CN104765081A - 片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜 - Google Patents

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Abstract

一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。本发明提供一种有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。

Description

片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜
技术领域
本发明涉及流体光学微透镜，尤其是一种焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。
背景技术
现有的流体微透镜，通常采用液-液透镜，一般均为片外聚焦型流体微透镜，无法实现片上系统的集成。最近，怀特赛兹教授小组开发了一种可动态调节液-液透镜表面曲率的微透镜，实现了片内焦距可调(Tang,Sindy K.Y.；Stan,Claudiu A.；Whitesides,George M，Dynamically reconfigurable liquid-core liquid-cladding lens in amicrofluidic channel，Lab.Chip.,8(2008):395-401，基于微流体通道的动态可调液体芯层-液体包层透镜，片上实验室，8(2008):395-401)。然而，利用液-液透镜界面实现的微透镜需要很高的层流速度来保持该曲面的稳定，意味着为保证微透镜的稳定持续的工作，必须不间断注入大流量的液体。
发明内容
为了克服已有微透镜的无法动态调整焦距和焦斑、灵活性较差的不足，本发明提供一种有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。
所述芯层流道、包层流道平行布置，且所述包层流道与所述微腔的轴线呈相互垂直布置。
本发明的技术构思为：与现有的液-液透镜相比，渐变折射率流体微透镜(L-GRIN)基于不同折射率层流的扩散和对流原理工作，而不是依赖于固定的液-液曲面，因此不需要高层流速度，经证实对液体的消耗量比液-液透镜少了100多倍。并且微透镜是通过动态调节流体条件，而非改变微透镜表面曲率来实现折射率渐变的，因此其光学特性实时可调谐。从原理上来看，渐变折射率流体微透镜(L-GRIN)有可能实现片内焦距与焦斑动态可调。
本发明的有益效果主要表现在：有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好。
附图说明
图1是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的结构图，其中，x、y、z代表坐标轴，x轴方向代表流体流动方向、同时也是入射光束传播方向，yoz代表垂直光轴的截面，xoy代表包含光轴的截面。
图2是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的截面图。
图3是选取五个不同位置处的截面折射率的分布图。
图4是通过调整质量分数所调整的焦距的结果变形趋势图。
图5是横截面沿着液体流动方向上不同的折射率分布图。
图6是流速对焦距的影响图。
图7是沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布图。
图8是模拟的数据和拟合的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图8，一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔1、芯层流道2、包层流道3和出口流道4，所述包层流道3与所述微腔1的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道2与芯层入口5连通，所述芯层入口5的内径比所述微腔1的内径小，且所述芯层入口5与所述微腔1在同一根轴线上，所述芯层入口5的出口处与所述包层流道3连通且正对所述微腔1的进口，所述微腔1的出口与所述出口流道4连通。
