CN109445092B - 一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件及方法，属于光束导航与探测技术领域；提供了导航角度大、光束形变小、响应速度快、体积小且制作简单的光导航器件；技术方案为：该器件包括一个顶端具有开孔的容器、环形圈和反射镜，开孔与环形圈密封相连，在环形圈旁边固定有一个基座，反射镜的底部中心与基座铰接，反射镜的一侧放置在环形圈上，容器的腔体底部嵌入第一、第二、第三ITO电极，ITO电极的上表面涂有介质层，在第一、第三ITO电极上方注入第二液体，在第二ITO电极的上方注入第一液体，在第一液体上覆盖有液体薄膜，当同时外加电压于ITO电极时，由于电润湿效应，液体薄膜推动反射镜使其发生倾斜并形成一定的倾斜角。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件及方法，属于光束导航与探测技术领域。
背景技术
光导航在空间光通信、雷达探测和太阳能电池方面有着广泛应用。目前，国内外的研究者主要通过以下三种方式制作该种器件：第一，直接控制反射镜或反射薄膜。第二，设计具有自适应功能的棱镜。第三，基于液晶和光栅组合的器件。这三种方式各有利弊：直接控制反射镜或反射薄膜是利用机械方式时序地调整反射镜或反射薄膜的角度，该种器件机械稳定性好，但是器件体积较大，且需要外部驱动系统，因而整个器件系统复杂、功耗高、价格昂贵；设计具有自适应功能的棱镜主要是通过改变棱镜的顶角大小来实现光导航，该种器件的优点是响应速度快、导航探测角度大。但是由于采用了棱镜结构，必然会带来散射问题，即当光束通过器件后，光斑会发生扭曲形变，严重影响器件性能。基于液晶和光栅组合的器件，主流的制作方法是将光学底板安装在具有周期性的光栅结构中，该种器件体积小、操作灵活且响应速度快。但由于采用液晶结构，边缘场效应会限制其衍射效率和最大探测角度。
发明内容
本发明涉及一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件及方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种导航角度大、光束形变小、响应速度快、体积小且制作简单的光导航器件及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，包括一个顶端具有开孔的容器、环形圈和反射镜，开孔与环形圈密封相连，在环形圈旁边固定有一个基座，反射镜的底部中心与基座铰接，反射镜的一侧放置在环形圈上，容器的腔体底部嵌入有第一、第二、第三ITO电极，ITO电极的上表面涂有介质层，在第一、第三ITO电极上方注入第二液体，在第二ITO电极的上方注入第一液体，在第一液体上覆盖有液体薄膜，当同时外加电压于ITO电极时，由于电润湿效应，液体薄膜推动反射镜使其发生倾斜并形成一定的倾斜角。进一步，所述第一液体和所述第二液体互不相溶，所述第一液体为非导电液体，所述第二液体为导电液体，所述液体薄膜与所述第一液体互不相溶。
进一步，所述基座的顶部和所述环形圈的顶部位于同一水平面上。
进一步，所述介质层包括疏水层和绝缘层，绝缘层位于疏水层的下方。
进一步，所述第一液体和所述第二液体的密度相同。
进一步，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极的尺寸相同。
一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，包括以下步骤：
S1.在容器的底部嵌入第一、第二、第三ITO电极，在ITO电极上旋涂上介质层；
S2.在容器的开孔处安装环形圈，向容器中依次注入适量的第二液体和第一液体，使第二液体和第一液体盛满容器的腔体且第二液体处在腔体的两侧；
S3.在环形圈注入液体，形成液体薄膜；
S4.在容器的上表面安装基座，将反射镜铰接在基座上，使反射镜能够水平的放置在环形圈上；
S5.在第一ITO电极、第三ITO电极外加电压，第二ITO电极接地，由于电润湿效应，腔体内两侧的第二液体会向中间涌动，挤压第一液体，使液体薄膜向上发生形变，推动反射镜形成倾斜角；当入射光束照射在反射镜上时，实现光束导航。
进一步，所述介质层包括疏水层和绝缘层，绝缘层位于疏水层的下方。
进一步，所述第一液体和所述第二液体的密度相同。
进一步，所述第一液体和所述第二液体互不相溶，所述第一液体为非导电液体，所述第二液体为导电液体，所述液体薄膜与所述第一液体互不相溶。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1.本发明基于电润湿驱动原理驱动导电液体实现光束导航功能，而且所需外加电压低，故有低功耗和响应速度快的优点。
