CN113406738B - 一种可变焦距的双焦点微透镜及其使用方法 - Google Patents

一种可变焦距的双焦点微透镜及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种可变焦距的双焦点微透镜及其使用方法，包括一个圆柱型微腔以及三种互不混溶、密度相同且折射率不同的绝缘液体；圆柱型微腔由上至下顺次设置的上盖片、圆柱管、平面电极以及玻璃基底共同组合构成；三种液体存置于圆柱型微腔内，三种绝缘液体按折射率从小到大的顺序依次记为第一液体、第二液体以及第三液体，第三液体以液滴的形状附着在经表面处理后的玻璃基底上，第二液体以球冠的形状整体包覆在第三液体的外部且第二液体与第三液体的中心重合，第一液体填充于圆柱型微腔内、第二液体的外围空间中。本发明的一种可变焦距的双焦点微透镜，制作方法简单、成本较低且成品具有良好的表面光洁度，能够充分满足诸多领域的使用需求。

Description

一种可变焦距的双焦点微透镜及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种微透镜装置，具体涉及一种基于介电泳效应的可变焦距的双焦点微透镜及其相对应的使用方法，涉及光电信息集成器件、微流控光学分析、激光加工及医疗技术等领域。
背景技术
微透镜作为一种重要的光学元件，具有体积小、重量轻、集成度高的特点，被广泛应用于光学传感技术、光波导、光纤耦合、人工复眼结构、微制造、生化系统以及芯片实验室系统中。
随着半导体工业的发展、光刻和微细加工技术的提高，各类具有特殊结构的微透镜在许多应用中都发挥出了重要的作用，如：菲涅耳微透镜凭借其几乎平坦的表面，可以与其它光学元件集成；椭圆锥形微透镜在高功率激光二极管与单模光纤间的有效耦合方面具有很大优势；圆柱形微透镜则可以提高OLED面板的发光电流效率，使OLED面板的光谱对视角更加不敏感……而在上述诸多类型的微透镜中，多焦距的微透镜因其可以实现对多个物体的同时聚焦，在三维成像、激光切割、光学拾取以及对约束或波动目标的实时检测中发挥着重要作用，正因如此，近年来业界人士针对这一技术，也开展了诸多的研究、取得了一定的成果。
2015年，杨庆等人使用两步飞秒激光湿法蚀刻工艺，制作出了直径为129.0μm的3×3双焦点微透镜阵列，两焦距分别为80.4μm、188.7μm，呈现良好的聚焦和成像能力。2016年，夏泽华等人提出了一种利用微喷墨技术和后续固化工艺制备聚合物双焦点微透镜的新方法，制作出了直径为296.3μm的微型双焦微透镜，两个焦距分别为453μm、2592.5μm。2019年，欧阳霞等人则利用数字光学微印刷技术制作出了直径为296.83μm的双焦点聚合物微透镜，其中第一焦点的位置在410μm，第二焦点的位置在910μm。然而，结合上述方案可以明显地看出，尽管上述方案具备一定的效果，但通过上述方法所制备出的双焦点微透镜的焦距大小固定、无法调节，从而限制了其更近一步的应用。
综上可知，如果能够提出一种焦距可变的双焦点微透镜，并对其进行优化设计，以解决现有技术中双焦点微透镜中焦距大小不可调、制作方法复杂且成本高昂等问题，那么必将对微透镜技术的未来发展和应用提供巨大的帮助。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于介电泳效应的可变焦距的双焦点微透镜及其相对应的使用方法，具体如下。
一种可变焦距的双焦点微透镜，包括一个圆柱型微腔以及三种互不混溶、密度相同且折射率不同的绝缘液体；所述圆柱型微腔由上至下顺次设置的上盖片、圆柱管、平面电极以及玻璃基底共同组合构成；三种所述绝缘液体存置于所述圆柱型微腔内，三种所述绝缘液体按折射率从小到大的顺序依次记为第一液体、第二液体以及第三液体，所述第三液体以液滴的形状附着在经表面处理后的所述玻璃基底上，所述第二液体以球冠的形状整体包覆在所述第三液体的外部且所述第二液体与所述第三液体的中心重合，所述第一液体作为环境液体，填充于所述圆柱型微腔内、所述第二液体的外围空间中。
优选地，所述上盖片为PVC盖片，所述上盖片的直径为15mm～20mm，所述圆柱管为亚克力玻璃管，所述圆柱管的内径为10mm～15mm、外径为15mm～20mm、高为9mm～12mm。
优选地，在所述玻璃基底的上端面还涂覆有一层绝缘介电层及一层疏水层，所述疏水层位于所述绝缘介电层的上方，所述平面电极设于所述玻璃基底的上端面并被所述绝缘介电层所包覆。
优选地，所述平面电极为蚀刻交叉齿状结构的I TO电极。
优选地，所述平面电极包括两组独立的电极单元，其中一组为内环电极单元、包含相互匹配的内环正极及内环负极，另一组为外环电极单元、包含相互匹配的外环正极及外环负极，所述内环正极与所述内环负极之间、所述外环正极与所述外环负极之间均相互嵌套设置，嵌套形式为波浪叉指状嵌套或同心圆环叉指状嵌套。
