專利名稱：電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的三液體電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡結(jié)構(gòu)及其工作原理，屬于光電 成像、光電傳感和光信息處理器件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控光學(xué)是一項(xiàng)具有重要意義的新技術(shù)，它將現(xiàn)代微流控技術(shù)和微光電子技術(shù)相結(jié) 合，研制一類能夠根據(jù)外界環(huán)境變化、具有結(jié)構(gòu)重組和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的光學(xué)集成器件和 系統(tǒng)，將在傳感、通信、信息處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[l]。
變焦微透鏡可以改變微光學(xué)系統(tǒng)的光通量和視場(chǎng)性能，具有良好的操控性和適應(yīng)性， 可應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)和光互連、三維光存儲(chǔ)、靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)和醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡等系統(tǒng)。但現(xiàn)有的 研究和應(yīng)用集中于單透鏡變焦技術(shù)，比較典型的如荷蘭Philips公司發(fā)布的FluidFocus和 法國(guó)Vari叩tic公司發(fā)布的小型液體變焦透鏡[4-5]，這些透鏡的變焦是利用電控方法通過 改變液體的界面曲率進(jìn)而調(diào)節(jié)焦距。這種技術(shù)采用了流動(dòng)的液體作為變焦的透鏡組件，相 對(duì)目前的機(jī)械變焦方式將有很多的優(yōu)勢(shì)之處[2-3]。但這些利用電控方法的變焦液體透鏡都 是采用單變焦透鏡技術(shù)，對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)中的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等雙調(diào)焦系統(tǒng)不能很好的取代。
如上所述，目前國(guó)外對(duì)可調(diào)諧單變焦微透鏡的研究較多。國(guó)內(nèi)外可雙變焦微透鏡未見 報(bào)道。本專利將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種電控微流控雙變焦透鏡， 具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將會(huì)在光學(xué)成像和光信息處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，有 望取代部分傳統(tǒng)光學(xué)儀器。
Philips公司發(fā)布的單個(gè)液體變焦透鏡的基本工作原理如下透鏡材料由折射率不同的 兩種不混溶液體組成， 一種是導(dǎo)電性水溶液(高折射率)，另一種是不導(dǎo)電性油(低折射率)， 將兩種液體加入上下兩面透明的短圓筒中。由于圓筒側(cè)壁進(jìn)行了疏水性處理，因此兩種液 體界面能夠形成穩(wěn)定的曲面，起到透鏡的作用。當(dāng)施加與疏水性處理面直交的電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo) 電水溶液與側(cè)壁之間的界面張力因電濕效應(yīng)(ElectroweUing)的作用而降低，從而改變 兩種液體界面的形狀，最終導(dǎo)致透鏡焦距的變化。Vari叩tic公司的液體透鏡結(jié)構(gòu)與此類似。 其上述結(jié)構(gòu)的液體變焦透鏡都屬于單變焦透鏡，難以取代傳統(tǒng)光學(xué)中fe望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等。
參考文獻(xiàn) Demetri Psaltis， Stephen R. Quake2 & Changhuei Yang, Developing optofluidic technology through the fusion of microf luidics and optics, Nature, Vol. 442， No. 27， (2006) 381-386[2] T. Kr叩enkin, S. Yang, and P. Mach, Tunable liquid micro lens,如aZ. Ze". Vol. 82, (2003) 316 -318. Armin Werber and Hans Zappe， Tunable microf luidic microlenses， /4pA/j'ec/ 6jpt!'cs' Vol. 44， No. 16, (2005) 3238-3245. S. Kuiper and , B. H. W Hendriks， Variable focus liquid lens for miniature cameras,
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發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種新穎的三液體電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡結(jié)構(gòu)， 解決微流控雙變焦透鏡的電控調(diào)諧問題。
