CN114815017A - 基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜及制备方法，可调液体透镜包括玻璃基片、环形压电陶瓷片和声波发生器，环形压电陶瓷片贴附于基片中部，与声波发生器连接，环形压电陶瓷片中部加入非均匀流体，非均匀流体包含两种互溶或微溶且密度不同的透明液体。本申请基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，利用声波对非均匀流体重新定位原理，两种易溶或微溶且密度不同的透明液体在声场中受到声辐射力大小不同，使得高密度液体分布在环形声势阱位置上，通过调节声波幅度来调控非均匀流体几何分布位置进而改变微透镜焦距，提供了新的调控方法，实现了声致调控；具有高分辨率和大调节范围，操作简单，无需昂贵的制造设备和复杂的制作工艺。

Description

基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜及制备方法

技术领域

本申请涉及透镜技术领域，特别涉及基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜及制备方法。

背景技术

传统的固体透镜可以实现高清和先进的成像能力，但需要多个透镜组配合完成，导致整个成像系统复杂且体积庞大。基于微流控平台的光流控透镜可以通过改变透镜几何形状或折射率实现自适应调焦，在二维和三维成像、光学相干层析成像和光谱成像等领域有巨大的应用潜力，被认为是固体透镜的最佳替代品。

为了实现透镜可调性我们提出了多种方法，例如通过改变接触角、应用刺激响应型高分子材料或将流体与弹性体结合并施加外力以发生形变来调控透镜的几何形状，以获得焦距可调的微透镜。还有的从改变透镜的折射率角度出发，改变流体种类或利用液晶在外加电场刺激下发生变化的性质，来改变微透镜的焦距。然而这些不同类型的可调微透镜的制备方法具有诸如复杂的制造设备和工艺、较高的驱动条件、较慢的响应时间等缺点。

发明内容

本申请实施例提供一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，以解决相关技术中可调液体透镜制造设备和工艺复杂，需要较高的驱动条件以及响应时间较慢的缺点问题。

第一方面，本申请提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，包括玻璃基片、环形压电陶瓷片和声波发生器，所述环形压电陶瓷片贴附于所述玻璃基片的中部，与所述声波发生器通过电极导线电连接，位于所述环形压电陶瓷片的中部用于加入非均匀流体。

一些实施例中，所述非均匀流体为磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液。

一些实施例中，所述非均匀流体中硫酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液的体积比为3:1。

一些实施例中，所述环形压电陶瓷片粘贴固定于所述玻璃基片上。

一些实施例中，所述环形压电陶瓷片的谐振频率为2MHz。

第二方面，本申请提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、准备环形压电陶瓷片；

步骤S2、将环形压电陶瓷片与玻璃基片键合，并将环形压电陶瓷片的电极与声波发生器相连接；

步骤S3、在位于所述环形压电陶瓷片中部的玻璃基片上加入非均匀流体；

步骤S4、打开声波发生器电源，调至环形压电陶瓷片的谐振频率，制得液体声透镜。

一些实施例中，所述步骤S2中，通过光固化胶将环形压低那陶瓷片与玻璃基片粘合起来。

一些实施例中，所述步骤S2中，光固化胶的紫外固化时间为10s，光固化胶的厚度为环形压电陶瓷片厚度的1/10。

一些实施例中，所述非均匀流体的加入总液量的高度与环形压电陶瓷片的的厚度一致。

一些实施例中，所述步骤S4之后，还包括以下步骤：

步骤S5、通过调节声波发生器功率调节制得的液体声透镜的焦距。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请实施例提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，由于利用声波对非均匀流体的重新定位原理，将两种易溶或微溶且密度不同的的透明液体在声场中受到的声辐射力大小不同，使得高密度的液体分布在环形声势阱位置上，通过调节声波幅度来调控非均匀流体的几何分布位置进而改变微透镜焦距，为可调液体透镜提供了新的调控方法，实现了声致调控；

