專利名稱：基于離子液體的微流控液體變焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于離子液體的液體變焦透鏡結(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)，在傳感、通信、信息處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1]。液體變焦微透鏡可以改變微光學(xué)系統(tǒng)的光通量和視場性能，具有良好的操控性和 適應(yīng)性，作為取代傳統(tǒng)透鏡可應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)和光互連、三維光存儲、靜態(tài)數(shù)碼相機、醫(yī)學(xué) 內(nèi)窺鏡、望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等系統(tǒng)?，F(xiàn)有的液體變焦透鏡技術(shù)主要分為兩種，一種是基于改變 壓強控制液體表面曲率變化的液體透鏡，另一種是基于電潤濕效應(yīng)?；诟淖儔簭娍刂埔?體表面曲率變化的液體透鏡基于改變壓強控制液體表面曲率變化的液體透鏡的典型形式， 是機械驅(qū)動型液體透鏡。由于這種透鏡屬于機械控制，結(jié)構(gòu)不緊湊，不易實現(xiàn)陣列化缺陷， 因此制約了其進一步發(fā)展。電潤濕型的液體變焦透鏡是采用兩種互不相溶的液體，其中一 種為電解液，一種為絕緣液，它包含第一基底玻璃板、第二基底玻璃板、第一金屬電極、第二 金屬電極、憎水性絕緣層、電解質(zhì)溶液、通過施加不同電壓改變兩種液體與固體容器間的接 觸角，從而改變兩種液體間界面的曲率半徑，實現(xiàn)變焦。相比較于機械變焦方式的液體透 鏡，基于電潤濕型的變焦透鏡具有響應(yīng)速度快，變焦時連續(xù)性好、體積小、重量輕、功耗低， 并且所有部件可做成一體化，透鏡的抗震性能很好、較為成熟的封裝形式，采用電控，且易 于實現(xiàn)陣列化等優(yōu)點，因此，引起了國內(nèi)外諸多學(xué)者的興趣[2_4]。目前基于電潤濕型的變焦液體透鏡，在未施加電壓或者施加電壓不是很高的情況 下，透鏡為凹透鏡，焦距是負(fù)值；隨著兩電極間電壓的增大，兩液體界面從凸起狀向水平狀 變化，相應(yīng)的凹透鏡焦距逐漸增大至無窮；隨后液體界面向絕緣流體一側(cè)彎曲，相應(yīng)的液體 透鏡由凹透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)橥雇哥R。Philips公司的S. Kuiper等人[5]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓小于 100V時，液體界面呈凸起狀，對應(yīng)的液體透鏡為凹透鏡。當(dāng)電壓升高到100V時，液體界面呈 水平狀。繼續(xù)增大電壓，相應(yīng)的液體透鏡由凹透鏡向凸透鏡轉(zhuǎn)變。當(dāng)電壓繼續(xù)升高，界面的 彎曲程度增大，對應(yīng)的凸透鏡焦距變小。該微透鏡的焦距最小能夠達(dá)到5厘米。要想使該 凸透鏡的焦距變得更短，必須施加更高的電壓或者減小絕緣層的厚度。然而，高電壓會導(dǎo)致 絕緣層的擊穿而絕緣層厚度的減小顯然會增加工藝的難度進而影響器件壽命。單純靠降低 電壓或者減小絕緣層厚度的方法受到限制。此外，上述液體透鏡所用的導(dǎo)電體鹽溶液對環(huán) 境溫度要求甚高，在極端高溫或低溫下都不能正常工作。故傳統(tǒng)的基于電潤濕型的變焦液 體透鏡難以取代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計了基于離子液體的微流控液體變焦透鏡。離子液體是指在室溫或室溫 附近溫度下呈液態(tài)，并由陰陽離子組成的物質(zhì)。