基于电润湿效应驱动的微泵设计与分析

利用介质上电润湿效应(ElectroWetting-On-Dielectrics,EWOD),驱动液滴在微泵泵腔内振动,再结合锥形单向流阻结构,设计出一种新型的基于EWOD的微泵;深入探讨了液滴振动的机理,并对该EWOD微泵模型进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,提出的一种基于EWOD驱动的微泵能很好的完成泵送液体的功能,并且其泵送效率与液滴振动的频率有关。其中数值模拟的结果显示当液滴的振动频率为5,10,15,20 Hz时,微泵的泵送效率与液滴的振动频率成正相关,微泵出口的压力与液滴的振动频率并无明显关系。

基于电润湿效应驱动的液体菲涅尔透镜

传统的菲涅尔透镜在没有机械移动的情况下,不能进行主动轴向调焦。为了可以更好地将菲涅尔透镜应用于成像、显示、目标跟踪、光伏系统等领域,本文根据菲涅尔透镜的典型结构、基于电润湿效应提出了一种环形腔室的液体菲涅尔透镜。可以通过电压来控制环形腔室内液面的倾斜角度,从而控制光束的偏折方向,实现菲涅尔透镜轴向焦距调节的功能。实验结果表明,本文提出的液体菲涅耳透镜具备轴向调焦的功能,驱动电压约为20 V,饱和电压约为220 V,焦距变化范围为-52~-73 mm。

电润湿效应下不同固相界面的液滴形态的研究

在液态可控的光学器件中,液滴的形态变化对于器件的变焦范围和成像质量有着很大的影响,不同电压下固相界面形状对液体形变的影响规律是设计液态光学器件的基础。根据拉普拉斯方程,并将重力对液体形态的影响考虑在内,建立了基于介质的电润湿效应下液滴形状的理论模型。利用数值计算的方法求解拉普拉斯方程,给出了静态液滴形状和不同电压下的液滴形状,并对比了不同固相界面形态下,液滴形状的变化。结果显示,固相界面形态为平面时,液滴形变的光学焦距理论上可以从67.2 mm变到无穷远。固相界面形态为圆锥斜面时,变焦范围则与固相界面形态相关,可以实现正负透镜的变焦转换。

硅基Ba_(0.7)Sr_(0.3)TiO_3介质层的电润湿效应

采用特定的"单晶硅基片/Ba0.7Sr0.3TiO3层"微透镜阵列内芯材料,研究其表面的介质上电润湿(EWOD)特性。Ba0.7Sr0.3TiO3是一种钙钛矿结构的铁电体,它具有高的介电常数和低的漏电流特性,其相对介电常数可高达180。通过溶胶——凝胶的方法在单晶硅基底上制备了Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜,分析对比了不同Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜厚度下的电润湿效应。实验结果表明,导电液滴接触角的余弦值随电压的增大而增大;在Ba0.7Sr0.3TiO3厚度不同的情况下Ba0.7Sr0.3TiO3层厚度与接触角余弦值变化率成反比。在绝缘介电层相同厚度情况下,Ba0.7Sr0.3TiO3绝缘介电层的性能要优于派瑞林、氮化硅、二氧化硅绝缘介电层的性能。相关结论验证了Ba0.7Sr0.3TiO3在微透镜阵列中的可行性以及其相对于其它绝缘材料的优越性。

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.

微流控光学透镜阵列内芯表面的电润湿特性测量

采用特定的"导电基片/绝缘膜层"微透镜阵列内芯材料,研究其表面的介质上电润湿(EWOD)特性。利用图像采集与数据处理方法测量了0～60 V电压范围内硫酸钠水溶液液滴在"不锈钢基片/Parylene绝缘层"芯片表面的接触角变化数据,通过EWOD理论模型计算得到硫酸钠溶液的表面张力值,此值与理论值相吻合。进而计算了内芯与液滴的界面张力,这种方法可用于一般固液界面张力的测量。

电润湿双液体透镜的建模仿真

研究了微型化和无机械透镜的变焦,即电润湿双液体透镜的性能,通过COMSOL软件进行了流体动力学的建模,分析了双液体界面面型随电压的变化,并导出了其中几组电压下界面面型数据,其次再用MATLAB对数据进行拟合,求出曲面的函数解析式,最后将数据导入ZEMAX软件中,在ZEMAX软件中进行光学建模,结果表明,在105v-150v的电压范围内,电润湿双液体透镜的焦距变化范围是从29.597mm变化到395.6mm,可以在大范围内实现变焦,可以同时满足手机摄像镜头的微型化和精确变焦的需求。

新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为"光输入阵列+光交换空间+光输出阵列"的结构,采用"水/油/水"液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围(30～110V)内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约-15°～15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.

