CN112255713A - 一种基于磁场调控的变焦液体透镜及光学放大仪器 - Google Patents

Abstract

本发明属于液体透镜领域，提供了一种基于磁场调控的变焦液体透镜及光学放大仪器。其中，基于磁场调控的变焦液体透镜包括柱形腔体，其内封装有不相溶的两种透明液体；导磁层，其贴设在柱形腔体的底板下表面；所述导磁层上均布有垂直于底板的磁场；纳米磁性颗粒，其接枝功能基团且沉积在底板上表面；所述纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度的变化而变化，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现变焦的目的。

Description

一种基于磁场调控的变焦液体透镜及光学放大仪器

技术领域

本发明属于液体透镜领域，尤其涉及一种基于磁场调控的变焦液体透镜及光学放大仪器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统固体透镜调焦只能通过改变透镜相对位置实现，造成镜头组有复杂的机械装置，操作不灵便、制作成本高。液体自变焦透镜是通过改变曲率，折射率等自身参数实现焦距调节的目的，易于微型化，轻便化。由于液体透镜基于液体表面张力的变化，液体表面的平滑度远远大于传统透镜的机械加工精度，其表面粗糙度在1nm以下，故有好的表面精度。

现有的液体透镜封装两种液体，上部浅色为油下部深色为水。现有的调焦的方法包括通过电磁线圈控制薄片的上下运动，调节液-液接触面曲率实现调焦，该方法的缺点是透镜构成复杂，难以精确操作。另一种是通过电流改变圆柱形腔体内壁与水的接触角，调节液-液接触面曲率实现调焦，其缺点是需要电源通过电线连接透镜，不利于透镜微型化。

现有液体自变焦透镜主要包括物性控制式如基于电润湿原理和机械驱动式如基于静电力，压力调节，其中以物性控制式种类最多。发明人发现，现有液体透镜调焦大多数直接或间接由电压电流控制，均无法做到非接触调焦。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明的第一个方面提供一种基于磁场调控的变焦液体透镜，其只需调节外部磁场即可实现液体透镜调焦，实现了透镜与调焦装置完全分离，便于微型化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于磁场调控的变焦液体透镜，包括：

柱形腔体，其内封装有不相溶的两种透明液体；

导磁层，其贴设在柱形腔体的底板下表面；所述导磁层上均布有垂直于底板的磁场；

纳米磁性颗粒，其接枝功能基团且沉积在底板上表面；所述纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度的变化而变化，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现变焦的目的。

其中，在磁场作用下磁性颗粒在底板上表面组成若干个聚集体阵列。由于磁场在垂直于底板方向上存在强度梯度，磁性聚集体呈锥状形态。锥形聚集体的锥度受磁场强度的调控，比如增强磁场强度，锥形聚集体的锥度变小，从而增大液滴与底板实际接触面积，使底板上表面对与其接触的液体表现为亲水性。因此，通过调节外加磁场的强度，可以调节锥形磁性颗粒聚集体的锥度从而可以改变底板上表面与其接触的液体的实际接触面积，使得底板上表面的亲疏水程度改变，从而实现液珠曲率调节达到变焦目的。

作为一种实施方式，所述底板的上表面和下表面相对位置均设有通光区域。

作为一种实施方式，所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒。

其中，通光区域用于透光，由于磁轭对磁场线的约束作用，使得底板中心区域没有磁场分布从而没有磁性颗粒，形成了一个光线不被干扰的透光区域。

作为一种实施方式，所述底板为透明材质。

该技术方案的优点在于，底板为透明材质目的是为了保障光线能够从通光区域通过，从而经过液滴实现放大。

作为一种实施方式，所述柱形腔体的顶部还设有盖板。

作为一种实施方式，所述盖板为透明材质。

该技术方案的优点在于，为了保证光线可以通过透镜，从而经过液滴实现放大功能。

作为一种实施方式，随着磁场增强，纳米磁性颗粒的聚集体形态发生改变，使得底板与液滴的实际接触面积增大，底板性质由疏水向亲水变化，从而减小了液滴与底板的接触角，液滴曲率变小，焦距变大。

该技术方案的优点在于，其原理简单且调焦方便且效率高。作为一种实施方式，所述磁场强度由外加磁场产生。上述方案的优点在于，通过磁场调节焦距，可以做到透镜部分和调焦部分完全分离，透镜可以做到微小化，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。