離子液體具有很多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)， 如蒸汽壓低、不揮發(fā)、不可燃、熱容量大、離子導(dǎo)電率高、電化學(xué)窗口寬、物質(zhì)溶解性好、萃取能力好、相穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、水穩(wěn)定性好、酸堿穩(wěn)定性好等優(yōu)點，同時離子液體液程寬 (可達(dá)到400°C )，可通過選擇適當(dāng)?shù)年庪x子或微調(diào)陽離子的烷基鏈，改善離子液體的物理 性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。鑒于離子液體的上述獨特性能，根據(jù)設(shè)計需要選擇具備特定參數(shù)的離子 液體和絕緣流體的組合，使其滿足如下條件之一 (1)導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界 面向?qū)щ娨后w一側(cè)彎曲的同時導(dǎo)電流體的折射率大于絕緣流體；( 導(dǎo)電流體和絕緣流體 之間的曲形界面向絕緣流體一側(cè)彎曲的同時導(dǎo)電流體的折射率小于絕緣流體。滿足上述條 件的導(dǎo)電流體和絕緣流體組成的液體變焦透鏡在不施加電壓或者施加低電壓的情況下均 具備凸透鏡的功能。離子液體與絕緣體的組合滿足條件(1)的液體變焦凸透鏡的焦距隨著 施加電壓的增大而變短，且在不加電壓時焦距為最大。該透鏡在短焦范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時 實現(xiàn)遠(yuǎn)小于5厘米的超短焦距；離子液體與絕緣體的組合滿足條件O)的液體變焦凸透鏡 的焦距隨著施加電壓的增大而增大，且在不加電壓時焦距為最小。繼續(xù)增大電壓，交界面將 呈由凸起狀過渡到水平狀再到凹陷狀，此時透鏡的焦距為負(fù)值，進而實現(xiàn)透鏡從凸透鏡到 凹透鏡的轉(zhuǎn)變。此外，還可以將這兩種液體凸透鏡組合，通過控制電壓實現(xiàn)焦距從超短焦距 到無窮遠(yuǎn)的大范圍變化。綜上所述，本發(fā)明的基于離子液體的液體變焦透鏡不需要通過施 加高電壓或者減小絕緣層的厚度來實現(xiàn)凸透鏡功能并達(dá)到小焦距，從而降低了電壓及對工 藝的要求，也提高了器件的穩(wěn)定性和壽命。此外，離子液體的物化性質(zhì)也決定了該液體變焦 透鏡不僅適合室溫的工作環(huán)境，也適用于高溫(+90°C )和低溫工作環(huán)境(_40°C )。因此，具 有重要的技術(shù)價值和經(jīng)濟價值，將會在光電成像和光信息處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]Demetri Psaltis, Stephen R. Quake2 & Changhuei Yang, Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics, Nature, Vol. 442, No.27，(2006)381-386[2]T. Krupenkin, S. Yang, and P. Mach, Tunable liquid microlens, Appl. Phys. Lett.，Vol. 82，(2003)316-318.[3]Armin Werber and Hans Zappe, Tunable microfluidic microlenses, Applied Optics, Vol. 44, No.16，(2005)3238-3245.[4]Runling Peng, Jiabi Chen, Cheng Zhu and Songlin Zhuang, Design of a zoom lens without motorized optical elements, Optics Express, Vol. 15, No. 11, (2007)6664-6669[5]S. Kuiper,and B. H. W Hendriks,Variable focus liquid lens for miniature cameras, Appl. Phys. Lett.，Vol.85，No. 7，(2004) 1128—1130.

