CN110045495A - 一种基于液体透镜的光学调相方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液体透镜的光学调相方法，其特征在于由包含导电液体和绝缘液体的三种液体构成电湿驱动的液体透镜模型中，三种液体折射率设为n1、n2、n3,在透镜腔轴方向上的厚度分别为L1、L2、L3，平面光波沿透镜腔轴方向传输光束的相位Φ(Φ＝2π/λ*△，△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3)在电润湿效应作用下调节，通过控制两个透镜光程差的总调节量〥△＝n1*(L1‑Δh1)+n2*(L2+Δh1+Δh2)+n3*(L3‑Δh2)‑(n1*L1+n2*L2+n3*L3)＝Δh1(n2‑n1)+Δh2(n2‑n3)来提高相位的精度。

Description

一种基于液体透镜的光学调相方法

技术领域

本发明涉及一种光学调相方法，尤其是一种基于液体透镜的光学调相方法，属于微流控光学技术、光信息处理器件的技术领域。

背景技术

微流控光学是现代光学、光电子学与微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科与技术，它主要研究微流控系统中的光学现象，探索微流控系统与光子的相互作用规律，目的是开发具有结构重组和调节能力的微流控光学器件与系统，在传感、通信、信息处理等领域具有重要的应用前景。

一般情况下，液体透镜的调节是变焦的，不适合于用来调相，为了改造这种传统的液体透镜调相方式，需要做如下两点改正，第一，导电液体和绝缘液体折射率相差在0.0001～0.001之间，这样平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置出来还是平行光波；第二，用三种液体调相，三液体透镜介质的折射率设为n1、n2、n3(假设n1＞n2，n2＞n3)，弯曲面由n1调向n2的时候，左边的光程是增加的，弯曲面n3调向n2的时候，右边的光程是减小的，当总折射率差△n＝(2n2-n1-n3)等于0时，则总的光程调节是不变的，为了让它变成一个小量，则需要总折射率差△n很小，当左边光程的调节和右边光程的调节差(〥△)很小时，总的光程差调节精度就提高了，而相位调节量为〥Φ＝2π/λ*〥△，这样相位的调节精度也提高了。如果单调一边透镜，精度不是很高，所以用三种液体来调相。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，本发明通过结合微流控光学技术和现代光学技术，提出一种基于液体透镜的光学调相方法及原理，解决相位调谐问题。由于光学器件比较简易，使制作成本以及生产工艺大大降低，具有很强的经济实用性，将会在微流控光学技术、光信息处理器件的技术领域得到广泛的应用，并且有望取代部分传统光学调相方法。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于液体透镜的光学调相方法，由包含导电液体及绝缘液体的三种混合液体构成电湿驱动的液体透镜模型中，三种液体折射率设为n1、n2、n3,在透镜腔轴方向上的厚度分别为L1、L2、L3，平面光波沿透镜腔轴方向传输光束的相位Φ(Φ＝2π/λ*△，△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3)在电润湿效应作用下调节。

本发明的进一步限定技术方案为：所述导电液体和绝缘液体折射率相差0.0001～0.001之间。

进一步的，所述导电液体、绝缘液体初始接触角优选小于95°。

进一步的，所述液体透镜模型以具有圆柱状通孔的内芯为主体，在内芯的左右两端分别设有透明的盖片，通孔内的空隙设为可调透镜腔，存储透明液体透镜材料；所述内芯采用导电材料制作并作为一个电极，另一个电极与导电液体相连。所述内芯表面涂覆有用于避免内芯与透明盖片电极和导电水溶液接触的绝缘层，并对液体腔内进行疏水处理，使三种液体的两个接触边界自然形成弯曲面并构成光程可调的三液体透镜，形成具有“平行光输入+光程可调液体透镜+平行光输出”的结构。

进一步的，所述调相步骤为，

步骤1)，让平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置；

步骤2)，利用电湿效应控制液体透镜两个液面的形状，并沿透镜腔轴方向分别移动Δh1和Δh2距离；

步骤3)，沿透镜腔轴方向光程的调节量，当未加电压时，沿透镜腔轴方向光程△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3,加电压后，沿透镜腔轴方向光程的调节量〥△＝n1*(L1-Δh1)+n2*(L2+Δh1+Δh2)+n1*(L3-Δh2)-(n1*L1+n2*L2+n3*L3)＝Δh1(n2-n1)+Δh2(n2-n3)。

进一步的，所述步骤1中，当平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置后，在内芯与透明盖片电极分别施加控制电压使透镜发生形变。

进一步的，所述步骤3中，根据相似替换原理，把左右两边透镜形变的位移Δh1和Δh2看成Δh，则液体透镜总的光程的调节量|〥△|＝|(2n2-n1-n3)Δh|，因为Δh1和Δh2看成Δh，以一个接触面为例讨论厚度变化量△h，令D为液体透镜的直径，θ为接触角；

当θ从95°变化到90°时，经过计算，Δh＝0.011D-D/4(tanθ-secθ)+D/12(tanθ-secθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.11-2.5(tanθ-secθ)+0.833(tanθ-secθ)^3,得Δh在0.0108㎜～0.11㎜范围内；