电润湿液体透镜变焦光学系统设计

电润湿液体透镜是一种可以通过改变两端加载电压从而改变自身光焦度,而不需要改变光学间隔的一种透镜。基于液体透镜所设计的变焦光学系统可以大大减少传统机械变焦光学系统的复杂度。基于康宁A39液体透镜,利用ZEMAX仿真,在20 D的光焦度变化范围内设计了一款焦距变化为16~32 mm,视场角变化为32°~16.36°,变倍比为2,短焦F数为6.3,长焦F数为12.8,且最大口径不超过10 mm的小型二元单液体透镜变焦光学系统。实验结果表明,该系统成像质量良好,在工业镜头等领域有广泛的应用前景。

新颖的微流控光学变焦透镜阵列集成器件

提出一种微流控光学变焦透镜阵列芯片,以解决变焦透镜阵列的电控调谐和集成化制造方法问题。该器件的基本形式为"上盖片+内芯+下盖片"的三明治夹心结构,采用导电材料制作内芯,使得器件的制作简化,易于集成。透镜材料由折射率不同的两种不混合液体组成,利用电润湿效应控制两种液体的界面曲率,从而实现微透镜阵列焦距的电控调节。

液体透镜研究现状与展望

液体透镜在图像采集、目标追踪、生物识别和其他便携式电子设备中具有极大的应用潜力。液体透镜与机械变焦透镜相比具有易于加工、结构紧凑、电压直接驱动和功耗低等突出优点,已成为当今微纳研究领域的研究热点之一。综述了国内外现有液体透镜技术的发展现况,通过总结前人的研究方法,展望了未来液体透镜的发展方向。

介电润湿液体棱镜阵列的三维空间光束指向控制

为实现三维空间光束指向控制,提出了一种基于介电润湿效应的液体棱镜阵列系统。根据几何光学和介电润湿理论,推导并分析了光束转向角与液体棱镜单元的最大偏转角、介电润湿接触角、棱镜单元间距及液体折射率等因素之间的关系;通过COMSOL构建介电润湿液体棱镜阵列模型,仿真了电压控制下液体棱镜单元内双液体界面面型的变化过程,模拟再现了该液体棱镜阵列对光束指向的控制特性。结果表明,基于介电润湿技术的液体光学棱镜阵列在一定范围内可实现对光束指向的连续控制。通过选取特定的液体组合,饱和接触角降低到45°,棱镜单元的光束转向范围可提高到28°(-14°~14°)。当光轴间距r为6mm时,液体棱镜阵列系统可以实现在28°圆锥区域内的连续控制,且圆锥顶点位于Z轴22.58mm位置处。

液态透镜研究现状与发展分析

当前的光电侦察领域设备不断地向轻、小型化发展,而传统变焦光学系统的体积与质量往往达不到微小型光电侦察平台的载荷要求,因此小型无人机等侦查平台只能搭载定焦镜头,制约了分辨率与侦查距离的提升,限制了侦查能力。液态透镜技术利用单片透镜即可实现透镜焦距的调节,大大减小了光学系统的体积,且其变焦响应速度快、变焦范围大,由液态透镜组合的光学系统可以在固定的小体积内实现快速变焦,在军民领域都有广阔的应用前景。该文对前人的理论基础与研究方法进行了调研与综述,简述了液态透镜的5种基本原理,并分析了各自的特点,分别介绍了国内外液态透镜的研究现状,指出了不同液态透镜的优缺点及未来的发展与研究方向。