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的在于提出采用離子液體新材料作為液體透鏡的導(dǎo)電液體以 及采用該導(dǎo)電液體的液體變焦透鏡；該可變焦液體透鏡在不施加電壓或者低電壓情況下實 現(xiàn)凸透鏡的功能，且在低電壓下解決凸透鏡的超短焦距及實現(xiàn)從超短焦距到無窮遠(yuǎn)范圍內(nèi) 的連續(xù)可調(diào)問題；同時還大大降低了液體變焦透鏡對環(huán)境溫度的要求。技術(shù)方案本發(fā)明的基于離子液體的微流控液體變焦微透鏡包括內(nèi)芯和位于內(nèi)芯 上面的上蓋片和位于內(nèi)芯下面的下蓋片；內(nèi)芯是具有圓柱狀通孔的導(dǎo)電平板，全部表面涂覆有絕緣層和疏水層；上蓋片和下蓋片與通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲液體透鏡 材料；透鏡腔內(nèi)放置兩種彼此分開且彼此不互溶的液體，具有不同的折射率，分別為絕緣流 體和導(dǎo)電流體，這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)；內(nèi)芯采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，下蓋片 上涂覆的透明導(dǎo)電層作為另一個導(dǎo)電電極；絕緣流體和導(dǎo)電流體兩種液體之間的彎曲界面 起著透鏡作用，通過在兩電極之間施加電壓改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距；絕緣 流體和導(dǎo)電流體構(gòu)成一個變焦液體透鏡。所述的導(dǎo)電流體是一種離子液體。所述的導(dǎo)電流體是兩種或兩種以上離子液體的混合物。所述的導(dǎo)電流體是離子液體和電解質(zhì)鹽溶液的混合物。所加的電壓是直流電壓、交流定頻電壓或交流變頻電壓。有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點本發(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)計了一種基于離子液體的微流控 液體變焦透鏡，具有重要的技術(shù)價值。本發(fā)明設(shè)計的微流控器件具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、 成本低廉等優(yōu)點。創(chuàng)新之處在于1)微流控液體變焦透鏡在不施加電壓或者施加低電壓的情況具備凸透鏡的功能。2)微流控液體變焦凸透鏡的焦距隨著電壓增大連續(xù)增大，實現(xiàn)在大范圍內(nèi)焦距連 續(xù)可調(diào)。3)微流控液體變焦凸透鏡的焦距隨著電壓增大不增反減，實現(xiàn)在超 短焦距范圍內(nèi) 連續(xù)可調(diào)。4)微流控液體變焦凸透鏡組合，實現(xiàn)焦距從超短焦距到無窮遠(yuǎn)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。5)改變微流控液體變焦凸透鏡的焦距所需的驅(qū)動電壓大大降低。


圖1是本發(fā)明的液體透鏡未加電壓時，導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界面向?qū)?電液體一側(cè)彎曲，同時離子液體的折射率高于不導(dǎo)電油的折射率的透鏡示意圖。圖2是本發(fā)明的液體透鏡未加電壓時，導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界面向絕 緣流體一側(cè)彎曲，同時離子液體的折射率低于不導(dǎo)電油的折射率的透鏡示意圖。圖3是本發(fā)明的液體透鏡在施加一定電壓時，導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界 面向?qū)щ娨后w一側(cè)彎曲，同時離子液體的折射率高于不導(dǎo)電油的折射率的透鏡的焦距變化 示意圖。圖4是本發(fā)明的液體透鏡在施加一定電壓時，導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界 面向絕緣流體一側(cè)彎曲，同時離子液體的折射率低于不導(dǎo)電油的折射率的透鏡的焦距變化 示意圖。圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括上蓋片1、下蓋片2、內(nèi)芯3、絕緣流體4、導(dǎo) 電流體5、透明導(dǎo)電層6、絕緣層7、疏水層8。
