CN101539639A - 一种可改变光轴的双液体变焦透镜 - Google Patents
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Abstract
一种可改变光轴的双液体变焦透镜，在石英玻璃管侧壁的内外侧分别镀有导电薄膜B和导电薄膜A，导电薄膜B内贴附有疏水介质层，疏水介质层内填充有密度相同且互不相溶的导电液和绝缘液体，石英玻璃管下端面固接有端盖，端盖与石英玻璃管之间设置有导电薄膜C，导电薄膜C与电源的负极相连接，电源的正极分别与导电薄膜A和导电薄膜B相连接，导电薄膜B和导电薄膜A分别沿石英玻璃管的径向分为至少四等分，导电薄膜A和导电薄膜B等分后的各部分之间相互绝缘，设置与等分相等数量的电源，等分后的导电薄膜B和导电薄膜A分别与各自的电源相连接。本发明变焦透镜结构简单、成本低，在可视范围内可偏离光轴进行对焦。
Description
技术领域
本发明属于微光学技术领域，涉及一种双液体变焦透镜，具体涉及一种可改变光轴的双液体变焦透镜。
背景技术
变焦透镜在光学系统中具有十分重要的作用。近年来随着光通信技术的发展，微型变焦透镜的需求随之增大。长久以来对透镜光学系统不断进行优化设计，结构复杂、造价昂贵的传统机械运动透镜组，已濒临所能达到尺寸的极限，不能满足产业发展的需求。为实现变焦透镜的微型化并提高其使用寿命，目前国际上已经提出了一些新型变焦微透镜技术，液体透镜就是其中的一种，相较于其他新型微透镜而言，液体透镜的结构最为简单，且成像质量较好。
通过外加电压改变部分浸润性导电液体接触角的现象，称为电湿效应(electrowetting)，电湿效应可用于控制微小液滴的表面曲率。光学系统中使用的光学组件的尺寸大多为几十至几百微米，在这个尺度下，液体的行为受到表面张力的强烈影响，表面张力已经超过其它力而成为主导作用力。
传统的液体透镜，基于平面电极的底座，在一个带平板电极和疏水性表面介质层的衬底上面放置导电液滴(微升量级)，电压加在液滴和平板电极之间。液滴和电极间没有电压时，由于介质层疏水，液滴与介质层表面的接触角为钝角。液滴和电极间施加电压后，感应出的自由电荷或极化电荷改变了液滴与介质层界面的自由能，使该界面上的润湿特性发生变化，导致液滴与介质层表面的接触角减小。此液体透镜不仅可以改变焦距，还可以控制透镜在平面上的运动。但传统液体透镜的结构没有稳定光轴的机制，也即当外加电压确定后，光学系统的摇晃抖动会使透镜的光轴位置改变，影响成像质量，限制了这种结构的应用范围。
为了稳定光轴和保证成像质量，提出了一种双液体透镜的设计方案：圆柱形玻璃管中填充两种透明、密度相同且互不相溶的液体，其中一种液体是导电的水溶液，另一种液体是绝缘的非极性液体。该两种液体具有不同的折射率，使两种液体的界面在任何方位都能保持球面形状。玻璃圆柱体的内壁依次沉积了一层透明电极和一层疏水介电层。在导电液体和透明电极之间施加电压，该电压可以有效地改变导电液体与疏水介电层之间的界面张力，即改变导电液体与疏水介电层的接触角。而接触角的改变决定圆柱形玻璃管中填充的两种液体的界面形状，进而改变液体透镜的焦距。但这种双液体透镜的透光性较差，不能施加均匀电场，且该透镜中的圆柱形电极大而厚，无法改变光轴并进行方向性对焦。
发明内容
本发明的目的是提供一种可改变光轴的双液体变焦透镜，用于光学系统中，可改变光轴并进行方向性对焦。
本发明所采用的技术方案是，一种可改变光轴的双液体变焦透镜，包括圆筒形石英玻璃管，石英玻璃管内壁内侧和外壁外侧分别镀有导电薄膜B和导电薄膜A，导电薄膜B内侧贴附有疏水介质层，疏水介质层内填充有密度相同且互不相溶的导电液和绝缘液体，石英玻璃管的下端面固接有端盖，端盖与石英玻璃管之间设置有导电薄膜C，导电薄膜C与电源的负极相连接，电源的正极分别与导电薄膜A和导电薄膜B相连接，导电薄膜A和导电薄膜B分别与导电薄膜C绝缘，导电薄膜A沿石英玻璃管的轴向、在石英玻璃管外壁的外侧圆周上均匀分为至少四等分，各等分之间设置有厌水绝缘条A使各部分之间相互绝缘，导电薄膜B沿石英玻璃管的轴向、在石英玻璃管内壁的内侧圆周上均匀分为至少四等分，各等分之间设置有厌水绝缘条B使各部分之间相互绝缘，厌水绝缘条A和厌水绝缘条B将石英玻璃管分为相应等分的象限，每个象限内分别有一导电薄膜A和一导电薄膜B，与象限相对应设置数量相等的电源，不同象限内的导电薄膜A和导电薄膜B与各自的电源的正极连接。
