CN115657173A - 一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变焦光学系统，具体涉及一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，该系统包括外壳，所述外壳底部设置有一底板，所述底板下方设置有光阑，且所述光阑位于所述外壳的正下方，所述外壳内对称设置有电极，且所述电极的高度高于所述外壳的高度；所述外壳内设置有液芯，所述液芯位于两个所述电极的内侧；本发明公开的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统具有体积小易于集成，变焦范围大，可实现连续变焦的优点，并且相较于普通微型柱透镜变焦系统，机械结构少，抗震动能力强，变焦方式更为便捷。

Description

一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统

技术领域

本发明涉及变焦光学系统技术领域，特别是涉及一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统。

背景技术

随着变焦光学系统设计理论的完善以及加工工艺的成熟，变焦光学的种类更加丰富，成像质量可与定焦系统相媲美。液体变焦是一种新兴的变焦方式，其系统内机械结构少或无机械结构，不易受外部环境影响，响应时间在几十毫秒内。常见的液体变焦方式主要分为三种，第一种，通过物理化学方法改变液体的折射率，该方法变焦范围小，透光率低。第二种，通过改变特定设计的腔室形状进而实现液体透镜焦距的变化，上述方法对环境敏感，加工过程复杂，造价高。第三种，通过改变液体与固体之间的外加电压控制液面曲率进而实现变焦功能的基于电润湿效应(EWOD)的连续变焦液体透镜。这种结构保留了其他两类液体透镜良好的连续变焦性能，提高了抗环境干扰能力，缩短了响应时间，易于微型化和集成化。

国内多数单位对于电润湿透镜的研究仅仅还停留在理论研究上，透镜制备研究相对匮乏，并且国内只是对传统形状的透镜进行研究，对于有特定需求的柱透镜尚未有类似研究。柱透镜可应用于线性探测器照明，条形码扫码，全息照明，光信息处理，计算机，激光发射等方面，在强激光系统和同步辐射光束中也有着广泛应用。随着应用越来越广泛，对柱透镜零件的要求也越来越高，但是传统微型柱透镜机械结构多，易受震动等外界条件影响，且该影响不可逆；传统变焦柱透镜系统结构复杂，光轴难以准直，变焦效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，以解决上述现有技术存在的问题，解决了现有柱透镜系统结构多，变焦操作复杂，受震动影响结构损伤不可逆等技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括外壳，所述外壳底部设置有一底板，所述底板下方设置有光阑，且所述光阑位于所述外壳的正下方，所述外壳内对称设置有电极，且所述电极的高度高于所述外壳的高度；所述外壳内设置有液芯，所述液芯位于两个所述电极的内侧；

所述外壳为透明方形结构，且两个所述电极沿所述外壳的长边设置；

所述液芯包括导电液体和非导电液体，且所述导电液体和非导电液体不相溶，所述导电液体和非导电液体的密度不相同；

所述外壳顶部设置有封装部，所述导电液体和非导电液体由所述封装部灌装至所述外壳和底板形成的腔体内。

优选的，所述外壳为长方体石英环结构，所述外壳的内部尺寸为20.0mm×10.0mm×8.0mm，所述底板为石英玻璃底板。

优选的，所述导电液体为5％Nacl溶液，所述非导电液体为正十二烷溶液，且所述5％Nacl溶液和正十二烷溶液的体积比为1:1。

优选的，所述封装部为一石英玻璃，且所述石英玻璃固定安装在所述外壳顶部，所述石英玻璃的尺寸为30.0mm×10.0mm×0.5mm。

优选的，所述石英玻璃上开设有一注液孔，所述导电液体和非导电液体由所述注液孔注入至所述外壳和底板形成的腔体内。

优选的，所述电极为ITO玻璃电极，且两个所述电极分别紧贴镶嵌于所述外壳两条长边的内侧。

优选的，所述电极内侧涂有透明电介质层和疏水层。

优选的，所述光阑为矩形结构，且所述光阑的尺寸为8.8mm×6mm。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统产生了以下积极效果：

1.当连续变焦微型液芯柱透镜系统外施加电压从0到110V的过程中，液体接触面面型由凸起变成内凹，本发明所设计的透镜系统可以实现焦距在(-∞,-148.36mm)U(697.21mm,+∞)的连续平滑变化；

