摘 要:近年来,微流体变焦透镜的研究已展示出其在光学系统中的应用前景,其中基于介质上电润湿(Electrowet-ting on dielectric,EWOD)的微流体变焦透镜只需改变外加电压便能快速调节透镜焦距,并且具有尺寸小、结构灵活、功耗低、焦距调节范围广等许多突出优点而日益受到注目。在介绍EWOD机理的基础上,综述了目前基于EWOD的微流体变焦透镜的研究进展。
0 引 言
在许多光学系统中,变焦透镜扮演着十分重要的角色。传统镜头一般由两片或更多透镜组合而成,有些甚至还需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,此类镜头易磨损,使用寿命较低,而且不易实现微型化。为实现变焦透镜的微型化并提高其使用寿命,目前国际上已经出现了许多新型方案:(1)充液型微变焦透镜[1,2],它通过改变充入腔体内液体的体积来改变腔体顶面PDMS薄膜的曲率,从而达到调节焦距的目的,但这种微透镜需要一个额外的泵,而且如果泵施加的压力过大,会对PDMS薄膜造成毁灭性的破坏。(2)基于液晶的微变焦透镜[3],它将透镜置于液晶氛围中,通过改变施加的电压来调节液晶的折射率,从而实现对透镜焦距的控制。这种微型透镜易于实现阵列化,但焦距可调范围比较小,并且由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。(3)基于介质上电润湿的流体变焦透镜[4],它利用外加电压来调节液面的曲率,进而改变透镜的焦距。
随着研究的进一步深入,基于介质上电润湿的流体变焦透镜以其突出的性能而越来越受到人们的重视。和传统机械变焦方法相比,这种通过改变液面曲率来实现变焦(模仿人眼结构)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,能方便应用于内窥镜和拍照手机等便携设备;易实现透镜阵列,在光互联系统和生物分析仪器,甚至在基因、蛋白以及医学临床系统中有着相当大的应用前景。基于电润湿的流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,折光率的可调范围更广。本文首先介绍EWOD的机理,然后在此基础上给出目前国际上提出的几种典型的基于EWOD的流体变焦透镜结构,并对它们的优缺点进行了讨论。
1 器件工作原理
光学系统中使用的光学组件的典型尺寸为几十至几百微米,在这个尺度下,液体的行为强烈地受表面张力的影响,表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。目前已经提出了很多种操纵微小液滴的方法,包括利用结构化表面[5]、热毛细管作用[6,7]、电化学效应[8]、介电电泳[9]和介质上的电润湿[10](EWOD)等,其中以直接用电控制离散液滴表面张力的EWOD法受到日益关注。
介质上电润湿是从电润湿(Electrowetting,EW)发展而来的。1936年,Aleksandr Froumkine利用电场来改变处于金属表面上的小水滴的形状,并成功的推动液滴在平板上运动,这种现象便被称为电润湿,它是通过在液滴和电极之间施加电场,来改变液-固表面的张力系数,从而改变接触角的大小。然而,对于这种液滴与电极直接接触的结构,接触角的改变量很小,而且易产生气泡,稳定性差。近年来研究发现在液滴与电极间插入一层薄的绝缘介质层后仍然可以用电控制液滴的接触角,从而被称为介质上的电润湿(Electrowetting on Dielectric, E-WOD)。如图1所示,改变液滴接触角所需的静电场是通过在液滴和平板电极间施加一定电压来完成的,平板电极内嵌于绝缘衬底,并且距液体与固体的交界面有一定距离。施加的静电场能改变固-液界面的自由能,使得接触角随之变化。接触角的变化θ( V)与外加电压之间的关系由Lippmann–Young方程描述
其中V是所加电压;θ0是V =0时的初始接触角;γLV是液体和周围媒质交界面处的表面张力;εr是衬底绝缘层的介电常数;ε0是真空介电常数;d是平板电极与固_液界面之间的绝缘层的厚度。
利用介质上电润湿,可以制作出由微小液滴组成的变焦透镜,其基本结构如图2所示。当小液滴置于疏水绝缘层上时,在表面张力的作用下,液滴与疏水绝缘层之间的初始接触角为钝角,液面曲率大。入射平行光线经过液滴时发生折射而会聚于一点[图2(a)],此时液滴形成的透镜的焦距短。当在液滴与电极间施加一定电压时,由于EWOD效应,液滴的接触角将减小,液面的曲率也随之减小,入射光线经液滴后将会聚于较远的点,透镜焦距增大[图2(b)]。在液滴接触角未饱和的情况下,所加电压越高,EWOD效应将越明显,液滴接触角及液面曲率越小,透镜焦距越大,从而达到通过改变控制电压来调节透镜焦距的目的。
