(5)，这两种液体构成透镜介质；内芯(3)采用导电材料制作并作为一个电极，下盖片(2)上涂覆的透明导电层(6)作为另一个导电电极；绝缘流体(4)和导电流体(5)两种液体之间的弯曲界面起着透镜作用，通过在两电极之间施加电压改变弯曲界面的形状以调节透镜的焦距；绝缘流体(4)和导电流体(5)构成一个变焦液体透镜。
2.根据权利要求1所述的基于离子液体的微流控液体变焦微透镜，其特征在于所述的导电流体是一种离子液体。
3.根据权利要求1所述的基于离子液体的微流控液体变焦微透镜，其特征在于所述的导电流体是两种或两种以上离子液体的混合物。
4.根据权利要求1所述的基于离子液体的微流控液体变焦透镜，其特征在于所述的导电流体是离子液体和电解质盐溶液的混合物。
5.根据权利要求1所述的基于离子液体的微流控液体变焦透镜，其特征在于所加的电压是直流电压、交流定频电压或交流变频电压。
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