2.本发明公开的连续变焦微型液芯柱透镜系统变焦操作方便，在整个变焦范围内变焦迅速；

3.连续变焦微型液芯柱透镜系统耗液量仅为1.6mL，整体尺寸小，便于集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中透镜系统的结构示意图；

图2为不同外加电压下双液界面的模拟图，图(a)U＝0V，图(b)U＝80V，图(c)U＝110V；

图3为聚焦可调液体圆柱透镜的前视图；

图4为电润湿柱透镜的有效焦距随电压的变化情况示意图；

图5为本发明的透镜系统的柱透镜的照片：(a)柱透镜的前视图和(b)柱透镜的侧视图；

图6为不同电压下电润湿柱透镜系统的液面形状，(a–c)是模拟形状，(d–f)是实验形状。(a，d)U＝0V；(b，e)U＝80V；(c，f)U＝110V；

图7为本发明中透镜系统的实验装置结构示意图；

图8为CCD在不同电压下接收的图像：(a–c)是圆形遮蔽物的图像，(d–f)是矩形孔径的图像。(a，d)U＝0V；(b，e)U＝80V；(c，f)U＝110V；

图9为当矩形光圈宽度为6.0mm，透镜后表面与CCD之间的距离为69.0mm时，平行光在不同电压下通过透镜系统的图像；

图10为(a–g)不同电压下基于Zemax的液体透镜的光线跟踪图像；(h，i，j)在不同电压下，矩形孔径宽度为6.0mm，长度为8.8mm时，成像平面(液体圆柱透镜后69.0mm)的模拟结果：(h)U＝0V；(i)U＝80V；(j)U＝110V；

图11为当矩形孔径的宽度为6.0mm，图像平面根据施加的电压放置在液体圆柱透镜后面69.0mm时，图像宽度的结构示意图；

图12为图1的侧视图；

其中，1-电极；2-外壳；3-正十二烷溶液；4-光阑；5-5％Nacl溶液；6-石英玻璃；7-底板；8-注液孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-12，本发明提供一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括外壳2，外壳2底部设置有一底板7，其中底板7的尺寸不小于长方体外壳2底部的尺寸；底板7下方设置有光阑4，且光阑4位于外壳2的正下方，其中，光阑4为矩形结构，且光阑4的尺寸为8.8mm×6mm；光阑4固定安装在柱透镜光束入射端。外壳2内对称设置有电极1，且电极1的高度高于外壳2的高度；外壳2内设置有液芯，液芯位于两个电极1的内侧；

外壳2为透明方形结构，且两个电极1沿外壳2的长边设置；

液芯包括导电液体和非导电液体，且导电液体和非导电液体不相溶，导电液体和非导电液体的密度不相同；

外壳2顶部设置有封装部，导电液体和非导电液体由封装部灌装至外壳2和底板7形成的腔体内。

进一步优化方案，外壳2为长方体石英环结构，外壳2的内部尺寸为20.0mm×10.0mm×8.0mm，底板7为石英玻璃底板；其中外壳2内壁是由激光切割后进行冷抛，保证内壁平滑，且组成外壳2的石英玻璃6的厚度为1.5mm；外壳2和底板7的石英玻璃6的阻值均为7-10Ω，厚度为0.5mm，折射率为1.5200。

进一步优化方案，导电液体为5％Nacl溶液5，非导电液体为正十二烷溶液3，且5％Nacl溶液5和正十二烷溶液3的体积比为1:1；两种液体的接触面会形成边缘有润湿角的近似的柱形光学曲面，通过矩形光阑4的控制，滤掉边缘润湿角的影响，限制光线只通过稳定的柱形光学曲面；其中5％Nacl溶液5和正十二烷溶液3的注入量为0.8ml，所用5％Nacl溶液5的折射率为1.3401，所用正十二烷溶液3的折射率为1.4185，两种液体互不相溶，注入方式均为由针管缓慢通过注液孔8注入铺开。