具體實施例方式
本發(fā)明的基于離子液體的微流控液體變焦透鏡，位于上蓋片和下蓋片之間的內(nèi)芯為具有圓柱狀通孔的導(dǎo)電平板，全部表面涂覆有絕緣層和疏水層；上蓋片和下蓋片與圓柱 狀通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲液體透鏡材料。本發(fā)明中容納在通孔中的導(dǎo)電流 體為離子液體，其在操作和保存溫度范圍內(nèi)能穩(wěn)定地操作，且具有與絕緣溶液基本相同的 密度和粘度。這兩種液體通過界面彼此分開且彼此不相混合，具有不同的折射率和表面張 力；選取具有特定參數(shù)的導(dǎo)電體和絕緣體，兩種液體彼此分開且彼此不相混合，使其滿足當(dāng) 導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界面向?qū)щ娨后w一側(cè)彎曲的同時導(dǎo)電流體的折射率大于 絕緣流體或者導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界面向絕緣流體一側(cè)彎曲的同時導(dǎo)電流體 的折射率小于絕緣流體。在不施加電壓或者低電壓范圍內(nèi)，絕緣流體4、導(dǎo)電流體5的彎曲 界面具備凸透鏡的功能。在內(nèi)芯3表面涂覆具有一定厚度的絕緣層7，避免內(nèi)芯與基片和 導(dǎo)電的離子液體接觸。內(nèi)芯采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，下蓋片上涂覆的透明導(dǎo)電 層作為另一個導(dǎo)電電極；對鏡腔內(nèi)進行疏水處理，使兩種液體的接觸邊界自然形成彎曲面。 當(dāng)兩電極之間施加電壓后，導(dǎo)電的離子液體與側(cè)壁之間的界面張力因電潤濕效應(yīng)的作用而 降低，改變接觸液體界面的形狀，從而實現(xiàn)凸透鏡焦距的改變。與用于液體透鏡的傳統(tǒng)液體相比，本發(fā)明中采用離子液體作為導(dǎo)電流體的液體變 焦透鏡模塊，確實實現(xiàn)液體微透鏡在不施加電壓或者較低電壓下具備凸透鏡的功能，并解 決該凸透鏡焦距在短焦至無窮遠(yuǎn)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的問題。針對不同離子液體與絕緣體的組 合，該液體凸透鏡的焦距變化趨勢可分為兩類。一種是隨著施加電壓的增大，曲形界面的彎 曲程度增大，相應(yīng)的凸透鏡焦距變短，且在不加電壓時焦距為最大。該透鏡在短焦范圍內(nèi)連 續(xù)可調(diào)，進而實現(xiàn)超短焦距；另一種是不加電壓時焦距為最小，隨著施加電壓的增大該液體 凸透鏡的焦距增大，繼續(xù)增大電壓，交界面將呈由凸起狀過渡到水平狀再到凹陷狀，此時透 鏡的焦距為負(fù)值，進而實現(xiàn)透鏡從凸透鏡到凹透鏡的轉(zhuǎn)變。此外，將這兩種類型的液體凸 透鏡組合，還可以通過控制電壓實現(xiàn)在低電壓范圍內(nèi)焦距從超短焦距到無窮遠(yuǎn)的大范圍變 化。在下文中，將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選的實施例。然而，這些實施例用于 說明目的而并不旨在限制本發(fā)明。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的可變焦液體透鏡未施加電壓時，當(dāng)絕緣流體和離子液體 曲形界面向?qū)щ娨后w一側(cè)彎曲的同時離子液體的折射率大于絕緣流體的情形。圖2示出當(dāng) 導(dǎo)電流體和絕緣流體之間的曲形界面向絕緣流體一側(cè)彎曲的同時導(dǎo)電流體的折射率小于 絕緣流體。具體實施例1 根據(jù)本發(fā)明用于液體透鏡的導(dǎo)電溶液的離子液體的折射率與表面 張力均大于絕緣流體。離子液體可以是C8H15IN2 (密度1. 2124g/cm3，折射率1. 572，表面張 力54. 7mN/m)，絕緣流體采用KF56硅油(密度0. 995g/cm3,折射率1. 497，表面張力26. 5mN/ m)與少量有機添加劑苯基溴(密度1. 495g/cm3，折射率1. 5590，表面張力38. 14mN/m)的混 合物。導(dǎo)電體與絕緣流體的密度差異通過硅油和有機添加劑的混合比例來調(diào)節(jié)。