2.本发明相比于传统的直接控制反射镜或反射薄膜的光导航器件，具有体积小，制作简单等优点。
3.本发明利用反射薄膜实现对入射光束的反射控制，相比于设计具有自适应功能的棱镜和基于液晶光栅组合的光导航器件，可以很好的避免出现光束因反射或折射而引起的光束形变和散射问题。
附图说明
图1为本发明实施例未加电压时的初始状态示意图。
图2为本发明实施例外加电压于ITO电极时的示意图。
图3为本发明实施例中光导航角度随外加电压变化的示意图。
图中，1-上基板，2-容器，3-下基板，4-介质层，5-第一ITO电极，6-第二ITO电极，7-第三ITO电极，8-第一液体，9-第二液体，10-液体薄膜，11-环形圈，12-基座、13-反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明涉及一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，包括一个顶端具有开孔的容器2、环形圈11和反射镜13，开孔与环形圈11密封相连，在环形圈11旁边固定有一个基座12，反射镜13的底部中心与基座12铰接，反射镜13的一侧放置在环形圈11上，容器2的腔体底部嵌入有第一、第二、第三ITO电极5，6，7，ITO电极的上表面涂有介质层4，在第一、第三ITO电极5，7上方注入第二液体9，在第二ITO电极6的上方注入第一液体8，在第一液体8上覆盖有液体薄膜10，当同时外加电压于ITO电极时，由于电润湿效应，液体薄膜10推动反射镜13使其发生倾斜并形成一定的倾斜角。
第一液体8和第二液体9互不相溶，第一液体8为非导电液体，第二液体9为导电液体，液体薄膜10与第一液体8互不相溶。基座12的顶部和环形圈11的顶部位于同一水平面上。介质层4包括疏水层和绝缘层，绝缘层位于疏水层的下方。第一液体8和第二液体9的密度相同或相近。第一ITO电极5和第二ITO电极6的尺寸相同。
具体实施时，容器2采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成，容器2的上基板1中心位置处有一直径为3mm的开孔。上基板1和下基板3均为25mm×8mm。第一、第二、第三ITO电极5，6，7的尺寸分别为6.5mm×8mm、6mm×8mm、6.5mm×8mm，且三块ITO电极之间的间隔均为0.5mm。疏水层为特氟龙Teflon AF-1600，镀膜厚度为2µm，绝缘层为派瑞林Parylene-C，镀膜厚度为1µm。第一液体8为硅油，密度为0.96 g/cm3。第二液体9为NaCl溶液，密度为1.05g/cm3。液体薄膜10为蒸馏水薄膜。环形圈11采用橡胶圈。
一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，包括以下步骤：
S1.在容器2的底部嵌入第一、第二、第三ITO电极5，6，7，在ITO电极上旋涂上介质层4；
S2.在容器2的开孔处安装环形圈11，向容器2中依次注入适量的第二液体9和第一液体8，使第二液体9和第一液体8盛满容器2的腔体且第二液体9处在腔体的两侧；
S3.在环形圈11注入液体，形成液体薄膜10；
S4.在容器2的上表面安装基座12，将反射镜13铰接在基座上12，使反射镜13能够水平的放置在环形圈11上；
S5.在第一ITO电极5、第三ITO电极7外加电压，第二ITO电极6接地，由于电润湿效应，腔体内两侧的第二液体9会向中间涌动，挤压第一液体8，使液体薄膜10向上发生形变，推动反射镜13形成倾斜角；当入射光束照射在反射镜13上时，实现光束导航。
本发明的工作原理如下：当在初始状态未加电压时，基座12位于反射镜重心位置，
一侧放置在橡胶环上保持水平。如附图2所示，当同时外加电压于第一ITO电极5和第三ITO
电极7时，由于电润湿效应，腔体两侧的第二液体9接触角发生变化并向中间涌动，挤压第一
液体8，使第一液体8高度发生变化。液体薄膜10此时受到侧壁表面张力和第一液体8的共同
作用，液面曲率半径发生变化，最终使反射镜发生倾斜，倾斜角度为
，入射光被反射的角
度为
。
根据李普曼-杨氏Lippmann-Young方程和表面张力拉普拉斯Laplace方程:
其中，
是外加电压时的接触角，U是外加于ITO电极上的电压，d是介质层的厚度，
是介电层的介电常数，
是导电液体和介质层之间的表面张力，
是非导电液体和介质
层之间的表面张力，
是导电液体和非导电液体之间的表面张力。
其中，Δp是表面张力的作用使弯曲液面内外产生的压力差，
是液体表面张力，R
是液面曲率半径。
由公式（1）（2）可得到第二液体9接触角变化的计算公式和腔体中第一液体8所升高的高度为：
其中，Δh是非导电液体液面的变化高度，ρ是非导电液体的密度，g是重力加速度，γ是第一液体的表面张力，R 1是初始状态下非导电液体液面曲率半径，R 2是外加电压后非导电液体液面曲率半径。