进一步优化方案，封装部为一石英玻璃6，且石英玻璃6固定安装在外壳2顶部，石英玻璃6的尺寸为30.0mm×10.0mm×0.5mm，同时，石英玻璃6上开设有一注液孔8，导电液体和非导电液体由注液孔8注入至外壳2和底板7形成的腔体内；其中注液孔8的直径可以为1mm，通过注射器将液芯两种液体注入外壳2中，注入完毕后用紫外线固化胶将注液孔8进行密封，封装部的石英玻璃6的折射率为1.4585。

进一步优化方案，电极1为ITO玻璃电极，且两个电极1分别紧贴镶嵌于外壳2两条长边的内侧，且电极1内侧涂有透明电介质层和疏水层；其中，透明电介质层为派瑞林N薄膜，疏水层为疏水薄膜，即电极1由化学气相沉积了一层派瑞林N薄膜的ITO玻璃组成，其上以2000r/min旋涂上一层疏水薄膜，电极1在镶嵌时，使用紫外线固化胶进行进一步的粘贴固定，电极1的安装是由外壳2的底端开始嵌合，直到顶端延伸出外壳2，延伸出外壳2的部分以方便连接外部电压夹(图中未显示)，电极1延伸出外壳2的高度可以为10mm。

使用时，首先设定好装置的规格，然后用冷切割技术开始对石英玻璃6切割，将切割好的指定规格的石英玻璃6通过紫外线固化胶粘贴在一起，形成外壳2，然后再使用冷切割技术切割出电极1，在两个电极1上喷涂派瑞林N薄膜和疏水薄膜，将处理完成后的两个电极1采用紫外线固化胶由外壳2底部粘贴在外壳2外壁上，且电极1的底部与电极1底部齐平，将粘贴有电极1的外壳2通过紫外线固化胶粘贴在切割好的底板7上，然后分别将光阑4和封装部进行安装，且在封装部上开设注液孔8，整个液芯柱透镜系统安装完成，实验时，直接将0.8ml的5％Nacl溶液5和正十二烷溶液3由注液孔8内慢慢注入，然后将电极1通入不同的电压，观察透镜液面曲率变化的情况；以上方案中形成的透镜系统置于空气中，空气折射率为1；底板7的折射率为1.5200，封装部的折射率为1.4585；液芯折射由注入的5％Nacl溶液5和正十二烷溶液3组成，所用5％Nacl溶液5的折射率为1.3401，所用正十二烷溶液3的折射率为1.4185；当电润湿柱透镜系统外施加电压从0到110V的过程中，液体接触面面型由凸起变成内凹，本发明所设计的透镜系统可以实现焦距在(-∞,-148.36mm)U(697.21mm,+∞)的连续平滑变化；且电润湿柱透镜系统变焦操作方便，在整个变焦范围内变焦迅速，同时液芯的耗液量仅为1.6mL，整体尺寸小，便于集成。

如图2所示，具体的，电润湿效应的理论基础是杨氏方程，它可以用来解释双液体透镜的原理。根据杨氏方程，施加在导电液体上的电压U改变了导电液体与另一种不混溶的非导电液体之间的接触角θ：

式中，θ₀是施加电压为0V时的接触角，d是介电层的厚度，γ₁₂是双液体表面张力，ε₀是真空的介电常数，ε_r是介电膜的相对介电常数。

根据公式(1)，对透镜系统变焦能力进行分析，采用COMSOL Multiphysics 5.4模拟了不同外加电压下液柱透镜双液界面的形状。根据透镜结构和所选液体类型，相关参数设置如下：θ₀＝155°，ε_r＝2.65，d＝15μm，γ₁₂＝0.01N/m。图2所示的不同外加电压下双液界面的模拟图直接显示了界面形状和表面曲率的变化，这表明界面可以作为一个变化的圆柱体，而忽略了长边的边缘。

图2所示的中心区域的界面在Y-Z平面上弯曲，在X-Z平面上笔直。Y-Z平面中的曲线可以定义为

其中c是曲率(半径的倒数)，k是二次曲线常数。

如图3所示，圆柱形透镜仅沿径向弯曲光线，聚焦可调谐液柱透镜的前视图(Y-Z平面)；底板7、5％Nacl溶液5、正十二烷、石英玻璃6和空气的折射率分别为1.5200(n₁)、1.3401(n₂)、1.4185(n₃)、1.4585(n₄)和1.0003(n₅)。正十二烷的中心厚度为h₂。双液界面的中心曲率半径为r，该表面的入射角和折射角分别定义为i和i′。液体表面和透镜最后一个表面的孔径角分别定义为U和U′。为了获得焦平面的位置，我们可以追踪入射高度h处平行于光轴的近轴光线。