优选地，所述第一液体与所述第二液体之间、所述第二液体与所述第三液体之间的界面曲率均可借助所述平面电极在工作电压下由介电效应所产生的不均匀电力场实现独立控制，所述工作电压为直流电压或交流电压。
优选地，所述第三液体为苯基硅油，所述第二液体为乙二醇或丙三醇，所述第一液体为聚二甲基硅氧烷。
一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，基于如上所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，包括如下步骤：
S1、使用所述可变焦距的双焦点微透镜，分别在平面电极内的两组独立的电极单元上施加工作电压；
当对内环电极单元施加工作电压、外环电极单元不加电压时，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第三液体向中心收缩，从而使得第二液体与第三液体之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜长焦点的焦距不变，短焦点的焦距变小，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第二液体与第三液体之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜长焦点的焦距不变，短焦点的焦距变大；
当对外环电极单元施加工作电压、内环电极单元不加电压时，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第二液体向外侧延展，从而使得第一液体与第二液体之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变大，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第一液体与第二液体之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变小；
当同时对外环电极单元及内环电极单元施加工作电压，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第三液体向中心收缩，从而使得第一液体与第二液体之间的界面曲率半径增大、第二液体与第三液体之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变大，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第一液体与第二液体之间的界面曲率半径减小、第二液体与第三液体之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变小；
S2、对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置进行计算，按照实际应用需求、依据S1中的调节过程实现对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置调控。
优选地，在S2中，所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的计算公式分别为，
Figure BDA0003161952120000051
Figure BDA0003161952120000052
其中，f1表示光线通过第一液体和第二液体所形成的长焦点，f2表示光线通过第一液体、第二液体以及第三液体所形成的短焦点，r1表示第一液体与第二液体之间的界面曲率半径，r2表示第二液体与第三液体之间的界面曲率半径，n1、n2、n3分别表示第一液体、第二液体、第三液体的折射率，d表示第二液体界面顶点与第三液体界面顶点间的距离。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所提出的一种可变焦距的双焦点微透镜，利用介电泳原理，通过对两个独立的电极单元施加电压的方式，使得两个双液体界面的形状发生变化、微透镜的两个焦点位置改变。在工作电压的控制下，微透镜两个焦点的位置远近及焦距大小均可根据实际应用需要进行调节，有效的拓宽了本发明产品的应用场景。
同时，本发明的一种可变焦距的双焦点微透镜，制作方法简单、成本较低，具有较高的技术价值和经济价值。而且本发明的成品具有良好的表面光洁度，能够充分满足光学成像、光学检测以及医疗等诸多领域的使用需求。
与产品结构相对应的，本发明所提出的一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，操作过程简单直接，焦点位置控制及焦距调节的依据明晰，方法使用效果优良。
此外，本发明的方案还为微透镜技术的相关研究和应用提供了一种全新的思路，为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明中未施加电压时透镜光路的原理示意图；
