基于介电润湿技术的微流体光学器件设计、建模与仿真

摘要

传统光学系统多是机械式的，不仅体积庞大、系统复杂性高、费用昂贵，而且响应速度慢、可靠性差、精确度低、能耗高。而基于介电润湿效应的光学元件因具有简单的制造工艺、大孔径、响应速度快、低能耗和低电压操作实现广角变化（这可被用于广角转向）的优点，成为了平面光学元件领域一个热门话题。本文设计基于介电润湿效应（EWOD）的光轴可调的双液体光学透镜以及液体棱镜系统，并对其工作特性进行了分析，主要研究工作如下：
　　1、阐述了电润湿技术的研究进展、电润湿器件的发展趋势和研究现状，介绍了介电润湿效应的工作原理和理论基础。
　　2、设计了一种基于介电润湿效应的光轴可调的液体变焦光学透镜。理论上，利用Young-Lippmann方程，推导了焦距与电压的关系式以及偏移角与电压之间的关系；借助于Comsol仿真软件，构建了介电润湿液体光学透镜物理模型，通过在透镜腔体壁面施加四个工作电压，成功地模拟了在电压控制双液体界面面型的变化过程；添加光学物理场，成功描绘出平行光束经该液体透镜后出射光聚焦情况，分析了不同电压组合下光轴偏移情况及系统焦距变化。
　　3、设计了基于介电润湿效应的液体光学棱镜。理论上，利用高斯光学公式，推导了两种光学棱镜的光束偏转能力。借助于Comsol仿真软件，构建了介电润湿液体光学棱镜的物理模型，通过在棱镜腔体壁面施加四个工作电压，仿真模拟了电压控制下界面面型的变化过程。结果表明，在特定电压组合下，双液体界面可实现传统光学棱镜对光束控制和偏转功能。添加光学物理场，成功描绘平行光束经该液体棱镜后出射光的偏折情况，并分析了光束偏移量与工作电压之间的关系。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2研究现状

1.3主要研究内容

第二章 电润湿的理论基础

2.1界面理论

2.2电润湿原理

2.3本章小结

第三章 基于介电润湿效应的光轴可调的液体变焦透镜

3.1工作原理

3.2模型构建

3.2.1 COMSOL 软件简介

3.2.2理论建模

3.3仿真分析与讨论

3.3.1四个电极施加相同电压

3.3.2两个相对电极加电压，其余电极不加电压

3.3.3两个相邻电极加电压，其余电极不加电压

3.4工作性能的计算与分析

3.4.1光轴偏移角与侧壁接触角的关系

3.4.2透镜焦距与工作电压的关系

3.5本章小结

第四章 基于介电润湿效应的液体光学棱镜

4.1透射式液体棱镜

4.1.1工作原理

4.1.2仿真模拟

4.1.3分析与讨论

4.2反射式液体棱镜

4.2.1偏转角公式推导

4.2.2仿真模拟

4.2.3测试与分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