本发明的特征还在于，
导电薄膜A与导电薄膜B的等分数量为四的倍数，导电薄膜A和导电薄膜B的等分数量必须一致，并且与电源数量一致。
本发明变焦透镜采用四倍数象限的圆柱形电极液体透镜，在可视范围内，使液体透镜能够达到变焦的目的，同时液体透镜的光轴可以自由变化，达到偏离光轴聚焦的目的，使得变焦透镜能进行方向性对焦。整个系统结构简单、体积小、重量轻、造价低、重复能力强。
附图说明
图1是现有基于平面电极液体透镜的结构示意图；
图2是现有基于圆柱形电极双液体透镜的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明变焦透镜一种实施例的结构示意图；
图5是图4的俯视图。
图中，1.电源，2.筒，3.导电液，4.表面介质层，5.电极，6.底座，7.石英玻璃管，8.导电薄膜A，9.导电薄膜B，10.疏水介电层，11.绝缘液体，12.端盖，13.导电薄膜C，14.厌水绝缘条A，15.厌水绝缘条B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1所示为现有基于平面电极液体透镜的结构。包括绝缘材料制成的底座6，底座6的上表面固接有电极5，电极5为平板形，电极5的上面固接有表面介质层4，表面介质层4的上表面固接有中空的圆柱形的筒1，筒1的内部与表面介质层4的上表面相通，筒1内填充有导电液3，导电液3与表面介质层4的上表面相接触。电极5与电源1的负极相连接，电源1的正极与导电液3相通。
基于平面电极的液体透镜，在一个带平板形电极5和具有疏水性表面介质层的表面介质层4的衬底上面放置导电液3(微升量级)，电源1的电压施加于导电液3和电极5之间。当导电液3和电极5之间没有电压时，由于介质层疏水，导电液3的液滴与介质层表面的接触角为钝角。导电液3和电极5之间施加电压后，感应出的自由电荷或极化电荷改变了导电液3的液滴与介质层界面的自由能，使该界面上的润湿特性发生变化，导致导电液3的液滴与介质层表面的接触角减小。此液体透镜不仅可以改变焦距，还可以控制透镜在平面上的运动。但该液体透镜没有稳定光轴的结构，也即当外加电压确定后，光学系统的摇晃抖动会使透镜的光轴位置改变，影响成像质量，限制了这种结构的应用范围。
现有基于圆柱形电极双液体透镜的结构，如图2、图3所示。包括竖直设置的圆筒形石英玻璃管7，石英玻璃管7的外侧和内侧分别贴附有透明的导电薄膜A8和导电薄膜B9，导电薄膜B9的内侧贴附有疏水介电层10，疏水介电层10内填充有导电液3和绝缘液体11，导电液3和绝缘液体11均为透明液体，且互不相溶；石英玻璃管7的下端面固接有端盖12，端盖12与石英玻璃管7之间贴附有透明的导电薄膜C13，导电薄膜C13与电源1的负极相连接，电源1的正极分别与导电薄膜A8和导电薄膜B9相连接。导电薄膜A8、导电薄膜B9与导电薄膜C13不相接触。
基于圆柱形电极的双液体透镜，石英玻璃管7中填充透明、密度相同且互不相溶的导电液3和绝缘液体11。导电液3和绝缘液体11具有不同的折射率，使两种液体的界面在任何方位都能保持球面形状。石英玻璃管7内壁依次设置了一层透明的导电薄膜B9和一层疏水介电层10。在导电液3和透明的导电薄膜B9之间施加电压，该电压可以有效地改变导电液3与疏水介电层10之间的界面张力，即改变导电液3与疏水介电层10的接触角。而该接触角的改变能够决定石英玻璃管7内填充的两种液体之间的界面形状，进而改变液体透镜的焦距。但这种双液体透镜的透光性较差，不能施加均匀电场，且该透镜中的圆柱形电极大而厚，无法改变光轴并进行方向性对焦。