所述芯层流道2、包层流道3平行布置，且所述包层流道3与所述微腔1的轴线呈相互垂直布置。
本实施例中，芯层液体和包层液体分别注入通过芯层入口5和包层入口，分别通过出口流出。流体微透镜的主要部分是一个微型圆柱腔，圆柱腔内的流体的扩散和对流过程将会出现渐变折射率分布。流体微透镜的截面设计如图2，入口直径设计为50μm，包层进口的直径设计为150μm。乙二醇溶液(芯层液体)与去离子水(DI，包层液体)同时注入腔体，xoy截面上轴对称的渐变折射率分布：近轴折射率最大，沿着腔中心轴线方向和垂直轴线方向的折射率分布渐变减小。
采用有限元法(FEM)和光线追迹法来模拟和优化参数。器件的折射率分布可以通过模拟和计算两相流体扩散和对流过程稳定后在微腔中的浓度获得。在微腔内，流体的扩散和对流影响了流体微透镜的折射率分布，对流扩散过程，U＝(Qcore+Qclad)/R2π代表腔体的流体速度，Qcore和Qclad分别代表芯层和包层的流速，R为包层流体的直径。
因为扩散对流过程的决定性因素包括流体平均速度U和扩散系数D，而扩散系数又受浓度C和温度T的影响，因此改变流体平均速度U、浓度以及温度，会对流体微透镜的性能有很重要的调节作用。例如，乙二醇溶液中的质量分数由0.025变为0.95时，去离子水和乙二醇之间的扩散系数从3.75×10-10m2/s变为1.17×10-9m2/s。另外，乙二醇质量分数为0.8不变，当温度变化从30℃到50℃时，液体的扩散系数从3.15×10-10m2/s变为6.45×10-10m2/s。因此在假定液体的温度不变的前提下，液体的扩散系数D、浓度C和平均速度U将是扩散对流过程的主要影响因素，其直接决定了微透镜的聚焦性能。假设将去离子水和乙二醇溶液分别选为包层和芯层液体，并且假定包层芯层液体流速相同无相对滑移进行计算。低流速下可以实现有效的焦距调节，高流速可以实现焦斑大小的调节。因此，焦距和输出光束的焦斑可以通过调节流体的速度来实现。
为了形成扩散对流效果，高折射率的乙二醇(ncore＝1.432)和低折射率的去离子水(nclad＝1.332)将沿着同一个方向注入到所设计的微透镜的微腔中。从芯层和包层液体注入到微腔开始，扩散对流过程便开始发生，这里的U和D将是确定的值。并且这个初速度可以用公式U＝(Qcore+Qclad)/R2π来计算得到。考虑到包层截面的面积是芯层面积的8倍，为了保持芯层和包层液体无相对滑移，模拟的过程同样采用Qclad/Qcore＝8。为了说明扩散系数D对折算率分布影响的重要性，这里给出了在不同扩散系数下的xoy截面折射率分布情况，D＝1×10-9m2/s和D＝4×10-10m2/s。
扩散系数较大的模拟结果沿着横向纵向的扩散效果很明显，相反扩散系数较小的折射率分布渐变效果并不明显。这说明，扩散系数是一个非常有效的控制渐变折射率分布的手段，这样也直接影响了微透镜的性能。由于环境温度的变化，对液体扩散系数将产生很大的影响，因此扩散系数的调节可以通过改变液体温度来实现。
流速较低的芯层和包层液体将产生较强的扩散效应，而液体的扩散过程的影响因素有扩散系数D、流速U和浓度C。因此，对微透镜的焦距调控，可以通过改变液体的浓度和流量以及乙二醇溶液的质量分数来实现。
溶液质量分数的影响：由于溶液的浓度将直接影响扩散系数，扩散系数的变化将直接影响到微透镜的变化。在微腔中扩散对流过程中，沿着流动方向扩散的效果越来越明显。然而，这种扩散导致在不同位置的液体浓度将不同，这种浓度的变化将直接反应在每个位置的扩散系数上，因此扩散系数在整个过程中也并不是恒定不变的。这种现象在浓溶液中尤为突出。目前为止，该现象的变化规律还没有一个确切的表达式能够描述。因此，为了简化计算的复杂度，采用浓度不是很高的溶液，采用质量分数为0.05到0.4的乙二醇溶液，在扩散对流的过程中采用恒定的扩散系数D来进行仿真。不同浓度的液体采用不同的扩散系数来描述扩散系数的规律。同样为了保持芯层和包层液体无相对滑移，且为恒定数值(Qcore＝1×103pL/s,Qclad＝8×103pL/s)。模拟的质量分数从0.05到0.4以0.05为步长进行多次仿真。图3分别选取五个不同位置处的横截面折射率分布作比较，其距离入口的位置分别是50μm，100μm，150μm，200μm和250μm，计算结果显示，折射率中心部分尖锐程度随着芯层液体的质量分提高而增加。通过调整的质量分数所调整的焦距的结果变形趋势如图4所示。
