基于液体的电控光学成像系统

提出一种基于液体的电控光学成像器件,其结构是一个容纳有三层液体的圆柱容器,上下两层是导电液体,中间一层是油性液体.圆柱容器的内壁依次涂覆了透明导电层和绝缘介质层.在透明导电层与上下导电液体间施加两个不同的外部电压,分别用来控制容器中两个液体界面的形状.两个外加电压的适当匹配使该光学成像器件在焦距变化的同时保证像面位置不动.文章以器件对无穷远处成像为例,基于高斯光学理论对器件做了详细的计算,给出了两个外加电压的匹配关系以及系统的焦距表达式,并对系统做了相关的模拟分析,分析的结果表明本文所设计的光学成像器件的变倍比可达1:1.5,体现该器件是一种可靠的变焦光学成像器件.     

基于平板电极的非球面组合液体透镜的仿真与实验分析

应用介电泳原理设计了一种基于平板电极的非球面组合液体透镜。该透镜主要由上下平行的4块氧化铟锡（ITO）导电平面玻璃板、腔体、介质层和疏水层组成,具有结构简单、易于实现的优点。利用COMSOL、MATLAB和Zemax软件,建立了基于平板电极的非球面组合液体透镜的光学模型,仿真分析了其在不同电压下的焦距变化,并讨论了平板电极的平行度对组合透镜焦距的影响。对该非球面组合透镜的器件制备与实验分析,结果表明：当工作电压由0增加到280 V时,焦距由28.7135 mm变化为20.1943 mm,与仿真结果基本相符;该器件的成像分辨率最高可达49.8244 lp/mm。     

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.     

含有圆孔平板电极结构的双凸液体透镜的设计与分析

基于平行平板电极的变焦液体透镜的有关研究,通过应用介电泳效应,提出了一种含有圆孔平板电极结构的双凸液体透镜模型,是一种新型的三层液体透镜结构.利用Comsol,Matlab和Zemax软件仿真分析了该模型在不同电压下的面型变化与成像光路,得出其变焦范围为22.6—15.9 mm,并对制备的器件进行具体的实验分析,获得了不同电压下双凸液体透镜的液滴上下界面面型和该透镜的变焦范围23.8—17.5 mm,与仿真结果基本一致,而且其成像分辨率可达到45.255 lp/mm.结果表明,所提出的这种新型三层液体结构的双凸液体透镜具有结构简单、易于实现的特点,而且具备良好的成像质量.     

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。     

磁性液体薄膜的折射率在外加磁场作用下的变化特性研究

用两块玻璃夹持一层几个μm厚的磁性液体薄膜.将这一磁性液体薄膜垂直放置于由亥姆霍兹线圈建立的均匀磁场中.在迈克尔孙干涉仪上用对比测量法测量在不同外加磁场强度作用下磁性液体薄膜的折射率.实验发现, 磁性液体薄膜的折射率随外加磁场强度的变化而变化.结合实验研究, 提出了外加磁场改变了磁性液体颗粒链的大小, 改变了磁性颗粒链的大小和入射光波波长的比值, 从而改变了磁性液体的折射率的设想.初步建立起了磁性液体薄膜的折射率和外加磁场强度之间的关联式.为磁场测量、光学阀门等新型磁光器件的开发提供了新的技术.     

用于2D/3D可切换显示的柱状液体透镜阵列

提出一种用于二维(2D)/三维(3D)可切换显示的可变焦的柱状液体透镜阵列,主要包含两种不同折射率的透明液体:液体1和液体2,液体1和液体2被透明的弹性薄膜隔离开,弹性薄膜由微支板阵列来支撑。通过外力驱动两种液体在器件内的流动来实现并调节弹性薄膜的形变,弹性薄膜形变有平面形态和可变柱面形态两种,实现该柱状液体透镜阵列焦距从无穷大到有限正焦距的大范围的变焦。实验制作出适用于2D/3D切换显示器的样品,实验结果验证了其变焦性能,该样品与匹配的平板显示器能进自由立体3D显示,而且弹性薄膜能变为平面形态用于普通的2D显示,实现了2D/3D切换显示。     

基于全反射的透明液体浓度测量装置设计

结合光学原理,利用全反射,设计测量透明液体浓度的实验装置.由亚克力板容器盛装待测液体,研究激光在液体中发生全反射时的光路参数,通过测量两个长度尺寸,计算得到透明液体的折射率,基于透明液体折射率与浓度之间的线性关系,进而得到其浓度.蔗糖溶液和NaCl溶液的测量数据结果表明,折射率的相对误差在0.4%以内,浓度的绝对误差在0.7%以内.该实验装置具有结构简单、操作简便、测量精度高、成本低廉、现象明显等优点.     

