基于介质上电润湿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