基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。     

基于电湿效应的双液体透镜

介绍了一种新型的、基于电湿效应的双液体透镜的发展历史、结构原理,通过改变外加电压的大小以调节透镜的焦距,从而达到无机械运动变焦的目的.推导并分析了两种液体透镜模型的焦距与外加电压的关系.     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

电控聚合物分散液晶变焦全息透镜制作

介绍了相位型全息聚合物分散液晶(PDLC)材料全息透镜,在电场作用下液晶微滴折射率逐渐与聚合物折射率匹配,实现透镜电控变焦。研究了微米尺寸和纳米尺寸液晶微滴聚合物分散液晶材料配方特性和微观结构。采用优化纳米尺寸材料配方制作5~6μm聚合物分散液晶盒,采用离轴式平面波和球面波干涉全息写入光路,成功制作电控变焦聚合物分散液晶全息透镜样品。该透镜样品焦距为20 mm,能够正一级衍射放大成像。实现“0”,“1”变焦的驱动电压阈值为60 V。并进一步提出了基于聚合物分散液晶电控变焦元件集成叠加技术实现电控变焦光学成像系统的技术思路。     

大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描,消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动,不仅减小了系统的复杂度,而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统,并且对其进行了仿真实验。实验结果表明:基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似,并且光强的轴向分布曲线也基本相同,表明此方法可行。     

基于PDMS基片的可变焦柱透镜

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8～1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为＂芯片上的实验室＂提供了一种重要的光学成像元件。     

可变焦叶绿体光学微透镜

光学微透镜在光学成像、信号探测、生物传感等方面有重要的应用。针对现有固体微透镜难以变焦和生物不兼容的问题，提出将细胞内的叶绿体作为天然的微透镜，并研究了叶绿体微透镜的聚焦特性及其在光学成像和信号探测中的应用。研究结果表明，叶绿体微透镜对不同波长的入射光能产生聚焦效应。借助光镊产生的光力可实现叶绿体形状的可控变化，进而可实现对叶绿体微透镜焦距的调节，调节范围为15～45μm。由于叶绿体微透镜具有光束聚焦特性，故其能够应用到亚波长结构的成像和荧光信号的增强中。在实验中，叶绿体微透镜实现了对线宽为200 nm的光栅结构和细胞内部肌动蛋白丝的光学成像，以及对量子点荧光信号的探测和增强。     

双液体变焦透镜变焦迟滞现象的研究

通过引入接触线摩擦力,建立了基于双液体变焦透镜内壁的液液固三相系统接触线的力学物理模型,重新对非理想状态下液液固三相系统接触线进行了受力分析.在此基础上,对杨氏方程进行了改进,合理地解释了双液体变焦透镜的变焦迟滞现象.通过对疏水介电层厚度为2 μm的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验,给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟...     

液体透镜在变焦系统中的应用

利用液体透镜进行变焦系统设计可以大幅降低系统的复杂程度,本文介绍和讨论了该项技术的研究和应用现状。首先,基于液体透镜的分类即渐变折射率透镜和变曲率透镜介绍了几种主要液体透镜的原理和特点,给出了具有代表性的ARCTIC透镜系列和Optotune透镜系列的设计参数和优点。然后,对液体透镜技术在变焦系统中的应用进行了分析,描述了其在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中应用的现状和优势。最后,利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统,该系统可实现2.5倍的可见光变焦。     

电湿效应变焦光学系统的设计与分析

与传统的通过电机调节透镜相对位置达到变焦目的设计完全不同,提出了一种设计无机械运动变焦光学系统的新方法.利用亥姆霍兹自由能最小化方法推导出适合双液体变焦透镜的杨氏方程,将以气液固三相系统为基础的传统杨式方程扩展到了液液固三相系统.以圆柱结构的双液体变焦透镜为组分设计了一种新型的变焦光学系统,分析了系统在外加电压作用下使焦距变化的同时又能保持像面不变时必须满足的条件.模拟结果表明该系统的变倍比大约可达到1:1.5.     

