CN114859443B - 基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，包括液体微透镜阵列形成部、第一进液通道、第二进液通道和出液通道，液体微透镜阵列形成部包括具有中空腔室的透明正多棱柱结构以及声波施加单元，正多棱柱结构顶端面敞口设置，声波施加单元用于给正多棱柱结构的每个外壁面上施加声波；第一进液通道和第二进液通道分别用于向中空腔室内注入第一、二透明液体；第一透明液体和第二透明液体为具有密度差异的互溶或微溶液体。本申请通过向中空腔室内输送两种互溶或微溶密度不同的液体形成液体可调微透镜阵列，实现方法操作简单，成本低廉并且易于集成化，具有极高的生物亲和性，可通过改变声波幅度实现可调微透镜阵列动态调焦。

Description

基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列

技术领域

本申请涉及微透镜技术领域，特别涉及基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列。

背景技术

近年来，随着传感器、光电探测器、摄像机和激光器等光电器件的发展，这些器件的核心结构微透镜阵列也引起了广泛的兴趣和研究。微透镜阵列由直径从几百纳米到几毫米的子透镜按一定周期性排列组成，其能够有效地收集光，可应用于三维成像、光束准直及均光和微扫描等领域。目前制造微透镜阵列的方法有热回流法、直接书写法、摸具复制法和喷墨打印法，但这些方法制造的通常是小型化的硬固态透镜，其焦距固定无法调节。另一类可调微透镜通常是改变透镜几何形态和折射率来调节焦距，但往往需要气泵和高分子材料，增大了设备体积和制造工艺难度，降低其生物亲和性，限制其在医学生物等领域的应用。近年来，随着声波与非均匀流体相互作用的研究逐渐深入，这些缺点得以克服。

发明内容

本申请实施例提供一种基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，以解决相关技术中微透镜阵列小型化，焦距无法调节或需要气泵和高分子材料，生物亲和性降低，设备体积和工艺难度增加的技术问题。

本申请提供的一种基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，包括液体微透镜阵列形成部、第一进液通道、第二进液通道和出液通道，所述液体微透镜阵列形成部包括具有中空腔室的透明正多棱柱结构以及声波施加单元，所述正多棱柱结构顶端面敞口设置，所述声波施加单元用于给正多棱柱结构的每个外壁面上施加声波；第一进液通道位于中空腔室内正多棱柱结构的第一内角处，所述第一进液通道的第一出液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙，所述第一进液通道用于向所述中空腔室内泵入第一透明液体；第二进液通道位于中空腔室内正多棱柱结构的第二内角处，所述第二进液通道的第二出液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙，所述第二进液通道用于向所述中空腔室内泵入第二透明液体；出液通道位于中空腔时内正多棱柱结构的第三内角处，所述出液通道的进液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙；所述第一透明液体和所述第二透明液体互溶或微溶密度不同。

一些实施例中，所述声波施加单元为贴附于所述正多棱柱结构每个外壁面上的压电陶瓷片，每个所述压电陶瓷片均通过连接导线与声波发生器连接。

一些实施例中，所述第一透明液体为磷酸缓冲盐溶液，所述第二透明液体为碘克沙醇溶液。

一些实施例中，所述第一透明液体和所述第二透明液体的进液速度之和与所述出液通道的出液速度相同。

一些实施例中，所述第一透明液体的进液速度为750μl/h，所述第二透明液体的进液速度为50μl/h，所述出液通道的出液速度为800μl/h。

一些实施例中，所述第一透明液体和所述第二透明液体的泵入量比例为15:1。

一些实施例中，所述正多棱柱结构采用PMMA材质的材料制成。

一些实施例中，所述第一内角、所述第二内角和所述第三内角间隔设置。

一些实施例中，每个所述压电陶瓷片均粘附于对应的所述正多棱柱结构的外壁面上。

一些实施例中，多个所述压电陶瓷片的频率一致。

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学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，第一进液通道和第二进液通道向中空腔室内输送两种互溶或微溶具有密度差异的液体形成液体可调微透镜阵列，实现方法操作简单，成本低廉并且易于集成化，具有极高的生物亲和性，可通过改变声波幅度实现可调微透镜阵列动态调焦。

