阅读说明：本技术 一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器 (Light beam adjuster based on dielectric wetting liquid prism array ) 是由 赵瑞 张凯 梁忠诚 于 2019-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器,由四个完全相同的双液体棱镜单元上下两层堆叠放置,其结构及排列方式如图所示。单个双液体棱镜单元由棱镜腔体(1)、电极(2)、绝缘层(3)、疏水层(4)、透明导电层(5)、下盖片(6)、导电液体(7)和绝缘液体(8)构成；腔体侧壁依次设有电极(2)、绝缘层(3)和疏水层(4),下盖片(6)上涂覆一层透明导电层(5),且与导电液体(7)接触；折射率不同、互不相溶且密度相当的导电液体(7)和绝缘液体(8)在棱镜腔体内部形成液-液分界面,通过电极(2)施加不同的工作电压,改变液-液分界面的形状,从而实现对光束的调整,包括对平行光束的扩束、缩束、平移、会聚与发散,以及对非平行光束的准直、会聚和发散作用。(The invention discloses a beam adjuster based on a dielectric wetting liquid prism array, which is formed by stacking an upper layer and a lower layer of four identical double-liquid prism units, and the structure and the arrangement mode of the beam adjuster are shown in the figure. The single double-liquid prism unit consists of a prism cavity (1), an electrode (2), an insulating layer (3), a hydrophobic layer (4), a transparent conducting layer (5), a lower cover plate (6), conducting liquid (7) and insulating liquid (8); the side wall of the cavity is sequentially provided with an electrode (2), an insulating layer (3) and a hydrophobic layer (4), and a transparent conducting layer (5) is coated on the lower cover plate (6) and is in contact with a conducting liquid (7); the conductive liquid (7) and the insulating liquid (8) which have different refractive indexes, are not mutually soluble and have the same density form a liquid-liquid interface inside the prism cavity, and different working voltages are applied through the electrode (2) to change the shape of the liquid-liquid interface, so that the adjustment of the light beams is realized, including beam expanding, beam shrinking, translation, convergence and divergence of parallel light beams, and collimation, convergence and divergence of non-parallel light beams.)

一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器

技术领域

本发明涉及一种光束调整器，尤其是一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，属于光电成像、光电检测、光信息处理器件的技术领域。

背景技术

自从进入21世纪，光学迎来大发展时期，光学准直器、光偏转器在移动通信、医学设备、数码拍照和军事领域得到了广泛的应用。传统的机械式光束偏转器大多是由多个棱镜或反射镜组成，存在结构复杂、成本高和设备笨重等问题。而且其结构一旦确定，偏转角度也会随之确定，只能通过光学器件的机械移动，才能改变其偏转角度。针对此现象，有学者提出了基于电光效应的非机械式光束偏转器，例如利用热塑性电光聚合物制成的光束偏转器[1]和液晶型的光束偏转器[2]，它们具有尺寸小、成本低和易于操作的优点。然而，上述器件存在驱动电压过大和偏转角度小的问题，一定程度上限制了其使用范围。

基于介电湿润效应的双液体棱镜单元，通过调整工作电压来控制液-液交界面的形状，实现对光束偏转的控制，其最大偏转角可以达到19.06°。将四个双液体棱镜单元按一定形式排列成阵列，则可以对光束进行多种调整，包括对平行光束的扩束、缩束、平移、会聚与发散，以及对非平行光束的准直、会聚和发散作用。由于双液体棱镜单元具有体积小、驱动电压低、响应速度快和易于阵列化的优势[3-4]。因此，双液体棱镜单元阵列构成的光束调整器将会在光电成像、光电检测和光信息处理等领域得到广泛的应用。

参考文献：

[1]Hsiu-Jen Wang,Brent Polishak,and Cheng-Sheng Huang,Electro_opticpolymer prism beam deflector,optical Engineering,Vol.48,No.11(2009) 114601-114607.

[2]Zhang cai,Huang Yongmei,and Qi Bo,Beam Steering Control Based onLiquid Crystal Spatial Light Modulator,CHINESE JOURNAL OF LASERS,Vol.38, No.9(2011)0905005-0905010.

[3]T.Krupenkin,S.Yang,and P.Mach,Tunable liquid microlens,Appl.Phys.Lett.,Vol.82,(2003)316–318.

