張 晗，林新迪，侯月陽(yáng)，3，張競(jìng)天，3，孫建鴻，張宏超，屈 科，徐榮青

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院·南京·210023；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109；3.上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·上?！?01109；4.南京理工大學(xué) 理學(xué)院·南京·210094 )

0 引 言

基于電潤(rùn)濕效應(yīng)[1]的雙液體變焦透鏡以通過(guò)外加電壓改變液面曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦。與傳統(tǒng)的機(jī)械式光學(xué)鏡頭相比，其具有質(zhì)量小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、焦距可調(diào)范圍廣和成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[2]，具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其適合應(yīng)用于無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的變焦成像系統(tǒng)。電潤(rùn)濕液體透鏡[3-4]是通過(guò)施加電壓驅(qū)動(dòng)的,不同的電壓實(shí)現(xiàn)不同焦距的變焦。要達(dá)到較大的變焦范圍，電源的變壓范圍往往要達(dá)到上百伏，電源的成本往往比較高。為了尋求經(jīng)濟(jì)、高效的電潤(rùn)濕液體透鏡驅(qū)動(dòng)方式，本文以具有相同有效值(RMS)的交流電、交直流混合電、直流電作為液體透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)驗(yàn)研究了采用3種不同驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的響應(yīng)波形及變焦規(guī)律。研究結(jié)果表明，相較于交直流混合電壓與直流電壓，使用交流電壓可提高電潤(rùn)濕液體透鏡的驅(qū)動(dòng)效率。

1 基本原理

1.1 電潤(rùn)濕液體透鏡的變焦原理

電潤(rùn)濕(Electrowetting，EW)是指通過(guò)改變液滴與絕緣層(介電層)之間的電壓，來(lái)改變液滴在絕緣層上的潤(rùn)濕性(即改變接觸角)，使液滴發(fā)生形變、位移的現(xiàn)象。如圖1所示，將一滴導(dǎo)電液體滴在鍍有絕緣層的金屬平板上，當(dāng)外加電壓U為0時(shí)，液體界面呈虛線所示面形。此時(shí)，液體與絕緣層之間的接觸角為θ0。根據(jù)楊氏方程可知

(1)

在式(1)中，γsg為固體與氣體間的界面張力，γsl為固體與液體間的界面張力，γlg為液體與氣體間的界面張力。

當(dāng)外加電壓由0變?yōu)閁時(shí)，在液體與電極間的絕緣層中將產(chǎn)生電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，介電層的疏水性發(fā)生改變，于是液-氣-固三相間的表面張力將發(fā)生變化。由于該液滴的體積不變，所以液滴界面形狀會(huì)在表面張力的作用下發(fā)生變化，致使其與絕緣層的接觸角大小發(fā)生改變。液體界面所呈現(xiàn)的面形由如圖1中的虛線變?yōu)閷?shí)線，即液體與絕緣層之間的接觸角由θ0變?yōu)棣取?/p>

圖1 電潤(rùn)濕效應(yīng)示意圖Fig.1 Diagram of the electrowetting effect

基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的雙液體變焦透鏡利用電潤(rùn)濕效應(yīng)的原理、通過(guò)外加電壓來(lái)改變透鏡的焦距。本文采用的透鏡的模型為僅有單層介電薄膜的圓柱形雙液體變焦透鏡[5]，如圖2所示。

圖2 雙液體變焦透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the double-liquid variable-focus lens

本文采用的是圓柱型銅管，在管內(nèi)壁鍍有一層絕緣層。向管中注入兩種透明、密度相同而又互不相溶的液體，一種為絕緣的非極性液體，另一種為導(dǎo)電的水溶液，且這兩種液體的折射率不同。折射率不同，是為了保證光束在液體界面處發(fā)生較大的折射，可以實(shí)現(xiàn)透鏡聚焦或發(fā)散功能。密度相同，可以保證兩種液體界面在各個(gè)方位都不受重力的影響，從而使兩種液體界面始終可保持球形界面。在導(dǎo)電液體和電極之間施加電壓，絕緣層兩邊會(huì)積聚電荷，積聚的電荷可以有效地改變電液體與圓柱管內(nèi)壁的界面張力，從而改變液體與圓柱管內(nèi)壁的接觸角，導(dǎo)致球形界面曲率發(fā)生變化，以最終實(shí)現(xiàn)變焦[6]功能。