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为本申请实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的成像观察系统结构示意图；

图3(a)是本发明实施例的液体微透镜阵列形成部中低密度溶液分布图；

图3(b)是本发明实施例的液体微透镜阵列形成部中高密度溶液分布图；

图4(a)是本发明实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的成像图；

图4(b)是本发明实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的另一成像图；

图4(c)是本发明实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的另一成像图；

图4(d)是本发明实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的另一成像图；

图5(a)是本发明实施例的微透镜阵列均匀性和超声波幅度焦距的关系图；

图5(b)是本发明实施例的超声波幅度与焦距长度图；

图6为本申请实施例的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的另一结构示意图。

图中：1、进液通道；2、出液通道；3、液体微透镜阵列形成部；4、压电陶瓷片；5、连接导线；6、微透镜阵列；7、明场灯源；8、物象；9、物镜；11、透明腔体；12、透明基板；13、声表面波。

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。

随着传感器、光电探测器、摄像机和激光器等光电器件的发展，这些器件的核心结构微透镜阵列6也引起了广泛的兴趣和研究。目前制造微透镜阵列6的方法有热回流法、模具复制法和喷墨打印法，但是这些方法制造的微透镜阵列6体积较小、焦距无法调节，还有通过气泵和高分子材料的方法制造的微透镜阵列6，存在设备体积大，工艺难度大，生物亲和性较低的问题。

声波可以使非均匀流体重新定位，密度大即声阻抗大的液体分布在低势能处。通过构建圆环形声势阱阵列和选择两种密度不同的互溶或微溶液体，便可得到液体可调阵列微透镜。该方法操作简单，成本低廉且易于集成化，具有极高的生物亲和性。通过改变声波幅度实现动态调焦，克服传统制造可调微透镜阵列6方法的不足。

有鉴于此，如图1所示，本申请提供的一种基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，包括液体微透镜阵列形成部3、进出液通道，所述液体微透镜阵列形成部6包括正多棱柱结构和声波施加单元，所述正多棱柱结构为无色透明正多棱柱，并具有中空腔室，所述中空腔室同为正多棱柱腔室，正多棱柱结构顶端面敞口设置，底端面封闭设置，所述进出液通道包括两个进液通道1和一个出液通道2，两个进液通道1的出液口与正多棱柱结构的底面之间具有间隙，便于通道内的液体进入中空腔室内，所述出液通道2用于将所述中空腔室内的液体抽离。

在一实施例中，两个所述进液通道1分别为第一进液通道和第二进液通道。

本申请实施例提供了一种基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，通过第一进液通道和第二进液通道向中空腔室内注入两种互溶或微溶密度不同的液体形成液体可调微透镜阵列6，实现方法操作简单，成本低廉并且易于集成化，具有极高的生物亲和性，通过改变声波幅度即对微透镜阵列6动态调焦。

在一实施例中，所述第一进液通道、第二进液通道和所述出液通道2实现为水管的管路，水管固定于所述中空腔室的内壁面上，还可实现为开设于中空正多棱柱结构的柱厚上的通道孔，只要可以实现向中空腔室内通入液体或抽离液体即可。