本发明的第二个方面提供一种光学放大仪器，其包括如上述所述的基于磁场调控的变焦液体透镜。

作为一种实施方式，所述变焦液体透镜与调焦部分完全分离，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。

本发明的有益效果是：

(1)通过磁场调节接触面微纳米结构，纳米级磁性颗粒能够适用于小体积的液体透镜。纳米级磁性颗粒具有超顺磁性，磁响应迅速，可以根据磁场强度变化调节纳米磁性颗粒的排列形态，实现底板表面微结构的调节，进而实现底板表面亲疏水性质的调节，实现液珠曲率调节从而达到变焦目的。

(2)通过磁场调节焦距，可以做到透镜部分和调焦部分完全分离，透镜可以做到微小化，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。现有类似液体透镜均需通电，从而多出导线或电源部分。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的基于磁场调控的变焦液体透镜结构示意图；

图2是本发明实施例的基于磁场调控的变焦液体透镜立体图；

图3是本发明实施例的底板上表面示意图；

图4(a)是本发明实施例的磁场强度为B1时底板上表面磁性纳米粒子排列形态；

图4(b)是本发明实施例的磁场强度为B1时液滴状态；

图4(c)是本发明实施例的磁场强度为B2时底板上表面磁性纳米粒子排列形态；其中，B2>B1；

图4(d)是本发明实施例的磁场强度为B2时液滴状态；

图4(e)是本发明实施例的磁场强度为B3时底板上表面磁性纳米粒子排列形态；其中，B3>B2；

图4(f)是本发明实施例的磁场强度为B3时液滴状态；

图5是本发明实施例的磁性颗粒示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供了一种基于磁场调控的变焦液体透镜，其只需调节外部磁场即可实现液体透镜调焦，实现了透镜与调焦装置完全分离，便于微型化。

参照图1和图2，本实施例的基于磁场调控的变焦液体透镜，包括柱形腔体1，柱形腔体1内封装有不相溶的第一透明液体3和第二透明液体4。

底板5下表面贴设有导磁层，导磁层均布有垂直于底板的磁场；底板5上表面沉积有接枝功能基团的纳米磁性颗粒，以对第二透明液体4表现为亲和性。

其中，纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度的变化而变化，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现变焦的目的。

其中，在磁场作用下磁性颗粒在底板上表面组成若干个聚集体阵列。由于磁场在垂直于底板方向上存在强度梯度，磁性聚集体呈锥状形态。锥形聚集体的锥度受磁场强度的调控，比如增强磁场强度，锥形聚集体的锥度变小，从而增大液滴与底板实际接触面积，使底板上表面对与其接触的液体表现为亲水性。因此，通过调节外加磁场的强度，可以调节锥形磁性颗粒聚集体的锥度从而可以改变底板上表面与其接触的液体的实际接触面积，使得底板上表面的亲疏水程度改变，从而实现液珠曲率调节达到变焦目的。

在具体实施中，所述柱形腔体的底板上设有通光区域。通光区域用于透光，以实现液体透镜放大的功能。

所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒。由于磁轭对磁场线的约束作用，使得底板中心区域没有磁场分布从而没有磁性颗粒，形成了一个光线不被干扰的透光区域。

为了保障光线能够从通光区域通过，从而经过液滴实现放大，所述底板为透明材质。所述柱形腔体的顶部还设有盖板。所述盖板为透明材质。

需要说明的是，第一透明液体可为油，第二透明液体可为水。本领域技术人员也可根据实际情况来具体设置。

如图5所示，一般认为尺寸小于20nm的磁性纳米粒子会表现出超顺磁性，即在磁场中具有快速的磁响应，当磁场消失后其磁性又随之消失。磁性聚合刷通常对磁性纳米粒子进行一个简单的修饰。然后通过不同的方法将功能性聚合物刷接枝在磁性纳米粒子的表面。

透镜焦距计算公式：f＝r/(n’-n),f为透镜焦距，r为透镜曲率半径(例如：水滴曲率半径)，n’为透镜材质的折射率(例如：水折射率)，n为介质折射率(例如：油的折射率)。