2 基于介质上电润湿的流体变焦透镜
利用EWOD效应,通过外加电压来调节液面的曲率,就可以实现对透镜焦距的控制。与其它结构相比,这类透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点,越来越受到人们的青睐。目前,国外已有许多单位在研究这类透镜,而且进展很快,有的已经产品化了,例如Philips公司于2004年3月发布了一款名为FluidFocus的可用于拍照手机等便携设备的流体变焦透镜。下面就对目前提出的几种典型的可变焦微透镜结构加以介绍。
2.1 微加工平面电极流体变焦透镜(μPELL)[11]
2001年,美国加利福尼亚大学的SunghoonKwon和Luke P. Lee首先提出了基于EWOD的微流体变焦透镜的原型。它的特点是采用电容耦合方式施加电压,从而避免了电极直接插入液滴,大大减小了由于液滴形状失常所带来的光学失真。整个结构采用空气液体接触,折光率达到500m-1,30%的变焦范围,响应时间为100ms,典型工作电压为200V。具体结构如图3(a)所示。
整个结构可分为四个部分:透明电极阵列、电解液小液滴、疏水绝缘层以及密闭腔室。液滴大小约为1μl,横向尺寸约为2mm。该结构采用一组透明的同心圆环电极,处于中心的是地电极,其余为控制电极。地电极与液滴、液滴与控制电极间分别形成电容,当在控制电极和地电极间施加电压时,由于电容耦合效应,使得液滴与控制电极间形成电势差,进而改变液滴与疏水绝缘层间的接触角,达到调节焦距的作用。
然而这种结构的实用性不高。首先,为了得到高的数值孔径,该结构采用了液体空气接触,这样液滴的蒸发就是个很大的问题,虽然液滴是处于封闭结构中,理论上液滴可处于它的蒸汽氛围中,但更可取的是让液滴完全沉浸在另一种与形成透镜的液体不相融的液体中。另外,这种结构不具有光轴自居中特性,而且受重力影响严重,当结构倾斜或抖动时,会影响光轴位置。还有,把离散的透明电极阵列制造在光路上对成像质量也会有不小影响。
2.2 三维可调液体显微透镜[12]
大多数变焦透镜的焦点只能沿着光轴作一维的运动,而2003年贝尔实验室和美国朗讯科技的T.Krupenkin, S. Yang等人研究出一种结构新颖的流体变焦透镜,这种透镜的最大特点是既可使焦点位置沿光轴变化,又可在一个平面内调整液滴自身的横向位置,从而实现焦点位置在三维空间内可调。
如图4(a)所示:在绝缘材料上开了一个孔,使得液滴与地电极直接接触。通过在所有控制电极上施加相同的电压(图4(b)中V1=V2=V3=V4),可均一地改变液滴的接触角,进而改变液面曲率;通过施加不同偏置电压于控制电极(如V1>V3, V2=V4),可使液滴向高电压电极一侧移动,从而调整液滴的横向位置。液滴完全沉浸在另一种与形成透镜的液体不相融的液体中,这样可以带来很多好处:首先,它能阻止透镜液滴蒸发;其次,通过控制这种外围液体的化学组成,可调整它的密度以适应液体透镜的密度,从而消除对透镜操纵时重力的影响;再者,通过选择外围液体的固有折射率,可以调整液体透镜的初始焦距;最后,通过选择外围液体的化学组成,可以使得它同时起到润滑液体的功能。
原型器件含四个控制电极(外径3mm、中央孔直径1mm)。各电极由250μm的间隙隔开,并且每个控制电极又被125μm的间隔分成3个相等的电连接片,如图4(b)所示。电极图案是刻蚀在ITO玻璃上的,然后覆盖150nm的氮化硅作为绝缘介质层,再淀积一层1μm厚的Cytop○R含氮聚合物作为疏水层。透镜由6μl的硫酸钾水溶液(0.01mol/L)构成,还可加入约0.1μl的硅油(T11, Gelest Inc)形成润滑层。
这种结构的焦距可调量约为初始值的20%,横向位置可调量约为透镜直径的35%;显微透镜的响应时间约在5ms左右;当加入润滑液体时,最低起始驱动电压仅为10V。但在该结构中,如果想让液滴精确地移动到某个横向位置是非常困难的,因为液滴移动的速度很快,一旦加电超过阈值(如V1>V3,V2=V4),则液滴会迅速向V1电极移动,直到边界处。其次,这种结构没有稳定光轴的机制,也即当外加电压确定后,装置的摇晃抖动会使光轴位置改变,从而限制了这种结构的应用范围。另外,液滴下不均匀的电极结构也会对成像质量造成影响。
2.3 梯度电极结构的流体变焦透镜[13,14]