本申请提供的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜具有高分辨率和大调节范围，实现操作简单，不需要昂贵的制造设备和复杂的制作工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜结构示意图；

图2为本申请实施例中流体分布的明场图像；

图3(a)为本申请实施例的可调液体透镜的成像图；

图3(b)为本申请实施例的可调液体透镜的另一成像图；

图4(a)为本申请实施例的可调液体透镜的低声波幅度的声控调焦示意图；

图4(b)为本申请实施例的可调液体透镜的高声波幅度的声控调焦示意图；

图5为本申请实施例的可调液体透镜的声波幅度与透镜焦距关系直方图。

图中：

1、环形压电陶瓷片；2、电极导线；3、声透镜形成区；4、玻璃基片；5、可调液体透镜装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有的可调微透镜存在需要较复杂的制造设备和工艺以及需要较高的驱动条件，响应时间较慢的缺点问题。

有鉴于此，请参考图1，本申请实施例提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，包括玻璃基片4、环形压电陶瓷片1和声波发生器，所述环形压电陶瓷片1贴附于所述玻璃基片4的中部，与所述声波发生器通过电极导线2电连接，位于所述环形压电陶瓷片 1中部的玻璃基片4上即声透镜形成区3用于加入非均匀流体，所述非均匀流体包含两种透明溶液，两种透明溶液互溶或微溶并且两者的密度不同。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请实施例提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，由于利用声波对非均匀流体的重新定位原理，将两种易溶或微溶且密度不同的透明液体在声场中受到的声辐射力大小不同，使得高密度的液体分布在环形声势阱位置上，通过调节声波幅度来调控非均匀流体的几何分布位置进而改变微透镜焦距，为可调液体透镜5提供了新的调控方法，实现了声致调控；

本申请提供的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜具有高分辨率和大调节范围，实现操作简单，不需要昂贵的制造设备和复杂的制作工艺。

在一实施例中，所述两种透明溶液互溶或微溶并且两者的密度不同，意为两种透明溶液互溶并且两者的密度不同或两种透明溶液微溶并且两者的密度不同。两种透明溶液的声阻抗不同。

在一实施例中，所述非均匀流体为磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液组成。

在一实施例中，所述非均匀流体中磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液的体积比为3:1。

在一实施例中，所述环形压电陶瓷片1的内径为20mm、外径为 30mm、高度为1mm。

在一实施例中，所述环形压电陶瓷片1的谐振频率为2MHz。

在一实施例中，所述环形压电陶瓷片1粘贴固定于所述玻璃基片 4的中部。

基于同一发明构思，本申请提供了一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其包括以下步骤:

步骤S1、设计制造可以形成环形声势驻波场的装置；

步骤S2、将装置与玻璃基片4键合，并将环形压电陶瓷片1的电极与声波发生器通过电极导线2相连接；

步骤S3、在位于所述装置中部的玻璃基片4上加入非均匀流体；

步骤S4、打开声波发生器电源，调至装置的谐振频率，制得液体声透镜。

在一实施例中，所述步骤S1中，设计制造可以形成环形声势驻波场的装置为环形压电陶瓷片1，所述步骤S2、S3和S4中的装置为环形压电陶瓷片1。

在一实施例中，所述步骤S2中，通过光电固化胶将环形压电陶瓷片1与玻璃基片4粘合起来。

在一实施例中，所述步骤S2中，所述光电固化胶的紫外固化时间为10s。

在一实施例中，所述光电固化胶的厚度与环形压电陶瓷片1的厚度比值为1:10。

在一实施例中，所述非均匀流体为磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液，两者的体积比为3:1。

在一实施例中，所述磷酸盐缓冲溶液和所述碘克沙醇溶液的溶液浓度相同或相近，只要实现为两者密度不同即可。

在一实施例中，向位于环形压电陶瓷片1中部的玻璃基片4上加入的磷酸盐缓冲溶液300μL，碘克沙醇溶液100μL。

在一实施例中，向位于环形压电陶瓷片1中部的玻璃基片4上加入的磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液的总液面的高度与环形压电陶瓷片1的高度齐平。