在具体实施中，当底板5处于垂直磁场中时，由于纳米级磁性颗粒具有超顺磁性沿磁感线排列，在底板5上表面形成一个有序的微纳米级阵列如图3所示。为保证磁性粒子不遮挡通光区域，在底板5下表面通光区域以外处贴有一层导磁材料作为磁轭。磁轭起约束磁感线作用，底板表面贴有磁轭的地方均匀分布磁场，通光区域处无磁轭因此无磁场，从而没有磁性颗粒分布。

根据Wenzel方程，

cosθ＝r·cosθ_e

式中θ为粗糙表面的表观接触角，θ_e为平坦表面的本征接触角(杨氏接触角)，r为粗糙因子(等于固—液界面实际接触面积与假想接触面积之比，r≥1)，由此式可知，对于原本亲水的表面(θ_e<90°)，r越大则θ越小。即增大表面实际接触面积，将会减小固体表面的表观接触角。

随着磁场强度增加，微粒排列形态改变，透明液体4与底板5上表面实际接触面积增大，使得底板性质由疏水向亲水变化，接触角减小。因此可以通过改变磁场强度改变透明液体4的曲率，实现透镜焦距的调节。磁性颗粒在不同强度磁场中的排列形态如图4(a)-图4(f)所示。

随着磁场增强，磁性颗粒排列形态发生改变，增大了底板与液滴的实际接触面积，从而减小了液滴与底板的接触角，液滴曲率变小，焦距变大。

在本实施例中，磁场强度可由外加磁场产生。通过磁场调节焦距，可以做到透镜部分和调焦部分完全分离，透镜可以做到微小化，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。

下面给出具体实施例：圆柱形腔体为黑色POM塑料，外直径为8mm,内直径为7mm，高度为3mm。上下盖板材质均为光学玻璃板，厚度为0.5mm，通光区域直径为1mm。透明液体3为无色透明硅油，折射率为1.65，阿贝数为62.8。透明液体4为NaCl水溶液，折射率为1.33，阿贝数为55.8。磁性颗粒采用接枝亲水功能团的Fe₃O₄纳米颗粒，磁场由处在透镜下方5cm处的直径2cm,匝数为100圈的通电线圈提供。底板下表面除通光区域外，贴一层厚度为0.2mm的软铁作为磁轭。

当无磁场时，液滴4在底板5上的表观接触角约为80度，透镜焦距约为6.35mm。当磁场接近饱和时，表观接触角为约为20度，透镜焦距约为18.27mm。焦距调节范围为(6.35mm,18.27mm)。

本实施例还提供了一种光学放大仪器，其包括如上述所述的基于磁场调控的变焦液体透镜。

其中，所述变焦液体透镜与调焦部分完全分离，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。

需要说明的是，光学放大仪器可以为医疗器械内窥镜、显微镜等其他光学放大仪器。

本实施例通过磁场调节接触面微纳米结构，改变底板与液滴的实际接触面积，调节接触角，实现液珠曲率调节从而达到变焦目的。

本实施例通过磁场调节焦距，可以做到透镜部分和调焦部分完全分离，透镜可以做到微小化，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。现有类似液体透镜均需通电，从而多出导线或电源部分。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，包括：

柱形腔体，其内封装有不相溶的两种透明液体；

导磁层，其贴设在柱形腔体的底板下表面；所述导磁层上均布有垂直于底板的磁场；

纳米磁性颗粒，其接枝功能基团且沉积在底板上表面；所述纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度的变化而变化，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现变焦的目的。

2.如权利要求1所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述底板的上表面和下表面相对位置均设有通光区域。

3.如权利要求2所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒。

4.如权利要求1所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述底板为透明材质。

5.如权利要求1所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述柱形腔体的顶部还设有盖板。

6.如权利要求5所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述盖板为透明材质。

7.如权利要求1所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，随着磁场增强，纳米磁性颗粒的聚集体形态发生改变，使得底板与液滴的实际接触面积增大，底板性质由疏水向亲水变化，从而减小了液滴与底板的接触角，液滴曲率变小，焦距变大。

8.如权利要求1所述的基于磁场调控的变焦液体透镜，其特征在于，所述磁场强度由外加磁场产生。

9.一种光学放大仪器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的基于磁场调控的变焦液体透镜。

10.如权利要求9所述的光学放大仪器，其特征在于，所述变焦液体透镜与调焦部分完全分离，通过外加磁场实现远距离遥控调焦。

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