同理当θ从89°变化到85°时，经过计算，Δh＝0.0022D-D/4(secθ-tanθ)+D/12(secθ-tanθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.022-2.5(secθ-tanθ)+0.833(secθ-tanθ)^3,得Δh在-0.087㎜～8.85E-6㎜范围内。

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：

本发明将微流控光学技术与现代光学技术相结合，设计出了一种易于调节、精度高的液体透镜的光学调相方法。本发明调相方法中的调相器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点，具有经济和技术价值，优势在于使成像系统微型化，因此，该液体透镜的光学调相方法定位也是在于小型的成像系统，可应用在手机、数码相机、微型摄像头、内窥镜等产品身上。

创新之处在于：1.选取三种折射率液体材料，通过控制两个透镜光程差的总调节量来提高相位的精度，比传统调相更为实用。

2.三液体折射率差在0.0001～0.001之间，这样平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置出来还是平行光波。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是一种基于液体透镜的光学调相方法模型示意图。

图2是一种基于液体透镜的光学调相方法通电后厚度变化量△hab的模型示意图。

图3是一种基于液体透镜的光学调相方法通电后接触角θ从95°变化到90°时，三液体透镜形变位移△h与接触角θ的示意图。

图4是一种基于液体透镜的光学调相方法通电后接触角θ从89°变化到85°时，三液体透镜形变位移△h与接触角θ的示意图。

具体实施方式

本实施例提供了一种光束调相调向装置，如图1，选取包含导电液体和绝缘液体的三种液体构成电湿驱动的液体透镜模型为本调相方法的母体，保留其主要器件框架，只是将液体材料换掉。三液体透镜光学调相器的内芯位于左右两端的透明盖片之间,内芯具有圆柱状通孔的导电圆柱，通孔内的空隙设为可调透镜腔，用于存储液体透镜材料；这里内芯采用导电材料制作并作为一个电极，另一个电极与导电液体相连。打开透明盖片，向里面依次注入三种折射率液体，三种互不相溶的液体即第一导电液体、绝缘液体和第二导电液体，第一导电液体是一种离子液体[EM2N(CH2)2OH][ESO4]，且在常温下(25℃)折射率为1.47303，中间绝缘液体是松节油，在20.7℃下的折射率为1.4721，第二导电液体是一种离子液体[P666(14)][Deca]，且在常温下(25℃)折射率为1.47242，注入完成并充满可调透镜腔后，将上盖片密封。这三种液体构成双透镜介质，分别具有不同的折射率，设为n1,n2,n3，总折射率差△n＝(2n2-n1-n3)＝-0.00125(绝对值在0.0001～0.001之间)，三种液体之间的两个弯曲界面起着双调节作用。在内芯表面涂覆绝缘层，避免内芯与透明盖片电极和导电水溶液接触。光程可调液体透镜的工作原理是，在内芯与透明盖片电极分别施加控制电压，导电液体与侧壁之间的界面张力因电润湿效应的作用而降低，从而改变液体透镜两个液面的形状，并沿透镜腔轴方向分别移动Δh1和Δh2距离。以一个接触面为例讨论厚度变化量△h，令D为液体透镜的直径，导电液体、绝缘液体初始接触角θ优先小于95°，如图2，根据体积不变原理，△hab＝ha-hb-1/(6D^2)*(3D^2+4ha^2)*ha+1/(6D^2)*(3D^2+4hb^2)*hb，让接触角从θ1变到θ2，经过计算，Δh＝D/12[(tanθ2-secθ2)^3-(tanθ1-secθ1)^3]+D/4[(tanθ1-secθ1)-(tanθ2-secθ2)]，通过赋值，厚度变化量△h可控制在0.1㎜范围内；由图1可知，未加电压时沿液体透镜腔轴方向光程△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3，加上电压后沿透镜腔轴方向光程的调节量〥△＝n1*(L1-Δh1)+n2*(L2+Δh1+Δh2)+n3*(L3-Δh2)-(n1*L1+n2*L2+n3*L3)＝Δh1(n2-n1)+Δh2(n2-n3)，根据相似替换原理，把左右两边透镜形变的位移Δh1和Δh2看成Δh，则液体透镜总的光程调节量|〥△|＝|(2n2-n1-n3)Δh|，折射率差0.0001≤|n1-n2|≤0.001，0.0001≤|n3-n2|≤0.001，总折射率差△n＝2n2-n1-n3，也在0.0001～0.001之间，通过计算，当总折射率差△n取0.001时，即可把光程的总调节量控制在0.1μm范围以内，而相位总调节量(〥Φ＝2π/λ*〥△)，即可把相位精度控制在0.1λ以内。