根據(jù)高斯光學(xué)理論，雙液體變焦透鏡的焦距f與外加電壓U變化的關(guān)系式可描述為

(2)

在式(2)中，r為圓柱體內(nèi)腔的半徑；n1為絕緣液體的折射率；n2為導(dǎo)電液體的折射率；θ0為沒(méi)有施加電壓時(shí)的初始接觸角；ε0為真空介電常數(shù)；εr為介質(zhì)材料相對(duì)的介電常數(shù)；γ12為兩種液體界面的張力；e為介質(zhì)層厚度；U為所加電壓值。

1.2 測(cè)試原理

根據(jù)Young-Lippmann方程[7-8]可知，當(dāng)施加電壓改變時(shí)，透鏡接觸角將發(fā)生改變，從而改變液體透鏡的焦距。當(dāng)入射光線通過(guò)透鏡出射時(shí)，不同焦距對(duì)光線的擴(kuò)散或匯聚程度不同。相同密度的光強(qiáng)通過(guò)不同焦距的透鏡，在相同位置處獲得的光強(qiáng)密度不同，從而固定受光面積上的光強(qiáng)也不同。

(1)當(dāng)液體透鏡表現(xiàn)為凸透鏡時(shí)

圖3 近軸光線經(jīng)過(guò)凸透鏡時(shí)光束變換的示意圖Fig.3 Schematic diagram of the beam transformation when the paraxial ray passes through the convex lens

圖3為近軸光線經(jīng)過(guò)凸透鏡時(shí)光束變換的示意圖，f為液體透鏡的焦距，D0為入射光束的直徑，I0為中心處光強(qiáng)；距離液體透鏡L處的光束直徑為D1，中心光強(qiáng)為I1；光電探測(cè)器受光面的直徑為D2，接收到的光強(qiáng)為I2。假設(shè)光束分布均勻，由能量守恒定律可得

(3)

即有

(4)

由幾何光學(xué)可得

(5)

即有

(6)

如果L相對(duì)f足夠長(zhǎng)，可以滿足：I0?I1,

則上式可以改寫(xiě)為

(7)

(2)當(dāng)液體透鏡表現(xiàn)為凹透鏡時(shí)

圖4為近軸光線經(jīng)過(guò)凹透鏡時(shí)光束變換的示意圖，f為液體透鏡的焦距，D0為入射光束的直徑，I0為中心處的光強(qiáng)；距離液體透鏡L處的光束直徑為D1，中心光強(qiáng)為I1；光電探測(cè)器受光面的直徑為D2，接收到的光強(qiáng)為I2。

圖4 近軸光線經(jīng)過(guò)凹透鏡時(shí)光束變換的示意圖Fig.4 Schematic diagram of the beam transformation when the paraxial ray passes through the concave lens

假設(shè)入射光束分布均勻，由能量守恒定律可得

(8)

(9)

由式(8)和式(9)可得

(10)

如果L相對(duì)f足夠長(zhǎng)，滿足I0?I1，則有

(11)

綜上所述，針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)電壓，無(wú)論液體透鏡表現(xiàn)為凹透鏡或是凸透鏡，當(dāng)L相對(duì)于透鏡的焦距f足夠大時(shí)，都滿足

(12)

1.3 變焦過(guò)程的測(cè)試裝置

圖5為響應(yīng)波形測(cè)試系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由一個(gè)氦氖激光器、液體透鏡、小孔光闌、光電探測(cè)器、函數(shù)發(fā)生器、示波器組成。氦氖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、光束質(zhì)量好、單色性高、穩(wěn)定性高，適合作為光源。光電探測(cè)器選用的是具有高靈敏度的光敏元器件，該器件可以克服波動(dòng)和噪聲的影響，能夠區(qū)分出微弱細(xì)小的光信號(hào)，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。數(shù)字示波器的主要功能是接受光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，它能將實(shí)時(shí)變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成橫軸為時(shí)間、縱軸為電壓值的波動(dòng)曲線。測(cè)量過(guò)程中需要調(diào)整氦氖激光器、液體透鏡、小孔光闌、光電探測(cè)器于同一光軸上，同時(shí)要使光電探測(cè)器置于液體透鏡未加電壓時(shí)光束的束腰處，具體做法就是調(diào)節(jié)小孔光闌的位置，使得輸出信號(hào)最強(qiáng)。