在一实施例中，所述中空腔室横截面为正多边形，与正多棱柱结构对应，例如正多棱柱结构为正六棱柱时，中空腔室的横截面对应为正六边形。

在一实施例中，所述正多棱柱结构为无色透明材质的材料经精加工或3D打印制成。

在一实施例中，所述中空腔室为用亚克力材料精加工制造的边长10mm、高5mm、厚0.3mm的正多棱柱中空腔室。

在一实施例中，所述第一进液通道位于所述中空腔室内并贴靠所述正多棱柱结构的第一内角，所述第二进液通道位于所述中空腔室内并贴靠所述正多棱柱结构的第二内角，所述出液通道2位于所述中空腔室内并贴靠所述正多棱柱结构的第三内角，内角的两角壁面有利于对进液通道1或出液通道2的管壁进行固定。所述第一内角、第二内角和所述第三内角为所述正多棱柱结构中空腔室内的内角。在本申请变换的实施例中，所述第一进液通道、第二进液通道和所述出液通道2还可实现为固定于所述中空正多棱柱结构的两相邻内角之间的正多棱柱结构的内壁面上。只要可以实现固定通道的管路即可。

在一实施例中，所述第一内角、第二内角和所述第三内角间隔设置。

在一实施例中，所述第一内角、第二内角和所述第三内角相间设置。

在一实施例中，所述声波施加单元具体实现为贴附于正多棱柱结构每个外壁面上的压电陶瓷片4，每个压电陶瓷片4均通过连接导线5与所述声波发生器电连接。

在本申请变换的实施例中，所述声波施加单元除了实现为由PZT产生的声体波外，还可实现为如图6所示的利用多束旋转对称的声表面波13实现，放置非均匀流体的透明腔体11置于透明基板12中部，透明基板12上施加产生环形声势阱呈周期性排布的声波，由沉积在铌酸锂基片上的电极产生。除了实现为声体波、声表面波之外还可以用声法拉利波实现。

在一实施例中，所述第一透明液体和第二透明液体互溶或难溶密度不相同或微溶密度不相同。

在一实施例中，所述第一透明液体为磷酸缓冲盐溶液，所述第二透明液体为碘克沙醇溶液。

在一实施例中，所述第一透明液体和所述第二透明液体为1XPBS溶液和60％(W/V)碘克沙醇溶液。

在一实施例中，向中空腔室内注入的磷酸缓冲盐溶液和碘克沙醇溶液质量或体积量不同。

在一实施例中，向中空腔室内注入磷酸缓冲盐溶液和碘克沙醇溶液的内的体积比为15:1。

在一实施例中，所述第一进液通道和第二进液通道的进液速度之和与所述出液通道2的出液速度相同，以达到动态稳定。

在一实施例中，为了使磷酸缓冲盐溶液(PBS)和碘克沙醇溶液充分混匀并达到动态平衡，经过反复试验，自所述第一进液通道向所述中空容腔内注入磷酸缓冲盐溶液的速度为750μl/h，自所述第二进液通道向所述中空容腔内注入碘克沙醇溶液的速度为50μl/h，所述出液通道2的出液速度为800μl/h。

在一实施例中，所述压电陶瓷片4紧密粘附于正多棱柱结构的外壁面上，其数量与正多棱柱结构的边数相同并且多个所述压电陶瓷片4的频率一致。

在一实施例中，所述压电陶瓷片4的数量为6，长为10mm，宽为5mm，厚为0.25mm，频率为3MHz。

请参考图2，明场灯源7发出光束穿过物象8，基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列聚焦后，被物镜9接收。

在一实施例中，所述物象8为掩模板。

如图3所示，两种互溶或难溶且密度不同的透明液体在声体波驻波场中的分布。图3(a)是PBS溶液分布图，图3(b)是碘克沙醇溶液分布图。

如图4所示，为通过字母和图案验证基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的成像能力的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列成像图。

如图5所示，通过调节基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列中声波的幅度达到调节焦距的目的。统计了声波幅度从18dbm至24dbm下基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的焦距长度，其中图5(a)是微透镜阵列6均匀性曲线图，图5(b)是超声波幅度与焦距长度图。

在一实施例中，为了避免流体通过第一进液通道注入时与液体微透镜阵列形成部3的正六棱柱腔室产生气泡和液面高度不一的现象，提前将两种液体按照一定比例注入液体微透镜阵列形成部3的正六边形腔室中，经过反复实验，PBS溶液和碘克沙醇溶液比例为15比1且完全覆盖正多棱柱结构底面。