根据几何光学理论，近轴区域的液体界面存在以下关系：

石英玻璃6屋顶经过两次折射后，孔径角U′可以表示为

然后，有效焦距f，即图像主平面H′和液体柱透镜焦平面之间的距离，可以表示为

使用MATLAB提取和拟合不同电压下Y-Z平面中的表面数据，将双液界面的曲率代入公式(5)，得到了与电压对应的有效焦距值，并绘制在图5中。这样实施的透镜系统，当施加的电压范围为0V至140V时，理论计算的有效焦长范围为(-∞,-148.36mm)∪(120.36mm，+∞)。

如图5-11所示，为本申请透镜系统的具体实验过程，本申请的透镜系统所提出的基于电润湿的聚焦可调谐液体柱面透镜由外壳2和内部液芯组成。在实验中，所有部件都用紫外光固化粘合剂粘合。固化后，0.8mL 5％氯化钠溶液和0.8mL正十二烷溶液3(纯度≥98％)注入外壳2的腔室。无外加电压的液体透镜的图像如图5所示。图5(a)所示的双液体圆柱透镜的前视图(Y-Z平面)，表明两种液体的界面是沿短边的曲线，图5(b)所示侧面视图(X-Z平面)显示界面的中间区域是沿长边的直线。因此，对于穿过平行于腔室底面的矩形孔径的液体透镜的入射光，液体透镜充当柱透镜。

圆柱形透镜的焦距由Y-Z平面中的曲率决定。对不同电压下的前视图(Y-Z平面)模拟表面和实验表面进行比较，如图6所示。为了获得两种液体的清晰界面，向5％氯化钠溶液中添加了少量红色颜料，即为目前附图6中图d-f中间的粗线。为了便于比较实验和模拟结果，在实验图中标记了代表MATLAB模拟的液体表面曲线的实线红线，显示出良好的拟合度，并表明实验的可行性。

为了实验研究设计和制造的液柱透镜的变焦性能，建立一个实验光学系统，如图7所示。通过将发光二极管(LED，波长：589nm)点光源设置在凸透镜的焦点(f＝180mm)，将其扩展为直径为30mm的平行光。通过45°转向镜反射后，平行光通过宽度为6.0mm、长度为8.8mm的矩形孔径，以直角照射到电润湿圆柱体透镜系统的底部。液体透镜折射的光线达到一个CCD，其像素为5496×3672像素，每像素大小为2.4×2.4μm²，通过USB连接到PC进行观察。

首先进行实验以验证所提出的电润湿液体透镜作为圆柱形透镜工作。在透镜上放置了一个直径为1.2mm的极薄圆形遮蔽物，以观察液体透镜施加电压变化时距离为69.0mm的图像。CCD接收到的图像如图8(a)-8(c)所示，图中显示了垂直方向上几乎可以忽略的极小变化。随后，获得了在不同外加电压下放置在液体透镜前面的矩形孔的图像，如图8(d)-8(f)所示。图8表明，本申请设计的连续变焦微型液芯柱透镜系统可以用作液体圆柱透镜，因为它只在一维上改变光束轮廓。

由于电润湿液体透镜的焦距相对较长，在某些情况下甚至为负值，因此直接从实验上寻找焦平面很不方便。因此，当CCD固定时，通过观察施加不同电压的图像的变化，可以间接确定透镜焦距的变化。当矩形孔径的宽度为6.0mm，透镜后表面与CCD之间的距离为69.0mm时，在不同电压下观察并测量了通过电润湿液体圆柱透镜的平行光束的宽度。如图9所示的实验结果表明，随着外加电压的增加，斑点图的宽度逐渐减小。图9中的图像被裁剪得很短，因为将重点放在图形的宽度变化上，以验证液体圆柱形透镜的缩放能力。

