CN105954869A - 一种基于双液体透镜的光路选择器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双液体透镜的光路选择器，包括双液体透镜，设置在双液体透镜两侧的发射端和接收端。本发明还公开了一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，采用光学设计软件建立双液体透镜的模型，并对双液体透镜进行光线追迹，获得光束的汇聚情况；根据步骤一获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的需求，来确定接收器的位置。本发明根据需要适当改变导电液体的各个管壁与电极间的电压，使光轴转动特定角度，采用光学设计软件如Zemax建立液体透镜系统的模型，并对双液体透镜系统进行光线追迹，设计接收器的位置；本发明结构简单、操作方便、成本低廉，为实现一种基于双液体透镜可变光轴技术的光路选择器提供了一个可调的直观的模型。

Description

一种基于双液体透镜的光路选择器及其实现方法

技术领域

本发明涉及微光学成像技术领域，特别是一种基于双液体透镜的光路选择器及其实现方法。

背景技术

2000年法国BrunoBerge等研究人员基于Gorman的设计基础提出了电润湿的“体结构”可变焦光学透镜的雏形，它用一个缘膜覆盖透明电极，形成一个三明治结构，提出了一种定位水滴中心的方法，并通过改变外加电压精确控制液滴形状，达到变焦目的。2004年，飞利浦实验室根据人眼设计研制出了一种仿生的变焦微透镜。

电湿效应是一种物理化学现象，它通过改变导电液滴和基板之间的电压来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角使液滴发生形变和位移。在实际应用中，通常在与液滴接触的基板表面涂敷介质层和疏水层来增大接触角的动态变化范围；液滴通常是电解质盐溶液，盐溶液周围可以是空气，也可以是另一种不溶液体，如非极性油溶液。基于介质上电润湿原理的液体光学透镜，可通过调节外加电压来改变透镜的焦距。

传统的光路选择器通常由多个光学元件组成，通过调节机械装置实现光路选择，具有结构复杂、损耗高、功耗高等缺点。本发明提出的一种基于双液体透镜的光路选择器，结构紧凑小巧、反应灵敏、成本低、功耗小，无磨损寿命长以及精确度高,具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于双液体透镜的光路选择器及其实现方法，本发明基于电润湿原理采用“发射端-双液体透镜-接收端”的结构，在电极和导电液体各管壁之间分别施加一定电压时，导电液体与绝缘液体的接触角改变，液体界面形状改变，从而液体界面焦距改变，由于液体体积不变，液体界面中心曲率半径也不变，光轴转动一定角度，实现光路选择的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于双液体透镜的光路选择器，包括双液体透镜，设置在双液体透镜两侧的发射端和接收端，发射端发射的光经双液体透镜传输至接收端。

作为本发明所述的一种基于双液体透镜的光路选择器进一步优化方案，双液体透镜中包括密度相同的导电液体和绝缘液体。

基于上述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、采用光学设计软件建立双液体透镜的模型，并对双液体透镜进行光线追迹，获得光束的汇聚情况；

步骤二、根据步骤一获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的需求，来确定接收器的位置。

基于上述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴重合，利用Zemax软件建立光轴与双液体透镜的中心轴重合时液体透镜光学模型，记为模型A；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型A后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。

基于上述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴不重合，利用Zemax软件中的多重结构功能，结合坐标变换，建立光轴发生偏转后双液体透镜的光学模型，记为模型B；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型B后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明可根据需要适当改变导电液体的各个管壁与电极间的电压，使光轴转动特定角度，采用光学设计软件如Zemax建立液体透镜系统的模型，并对双液体透镜系统进行光线追迹，设计接收器的位置；