UMR光谱实验室的Berge等人提出的透镜结构如图5所示。
绝缘液滴约为15μl,中心部分直径5mm。透镜由两种液体组成[见图5(a)]:(1)绝缘非极性液体(1_bromo_dodecane);(2)导电溶液(Na2SO4溶液,加入少量poly_ethylene_glycol用以调整密度)。这两种液体密度相同,而折射率不同,可以消除重力对油液界面形状的影响,使得即使在倾斜状态下,界面也是标准球面。绝缘层采用中间厚边缘薄的凸形特殊结构,这样使得透镜光轴在外加电压不为零的情况下能稳定在中心位置,而不会受外界摇动的影响。凸形绝缘层实际上也是一个透镜,通过特殊的设计,还能对光路进行矫正,消除光学失真。另外,为了使得在未加电状态下液滴处于图示的A状态,对绝缘层表面也作了特殊处理:图标的阴影线部分被处理成亲水区,而中心非阴影线部分则被处理成疏水区。
当施加电压为250V、1kHz时,功耗仅为几个毫瓦;施加电压为200V时,折光率(1/f)为30m-1~100m-1;响应时间约为十几毫秒。
另外,Berge还对如何使得液滴在加电状态下能稳定在中心位置进行了更详细的介绍[15],主要分两类:凸形绝缘层结构和凹型电极结构。这两种结构中,凹型电极结构更加灵活,可以根据需要将侧壁电极制作为不同的斜度;制作工艺也相对简单;可调范围更广,甚至可以由凸透镜变为凹透镜,从而更具实用性。
2.4 筒式流体变焦微透镜[16,17]
2004年,飞利浦研究实验室的Benno Hendriks等人根据人眼的结构,研制出一种高性能的仿生流体变焦微透镜,如图7所示。
整个结构高5.5mm,宽4mm;圆柱体外径4mm,内径3mm,如图7所示。处在最下面的是640×480像素的CMOS成像传感器数组;紧接着是一个塑料透镜,用于矫正成像清晰度;接着便是液体透镜,其中靠近CMOS数组一端的是油;然后是一个玻璃密封板,还有一个缩短了的玻璃球体,用以实现将所有波长的光会聚于一点,进一步提高成像清晰度;这之后又是一个塑料透镜,其功能相当人眼的角膜;最后是固定光圈。
将含少量盐的水形成的液滴注入玻璃圆筒里,再注入油用以包含该液滴,油和水共同完成透镜功能,它们的新月形交界面的形状便决定了该透镜的焦距大小。圆柱体容器由四层构成[图8(a)],由内到外依次是:类Teflon的疏水涂层,电绝缘层,电极,玻璃。为了与盐水的密度相匹配,油采用特殊硅油的混合物(phenyl_methyl_siloxanes),类Teflon的疏水涂层具有非常强的疏水性,以至于液滴几乎不圆筒相接触,在它们之间是一层薄薄的油层。
这种透镜最大特点是仿造人眼结构进行设计,为了得到锐利清晰的图像,采取了很多措施:采用一个压缩了的玻璃球体,用以实现将不同波长的光会聚于一点;一个塑料透镜,对即将传送到CMOS成像器前的光进行矫正,模拟了弯曲的视网膜结构,使得成像进一步清晰锐利。同时,通过改变施加的电压,透镜既能像凸透镜会聚光线,又能像凹透镜那样发散光线。该结构采用的是筒型电极方法,具有抗倾斜和抖动的特性,光轴能自稳定而不会随透镜的倾斜而变动。典型响应时间为10ms;折光率典型值为150m-1;焦距变化范围2.85mm~3.55mm,可以对2cm到无穷远距离的物体清晰成像;工作温度为-30℃~+60℃,工作温度范围为-40℃~+85℃。
无论从结构还是性能上看,这种器件都达到了产品化的水平。另外,还可以将整个圆筒电极分割为多片,从而提高透镜曲面的局部可调性,满足影像特殊的需要。
3 结 论
基于EWOD的流体变焦透镜由于具有尺寸小、功耗低、结构灵活、响应快、焦距调节范围广等突出的优点,越来越受到人们的重视。
国外在这方面研究发展很快,有些已进入产品化阶段,市场应用前景非常广阔。例如法国Variop-tic公司计划2005年底开始量产这种微流体透镜,该公司已将生产技术出售给韩国三星电机公司(Samsung Electro_MechaNIcs Co. Ltd.),使用液体镜头的手机可望于2006年初投放市场,预计月产量为100万个。目前另有8家公司正在对Varioptic公司技术进行评估,这些公司希望将微流体透镜应用在车载相机、条形码读取器、PC相机等各种领域。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(10472055);清华大学基础研究资金项目(JC2003060)
作者简介:康明(1981_),男,江西省人,清华大学硕士研究生,从事微流控技术研究。
E-mail:kangming00@mails.tsinghua.edu.cn