本发明变焦透镜的结构，如图4、图5所示。包括圆筒形石英玻璃管7，沿石英玻璃管7的轴向、在石英玻璃管7外壁的外侧均匀贴附有四条厌水绝缘条A14，该四条厌水绝缘条A14将石英玻璃管7外壁的外侧圆周均匀分为四等分，在该四等分圆周之间分别贴附有透明的导电薄膜A8，各导电薄膜A8相互绝缘；沿石英玻璃管7的轴向、石英玻璃管7内壁的内侧均匀贴附有四条厌水绝缘条B15，该四条厌水绝缘条B15将石英玻璃管7内壁的内侧圆周分为四等分，在该四等分圆周之间分别贴附有透明的导电薄膜B9，各导电薄膜B9相互绝缘，厌水绝缘条A14和厌水绝缘条B15将石英玻璃管7分为四个象限，每个象限内分别有一导电薄膜A8和一导电薄膜B9，导电薄膜B9的内侧贴附有圆筒形的疏水介质层10，疏水介质层10内填充有导电液3和绝缘液体11，导电液3和绝缘液体11均为透明液体，且互不相溶；石英玻璃管7的下端面固接有端盖12，端盖12与石英玻璃管7之间贴附有透明的导电薄膜C13，导电薄膜A8、导电薄膜B9与导电薄膜C13不接触。与象限相对应设置数量相等的电源1，不同象限内的导电薄膜A8和导电薄膜B9与各自的电源连接，电源1的正极与导电薄膜A8和导电薄膜B9连接，电源1的负极与导电薄膜C13相连接。
厌水绝缘条A14和厌水绝缘条B15可为四的倍数，将石英玻璃管7的内外侧分别分为四的倍数的等分。
导电薄膜A8、导电薄膜B9和导电薄膜C13为透明的SnO2层。
导电液3为盐溶液；绝缘液体11为非极性的油性液体；导电液3和绝缘液体11的密度相同，保证透镜成像的稳定性。
该实施例采用四个独立的电源1，用于提供0V～60V不等的电压以控制液体透镜变焦。
将石英玻璃管7内壁和外壁上的四个等分的SnO2透明导电薄膜电极均引出一根导线连接到各自对应的电源的正极。将配比好的导电液3和绝缘液体11充入该石英玻璃管7内，使绝缘液体11处于石英玻璃管7的上半部分，导电液3处于石英玻璃管7的下半部分，并与端盖12上的透明导电薄膜C13相接触，使电源的负极与导电薄膜C13连接。每个独立电极施加电压之前，绝缘液体11与导电液3的交接面处于水平状态。开启电源1给四个独立电极施加相等的电压，此时绝缘液体11与导电液3相接处的界面呈弧形曲率，此时液体透镜的光轴在圆柱形电极的正中央，可达到变焦目的。当四个独立电极施加不同的电压时，电压较高的电极所对应的液体区域产生较强的电湿效应，电压较低的电极所对应的液体区域产生的电湿效应较弱，使得液体透镜的光轴方向发生改变，偏向电压较高的方位，实现改变光轴的目的。
Claims (2)
1.一种可改变光轴的双液体变焦透镜，包括圆筒形石英玻璃管(7)，石英玻璃管(7)内壁内侧和外壁外侧分别镀有导电薄膜B(9)和导电薄膜A(8)，导电薄膜B(9)内侧贴附有疏水介质层(10)，疏水介质层(10)内填充有密度相同且互不相溶的导电液(3)和绝缘液体(11)，石英玻璃管(7)的下端面固接有端盖(12)，端盖(12)与石英玻璃管(7)之间设置有导电薄膜C(13)，导电薄膜C(13)与电源(1)的负极相连接，电源(1)的正极分别与导电薄膜A(8)和导电薄膜B(9)相连接，导电薄膜A(8)和导电薄膜B(9)分别与导电薄膜C(13)绝缘，其特征在于，所述的导电薄膜A(8)沿石英玻璃管(7)的轴向、在石英玻璃管(7)外壁的外侧圆周上均匀分为至少四等分，各等分之间设置有厌水绝缘条A(14)使各部分之间相互绝缘，所述的导电薄膜B(9)沿石英玻璃管(7)的轴向、在石英玻璃管(7)内壁的内侧圆周上均匀分为至少四等分，各等分之间设置有厌水绝缘条B(15)使各部分之间相互绝缘，厌水绝缘条A(14)和厌水绝缘条B(15)将石英玻璃管(7)分为相应等分的象限，每个象限内分别有一导电薄膜A(8)和一导电薄膜B(9)，与象限相对应设置数量相等的电源(1)，不同象限内的导电薄膜A(8)和导电薄膜B(9)与各自的电源(1)的正极连接。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，所述导电薄膜A(8)与导电薄膜B(9)的等分数量为四的倍数，导电薄膜A(8)和导电薄膜B(9)的等分数量必须一致，并且与电源(1)数量一致。
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