CN109765740B - 一种基于液滴分离的光流控透镜 - Google Patents

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本发明公开一种基于液滴分离的光流控透镜，该透镜包括前表面、上基板、电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、液滴、填充气体、介电疏水层、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ、下基板、后表面。当同时给电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ施加电压，电湿润效应导致了液滴有向两侧运动的趋势，且在驱动电压的作用下逐渐被拉伸，当液滴被拉伸一段距离后，会由于剪切力而分离，断开电极Ⅱ和电极Ⅴ，形成两个液滴，再独立控制每个气‑液曲面的曲率，最终实现光流控透镜理想的光焦度变化。

Description

一种基于液滴分离的光流控透镜
一、技术领域
本发明涉及一种光流控透镜，更具体地说，本发明涉及一种基于液滴分离的光流控透镜。
二、背景技术
近几十年来，随着光电技术的高速发展，透镜被广泛的应用于光学信息存储及处理、医学仪器、通讯、光学成像和显示等领域，并且在这些领域中有着举足轻重的作用。大至天文望远，小到微生物、细胞成像，无论是微纳米技术，亦或是与我们日常生活相关的手机、照相机和电视机等光学器件或系统，都与透镜的应用和发展息息相关。现在光学器件的智能化、轻量化和易集成化成为了光学器件的发展潮流，该潮流从电子领域开始，到机械领域、再到流体力学领域，使得人们对透镜在各方面的性能要求都有了显著提高。幸运的是，光电技术与各个学科的交叉领域出现了一些新的研究方向，光流控技术也随之诞生。而光流控技术中的电湿润效应作为驱动方式越来越多的被运用到液体透镜的制作上。基于电湿润效应的光流控透镜因具有其他光学透镜所没有的优点，比如，响应快、柔性、低功耗等，这些优点使基于电湿润效应的光流控透镜可以在某些领域弥补传统的固体光学透镜的不足甚至取代之，在科研上具有重要的意义，也为一些传统技术的自适应变焦等瓶颈提供了新的解决方案。在国内外专家的不断努力下，基于电湿润效应的光流控透镜的性能也在逐步提升，同时新型的光流控透镜的发展也促进了传统固体光学器件的转型以及相关行业的发展。
三、发明内容
本发明提出一种基于液滴分离的光流控透镜。如附图1所示，该透镜包括：前表面、上基板、电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、液滴、填充气体、介电疏水层、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ、下基板、后表面。其中，上基板、下基板与前、后表面将液滴和填充气体限制在两基板的间隔位置，形成光流控透镜，介电疏水层涂在电极Ⅰ、电极Ⅲ、电极Ⅳ、电极Ⅵ以及电极间隔的表面。
本发明提出的基于液滴分离的光流控透镜的工作原理如附图2和附图3所示。首先，同时给电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ施加电压，电湿润效应导致了液滴有向两侧运动的趋势，且在驱动电压的作用下逐渐被拉伸，当液滴被拉伸一段距离后，会由于剪切力而分离，断开电极Ⅱ和电极Ⅴ，形成两个液滴。液滴的合成与上述过程相反。光线从前表面入射，后经气-液曲面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，最后从后表面出射，期间，光线比液滴分离之前多经过两次折射。此外，通过对电极Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ施加不同的驱动电压，每个气-液曲面都会发生形变，与此同时其曲率会发生改变，从而改变光流控透镜的光焦度。因此，通过调整电压控制透镜光焦度改变，最终实现焦距变化。
优选地，前表面、后表面高度d1＝d2≥50μm且d1＝d2≤350μm。
优选地，介电疏水层所用材料为派瑞林和特氟龙，厚度d3≥2μm且d3≤10μm。
优选地，前、后表面均为透明玻璃材质。
优选地，液滴为无色透明导电溶液，填充气体为可压缩气体，二者折射率不同。
优选地，液滴的体积要满足一定的要求，V≥0.5μl且V≤10μl。
优选地，液滴横截面的圆的直径大小与电极Ⅱ和Ⅴ边长相当。
优选地，驱动过程中，电极Ⅰ、Ⅳ电势保持相等，电极Ⅱ、Ⅴ电势保持相同，电极Ⅲ、Ⅵ电势保持相等。
优选地，基于液滴分离的光流控透镜的驱动方式为电湿润驱动。
四、附图说明
附图1为本发明基于液滴分离的光流控透镜的结构剖面图。
附图2和3为本发明基于液滴分离的光流控透镜的工作原理示意图。
附图4为本发明中具体实施液滴分离的仿真结果。
上述各附图中的图示标号为：
1前表面，2上基板，3电极I，4电极Ⅱ，5电极Ⅲ，6液滴，7填充气体，8介电疏水层，9电极Ⅳ，10电极Ⅴ，11电极Ⅵ,12下基板，13后表面，14气-液曲面Ⅰ，15气-液曲面Ⅱ，16气-液曲面Ⅲ，17气-液曲面Ⅳ。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于液滴分离的光流控透镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：如附图1所示，本实施例中前表面、后表面高度为200μm，材料为PDMS聚合物，光学透过率超过95％；上、下基板所用材料为ITO玻璃；介电疏水层厚度为2.5μm，所用材料为特氟龙AF2400；液滴为NaCl溶液，其的折射率为1.34，阿贝数为55.8；填充气体为空气，其折射率为1；液滴体积为750μl，电极Ⅱ、电极Ⅴ宽度为350μm。
本实施例采用的工作波段为可见光波段。对本发明精准控制各个电极的电压，先引起液滴的分离，此时将电极Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ的电压均调为55V，断开电极Ⅱ、电极，即电压为0V，再将电极Ⅰ、Ⅲ电压调至60V，电极Ⅳ、Ⅵ电压调至50V，气-液曲面Ⅰ、Ⅱ同步变化，气-液曲面Ⅲ、Ⅳ同步变化，最终实现光流控透镜的焦距为900μm。