技術(shù)方案本發(fā)明電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡以具有圓柱狀或圓錐狀通孔的內(nèi)芯為主 體，在內(nèi)芯的上、下兩端分別設(shè)有上蓋片和下蓋片，該三者之間的空間形成透鏡腔，用亍 存儲(chǔ)液體透鏡材料透鏡腔內(nèi)放置三種互不相溶的液體即第一導(dǎo)電流體、絕緣流體和第二 導(dǎo)電流體，這三種液體構(gòu)成雙透鏡介質(zhì)，分別具有不同的折射率；內(nèi)芯采用導(dǎo)電材料制作 并作為一個(gè)電極，另兩個(gè)電極則是設(shè)在上蓋片上的上透明導(dǎo)電層和下蓋片上的下透明導(dǎo)電 層。所述的內(nèi)芯的內(nèi)側(cè)設(shè)有絕緣層，絕緣層的內(nèi)側(cè)設(shè)有疏水層。
有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
本發(fā)明將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種由三種液體組成的電調(diào)諧微 流控雙變焦透鏡，具有重要的技術(shù)價(jià)值。本發(fā)明設(shè)計(jì)的微流控器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制 作、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
創(chuàng)新之處在于
1)實(shí)現(xiàn)微流控雙透鏡的分別電控調(diào)節(jié)。這種電調(diào)諧微流控雙透鏡將會(huì)在微光學(xué)領(lǐng)域和 傳統(tǒng)光學(xué)體統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。


圖1是微流控雙變焦透鏡結(jié)構(gòu)未加電時(shí)示意圖， 圖2是微流控雙變焦透鏡結(jié)構(gòu)加電時(shí)示意圖，
以上的圖中有上蓋片l、下蓋片2、導(dǎo)電流體3、絕緣流體4、導(dǎo)電流體5、內(nèi)芯6、 絕緣層7、疏水層8、上透明導(dǎo)電層9、下透明導(dǎo)電層10。 圖3是微流控雙變焦透鏡作為望遠(yuǎn)鏡使用時(shí)的光路圖。
圖4是微流控雙變焦透鏡作為顯微鏡使用時(shí)的光路圖，透光孔根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)為錐 形孔。
圖5是微流控雙變焦透鏡的擴(kuò)展使用，可以集成CCD和相應(yīng)控制電路系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
三液體電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡的內(nèi)芯位于上蓋片和下蓋片之間，內(nèi)芯是具有圓柱狀或圓錐狀通孔的導(dǎo)電圓柱；上蓋片和下蓋片與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存 儲(chǔ)液體透鏡材料這三種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)，分別具有不同的折射率，依次為導(dǎo)電體、絕 緣體和導(dǎo)電體；三種液體之間的兩個(gè)彎曲界面起著雙透鏡作用，通過電濕效應(yīng)分別改變兩
彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距從而調(diào)整透鏡組的總焦距和成像系統(tǒng)。采用導(dǎo)電材料制 作內(nèi)芯并作為一個(gè)電極，另兩個(gè)電極則分別是鍍?cè)谏?、下蓋片上的透明導(dǎo)電層。內(nèi)芯全部 表面涂覆有絕緣層和疏水層。
為了利用電濕效應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙微透鏡焦距的調(diào)節(jié)，我們采用導(dǎo)電材料制作內(nèi)芯，同時(shí)作為 一個(gè)電極，另兩個(gè)電極則是鍍?cè)谏稀⑾禄系腎TO導(dǎo)電層。三種不混溶的液體分別為低 折射率導(dǎo)電水溶液、高折射率的不導(dǎo)電油和低折射率導(dǎo)電水溶液。在內(nèi)芯表面涂覆絕緣層， 避免內(nèi)芯與上、下基片電極和導(dǎo)電水溶液接觸。對(duì)鏡腔內(nèi)進(jìn)行疏水處理，使三種液體的兩 個(gè)接觸邊界自然形成彎曲面。當(dāng)內(nèi)芯與上、下ITO導(dǎo)電層之間分別加上電壓后，導(dǎo)電水溶 液與側(cè)壁之間的界面張力因電濕效應(yīng)的作用而降低，從而改變兩種接觸液體界面的形狀， 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)透鏡焦距的調(diào)諧和成像。
本發(fā)明提出一種三液體電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡，其結(jié)構(gòu)釆用能容納"導(dǎo)電流體+絕緣 流體+導(dǎo)電流體"三種液體的透鏡孔的導(dǎo)電內(nèi)芯。內(nèi)芯是具有圓柱狀或圓錐狀通孔的導(dǎo)電平 板；上蓋片和下蓋片與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲(chǔ)液體透鏡材I4;透鏡 腔內(nèi)放置三種互不相溶的液體，這三種液體構(gòu)成雙透鏡介質(zhì)，分別具有不同的折射率，分 別為第一導(dǎo)電流體3、絕緣流體4和第二導(dǎo)電流體5;第一導(dǎo)電流體3、絕緣流體4兩種液 體之間的彎曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距， 絕緣流體4和第二導(dǎo)電流體5之間彎曲界面的作用與第一導(dǎo)電流體3和絕緣流體4之間彎 曲界面作用相同；第一導(dǎo)電流體3、絕緣流體4和第二導(dǎo)電流體5構(gòu)成一個(gè)雙透鏡變焦系統(tǒng)。 在內(nèi)芯6表面涂覆絕緣層7，避免內(nèi)芯與上、下基片電極和導(dǎo)電水溶液接觸。對(duì)鏡腔內(nèi)進(jìn)行 疏水處理，使三種液體的兩個(gè)接觸邊界自然形成彎曲面。三種液體的兩個(gè)接觸面之間的彎 曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)兩透鏡的焦距。