双层介电薄膜结构双液体变焦透镜的研究

在双层介电薄膜结构双液体变焦透镜模型的基础上,分析了透镜焦距与外加电压、双层介电薄膜的介电常量、薄膜厚度等参量的关系.并以降低双液体变焦透镜驱动电压为目的,选择了相对介电常量较高的五氧化二钽薄膜作为内层介电层,相对介电常量较低的防水层为外层介电层,分析了双层介电薄膜的厚度以及厚度的匹配对双液体变焦透镜的变焦范围和驱动电压的影响,在保证一定的变焦范围并尽可能降低透镜驱动电压情况下获得最佳透镜工艺参量.模拟结果表明:疏水层薄膜厚度比高介电层薄膜厚度小很多时,双液体变焦透镜可实现低压驱动,且双液体变焦透镜在一定变焦范围内所需驱动电压可下降到10V以下,而疏水层薄膜厚度与高介电层薄膜厚度相当或高于高介电层薄膜厚度都不能有效利用高介电薄膜的高介电性能来降低双液体变焦透镜的驱动电压.     

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.     

Deformation of a pretilted nematic liquid crystal layer in an electric field

The deformation of the optical axis of a nematic liquid crystal layer under the influence of an electric field is caused by the dielectric torque. This momentum counteracts with an elastic torque generated by interfacial forces between the surface of the electrode and the liquid crystal. By means of a variational analysis, the deformation profiles within the liquid crystal layer are calculated, assuming large interfacial energies and various angles of pretilt of the liquid crystal directors with respect to the electrodes. Both the extreme case of a homeotropic (vertical) alignment on one electrode and a homogeneous (parallel) alignment on the opposite electrode, as well as the general case of arbitrary and different alignments on both electrodes, lead to heavily pretilted liquid crystal layers, resulting in definite deformation profiles without disclinations. Liquid crystal cells prepared in this way neither show threshold voltages nor delay times when electrical fields are applied. Measured and calculated characteristics of such liquid crystal cells are presented, they show good agreement.     

柔性液晶微透镜阵列的制备与性能研究

针对集成成像视场角狭小的问题,设计并制备了一种柔性圆孔驱动电极控制液晶分子偏转的可弯曲和焦距可调的柔性液晶微透镜阵列。利用光刻技术在柔性ITO基板表面刻蚀并形成规则的圆孔阵列电极,旋涂工艺制备柔性聚酰亚胺(PI)膜层,PI膜层经60℃加热5 min后,再利用等离子体在功率630 W条件下处理5 min固化成PI取向层。利用液晶盒成盒工艺将上、下基板组装成液晶透镜,研究未弯曲和弯曲曲率半径7.5 cm条件下液晶微透镜阵列的光学性能。实验结果表明,所制备的液晶透镜在未弯曲和曲率半径为7.5 cm的情况下均可实现聚焦功能,且液晶微透镜阵列的干涉圆环均匀,聚焦光斑小。在驱动电压3~5.3 Vrms下,弯曲曲率半径为7.5 cm的液晶微透镜阵列焦距可调的范围为0.43~1.05 mm。     

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。     

14.5GHz紧凑型、低成本、全永磁ECR离子源

A compact 14.5GHz electron cyclotron resonance (ECR) ion source for the production of slow, multiply charged ions has been constructed,with the plasma-confining magnetic field produced exclusively by permanent magnets.Microwave power of up to 175W in the frequency range from 12.75 to 14.SGHz is transmitted from ground potential via a PTFE window into the water-cooled plasma chamber which can be equipped with an aluminum liner.The waveguide coupling system serves also as biased electrode,and two remotely-controlled gas inlet valves connected via an insulating break permit plasma operation in the gas- mixing mode.A triode extraction system sustains ion acceleration voltages between 1kV and 10kV.The ECR ion source is fully computer-controlled and can be remotely operated from any desired location via Ethernet.     

The interface shape of the double-liquid lens

In this article, a differential equation, which describes the shape of the liquid interface in a cylindrical chamber when the density difference of two liquids is zero, is provided. And an analytical solution is found for the differential equation which indicates the interface shape is spherical. And such a result is not independent on the vessel size. In experiment, by means of measuring the focal lengths of liquid lenses with different vessel size, the results show that the focal lengths ratio is quite approximate to the inner radius ratio of the cylindrical chamber, which can inversely verifies that the interface shape of liquid lens with two same density liquids is spherical.     

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...     

大变焦范围电调谐液晶变焦透镜的研究

基于向列相液晶指向矢随施加电场作用发生变化的特性, 结合几何光学和液晶理论提出了一种液晶透镜结构模型, 研究了电极大小、隔垫物厚度等液晶透镜参数对液晶透镜焦距的影响. 通过优化参数, 得到结构简单、变焦范围较大的新型液晶透镜样品, 在驱动电压0 V_RMS–250 V_RMS下可调的焦距范围为75–230 mm, 达到155 mm.     

Double layer in ionic liquids: overscreening versus crowding

We develop a simple Landau-Ginzburg-type continuum theory of solvent-free ionic liquids and use it to predict the structure of the electrical double layer. The model captures overscreening from short-range correlations, dominant at small voltages, and steric constraints of finite ion sizes, which prevail at large voltages. Increasing the voltage gradually suppresses overscreening in favor of the crowding of counterions in a condensed inner layer near the electrode. This prediction, the ion profiles, and the capacitance-voltage dependence are consistent with recent computer simulations and experiments on room-temperature ionic liquids, using a correlation length of order the ion size.