[4]Armin Werber and Hans Zappe,Tunable microfluidic microlenses,Applied Optics,Vol.44,No.16,(2005)3238-3245.。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，实现对光束的调整，包括对平行光束的扩束、缩束、平移、会聚与发散，以及对非平行光束(汇聚光束和发散光束)的准直、会聚和发散作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，由四个结构相同的双液体棱镜单元组成，所述双液体棱镜单元分为上下两层堆叠放置，四个双棱镜单元呈中心对称放置；

各双液体棱镜单元均由棱镜腔体(1)、电极(2)、绝缘层(3)、疏水层(4)、透明导电层(5)、下盖片(6)、导电液体(7)和绝缘液体(8)构成；所述棱镜腔体置于最外层，其腔体侧壁由外至内依次设有电极、绝缘层和疏水层，所述疏水层的内部具有导电液体和绝缘液体，所述棱镜腔体的底部具有开口，所述开口处设置有下盖片，所述下盖片的上表面涂覆一层透明导电层，且与导电液体相接触；折射率不同、互不相溶且密度相当的导电液体和绝缘液体在棱镜腔体内部形成液-液分界面。

进一步的，四个双液体棱镜单元为上下两层堆叠放置，上层双液体棱镜单元的绝缘液体(8)位于顶部，导电液体(7)位于底部，下层双液体棱镜单元的导电液体(7)位于顶部，绝缘液体(8)位于底部。

进一步的，借助于介电润湿效应，通过电极施加0～70V的工作电压，改变液体棱镜腔体内部液-液分界面的形状，从而实现对光束的调整；当 U1＝U3＝U5＝U7＝65V，U2＝U4＝U6＝U8＝10V时，液-液分界面为平行平面，以实现平行光束的平移；当U1＝U4＝U5＝U8＝65V，U2＝U3＝U6＝U7＝10V时，液-液分界面为向内倾斜的平面，以实现平行光束的扩束；当U1＝U4＝U5＝U8＝10V，U2＝U3＝U6＝U7＝65V 时，液-液分界面为向外倾斜的平面，以实现平行光束的缩束；当U1＝U4＝U5＝U8＝10V，U2＝U3＝U6＝U7＝36V时，分界面为双凸球面，以实现平行光束的会聚，以及对非平行光束的准直、会聚和发散；当U1＝U4＝U5＝U8＝65V，U2＝U3＝U6＝U7＝36V时，分界面为双凹球面，以实现平行光束的发散，以及对非平行光束的准直、会聚和发散。

进一步的，光束调整器的工作性能取决于液体棱镜单元对入射光的偏转能力，而液体棱镜单元的偏转能力取决于导电液体(7)与绝缘液体(8)的折射率，以及分界面的饱和接触角。

进一步的，所述液-液分界面采用三液体双界面，即采用中间为绝缘液体(8)，两侧为导电液体(7)的液体棱镜单元代替上、下两层的双液体棱镜单元。简化了器件结构，减少了棱镜腔体对偏折角度的影响，从而可以提高控制精度，拓宽应用范围。

进一步的，本发明的液体棱镜单元个数并不仅限于四个，其个数为四的倍数即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明将基于介电润湿效应的液体棱镜单元进行阵列化排布，设计了一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，可实现对光束的多种调整功能，包括对平行光束的扩束、缩束、平移、会聚与发散，以及对非平行光束的准直、会聚和发散作用。该调整器具有结构简单、制作容易和成本低廉的优势。

创新之处在于：

1)基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，由多个双液体棱镜单元拼接而成，每个棱镜单元可独立控制，具有结构简单、加工便捷和控制方便的优势。

2)基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，在不改变装置结构的条件下，只需改变工作电压，就可以实现多种光束调整的功能，包括对平行光束的扩束、缩束、平移、会聚与发散，以及对非平行光束的准直、发散和会聚作用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2(a)为本发明实现平行光扩束功能的工作原理图。

图2(b)为本发明实现平行光缩束功能的工作原理图。

图2(c)为本发明实现平行光平移功能的工作原理图。

图3(a)为本发明实现平行光会聚功能的工作原理图。

图3(b)为本发明实现平行光发散功能的工作原理图。

图4(a)为本发明实现会聚光准直功能的工作原理图。

图4(b)为本发明实现会聚光发散功能的工作原理图。

图4(c)为本发明实现调整会聚光的会聚角度的工作原理图。

图5(a)为本发明实现发散光准直功能的工作原理图。

图5(b)为本发明实现发散光会聚功能的工作原理图。

图5(c)为本发明实现调整发散光的发散角度功能的工作原理图。

标号说明：棱镜腔体1、电极2、绝缘层3、疏水层4、透明导电层5、下盖片6、导电液体7、绝缘液体8。

应该说明的是：为了直观、清晰地阐述光束调整器的工作原理，图2(a)～图2(c)、图3(a)～图3(b)、图4(a)～图4(c)和图5(a)～图5(c)中均使用实线和虚线代替其原有结构。