质量分数变化从0.05增加到0.4的过程中，焦距的变化从942μm减小到11μm。计算结果足以说明质量分数的变化，是控制焦距的重要因素。
流速的变化：为了便于比较流速对折射率分布的影响，采用乙二醇作为芯层液体，去离子水为包层液体，以两相流体无相对滑动为前提沿着同一方向注入微流腔中。流速从0.5×103pL/s变为5×103pL/s，假定扩散系数D＝8×10-10m2/s，粘滞系数μ＝1×10-3Pa·s，并且质量分数为定值0.3，仿真不同流速情况下微腔的折射率分布以及对入射光线的聚焦效果。
流速的变化为0.5×103pL/s到5×103pL/s，步长间隔为0.5×103pL/s。仿真结果显示，扩散系数不变的情况下，通过调节流速能够实现对折射率分布的调控。这种调控通过光线追迹法的计算，体现在对焦距的调控上。图5给出了横截面沿着液体流动方向上不同的折射率分布，其位置分别为50μm，100μm，150μm，200μm和250μm。流速对焦距的影响分别如图6所示。
焦斑的调节过程：在平均流速和芯层流速足够高的情况下，微腔中心流速两相流体并没有足够的时间扩散。这时腔内的折射率分布将会有一种特殊的现象，即中心区域的折射率保持最高并且为恒定值。这种情况下，中心区域的折射率不会对入射光线有有效的聚焦作用。这时的入射光线通过微透镜的折射率不变的中心区域时，伴随着边缘的渐变折射率的聚焦作用，将产生一个较大的出射光线焦斑。主要分析这种复杂的折射率分布对光线焦斑的影响，包括流速足够高且两相流体无相对滑移和流速相对较低且两相流体有相对滑移两种情况。为了控制可变因素，保持包层流速不变为40×103pL/s，芯层的流速变化从2×103pL/s到50×103pL/s步长为5×103pL/s。图7展示了沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布情况，位置分别为x＝50μm,100μm,150μm,200μm和250μm。仿真结果显示，沿着液体流动方向折射率几乎不发生变化，这验证了前面的假设。在芯层流速保持Qcore＝25×103pL/s不变时，图7给出了中心折射率不变的区域宽度为24μm。这个折射率不变的区域的半径直接决定了出射光线的焦斑半径。渐变折射率分布曲线的半高宽和中心区域的宽度与芯层流速有直接关系。边界的扩散区域与芯层折射率不变的区域共同决定了折射率分布，从而调控焦距与焦斑的状态。同时发现，当芯层流速大于10×103pL/s时，流速对焦斑和焦距的调节也变得缓慢。因此，在此范围内可以有效控制焦斑的大小。
采用六级多项式作为拟合曲线。由图7可以看出，入射和出口的折射率分布并没有明显的变化。这个折射率分布可以表达为：
n＝1.1×10-12s6-2.2×10-13s5-6.45×10-9s4-2.73×10-10s3+3.62×10-6s2+1.99×10-6s+1.3533
这里变量y和z代表图1所示的坐标轴y轴和z轴对应的坐标参量。图8给出了模拟的数据和拟合的曲线。通过光线追迹法，模拟了入射光线经过器件的过程和聚焦效果。结果显示焦斑大小为23.5μm，焦距为235.3μm。这种可以调整焦斑大小的能力在片上聚焦以及检测系统有着十分重要的应用。
本实施例的流体微透镜，调控乙二醇(芯层液体)的质量分数和两种液体的流速是改变输出光束的焦距的有效方法：当质量分数从0.05提升到0.4的过程中，焦距从942μm减小到11μm；当保持流速不变时，通过将芯层流速从0.5×103pL/s增加至5×103pL/s，微透镜焦距变化从127.1μm降至8μm。并且，当保持包层流速较大时，通过增加芯层的流速可以有效调整出射焦斑的大小。

Claims (2)

1.一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，其特征在于：所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。
2.如权利要求1所述的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，其特征在于：所述芯层流道、包层流道平行布置，且所述包层流道与所述微腔的轴线呈相互垂直布置。
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