圖5 響應(yīng)波形測(cè)試系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of hardware logic structure of response waveform test system

以交流電為例，設(shè)置函數(shù)發(fā)生器為脈沖模式，選取頻率為1kHz的正弦波作為驅(qū)動(dòng)電壓波形，掃描間隔為1ms，掃描周期為500ms。

圖6 交流電驅(qū)動(dòng)波形示意圖Fig.6 Diagram of AC drive waveform

利用圖6中波形的上升沿和下降沿模擬對(duì)液體透鏡施加電壓和斷開(kāi)電壓的過(guò)程。在液體透鏡受到電壓驅(qū)動(dòng)的瞬間，液面曲率從靜置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫?yīng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)變焦。此時(shí)，激光通過(guò)透鏡后的光通量隨著液面曲率的改變而改變，光通量的改變過(guò)程由光電探測(cè)器捕獲并在示波器中以時(shí)間-電信號(hào)的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電信號(hào)的大小代表著液體透鏡對(duì)光的匯聚能力，因此示波器中的波形可間接反映液體透鏡液面的運(yùn)動(dòng)情況及焦距的變化情況。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)所用到的電潤(rùn)濕液體透鏡采用金屬銅作為圓柱管的材料，內(nèi)壁半徑為2mm，內(nèi)壁鍍厚度為2μm的派瑞林作為疏水介電層，在其外旋涂厚度為0.9μm的特氟龍(Teflon AF1600)材料作為疏水層。向圓柱管中注入兩種透明且互不相溶的液體，一種為絕緣的非極性液體(溴代十二烷)，另一種為導(dǎo)電的水溶液。圓柱管的兩邊分別用導(dǎo)電ITO玻璃片和蓋玻片進(jìn)行密封。按照?qǐng)D5所示的方式將液體透鏡連接在高壓放大器上。

通過(guò)設(shè)置函數(shù)發(fā)生器改變偏置量及驅(qū)動(dòng)波形，實(shí)現(xiàn)交流電、交直流混合電、直流電3種驅(qū)動(dòng)電壓。取3種驅(qū)動(dòng)電壓的有效值為43V，分別驅(qū)動(dòng)電潤(rùn)濕液體透鏡。將從示波器中獲取的波形數(shù)據(jù)經(jīng)去噪平滑處理之后，得到液體透鏡在不同驅(qū)動(dòng)電壓下的響應(yīng)波形，如圖7所示。

圖7 不同驅(qū)動(dòng)電壓下液體透鏡響應(yīng)波形圖Fig.7 Response curves of liquid lens at different driving voltages

示波器測(cè)得的信號(hào)是電壓，取之于光電探測(cè)器的輸出，而光電探測(cè)器的輸出電壓正比于光強(qiáng)。結(jié)合式(7)可知，圖7中的值對(duì)應(yīng)電潤(rùn)濕液體透鏡的焦距，值越大，變焦越大，其驅(qū)動(dòng)效率越高。如圖7所示，在進(jìn)行交流電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定后其值最大，故驅(qū)動(dòng)效率最高，交直流混合電壓驅(qū)動(dòng)效率次之，直流電壓的驅(qū)動(dòng)效率最低。這是由于直流驅(qū)動(dòng)一般會(huì)導(dǎo)致電荷在兩極累積，由此形成反向電勢(shì)，造成驅(qū)動(dòng)能力下降，電潤(rùn)濕效率變低；交流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效率高，是因?yàn)榻涣魇沟眠M(jìn)入電極的電荷不斷地被中和，保持了電中性。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)雙液體變焦透鏡施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)得了液體透鏡在相同有效值的交流電(AC)、交直流混合電、直流電(DC)作用下的響應(yīng)波形，結(jié)合測(cè)試機(jī)理可知交流電相比于交直流混合電與直流電，對(duì)液體透鏡具有較高的驅(qū)動(dòng)效率，更適合作為液體透鏡的驅(qū)動(dòng)源，并根據(jù)電極的電荷累積效應(yīng)[9]合理解釋了這一結(jié)果。