（2）本发明结构简单、操作方便、成本低廉，为实现一种基于双液体透镜可变光轴技术的光路选择器提供了一个可调的直观的模型。

附图说明

图1是本发明的设计流程图。

图2是一种基于双液体透镜的光路选择器的侧视图。

图中的附图标记解释为：1-水性导电液体，2-油性绝缘液体，3-透明导电层，4-绝缘材料，5-疏水介电层，6-发射端，7-光轴与液体透镜中心轴重合时接收器的位置，8-光轴在如图2所示的（x,z）平面内顺时针转动45度角时接收器的位置，9-液体界面,10-电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于双液体透镜的光路选择器，包括双液体透镜，设置在双液体透镜两侧的发射端和接收端，发射端发射的光经双液体透镜传输至接收端。

为提高系统稳定性，双液体透镜系统中采用密度相同的导电液体和绝缘液体，本发明中采用密度均为1.0399g/cm³的Nacl溶液（折射率为1.3395）和溴代十二烷溶液（折射率为1.4542）。

本发明中，一般以光纤作为系统的发射端。

本发明中的双液体透镜中的玻璃圆柱内壁分成四等分，分别均匀地镀上一层透明导电层，并在透明导电层和疏水介电层之间涂覆一层绝缘材料，通过在导电液体的各管壁与电极之间分别施加一定电压，改变导电液体与绝缘液体之间的接触角，从而改变液体界面曲率和液体透镜系统的光轴方向，达到光路选择的目的。同时，采用光学设计软件如Zemax建立液体透镜系统的模型，并对液体透镜系统进行光线追迹，设计接收器的位置。

如图2所示是一种基于双液体透镜的光路选择器系统的侧视图，图2中的1为水性导电液体，2为油性绝缘液体，3为透明导电层，4为绝缘材料，5为疏水介电层，6为发射端，7为光轴与液体透镜中心轴重合时，接收器的位置，8为光轴在如图1所示的（x,z）平面内顺时针转动45度角时，接收器的位置，9为液体界面，10为电源。

如图1是本发明的设计流程图，基于上述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、采用光学设计软件建立双液体透镜的模型，并对双液体透镜进行光线追迹，获得光束的汇聚情况；

步骤二、根据步骤一获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的需求，来确定接收器的位置。

本发明主要举例设计以下两种情况：

a、光轴与双液体透镜中心轴重合时，接收器的位置；包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴重合，利用Zemax软件建立光轴与双液体透镜的中心轴重合时液体透镜光学模型，记为模型A；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型A后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。

b、在情况(a)的基础上，光轴在如图2所示的（x,z）平面内顺时针转动45度角时，接收器的位置；包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴不重合，利用Zemax软件中的多重结构功能，结合坐标变换，建立光轴发生偏转后双液体透镜的光学模型，记为模型B；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型B后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双液体透镜的光路选择器，其特征在于，包括双液体透镜，设置在双液体透镜两侧的发射端和接收端，发射端发射的光经双液体透镜传输至接收端。

2.根据权利要求1中所述的一种基于双液体透镜的光路选择器，其特征在于，双液体透镜中包括密度相同的导电液体和绝缘液体。

3.基于权利要求1所述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用光学设计软件建立双液体透镜的模型，并对双液体透镜进行光线追迹，获得光束的汇聚情况；

步骤二、根据步骤一获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的需求，来确定接收器的位置。

4.基于权利要求1所述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴重合，利用Zemax软件建立光轴与双液体透镜的中心轴重合时液体透镜光学模型，记为模型A；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型A后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。

5.基于权利要求1所述的一种基于双液体透镜的光路选择器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、改变双液体透镜中的导电液体各管壁与电极之间的电压,使得光轴与双液体透镜的中心轴不重合，利用Zemax软件中的多重结构功能，结合坐标变换，建立光轴发生偏转后双液体透镜的光学模型，记为模型B；

步骤二、当发射端的出射光为平行光束时，光线通过模型B后，根据光线追迹方法，获得光束的汇聚情况；

步骤三：根据获得的光束的汇聚情况以及对汇聚光斑大小的具体需求，来确定接收器的位置。