在一实施例中，所述步骤S4之后，还包括以下步骤：

步骤S5、通过调节声波发生器功率调节制得的液体声透镜的焦距。

在一实施例中，当环形压电陶瓷片1的尺寸规格为内径20mm，外径30mm，高度1mm，谐振频率为2Mhz时，所述声波发生器的声波调整范围为16dbm至24dbm。

本申请提供的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，操作简单，不需要昂贵的制造设备和复杂的制作工艺即可实现。

图2为本发明中流体分布的明场图像，可见非均匀流体在环形声驻波场中分布不同，高密度即高声阻抗的碘克沙醇溶液分布于环形声势阱处形成同心圆环，低密度即低声阻抗的PBS溶液相邻碘克沙醇溶液形成同心圆环，并在圆心处聚集形成透镜。

图3(a)和图3(b)为本申请实施例的可调液体透镜5的成像图，将本发明制得的可调液体透镜5放置在显微镜系统中验证成像能力，该显微系统包含光源、转换台、物镜(尼康)和CCD相机，在白光源和可调液体透镜5之间放置掩膜板用于成像，通过本发明所得的可调液体透镜5聚焦成像后，由CCD相机捕捉成像，如图3 所示。结果表明，目标成像清晰，分辨率较高，且无畸变。

图4(a)和图4(b)为本申请实施例的可调液体透镜5的声控调焦示意图，通过调节声波振幅来调控透镜焦距。环形压电陶瓷片1中形成各向同性的声场，置于声场中的非均匀流体分布在不同的位置上，密度大即声阻抗较大的流体被重新定位到低声势场中，密度小即声阻抗较小的流体则倾向分布在高声势场处，形成透镜。随着声波幅度增大，声波作用于流体上的声辐射力越大，使得两种流体之间的界面越清晰，即透镜越“凸”，焦距越短。通过实验测得焦距与声波幅度的关系如图5所示。结果表明，基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜实现了声致调焦，可调范围较大。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，其特征在于，包括：

玻璃基片、环形压电陶瓷片和声波发生器，所述环形压电陶瓷片贴附于所述玻璃基片的中部，与所述声波发生器通过电极导线电连接，位于所述环形压电陶瓷片的中部用于加入非均匀流体，所述非均匀流体包含两种互溶或微溶且密度不同的透明液体。

2.如权利要求1所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，其特征在于，所述非均匀流体为磷酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液。

3.如权利要求2所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，其特征在于，所述非均匀流体中硫酸盐缓冲溶液和碘克沙醇溶液的体积比为3:1。

4.如权利要求1所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，其特征在于，所述环形压电陶瓷片粘贴固定于所述玻璃基片上。

5.如权利要求1所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜，其特征在于，所述环形压电陶瓷片的谐振频率为2MHz。

6.一种基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、准备环形压电陶瓷片；

步骤S2、将环形压电陶瓷片与玻璃基片键合，并将环形压电陶瓷片的电极与声波发生器相连接；

步骤S3、在位于所述环形压电陶瓷片中部的玻璃基片上加入非均匀流体；

步骤S4、打开声波发生器电源，调至环形压电陶瓷片的谐振频率，制得液体声透镜。

7.如权利要求6所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过光固化胶将环形压低那陶瓷片与玻璃基片粘合起来。

8.如权利要求7所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，光固化胶的紫外固化时间为10s，光固化胶的厚度为环形压电陶瓷片厚度的1/10。

9.如权利要求6所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其特征在于，所述非均匀流体的加入总液量的高度与环形压电陶瓷片的的厚度一致。

10.如权利要求6所述的基于声与非均匀流体作用的可调液体透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S4之后，还包括以下步骤：

步骤S5、通过调节声波发生器功率调节制得的液体声透镜的焦距。

Images