基于蓝牙控制的便携式数字微流控系统的研究

设计了一种基于蓝牙通信的便携式系统,相对于传统笨重的微流控设备,更加小巧、易用、价格低廉,通过蓝牙与手机集成,便于进一步的市场化普及。该系统基于电湿润法原理,给电极间施加电压,改变液滴与固体表面的润湿特性,从而使得液滴运动。该系统包括电极阵列、高压模块、控制模块、蓝牙通信模块以及配套APP。最后通过测量液滴的移动速度,对3μL的液滴,可以达到50mm/s的速度,满足了微流控系统的需要,证实了该设备的可行性。该研究可以促进微流控设备的低廉化、易用化。

液体透镜光学性质的仿真分析

液体透镜技术基于生物晶状体的仿生原理设计,相对传统透镜系统具有变焦速度快,体积小等优点,具有广阔的应用前景。该文通过仿真详细研究分析基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦液体透镜。首先借助MATLAB平台得到COMSOL仿真中液滴表面的曲线函数,然后将其输入进仿真软件ZEMAX中,得到透镜参数,比较分析得到其各电压条件下的光学性质。通过仿真分析得到结论:对于该文选定的液体透镜模型,在100v到530v之间的电压变化范围内,液体透镜的光学性质稳定,焦距变化范围在4.68mm到29.05mm之间,具有传统透镜不可比拟的优势。

微流控矩阵光开关

通常一种光开关只适用于一个特定的较窄领域。文章提出了一种基于介质上电润湿驱动技术的微流控矩阵光开关,可较广泛地应用于光通信和光电子系统中,并且结构简单、操作方便、偏振无关,易集成大型矩阵开关。文章给出了矩阵光开关的结构和工作原理,并设计了矩阵驱动电路。光开关的工作电压为58 V。研究结果表明:此矩阵光开关从“开”到“关”和从“关”到“开”的响应时间分别为120和100 ms;其插入损耗为0.26 dB,远比一般矩阵光开关低;消光比大,为139.7 dB。此外,文章给出了两种应用方案:光电显示器和多光束阵列开关。该课题的工作可为大型可集成矩阵光开关提供新的思路,并可促进微流控光学在光电子系统中的应用。

方腔结构非球面液体透镜的设计与分析

基于介电润湿液体透镜的原理,利用COMSOL仿真软件设计了方腔结构的非球面双液体透镜模型,分析了MATLAB工具对模型中界面面型的拟合精度。设计加工了具体的器件结构,研究了非球面双液体透镜的面型变化情况。通过图像处理和面型拟合分析,获得非球面面型的实验结果,验证了方腔结构的非球面液体透镜结构的可行性。

一种基于微流控技术的光开关阵列设计与研制

提出一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置,其基本形式为"储气层+波导层+储液层"的结构。通过气压与电润湿效应双重作用实现对光开关单元中液柱高度的控制,从而控制光路中光束的全透射和全反射以实现光的"开"和"关"。讨论了光开关的工作电压、插损和响应时间等参数。研制结果表明,该结构具有体积小、结构简单、功耗低、能实现集成化和微型化制作的特点。

大焦深内窥镜光学系统设计

医用内窥镜技术要求在大的物距范围内实现清晰成像,但其使用环境又对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格,难以利用传统方法实现光学调焦。在传统的光学设计中,通常依靠减小相对孔径来增大系统焦深,往往会造成许多负面影响。介绍了一种电润湿型液体可变焦透镜,并在这一新型元件的基础上,设计了一种微型可调焦光学系统。该系统依靠外加电压控制液体透镜焦距做微小改变,从而校正由于物距变化产生的离焦,增大内系统的焦深,同时保证系统的微型结构。这一设计将使内窥镜的使用更加方便,有着广泛的应用前景。

光流体可变光圈的研究现状

光流体可变光圈在图像采集、目标追踪、生物识别和其他便携式电子设备中具有重要的应用潜力。与机械光圈相比,该光圈孔径是近乎完美的可调圆形,且光流体可变光圈具有易于加工、结构紧凑、驱动便捷和功耗低等优点,故已成为当今微纳光学研究领域的热点之一。综述国内外现有光流体可变光圈技术的发展现况,通过总结前人的研究方法,展望未来光流体可变光圈的发展方向。