图2为本发明中对内环电极单元施加工作电压时透镜光路变化的原理示意图；
图3为本发明中对外环电极单元施加工作电压时透镜光路变化的原理示意图；
图4为本发明中同时对内、外环电极单元施加工作电压时透镜光路变化的原理示意图；
图5为本发明中平面电极呈波浪叉指状嵌套结构的示意图；
图6为本发明中平面电极呈同心圆环叉指状嵌套结构的示意图。
其中：1-上盖片，2-圆柱管，3-第一液体，4-第二液体，5-第三液体，6-疏水层，7-绝缘介电层，8-平面电极，9-玻璃基底，41-内环正极，42-内环负极，51-外环正极，52-外环负极。
具体实施方式
本发明揭示了一种基于介电泳效应的可变焦距的双焦点微透镜及其相对应的使用方法，利用介电泳原理，通过对两个独立的电极单元施加电压的方式，使得两个双液体界面的形状发生变化、微透镜的两个焦点位置改变，最终实现对双焦点微透镜焦距大小的调节，具体方案如下。
如图1～图6所示，一种可变焦距的双焦点微透镜，包括一个圆柱型微腔以及三种互不混溶、密度相同且折射率不同的绝缘液体。
所述圆柱型微腔由上至下顺次设置的上盖片1、圆柱管2、平面电极8以及玻璃基底9共同组合构成。
所述上盖片1采用具有透明度高，重量轻等特点的材料，在本实施例中所述上盖片1为PVC盖片，所述上盖片1的直径为15mm～20mm，本实施例中优选为19mm。所述圆柱管2同样采用具有透明度高，重量轻等特点的材料，在本实施例中所述圆柱管2为亚克力玻璃管，所述圆柱管2的内径为10mm～15mm、外径为15mm～20mm、高为9mm～12mm，在本实施例中优选为内径15mm、外径19mm、高10mm。
在所述玻璃基底9的上端面还涂覆有一层绝缘介电层7及一层疏水层6，所述疏水层6位于所述绝缘介电层7的上方、所述平面电极8与所述第一液体3以及所述第二液体4与所述第三液体5相接触的部分，用于将三种不同的绝缘液体固定在所述玻璃基底9表面。所述平面电极8设于所述玻璃基底9的上端面并被所述绝缘介电层7所包覆。
在本实施例中，所述平面电极8为蚀刻交叉齿状结构的I TO电极。所述平面电极8包括两组独立的电极单元，其中一组为内环电极单元、包含相互匹配的内环正极41及内环负极42，另一组为外环电极单元、包含相互匹配的外环正极51及外环负极52，所述内环正极41与所述内环负极42之间、所述外环正极51与所述外环负极52之间均相互嵌套设置，嵌套形式可以为波浪叉指状嵌套或同心圆环叉指状嵌套。
作为优选方案，所述内环电极单元的外径为6mm，电极条纹宽度为0.2mm，间距为0.2mm；所述外环电极单元的外径为15mm，内径为8mm，电极条纹宽度为0.2mm，间距为0.2mm。
三种所述绝缘液体存置于所述圆柱型微腔内，三种所述绝缘液体按折射率从小到大的顺序依次记为第一液体3、第二液体4以及第三液体5，所述第三液体5以液滴的形状附着在经表面处理后的所述玻璃基底9上，所述第二液体4以球冠的形状整体包覆在所述第三液体5的外部且所述第二液体4与所述第三液体5的中心重合，所述第一液体3作为环境液体，填充于所述圆柱型微腔内、所述第二液体4的外围空间中。
所述第一液体3与所述第二液体4之间、所述第二液体4与所述第三液体5之间的界面曲率均可借助所述平面电极8在工作电压下由介电效应所产生的不均匀电力场实现独立控制，所述工作电压为直流电压或交流电压。
所述第三液体5为苯基硅油或者其他矿物油，所述第二液体4为乙二醇或丙三醇或者其他多元醇，所述第一液体3为聚二甲基硅氧烷。在选材时，应保证三种所述绝缘液体的密度相同。也正是由于三种液体的密度相同，因而产生的液体与液体界面为圆球形界面，而且抗震效果好。
综上所述，本发明的一种可变焦距的双焦点微透镜，具有以下优点：
1、区别于传统的双焦点微透镜器件，本发明采用三种不混溶且折射率不同的液体嵌套式分布的结构，所形成的微透镜成品具有良好的表面光洁度。
2、区别于当前采用印刷、光刻、激光等制作方法的双焦点微透镜器件，本发明采用三种不相溶而且密度相同的液体组合，由双液体界面处的拉普拉斯应力形成具有一定焦距大小的双焦点微透镜，制作过程更加简单、成本更低，具有较高的技术价值和经济价值。
3、区别于当前固定焦距的双焦微透镜器件，本发明通过控制两个电极单元，分别控制两个双液体界面的曲率大小，实现对两个焦点位置及焦距大小的控制与调整。可以预见，这种创新性的可变焦距的双焦微透镜器件将会在光学成像、光学检测以及医疗等领域内得到广泛应用。
4、区别于当前采用两种相同材料微透镜贴合的焦距固定的双焦微透镜器件，本发明采用三种不同液体材料的嵌套组合形成可变焦距的双焦点微透镜结构，在工作电压控制下，本发明的双焦点透镜两个焦点的位置远近及焦距大小均可以根据实际应用需要进行调节，具有极佳的调节灵活性。
本发明还揭示了一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，基于如上所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，方法包括如下步骤：