为了证实实验数据，进行同步模拟。将MATLAB模拟的曲线参数导入光学设计软件Zemax中，并选择环形表面类型来拟合液体界面数据。当矩形孔径的宽度为6.0mm，长度为8.8mm，成像平面位于液柱透镜后面69.0mm时，模拟结果如图10所示。

从图10(a-g)所示基于Zemax的液体透镜的光线跟踪图像中，可以看到光束随着电压的增加逐渐会聚。U＝0V、80V和110V时图像平面的模拟结果如图10(h)-10(j)所示。双液体透镜最初是一个凹透镜，因此平行光通过透镜系统后发散，图像的宽度大于孔径宽度。随着电压的变化，双液界面的曲率也发生了显著变化。当电压刚刚超过100V时，穿过双液体透镜的平行光开始会聚。

基于图9测量的实验宽度数据和基于Zemax获得的模拟宽度数据绘制在图11中，拟合优度明显较高。图11表明，如分析和模拟所示，所提出的双液体电润湿透镜可以通过改变外加电压来实现变焦功能。然而，当电压达到120V时，实验装置变得极不稳定，因为电解通常发生在圆柱形透镜中。因此，本研究中包含的所有实验数据都对应于小于或等于110V的电压。

本发明提供了一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，该透镜使用一个20mm×10mm×8mm的长方体腔室，该电润湿液芯柱透镜系统通过在石英环内注入5％Nacl溶液5和正十二烷溶液3形成液芯，当外加电压低于110V时，可以长时间稳定工作，改变电压实现变焦，与现在已有的变焦柱透镜系统相比，本发明结构更为简单，变焦更为迅速，生产更为便捷。该电润湿液芯柱透镜系统解决了现有变焦柱透镜系统由于柱透镜数目多而引起的光轴难以准直等缺陷，可以实现光束的快速整形；当电润湿柱透镜系统外施加电压从0到110V的过程中，液体接触面面型由凸起变成内凹，本发明所设计的透镜系统可以实现焦距在(-∞,-148.36mm)U(697.21mm,+∞)的连续平滑变化；本发明耗液量仅为1.6mL，整体尺寸小，便于集成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明，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发明的限制。

以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：包括外壳(2)，所述外壳(2)底部设置有一底板(7)，所述底板(7)下方设置有光阑(4)，且所述光阑(4)位于所述外壳(2)的正下方，所述外壳(2)内对称设置有电极(1)，且所述电极(1)的高度高于所述外壳(2)的高度；所述外壳(2)内设置有液芯，所述液芯位于两个所述电极(1)的内侧；

所述外壳(2)为透明方形结构，且两个所述电极(1)沿所述外壳(2)的长边设置；

所述液芯包括导电液体和非导电液体，且所述导电液体和非导电液体不相溶，所述导电液体和非导电液体的密度不相同；

所述外壳(2)顶部设置有封装部，所述导电液体和非导电液体由所述封装部灌装至所述外壳(2)和底板(7)形成的腔体内。

2.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述外壳(2)为长方体石英环结构，所述外壳(2)的内部尺寸为20.0mm×10.0mm×8.0mm，所述底板(7)为石英玻璃底板。

3.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述导电液体为5％Nacl溶液(5)，所述非导电液体为正十二烷溶液(3)，且所述5％Nacl溶液(5)和正十二烷溶液(3)的体积比为1:1。

4.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述封装部为一石英玻璃(6)，且所述石英玻璃(6)固定安装在所述外壳(2)顶部，所述石英玻璃(6)的尺寸为30.0mm×10.0mm×0.5mm。

5.根据权利要求4所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述石英玻璃(6)上开设有一注液孔(8)，所述导电液体和非导电液体由所述注液孔(8)注入至所述外壳(2)和底板(7)形成的腔体内。

6.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述电极(1)为ITO玻璃电极，且两个所述电极(1)分别紧贴镶嵌于所述外壳(2)两条长边的内侧。

7.根据权利要求6所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述电极(1)内侧涂有透明电介质层和疏水层。

8.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的连续变焦微型液芯柱透镜系统，其特征在于：所述光阑(4)为矩形结构，且所述光阑(4)的尺寸为8.8mm×6mm。

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