Claims (9)

1.一种基于液滴分离的光流控透镜，包括：前表面、上基板、电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、液滴、填充气体、介电疏水层、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ、下基板、后表面，上基板上依次设置电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ，下基板上依次设置电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ并且其位置分别与电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ相对，其特征在于，上基板、下基板与前、后表面将液滴和填充气体限制在两基板的间隔位置，形成光流控透镜，介电疏水层涂在电极Ⅰ、电极Ⅲ、电极Ⅳ、电极Ⅵ以及电极间隔的表面，同时给电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ、电极Ⅳ、电极Ⅴ、电极Ⅵ施加电压，电湿润效应导致了液滴有向两侧运动的趋势，且在驱动电压的作用下逐渐被拉伸，当液滴被拉伸一段距离后，会由于剪切力而分离，断开电极Ⅱ和电极Ⅴ，形成两个液滴，液滴的合成与上述过程相反，通过对电极Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ施加不同的驱动电压，每个气-液曲面都会发生形变，与此同时其曲率会发生改变，从而改变光流控透镜的光焦度，因此，通过调整电压控制透镜光焦度改变，最终实现焦距变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，前表面、后表面高度分别为d1和d2，其中d1＝d2≥50μm且d1＝d2≤350μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，介电疏水层所用材料为派瑞林或特氟龙，其厚度d3≥2μm且d3≤10μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，前、后表面均为透明玻璃材质。
5.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，液滴为无色透明导电溶液，填充气体为可压缩气体，二者折射率不同。
6.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，液滴的体积V≥0.5μl且V≤10μl。
7.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，液滴横截面的圆的直径大小与电极Ⅱ和Ⅴ边长相当。
8.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，驱动过程中，电极Ⅰ、Ⅳ电势保持相等，电极Ⅱ、Ⅴ电势保持相同，电极Ⅲ、Ⅵ电势保持相等。
9.根据权利要求1所述的一种基于液滴分离的光流控透镜，其特征在于，驱动模式为电湿润驱动。
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