[发明专利]片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜

说明书

技术领域

本发明涉及流体光学微透镜，尤其是一种焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。

背景技术

现有的流体微透镜，通常采用液-液透镜，一般均为片外聚焦型流体微透镜，无法实现片上系统的集成。最近，怀特赛兹教授小组开发了一种可动态调节液-液透镜表面曲率的微透镜，实现了片内焦距可调(Tang,Sindy K.Y.；Stan,Claudiu A.；Whitesides,George M，Dynamically reconfigurable liquid-core liquid-cladding lens in a microfluidic channel，Lab.Chip.,8(2008):395-401，基于微流体通道的动态可调液体芯层-液体包层透镜，片上实验室，8(2008):395-401)。然而，利用液-液透镜界面实现的微透镜需要很高的层流速度来保持该曲面的稳定，意味着为保证微透镜的稳定持续的工作，必须不间断注入大流量的液体。

发明内容

为了克服已有微透镜的无法动态调整焦距和焦斑、灵活性较差的不足，本发明提供一种有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。

所述芯层流道、包层流道平行布置，且所述包层流道与所述微腔的轴线呈相互垂直布置。

本发明的技术构思为：与现有的液-液透镜相比，渐变折射率流体微透镜(L-GRIN)基于不同折射率层流的扩散和对流原理工作，而不是依赖于固定的液-液曲面，因此不需要高层流速度，经证实对液体的消耗量比液-液透镜少了100多倍。并且微透镜是通过动态调节流体条件，而非改变微透镜表面曲率来实现折射率渐变的，因此其光学特性实时可调谐。从原理上来看，渐变折射率流体微透镜(L-GRIN)有可能实现片内焦距与焦斑动态可调。

本发明的有益效果主要表现在：有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好。

附图说明

图1是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的结构图，其中，x、y、z代表坐标轴，x轴方向代表流体流动方向、同时也是入射光束传播方向，yoz代表垂直光轴的截面，xoy代表包含光轴的截面。

图2是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的截面图。

图3是选取五个不同位置处的截面折射率的分布图。

图4是通过调整质量分数所调整的焦距的结果变形趋势图。

图5是横截面沿着液体流动方向上不同的折射率分布图。

图6是流速对焦距的影响图。

图7是沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布图。

图8是模拟的数据和拟合的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔1、芯层流道2、包层流道3和出口流道4，所述包层流道3与所述微腔1的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道2与芯层入口5连通，所述芯层入口5的内径比所述微腔1的内径小，且所述芯层入口5与所述微腔1在同一根轴线上，所述芯层入口5的出口处与所述包层流道3连通且正对所述微腔1的进口，所述微腔1的出口与所述出口流道4连通。

所述芯层流道2、包层流道3平行布置，且所述包层流道3与所述微腔1的轴线呈相互垂直布置。

本实施例中，芯层液体和包层液体分别注入通过芯层入口5和包层入口，分别通过出口流出。流体微透镜的主要部分是一个微型圆柱腔，圆柱腔内的流体的扩散和对流过程将会出现渐变折射率分布。流体微透镜的截面设计如图2，入口直径设计为50μm，包层进口的直径设计为150μm。乙二醇溶液(芯层液体)与去离子水(DI，包层液体)同时注入腔体，xoy截面上轴对称的渐变折射率分布：近轴折射率最大，沿着腔中心轴线方向和垂直轴线方向的折射率分布渐变减小。