粘度的差 異可以通過在導(dǎo)電體中加入表面活性劑的方式來調(diào)節(jié)。具體實施例2 根據(jù)本發(fā)明用于液體透鏡的導(dǎo)電溶液的離子液體的折射率與表面 張力均小于絕緣流體。導(dǎo)電流體采用表面張力和折射率較小的離子液體[&iiim]BF4(密度 1. 120g/cm3,折射率1. 42，表面張力46. 6mN/m)，絕緣流體采用具有高折射率和良好的電濕 性能的苯基甲基硅氧烷。導(dǎo)電流體與絕緣流體的密度差異通過在苯基甲基硅氧烷中溶解幾個百分點碳四溴化合物(P = 2. 96g/cm3)來調(diào)節(jié)，混合的絕緣流體的折射率約1. 55和表 面張力均大于導(dǎo)電流體。粘度的差異可以通過在導(dǎo)電體中加入表面活性劑的方式來調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種基于離子液體的微流控液體變焦微透鏡，其特征在于該透鏡包括內(nèi)芯(3)和位 于內(nèi)芯(3)上面的上蓋片(1)以及位于內(nèi)芯(3)下面的下蓋片O)；內(nèi)芯(3)是具有圓柱狀 通孔的導(dǎo)電平板，全部表面涂覆有絕緣層(7)，在絕緣層(7)外再涂疏水層⑶；上蓋片⑴ 和下蓋片( 與通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲液體透鏡材料；透鏡腔內(nèi)放置兩種 彼此分開且彼此不互溶的液體，具有不同的折射率，分別為絕緣流體(4)和導(dǎo)電流體(5)， 這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)；內(nèi)芯(3)采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，下蓋片(2)上涂 覆的透明導(dǎo)電層(6)作為另一個導(dǎo)電電極；絕緣流體⑷和導(dǎo)電流體(5)兩種液體之間的 彎曲界面起著透鏡作用，通過在兩電極之間施加電壓改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦 距；絕緣流體(4)和導(dǎo)電流體( 構(gòu)成一個變焦液體透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體的微流控液體變焦微透鏡，其特征在于所述的 導(dǎo)電流體是一種離子液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體的微流控液體變焦微透鏡，其特征在于所述的 導(dǎo)電流體是兩種或兩種以上離子液體的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體的微流控液體變焦透鏡，其特征在于所述的導(dǎo) 電流體是離子液體和電解質(zhì)鹽溶液的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體的微流控液體變焦透鏡，其特征在于所加的電 壓是直流電壓、交流定頻電壓或交流變頻電壓。
全文摘要
基于離子液體的微流控液體變焦透鏡的基本結(jié)構(gòu)在于能容納“導(dǎo)電流體+絕緣流體”兩種液體的透鏡孔的導(dǎo)電內(nèi)芯。內(nèi)芯(3)是具有圓柱狀通孔的導(dǎo)電平板，全部表面涂覆有絕緣層(7)和疏水層(8)；上蓋片(1)和下蓋片(2)與通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲液體透鏡材料；內(nèi)芯(3)采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，下蓋片(2)上涂覆的透明導(dǎo)電層(6)作為一個導(dǎo)電電極；透鏡腔內(nèi)放置絕緣流體(4)和離子液體(5)，選擇具備特定參數(shù)的不導(dǎo)電油(4)和離子液體(5)組合，使該變焦液體透鏡系統(tǒng)在不施加電壓或者施加低電壓的情況下具備凸透鏡的功能，同時實現(xiàn)該凸透鏡焦距在低壓下從短焦距至遠(yuǎn)距離大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
文檔編號G02B26/02GK102103220SQ20111004723
公開日2011年6月22日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者徐榮青, 梁忠誠, 趙瑞, 陳陶 申請人:南京郵電大學(xué)