柔性变焦透镜发展现状

本文从基于力致变形(机械传动)驱动和基于电致变形(智能材料)驱动两方面分析了柔性变焦透镜(FVFL)的发展现状。通过归纳和分析发现:柔性变焦透镜均存在温度、重力对稳定性的影响。传统力致变形驱动的柔性变焦透镜变焦范围大,但响应速度慢,不易微型化设计;电致变形驱动的柔性变焦透镜响应速度快、结构紧凑。改善变焦透镜成像质量、降低驱动电压是目前柔性变焦透镜的研究热点。探索新颖的驱动方式,研究低功耗、智能化变焦系统将是柔性变焦透镜的主要发展趋势。     

Chromatic aberrations of thin refractive variable-focus lens

We present an approach to an analysis of the third order chromatic aberrations of thin refractive fluid lenses with a variable focal length. A detailed theoretical analysis is performed for a simple fluidic variable-focus lens and formulas are derived for an optical design of such lenses. Aberration coefficients of the third order of the variable-focus lens can be completely characterized by three parameters which depend only on refractive indices of fluids forming the variable-focus lens. Formulas were derived for the change of the third-order aberration coefficients with the wavelength. Calculations are provided for Varioptic lens Arctic-416.     

充液型可调焦液态透镜

可调焦液态透镜因具备体积小、成像好、调焦方便等优点而备受瞩目.使用透明的弹性薄膜和光学平板玻璃将一定体积的液体封装在圆柱形的空腔内,当空腔内的液体体积变化时,透镜的曲率半径随之而改变,实现了透镜的可调焦.实验表明,该可调焦液态透镜有较好的成像效果,在一定液体体积变化范围内符合薄透镜成像的规律,在通讯、国防、医疗等方面具...     

液体可变焦折衍混合光学系统

提出了一种液体可变焦折衍混合光学系统，该系统将传统的折射透镜的其中一面设计成二元面，通过改变折射系统的曲率半径来实现对整个光学系统的焦距的调节．这种液体可变焦折衍混合光学系统的主要优点是能够消除色差．经实验证明该光学系统焦距和折射系统的曲率半径呈线性变化关系并且在变焦的同时很好的解决了色差问题．     

Aberration analyses for liquid zooming lenses without moving parts

Liquid lenses with an adjustable focal length are of particular interest for their potential applications in compact imaging or zooming systems. We have analyzed the aberrations for liquid zooming lenses and compared them with those of traditional lenses. Based on the 3rd order aberration theory, possible structures for the liquid zooming lens without moving mechanism were determined. We showed that a two-group liquid lens system is the simplest one that contains no moving mechanical parts and has enough parameters to correct all chromatic aberrations for any focal length and most monochromatic aberrations for certain focal lengths.     

Electrowetting-Based Variable-Focus Lens for Miniature Systems

The meniscus between two immiscible liquids of different refractive indices can be used as a lens. A change in curvature of this meniscus by electrostatic control of the solid/liquid interfacial tension leads to a change in focal distance. It is demonstrated that two liquids in a tube form a self-centred variable-focus lens. The optical properties of this lens were investigated experimentally. We designed and constructed a miniature camera module based on this variable lens suitable for mobile applications. Furthermore, the liquid lens was applied in a Blu-ray Disc optical recording system to enable dual layer disc reading/writing.     

Focal length measurement of a varifocal liquid lens with capacitance detection

This paper reports on a detailed deformation model of varifocal liquid lenses fabricated by Parylene-on-liquid-deposition (POLD), which can be applied to measure and adjust the focal length of such lenses without using extra sensors or sensing mechanisms. The lens was fabricated by encapsulating a liquid between a transparent electrode and a polymer film that was covered with a metal electrode. When voltage is applied to the two electrodes, the lens deforms due to the electrostatic force, and its focal length and the capacitance between the two electrodes change simultaneously. This characteristic enables the focal length of the lens to be adjusted and detected by measuring the capacitance change. The focal length of the fabricated varifocal liquid lens changed from 153.6 to 82.6 mm by applying 150-V. The focal length change of the liquid lens was calculated from the change in its capacitance. Finally, to confirm the efficiency of this varifocal liquid lens, we fabricated a confocal distance sensor using the lens for laser scanning and demonstrated that this system can be used to measure distances of 94–140 mm with an average error of 0.83 mm and a standard deviation of 0.77 mm.