在一实施例中，为了使液体微透镜阵列形成部3形成圆形的压力节点，经过模拟计算，液体微透镜阵列形成部3设置为具有正六棱柱中空腔室的正六棱柱结构。

在一实施例中，为了使液体微透镜阵列形成部3处圆形压力节点按照六角晶格排布，表现出完整的周期性，经过计算，PZT频率设置为3MHz。

在一实施例中，为了使光束穿过基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，所有材料均为透明材料，其中液体微透镜阵列形成部3处正六棱柱腔室为PMMA材质，两种流体分别为PBS溶液和碘克沙醇溶液。

本申请所提供的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，通过第一透明液体和第二透明液体在中空腔室内形成的非均匀液体在声势场中的分布差异，结合多束声波干涉形成的周期性环形声压力节点，实现了可调的液体阵列声透镜，提高了微透镜阵列6的灵活可调性和生物相容性；

通过改变施加的声波的幅度即可实现可调微透镜阵列6的动态调焦，本申请所提供的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，相对于传统的微透镜阵列6，大大增加微透镜阵列6的可调性，降低了加工工艺难度和制造成本；

通过多次实验，证实本方案中基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列的阵列均匀性极好，焦距大小调节范围在2500μm至5000μm。

本申请利用声波与非均匀液体相互作用和多束声波干涉，结合微流控平台，创新性地制造出灵活可调的液体可调微透镜阵列，具有极高的生物相容性，在生物探测和医疗检测领域具有极大的研究价值，同时因制造成本低和生产工艺简单具有普及推广的潜力。

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 (5)

1.一种基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，其特征在于，包括：

液体微透镜阵列形成部，包括具有中空腔室的透明正多棱柱结构以及声波施加单元，所述正多棱柱结构顶端面敞口设置，所述声波施加单元用于给正多棱柱结构的每个外壁面上施加声波；

第一进液通道，位于中空腔室内正多棱柱结构的第一内角处，所述第一进液通道的第一出液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙，所述第一进液通道用于向所述中空腔室内泵入第一透明液体；

第二进液通道，位于中空腔室内正多棱柱结构的第二内角处，所述第二进液通道的第二出液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙，所述第二进液通道用于向所述中空腔室内泵入第二透明液体；

出液通道，位于中空腔时内正多棱柱结构的第三内角处，所述出液通道的进液口与所述正多棱柱结构的底面具有间隙；

所述第一透明液体和所述第二透明液体互溶或微溶密度不同；

所述第一透明液体为磷酸缓冲盐溶液，所述第二透明液体为碘克沙醇溶液；

所述第一透明液体和所述第二透明液体的泵入量比例为15:1；

所述液体微透镜阵列形成部设置为具有正六棱柱中空腔室的正六棱柱结构；

所述声波施加单元为贴附于所述正多棱柱结构每个外壁面上的压电陶瓷片，每个所述压电陶瓷片均通过连接导线与声波发生器连接；

每个所述压电陶瓷片均粘附于对应的所述正多棱柱结构的外壁面上；

多个所述压电陶瓷片的频率一致，所述压电陶瓷片的频率设置为3MHz。

2.如权利要求1所述的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，其特征在于，所述第一透明液体和所述第二透明液体的进液速度之和与所述出液通道的出液速度相同。

3.如权利要求2所述的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，其特征在于，所述第一透明液体的进液速度为750μl/h，所述第二透明液体的进液速度为50μl/h，所述出液通道的出液速度为800μl/h。

4.如权利要求1所述的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，其特征在于，所述正多棱柱结构采用PMMA材质的材料制成。

5.如权利要求1所述的基于声学及微流控技术的液体可调微透镜阵列，其特征在于，所述第一内角、所述第二内角和所述第三内角间隔设置。