第二ITO电极6分别与第一ITO电极5和第三ITO电极7之间的间隔分别为d 1，d 2，d 1=d 2≥0.25mm且d 1=d 2≤0.5mm。
腔体中单侧第二液体9的长度D≤d 1+d 3+1/2d 4且D≥d 3，其中，d 3为第一ITO电极5的长度，d 4为第二ITO电极6的长度；第二液体9在下基板3移动的最大距离d 5≤d 1+1/2d 4。
如图3所示，按照本实施例中所设置的参数，该器件在0~90V工作电压下，环形圈处液体高度的变化范围在0-1mm，反射镜倾斜的角度变化范围在0°-7.55°，实现总光束导航角度范围为0°- 15.1°。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (10)
1.一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：包括一个顶端具有开孔的容器（2）、环形圈（11）和反射镜（13），开孔与环形圈（11）密封相连，在环形圈（11）旁边固定有一个基座（12），反射镜（13）的底部中心与基座（12）铰接，反射镜（13）的一侧放置在环形圈（11）上，容器（2）的腔体底部嵌入有第一、第二、第三ITO电极（5，6，7），ITO电极的上表面涂有介质层（4），在第一、第三ITO电极（5，7）上方注入第二液体（9），在第二ITO电极（6）的上方注入第一液体（8），在第一液体（8）上覆盖有液体薄膜（10），当同时外加电压于ITO电极时，由于电润湿效应，液体薄膜（10）推动反射镜（13）使其发生倾斜并形成一定的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：所述第一液体（8）和所述第二液体（9）互不相溶，所述第一液体（8）为非导电液体，所述第二液体（9）为导电液体，所述液体薄膜（10）与所述第一液体（8）互不相溶。
3.根据权利要求1所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：所述基座（12）的顶部和所述环形圈（11）的顶部位于同一水平面上。
4.根据权利要求1所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：所述介质层（4）包括疏水层和绝缘层，绝缘层位于疏水层的下方。
5.根据权利要求2所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：所述第一液体（8）和所述第二液体（9）的密度相近。
6.根据权利要求1所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件，其特征在于：所述第一ITO电极（5）和所述第二ITO电极（6）的尺寸相同。
7.一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在一个顶端具有开孔的容器（2）的底部上嵌入第一、第二、第三ITO电极（5，6，7），在ITO电极上旋涂上介质层（4）；
S2.在容器（2）的开孔处安装环形圈（11），向容器（2）中依次注入适量的第二液体（9）和第一液体（8），使第二液体（9）和第一液体（8）充满容器（2）的腔体且第二液体（9）处在腔体的两侧；
S3.在环形圈（11）注入液体，形成液体薄膜（10）；
S4.在容器（2）的上表面安装基座（12），将反射镜（13）铰接在基座上（12），使反射镜（13）能够水平的放置在环形圈（11）上；
S5.在第一ITO电极（5）、 第三ITO电极（7）外加电压，第二ITO电极（6）接地，由于电润湿效应，腔体内两侧的第二液体（9）会向中间涌动，挤压第一液体（8），使液体薄膜（10）向上发生形变，推动反射镜（13）形成倾斜角；当入射光束照射在反射镜（13）上时，实现光束导航。
8.根据权利要求7所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，其特征在于：所述介质层（4）包括疏水层和绝缘层，绝缘层位于疏水层的下方。
9.根据权利要求7所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，其特征在于：所述第一液体（8）和所述第二液体（9）的密度相近。
10.根据权利要求7所述的一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航方法，其特征在于：所述第一液体（8）和所述第二液体（9）互不相溶，所述第一液体（8）为非导电液体，所述第二液体（9）为导电液体，所述液体薄膜（10）与所述第一液体（8）互不相溶。
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