S1、当对内环电极单元施加工作电压、外环电极单元不施加工作电压，在介电力驱动下第三液体5向中心收缩，从而使得第三液体5与第二液体4之间的界面曲率半径减小，此时，微透镜的短焦变短，长焦不变。又因为第一液体3与第二液体4所形成的透镜系统长焦点位置不变，因而长短焦点之间的间距变大。当工作电压减小时，随着介电力的变小，第三液体5与第二液体4之间的界面曲率半径增大，此时，微透镜的短焦点变长。由于第一液体3与第二液体4所形成的透镜系统长焦点位置不变，微透镜的长焦点位置不变，故两焦点之间的间距变小。
当对内环电极单元不施加工作电压、外环电极单元施加工作电压，在介电力驱动下第二液体4向外延展，从而使得第一液体3与第二液体4的界面曲率半径增大，此时，液体透镜微透镜的双焦距变长，双焦点之间的间距变大。当工作电压减小时，随着介电力的变小，第一液体3与第二液体4的界面曲率半径减小，第一液体3与第二液体4所形成的液体透镜微透镜的双焦距变短，对应微透镜的长短焦点之间的间距变小。
当同时对内环电极单元、外环电极单元施加工作电压，在介电力驱动下第二液体4向外延展，第三液体5向装置中心收缩，使得第一液体3与第二液体4之间的界面曲率半径增大，第三液体5与第二液体4的界面曲率半径减小，此时，微透镜的短焦变短，长焦变长，双焦点之间的间距变大。反之，当工作电压减小时，随着介电力的变小，第一液体3与第二液体4之间的界面曲率半径减小，第三液体5与第二液体4之间的界面曲率半径增大，此时，对应微透镜的短焦变长，长焦变短，双焦点之间的间距变短。
S2、对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置进行计算，按照实际应用需求、依据S1中的调节过程实现对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置调控。
在这一步骤中，所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的计算公式分别为，
Figure BDA0003161952120000111
Figure BDA0003161952120000112
其中，f1表示光线通过第一液体3和第二液体4所形成的长焦点，f2表示光线通过第一液体3、第二液体4以及第三液体5所形成的短焦点，r1表示第一液体3与第二液体4之间的界面曲率半径，r2表示第二液体4与第三液体5之间的界面曲率半径，n1、n2、n3分别表示第一液体3、第二液体4、第三液体5的折射率，d表示第二液体4界面顶点与第三液体5界面顶点间的距离。
与产品结构相对应的，本发明所提出的一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，操作过程简单直接，焦点位置控制及焦距调节的依据明晰，方法使用效果优良。
此外，本发明的方案还为微透镜技术后续的研究和应用提供了一种全新的思路，为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：包括一个圆柱型微腔以及三种互不混溶、密度相同且折射率不同的绝缘液体；所述圆柱型微腔由上至下顺次设置的上盖片(1)、圆柱管(2)、平面电极(8)以及玻璃基底(9)共同组合构成；三种所述绝缘液体存置于所述圆柱型微腔内，三种所述绝缘液体按折射率从小到大的顺序依次记为第一液体(3)、第二液体(4)以及第三液体(5)，所述第三液体(5)以液滴的形状附着在经表面处理后的所述玻璃基底(9)上，所述第二液体(4)以球冠的形状整体包覆在所述第三液体(5)的外部且所述第二液体(4)与所述第三液体(5)的中心重合，所述第一液体(3)作为环境液体，填充于所述圆柱型微腔内、所述第二液体(4)的外围空间中。
2.根据权利要求1所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：所述上盖片(1)为PVC盖片，所述上盖片(1)的直径为15mm～20mm，所述圆柱管(2)为亚克力玻璃管，所述圆柱管(2)的内径为10mm～15mm、外径为15mm～20mm、高为9mm～12mm。
3.根据权利要求1所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：在所述玻璃基底(9)的上端面还涂覆有一层绝缘介电层(7)及一层疏水层(6)，所述疏水层(6)位于所述绝缘介电层(7)的上方，所述平面电极(8)设于所述玻璃基底(9)的上端面并被所述绝缘介电层(7)所包覆。
4.根据权利要求1所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：所述平面电极(8)为蚀刻交叉齿状结构的ITO电极。