具體實(shí)施例1:采用金屬銅板上精密機(jī)械打孔并拋光而成。這是由于金屬銅易于加工， 且可以作為一個(gè)電極；另兩電極采用真空鍍膜方法制備的IT0導(dǎo)電層。透明基片采用高性 能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生產(chǎn)的一種生化實(shí)驗(yàn)專用的蓋玻片。型號(hào)WEST Chester, PA19380)，該玻片韌性很好,透光率高;絕緣層采用生長(zhǎng)法在內(nèi)芯上生成一層500m 的Si02，疏水處理可通過浸蘸疏水劑FOTs來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)電流體分別采用氯化鋰水溶液和硫酸 鈉水溶液，絕緣流體采用苯甲基硅氧烷(phenylmethylsiloxanes)。
具體實(shí)施例2:微流控雙變焦透鏡芯片導(dǎo)電內(nèi)芯采用導(dǎo)電硅橡膠，這是由于導(dǎo)電硅橡 膠易于成型，能通過模具注塑加工方法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且可以作為'一個(gè)電極；另兩電極
采用ITO導(dǎo)電層。透明基片仍然采用高性能的蓋玻片?？梢栽谙律w片后方集成CCD成像系 統(tǒng)和控制芯片以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)焦和成像并可以把圖像傳入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存。絕緣層采用真空鍍 膜法生成3微米厚的派瑞林。疏水層采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文縮寫為PTFE,商標(biāo) 名特富龍《, Teflon船F(xiàn))涂層來實(shí)現(xiàn)。絕緣流體采用溴代十二烷(密度1.0399,折射率 1.4583),兩種導(dǎo)電流體均采用配置為密度與之相等的食鹽水溶液，以去除重力的影響。具體實(shí)施例3:在1或2的基礎(chǔ)上透鏡腔的形狀可以設(shè)計(jì)為所需形狀。例如作為顯微鏡 使用時(shí)把透鏡腔設(shè)計(jì)為錐形孔，在透鏡的一端集成光電耦合器件CCD和能控制導(dǎo)電流體1 和導(dǎo)電流體2和CCD的集成電路芯片，以便能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電流體1和2上的電潤(rùn)濕效應(yīng)的自動(dòng) 控制和CCD的自動(dòng)攝像功能。
權(quán)利要求
1、一種電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡，其特征在于該透鏡以具有圓柱狀或圓錐狀通孔的內(nèi)芯(6)為主體，在內(nèi)芯(6)的上、下兩端分別設(shè)有上蓋片(1)和下蓋片(2)，該三者之間的空間形成透鏡腔，用于存儲(chǔ)液體透鏡材料；透鏡腔內(nèi)放置三種互不相溶的液體即第一導(dǎo)電流體(3)、絕緣流體(4)和第二導(dǎo)電流體(5)，這三種液體構(gòu)成雙透鏡介質(zhì)，分別具有不同的折射率；內(nèi)芯(6)采用導(dǎo)電材料制作并作為一個(gè)電極，另兩個(gè)電極則是設(shè)在上蓋片(1)上的上透明導(dǎo)電層(9)和下蓋片(2)上的下透明導(dǎo)電層(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡，其特征在于所述的內(nèi)芯(6)的 內(nèi)側(cè)設(shè)有絕緣層(7),絕緣層(7)的內(nèi)側(cè)設(shè)有疏水層(8)。全文摘要
電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡涉及一種新穎的電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡結(jié)構(gòu)及其工作原理電調(diào)諧微流控雙變焦透鏡，其特征在于該透鏡以具有圓柱狀通孔的內(nèi)芯(6)為主體，在內(nèi)芯(6)的上、下兩端分別設(shè)有上蓋片(1)和下蓋片(2)，該三者之間的空間形成透鏡腔，用于存儲(chǔ)液體透鏡材料；透鏡腔內(nèi)放置三種互不相溶的液體即第一導(dǎo)電流體(3)、絕緣流體(4)和第二導(dǎo)電流體(5)，這三種液體構(gòu)成雙透鏡介質(zhì)，分別具有不同的折射率；內(nèi)芯(6)采用導(dǎo)電材料制作并作為一個(gè)電極，另兩個(gè)電極則是設(shè)在上蓋片(1)上的上透明導(dǎo)電層(9)和下蓋片(2)上的下透明導(dǎo)電層(10)。通過電濕效應(yīng)分別改變各自彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)兩透鏡的焦距。
文檔編號(hào)G02B3/14GK101441284SQ20081024403
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者梁忠誠(chéng), 瑞 趙, 陶 陳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)