聚焦电润湿透镜

Caty Fairclough 2015年 8月 31日

调整相机镜头的焦距可以改变视角。微型镜头也可以通过一种称之为电润湿 的方法来实现这种变化。电润湿方法通过施加电压来改变自由表面与固体表面接触点的受力平衡。然而,由于自由面会产生振动,致使我们无法立即捕捉到焦点。在本文中,我们将探讨施加电压时,维持自由面临界阻尼所需的最佳粘度值。

焦距简介

设想您正在拍照,并通过放大及缩小来获取最佳的拍摄效果。此时此刻,您便是在使用变焦镜头来改变相机的焦距。焦距是指当聚焦于拍摄对象时,镜头的光心或光聚集点与相机传感器之间的距离。

较短的焦距可获取更广的视角,同时拍摄对象也会变小。长焦距可以使拍摄对象放大,视角则会变得狭窄。

shorter focal length 聚焦电润湿透镜
longer focal length 聚焦电润湿透镜

左图:短焦距。右图:长焦距

传统的变焦镜头是通过使用移动部件来改变焦距的,然而这并不适用于微型镜头。作为替代,微型镜头可以使用电润湿等工艺来实现焦距的改变。

利用电润湿技术开发微流体透镜

电润湿是一种通过在导电流体与固定表面之间施加电压来改变接触点的受力平衡的工艺。对于单个镜头来说,电润湿技术可以改变流体的半月面形状,进而改变透镜焦距。

现在,让我们了解一下由 Philips FluidFocus 团队开发的电润湿透镜教学模型。

此教学模型由一个密封腔与两种不相溶的液体组成,下层液体为导电流体,上层液体为绝缘流体。两种液体的密度和粘度互相匹配。该教程还运用了一种称为介质上电润湿(electrowetting on dielectric,简称 EWOD)的技术,即在导电层上放置了一层较薄的电介质,作为固体表面。

施加电压时,透镜中的导电流体会增加,半月面的弯曲方向将会从凸面转变为凹面,如下图所示。

schematic cross section of the Philips FluidFocus lens 聚焦电润湿透镜
电润湿引起的弯曲方向变化。当施加电压时,弯曲方向从 A 转变为 B。图片来源:Philips。

这种变化来源于外加电压对表面润湿特性的改变,同时这种响应也引起了流体位置发生变化。变化的曲率能够改变焦距,我们便可以将两种流体之间的半月面用作变焦透镜。

尽管到目前为止,我们探讨的设计仅涉及了功能性方面,可能还无法实现快速 改变焦距。这带来的问题是,每次当您进行变焦操作时,都不得不等待相机镜头调整追踪图像的位置。为了避免这种情况,我们可以优化电润湿工艺以制备一种具有最快响应时间的透镜。

借助仿真优化电润湿透镜

当我们改变施加于电润湿透镜的电压时,流体的接触角会急剧地发生变化。我们可以从下面几张由 Philips 拍摄的照片中观察到这种变化。

electrowetting effect altering the contact angle when voltage is applied 聚焦电润湿透镜
半月面的形状在施加下列电压时的变化:C:0 V,D:100 V,E:120 V。图片来源:Philips。

上述变化带来了一种干扰,即会在界面中产生表面张力波。这可能会导致振动,同时振动衰减也需要一段时间。例如,在此教学模型中,当电压从 100 V 切换到 120 V 后,仍然有 2 ms 的时间可以观察到高阶模式。

fluid velocity magnitude and direction for electrowetting lens 聚焦电润湿透镜
pressure in the fluid and velocity for electrowetting lens 聚焦电润湿透镜

图片显示了在电压从 100 V 切换到 120 V 之后,2 ms 内电润湿透镜的情况。在这两种情况下,绝缘流体的粘度为 10 mPa·s。左图:流体速度幅值(颜色)和方向(箭头)。右图:流体压力(颜色)和边界速度(箭头)。

为了对透镜进行优化,我们希望通过将这一过程中半月面的振动减至最小来加速焦距转换。因此,需要在系统中加入临界阻尼来获取最快响应时间。

为了达到这一目的,我们通过调整绝缘流体的粘度来改变其阻尼。本教程借助了 COMSOL Multiphysics® 软件中的两相流,移动网格 接口来精确模拟两种不同流体的流动及测试不同的粘度值。

location of center of meniscus for different values of the viscosity 聚焦电润湿透镜
通过绘制不同时间点的半月面中心位置曲线来比较不同粘度值带来的变化。

从不同粘度值的测试结果来看,50 mPa·s 时最为接近临界阻尼,因此这一粘度值被视为电润湿透镜中的绝缘流体的最佳粘度值。

Philips FluidFocus 团队在他们的数值模型中运用了这种界面追踪方法。借助这一技术,他们开发了出一种具有较大变焦范围的电润湿微透镜。

miniature variable focus lens and camera 聚焦电润湿透镜
PHILIPS® 电润湿透镜和安装有此透镜的相机。图片来源:Philips。

下载教学模型,自己动手测试不同的粘度值及分析电润湿透镜涉及的物理现象。

扩展阅读

PHILIPS 是 Koninklijke Philips N.V 的注册商标


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