摘 要: 提出了一种基于介质上电润湿( EWOD) 的新型液体变焦透镜结构并研制出样机。它由一个依次覆盖有氧化铟锡( ITO) 透明导电薄膜及疏水介质膜的玻璃下极板、悬浮于其上方的一个中空金属环、以及作为透镜的去离子水滴组成。通过改变施加于ITO 电极与金属环之间的电压大小, 就能调控水滴的曲率, 从而实现对透镜焦距的调节。实验结果表明, 在0~ 40V 电压范围内, 该透镜样机的焦距调节范围为8. 51 mm 至55. 9 mm, 可实现对2. 0 cm 至无穷远处物体的聚焦。

　　关键词: 介质上电润湿; 液体透镜; 表面张力; 变焦

　　变焦透镜是照相机、摄像机、显微镜、望远镜等许多光学系统中的关键元件。传统变焦镜头一般由两片或更多透镜组合而成, 有些甚至还需结合棱镜等其它光学部件。它们通常是利用电机和齿轮等机械装置来调节透镜间的相对位置, 从而实现变焦。由于存在机械可动部件, 此类镜头变焦速度慢、价格昂贵、坚固性差, 而且不易实现微小型化, 所以它们不适用于拍照手机等便携式微小型光学系统。

　　研发变焦范围大、速度快、失真度小、可靠性高且廉价的微型变焦透镜已经成为近几年国际上的研发热点。现在已经提出了多种基于不同机制的微型变焦透镜结构, 其中以利用介质上的电润湿效应( Electr ow et t ing-on- dielectr ic, EWOD) 研发出的液体变焦透镜最引人注目。所谓EWOD 是指利用固态疏水性介质层下面电极的电势来控制液体的表面张力, 从而改变液体与介质层表面之间的接触角。与传统变焦透镜调节透镜间相对位置的变焦方式不同, 微型液体变焦透镜以微量透明液体为透镜的主体, 利用EWOD 改变液体的形状从而实现变焦的功能。这种通过改变液面曲率来实现变焦的透镜有很多优点: 由于无机械可动部件, 使其非常适用于对可靠性和耐用度要求高的场合; 透镜结构紧凑小巧并且功耗很低, 非常适用于内窥镜和拍照手机等便携设备; 基于EWOD 的液体变焦透镜的另一个突出优点是透镜性能随着尺寸的减小而提高, 即尺寸越小,透镜变焦响应时间越短, 透镜受重力及惯性的影响越小, 焦距的可调范围更广。

　　目前, 国外已经报道了一些基于EWOD 的液体变焦透镜结构[ 1-7] 。其中, 以B. Ber ge 先后所在的法国UMR 光谱实验室与Variopt ic 公司[ 3-5] 以及S.Kuiper 所在的荷兰飞利浦研究实验室[ 6-7] 研发的液体变焦透镜最引人注目, 目前已经达到了实用化水平。这两家公司的液体变焦透镜结构非常类似, 都是采用由透明基板、导电性圆环和透明盖板组成的密闭结构, 结构内部填充着两种互不混溶的液体; 导电性圆环的底部与透明基板均是直接紧密接触, 圆环的顶部和内壁与液体的接触区都覆盖有疏水性薄膜, 而它的底部与外壁不与液体接触。两种变焦透镜在结构上的主要区别在于前者采用的是内壁为圆锥形的导电性圆环, 而后者采用的是内壁为圆柱形的导电性圆环。本文基于EWOD 效应提出了一种新型液体变焦透镜结构, 它采用一个悬置于透明下极板上方一定间距处的金属圆环作为液面的钳制部件, 不仅简化了制造工艺, 而且获得了较为理想的变焦效果。

　　1 透镜结构与工作原理

　　我们提出的液体变焦透镜的截面结构示意图如图1 所示。在一块玻璃底板上, 依次覆盖有透明导电薄膜和疏水性介质薄膜。为钳制住器件中心作为透镜的水滴, 置入一个具有竖直圆孔的金属圆环, 圆环的底面与底板平行且两者之间具有一定间隙, 水处于该间隙以及圆环通孔内。金属圆环底部表面及内壁具有亲水性且直接与水接触, 其余各面均覆盖有疏水涂层。在腔室上方为一块透明盖板, 使整个腔室密闭。

　　由于圆环内壁与顶面的疏水性存在较大差异,水的上端液面将被钳制在圆环的上端口处。当无外加电压时, 水滴将处于图1 所示的液面A 的状态。图1 中O 代表圆环的轴线, 与透镜光轴重合。

　　当在底板透明电极和金属圆环间施加一定电压时, 水与疏水表面的接触角会相应减小, 而处于圆环下方部分的水的上边缘被钳制在圆环底部亲水性表面的外边界处, 从而引起圆环内的水向下流动至液面B 状态, 使水的液面曲率发生相应的变化, 由此调节了透镜的焦距。

　　2 制造工艺

　　基于前面提出的液体透镜结构, 我们制备出了透镜的样机。制造中的关键工艺在于下极板和金属圆环的制作。

　　下极板是产生介质上电润湿效应的主要部件。在下极板的制备中, 关键在于防止绝缘介质层的击穿以及制备疏水性能良好的表面。主要工艺流程如下:

　　( 1) 清洗: 采用的玻璃底板是购买的带氧化铟锡( ITO) 透明电极的玻璃片, 其表面难免有油渍、腊等污染物, 若不清洗干净, 会严重影响后续工艺。本文先将ITO 玻璃片依次用丙酮、酒精超声清洗10 min,再用I 号液( 去离子水: 双氧水: 氨水= 5: 2: 1) 煮沸清洗, 最后用去离子水冲洗, 并用干燥氮气吹干;

　　( 2) 旋涂介质层: 将配好的聚酰亚胺溶液( ZKPI306,北京波米科技) 滴在ITO 玻璃上, 采用匀胶机旋涂, 转速每分钟3 千转( 3000 r/ min) , 时间40 s;

　　( 3) 热固化聚酰亚胺: 将旋涂有聚酰亚胺的玻璃片放入烘箱, 采用阶梯升温法热固化形成聚酰亚胺薄膜, 固化后的薄膜厚度约为2 um;

　　( 4) 制备疏水层: 将稀释好的Tef lon Ò AF1600溶液旋涂于聚酰亚胺薄层上并在温度100 e 下烘1h, 形成一层很薄的疏水层, 其厚度远小于聚酰亚胺。

　　整个工艺流程中, 最关键的是聚酰亚胺薄膜的制备, 薄膜的质量决定了整个器件的性能。为此需保证所配的聚酰亚胺溶液的新鲜性, 而且在旋涂过程中周围空气的洁净度及干燥度要好, 否则形成的介质层容易出现颗粒或针孔, 下极板容易发生电击穿现象。

　　圆环的制备工艺流程如下:

　　( 1) 溅射IT O: 为了制作方便, 我们采用了中空有机玻璃管代替金属圆环。为使玻璃管具有导电性, 在其表面溅射了一层透明导电的IT O 薄层。溅射功率100 W, 时间20 min, 溅射IT O 厚度为95~100 nm;

　　( 2) 涂覆T ef lon 疏水层: 在圆环的顶面及外壁涂覆一层Tef lon 疏水薄膜, 放入烘箱进行烘干处理, 温度保持在100 ℃, 时间1 h 左右。

　　3 实验结果及讨论

　　玻璃管的尺寸参数及位置对透镜焦距的调节范围及灵敏度有很大的影响: 玻璃管内外径相差越大、与下极板之间的间距越大, 相同电压范围内焦距的调节范围将越大。为了减小器件整体尺寸, 实验中采用的玻璃管的内径为3 mm、外径4. 3 mm、高3mm, 并将其置于下极板上方1. 4 mm 处。当外加电压在0~ 40 V 之间变化时, 液滴与下极板间接触角的变化范围为110°~ 80°, 玻璃管下方液体体积相应的变化量△V 约为7 LL; 而如果将间距由1. 4 mm增加至2. 8 mm, △V 将变为28 LL; 如果再将玻璃管的外径增加至8. 6 mm, 则△V 将变为56 LL。测试时, 将体积为47 LL 的去离子水注入到玻璃管与下极板间。

　　为了更好的观察透镜内部的工作过程, 我们通过CCD 从透镜侧面进行了观察记录。图2( a) ~( d) 是从CCD 记录中提取出的透镜液面位置的图片, 其对应的电压依次为0 V、20 V、30 V、40 V。从图中可以看出, 随着电压的改变, 透镜液面由初始时的上凸球面逐渐变化为平面。通过增大间距或减小玻璃管的内径, 可以进一步得到下凹的液面。

　　透镜焦距与外加电压间的关系曲线如图3( a)所示, 其中黑点为实验数据点。透镜初始焦距为8. 51 mm, 当外加电压为40 V 时, 透镜焦距增大至55. 9 mm。从图中可以看到, 当电压低于25 V 时,曲线平缓, 焦距的变化量很小; 当电压继续增大时,焦距迅速增大。实验中还观察到当电压大于45 V时, 焦距将不再随电压的增大而增大, 而是达到一个饱和值, 这主要是由于接触角饱和现象引起的[ 8-10] 。

　　对于我们实验中所采用的Tef lon Ò AF1600 疏水薄膜, 接触角的变化范围约为110°~ 80°。

　　透镜的光学功率( Opt ical Pow er ) 的变化曲线如图3( b) 所示, 可调量约为100 D, 而人眼的光学功率可调量约为4 D。如果将透镜制作成与人眼大小相当, 则透镜光学功率的可调量将变为30 D, 仍然是人眼的7. 5 倍。

　　基于EWOD 的液体透镜实质上是一个电控可变电容器件, 对于我们所制造的原型, 液滴与控制电极间的静态电容为185 pF。当采用一个0 到40 V的直流电压驱动时, 透镜能对2 cm 至无穷远处的物体聚焦, 一次变焦耗能仅为0. 14 LJ。

　　图4 所示为透镜变焦成像的实验照片。其中笑脸符号高2 mm, 距离透镜2 cm, 而洋娃娃距离透镜53 cm。初始时透镜对笑脸符号清晰聚焦, 如图4( a) 所示, 成像传感器位于透镜另一侧14. 8 mm 处;当施加27 V 的电压时, 透镜能够对洋娃娃清晰聚焦, 如图4( b) , 一次变焦耗能为0. 064 LJ。

　　4 结束语

　　基于EWOD 原理设计并制造了一种结构新颖的液体变焦透镜。实验结果表明, 该透镜具有结构简单、体积小、功耗低、变焦范围宽、速度快和成本低等突出优点, 在对透镜尺寸、功耗、寿命等有严格要求的光学系统中有着非常广阔的应用前景。

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