5.根据权利要求4所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：所述平面电极(8)包括两组独立的电极单元，其中一组为内环电极单元、包含相互匹配的内环正极(41)及内环负极(42)，另一组为外环电极单元、包含相互匹配的外环正极(51)及外环负极(52)，所述内环正极(41)与所述内环负极(42)之间、所述外环正极(51)与所述外环负极(52)之间均相互嵌套设置，嵌套形式为波浪叉指状嵌套或同心圆环叉指状嵌套。
6.根据权利要求1所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：所述第一液体(3)与所述第二液体(4)之间、所述第二液体(4)与所述第三液体(5)之间的界面曲率均可借助所述平面电极(8)在工作电压下由介电效应所产生的不均匀电力场实现独立控制，所述工作电压为直流电压或交流电压。
7.根据权利要求1所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于：所述第三液体(5)为苯基硅油，所述第二液体(4)为乙二醇或丙三醇，所述第一液体(3)为聚二甲基硅氧烷。
8.一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，基于如权利要求1～7任一所述的一种可变焦距的双焦点微透镜，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使用所述可变焦距的双焦点微透镜，分别在平面电极(8)内的两组独立的电极单元上施加工作电压；
当对内环电极单元施加工作电压、外环电极单元不加电压时，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第三液体(5)向中心收缩，从而使得第二液体(4)与第三液体(5)之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜长焦点的焦距不变，短焦点的焦距变小，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第二液体(4)与第三液体(5)之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜长焦点的焦距不变，短焦点的焦距变大；
当对外环电极单元施加工作电压、内环电极单元不加电压时，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第二液体(4)向外侧延展，从而使得第一液体(3)与第二液体(4)之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变大，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第一液体(3)与第二液体(4)之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变小；
当同时对外环电极单元及内环电极单元施加工作电压，若所述工作电压增大，在介电力驱动下第三液体(5)向中心收缩，从而使得第一液体(3)与第二液体(4)之间的界面曲率半径增大、第二液体(4)与第三液体(5)之间的界面曲率半径减小，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变大，若所述工作电压减小，介电力随即变小，第一液体(3)与第二液体(4)之间的界面曲率半径减小、第二液体(4)与第三液体(5)之间的界面曲率半径增大，此时所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的焦距大小变小；
S2、对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置进行计算，按照实际应用需求、依据S1中的调节过程实现对所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的位置调控。
9.根据权利要求8所述的一种可变焦距的双焦点微透镜的使用方法，其特征在于：在S2中，所述可变焦距的双焦点微透镜两个焦点的计算公式分别为，
Figure FDA0003161952110000041
Figure FDA0003161952110000042
其中，f1表示光线通过第一液体(3)和第二液体(4)所形成的长焦点，f2表示光线通过第一液体(3)、第二液体(4)以及第三液体(5)所形成的短焦点，r1表示第一液体(3)与第二液体(4)之间的界面曲率半径，r2表示第二液体(4)与第三液体(5)之间的界面曲率半径，n1、n2、n3分别表示第一液体(3)、第二液体(4)、第三液体(5)的折射率，d表示第二液体(4)界面顶点与第三液体(5)界面顶点间的距离。
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