具体实施方式

下文中，将参照附图来详细描述本发明的优选实施例。然而，这些实施例仅用于说明目的而并不限制本发明。

本发明提出一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器，其结构图如附图1所示，由四个完全相同的双液体棱镜单元组成，单个双液体棱镜单元由棱镜腔体1、电极2、绝缘层3、疏水层4、透明导电层5、下盖片6、导电液体7 和绝缘液体8构成；腔体侧壁依次设有电极、绝缘层和疏水层，下盖片上涂覆一层透明导电层，且与导电液体接触；折射率不同、互不相溶且密度相当的导电液体和绝缘液体在棱镜腔体内部形成液-液分界面。

根据本发明的需要，双液体棱镜单元的形状是横截面为正方形的长方体，其具体尺寸为10mm×10mm×20mm，绝缘层的厚度约为3.5μm，而疏水层厚度约为0.5μm，离子液体可以是C₈H₁₅IN₂(密度1.2124g/cm³，折射率1.572，表面张力54.7mN/m)，绝缘液体采用KF56硅油(密度0.995g/cm³，折射率1.497，表面张力26.5mN/m)与少量有机添加剂苯基溴(密度1.495g/cm³，折射率1.5590，表面张力38.14mN/m)的混合物。导电液体与绝缘液体的密度差异通过硅油和有机添加剂的混合比例来调节。粘度系数的差异可以通过在导电液体中加入表面活性剂的方式来调节。

本发明提出一种实现平行光束扩束、缩束和平移的光束调整器，其工作原理如附图2(a)～图2(b)所示。上、下两层双液体棱镜单元的液-液分界面相互平行，且都有一定的倾斜角度。当倾斜角度如附图2(a)所示，根据snell定理，光束将会向棱镜阵列两侧进行平移，实现扩束的目的。同理，当倾斜角度如附所示，光束将会向棱镜阵列中间进行平移，从而达到缩束的效果。而当倾斜角度如附图3(a)所示，所有光束将整体向棱镜阵列左侧进行平移，实现平移光束的功能。

本发明提出一种实现平行光会聚与发散的光束调整器，其工作原理如附图 3(a)～图3(b)所示。上、下两层双液体棱镜单元的液-液分界面具有一定的弯曲曲率，当分界面如附图3(a)所示时，该状态下的装置是为了实现平行光束的会聚。首先，平行光束垂直入射，依次通过上、下两层双液体棱镜单元的液-液分界面，并在分界面处发生折射现象，由于绝缘液体与导电液体具有一定的折射率之差，光束将获得一定的偏转角度，且两次偏转方向相同。当光束通过下层双液体棱镜单元的底部，光束同样会发生折射现象，且偏折方向与前两次偏折方向相同。通过电极施加工作电压来控制分界面的曲率，从而控制光束在分界面处的偏转角度，进而实现平行光束会聚的目的。当液-液分界面如附图3(b)所示，该状态下的装置实现的功能是平行光束的发散，其原理与平行光束会聚的原理类似，区别在于其上、下两层棱镜单元的分界面弯曲方向有所变化，不再是向外弯曲，而是向内侧弯曲，目的是使得光线偏折的方向一致，提高其控光的性能。

本发明提出一种实现会聚光准直、发散和会聚角调整的光束调整器，其工作原理如附图4(a)～图4(c)所示。上、下两层双液体棱镜单元的液-液交界面具有一定的弯曲曲率，会聚光分别在上层棱镜单元的顶部、液-液分界面和下层棱镜单元的液-液分界面处及其底部发生折射，其偏折方向相同，通过控制工作电压来改变两处液-液交界面的曲率，从而实现上述功能。当分界面如附图4(a)所示时，该状态下的装置是为了实现会聚光的准直。当分界面如附图4(b)所示时，该状态下的装置是为了实现会聚光的发散，其分界面的曲率大于会聚光准直时的曲率。当分界面如附图4(c)所示，该状态下的装置实现的功能是调整会聚光的会聚角度，其分界面的曲率小于会聚光准直时的曲率。

本发明提出一种实现发散光准直、发散和发散角调整的光束调整器，其工作原理如附图5(a)～图5(c)所示。上、下两层双液体棱镜单元的液-液交界面具有一定的弯曲曲率，发散光分别在上层棱镜单元的顶部、液-液分界面和下层棱镜单元的液-液分界面处及其底部发生折射，其偏折方向相同，通过控制工作电压来改变两处液-液交界面的曲率，从而实现上述功能。当分界面如附图5(a)所示时，该状态下的装置是为了实现发散光的准直。当分界面如附图5(b)所示时，该状态下的装置是为了实现发散光的会聚，其分界面的曲率大于于发散光准直时的曲率。当分界面如附图5(c)所示，该状态下的装置实现的功能是调整发散光的发散角度，其分界面的曲率小于发散光准直时的曲率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。