本实施例的调相步骤为：

首先让平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置，然后在内芯与透明盖片电极分别施加控制电压，此时透镜会发生形变，沿腔轴方向上的厚度分别为L1、L2、L3,透镜的形变的位移分别为Δh1和Δh2，未加电压时，沿透镜腔轴方向光程△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3,加电压后，沿透镜腔轴方向光程的调节量〥△＝n1*(L1-Δh1)+n2*(L2+Δh1+Δh2)+n1*(L3-Δh2)-(n1*L1+n2*L2+n3*L3)＝Δh1(n2-n1)+Δh2(n2-n3)，根据相似替换原理，把左右两边透镜形变的位移Δh1和Δh2看成Δh，则液体透镜总的光程的调节量|〥△|＝|(2n2-n1-n3)Δh|，因为Δh1和Δh2看成Δh，可以以一个接触面为例讨论厚度变化量△h(如图1)，令D为液体透镜的直径，θ为接触角，这里接触角有两种变法，当θ从95°变化到90°时，经过计算，Δh＝0.011D-D/4(tanθ-secθ)+D/12(tanθ-secθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.11-2.5(tanθ-secθ)+0.833(tanθ-secθ)^3,通过图像3得Δh在0.0108㎜～0.11㎜范围内；同理当θ从89°变化到85°时，经过计算，Δh＝0.0022D-D/4(secθ-tanθ)+D/12(secθ-tanθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.022-2.5(secθ-tanθ)+0.833(secθ-tanθ)^3,通过图像4得Δh在-0.087㎜～8.85E-6㎜范围内。因为液体透镜光程的总调节量(Δ△)与三液体折射率有关，光程的总调节量|〥△|＝|(2n2-n1-n3)△h|(n1为第一导电液体折射率，n2第二绝缘液体折射率，n3第三导电液体折射率)，折射率差在0.0001～0.001之间时，总折射率差△n＝2n2-n1-n3在0.0001～0.001之间，这里，通过计算，△n为(-0.00125)，通过图像3可知，当θ取1.5944(91.35°)时，Δh为0.08㎜，此时光程的总调节量为0.1μm，即从95°变化到91.35°时，光程的总调节量在0.1μm以内；通过图像4可知，当θ取1.4890(85.31°)时，Δh为0.08㎜，此时光程的总调节量也是0.1μm，即从88.90°变化到85.31°时，光程的总调节量也在0.1μm以内。而相位的总调节量(〥Φ＝2π/λ*〥△)，两种接触角变法都可将相位精度控制在0.1λ以内。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于液体透镜的光学调相方法，其特征在于：由包含导电液体及绝缘液体的三种混合液体构成电湿驱动的液体透镜模型中，三种液体折射率设为n1、n2、n3,在透镜腔轴方向上的厚度分别为L1、L2、L3，平面光波沿透镜腔轴方向传输光束的相位Φ(Φ＝2π/λ*△，△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3)在电润湿效应作用下调节。

2.根据权利要求1所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述导电液体和绝缘液体折射率相差0.0001～0.001之间。

3.根据权利要求1所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述导电液体、绝缘液体初始接触角优选小于95°。

4.根据权利要求1所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述液体透镜模型以具有圆柱状通孔的内芯为主体，在内芯的左右两端分别设有透明的盖片，通孔内的空隙设为可调透镜腔，存储透明液体透镜材料；所述内芯采用导电材料制作并作为一个电极，另一个电极与导电液体相连。

5.根据权利要求4所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述内芯表面涂覆有用于避免内芯与透明盖片电极和导电水溶液接触的绝缘层，并对液体腔内进行疏水处理，使三种液体的两个接触边界自然形成弯曲面并构成光程可调的三液体透镜。

6.根据权利要求1所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述调相步骤为，

步骤1、让平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置；

步骤2、利用电湿效应控制液体透镜两个液面的形状，并沿透镜腔轴方向分别移动Δh1和Δh2距离；

步骤3、沿透镜腔轴方向光程的调节量，当未加电压时，沿透镜腔轴方向光程△＝n1*L1+n2*L2+n3*L3,加电压后，沿透镜腔轴方向光程的调节量〥△＝n1*(L1-Δh1)+n2*(L2+Δh1+Δh2)+n1*(L3-Δh2)-(n1*L1+n2*L2+n3*L3)＝Δh1(n2-n1)+Δh2(n2-n3)。

7.根据权利要求6所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述步骤1中，当平面光波沿透镜腔轴方向穿过液体透镜装置后，在内芯与透明盖片电极分别施加控制电压使透镜发生形变。

8.根据权利要求6所述的液体透镜的光学调相方法，其特征在于：所述步骤3中，根据相似替换原理，把左右两边透镜形变的位移Δh1和Δh2看成Δh，则液体透镜总的光程的调节量|〥△|＝|(2n2-n1-n3)Δh|，因为Δh1和Δh2看成Δh，以一个接触面为例讨论厚度变化量△h，令D为液体透镜的直径，θ为接触角；

当θ从95°变化到90°时，经过计算，Δh＝0.011D-D/4(tanθ-secθ)+D/12(tanθ-secθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.11-2.5(tanθ-secθ)+0.833(tanθ-secθ)^3,得Δh在0.0108㎜～0.11㎜范围内；

同理当θ从89°变化到85°时，经过计算，Δh＝0.0022D-D/4(secθ-tanθ)+D/12(secθ-tanθ)^3,D取10㎜，得Δh＝0.022-2.5(secθ-tanθ)+0.833(secθ-tanθ)^3,得Δh在-0.087㎜～8.85E-6㎜范围内。