CN101950078B - 基于逆压电效应的可变焦双液体透镜 - Google Patents

基于逆压电效应的可变焦双液体透镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应的可变焦双液体透镜，容腔壁采用压电材料，容腔内被透明弹性隔膜分为上下两腔室，两腔室内填充有不同液体，容器壁与容腔上、下端盖及隔膜相接的地方分别安放有一电极，其中隔膜上方的两电极间接有一电压，下方的两电极间接有另一电压，通过调节两电压的极性和大小，使得压电材料产生逆压电效应而发生变形，从而改变液体透镜曲率，达到透镜变焦效果。本发明解决了现有液体透镜的驱动技术局限性，扩大两种液体的选取范围，从而增大调焦范围。

Description

基于逆压电效应的可变焦双液体透镜
技术领域
本发明涉及一种包含两种不同液体的液体透镜，更具体地，涉及一种依靠压电材料的逆压电效应调节焦距的液体透镜。
背景技术
通常所用的透镜模件使用由焦距固定的固体制成的透镜，为了调节焦距，这种透镜模件使用多个固体透镜，调节时通过额外的运动机械部件，造成变焦透镜结构复杂，控制精确度和可靠性受到很大限制。
另外一类液体透镜包含有直接接触的两种不同液体，其特征在于简单的内部结构，并且更加容易调节焦距。此类液体透镜的原理是通过电浸润方法来改变液体之间的交界面(或弯月面)的曲率半径来调节其焦点。电浸润现象依赖于液体表面张力，而当几何尺寸变大时表面张力效果急剧减小，因此电浸润驱动技术不适合于较大尺度的液体透镜。而且，由于两种液体直接接触，要求它们必须不能互溶，密度接近，不发生化学反应，另外两种液体的界面稳定性易收到外界扰动等因素的影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于逆压电效应的可变焦双液体透镜，通过压电材料的变形实现变焦功能，扩大液体的选取范围，增大了调焦范围。
基于逆压电效应的可变焦双液体透镜，包括容腔，容腔壁采用压电材料，容腔的上端盖和下端盖均采用透明材料，容腔内被透明弹性隔膜分为上下两腔室，两腔室内填充有不同液体，上腔室的容器壁与上端盖及隔膜相接的地方分别安放有一电极，该两电极间接有第一电压；下腔室的容器壁与下端盖及隔膜相接的地方也分别安放有一电极，该两电极间接有第二电压。
所述压电材料采用PZT压电陶瓷或石英晶体。
所述透明弹性隔膜采用聚二甲基硅氧烷或EVA树脂薄膜。
所述上、下端盖采用玻璃或有机玻璃。
为解决前述问题，本发明使用压电材料的逆压电效应(或称为电致伸缩现象)，即当在压电材料的极化方向上施加电场，这些压电材料也会发生变形，电场去掉后，压电材料的变形随之消失。压电材料发生变形时，可造成液体腔侧壁的伸缩变形，如附图1，导致两种液体之间的透明弹性隔膜1发生形变。通过改变电压大小可以改变隔膜1的曲率半径，从而调节液体透镜的焦点。圆柱形液体透镜的设计还可以改善光轴的稳定性。此外，由于使用了压电调控的方式，透镜中无机械运动部件，结构简单，易于控制，可靠性增强，适用于电池供电的袖珍产品中，并且适合微加工与微阵列制造。因此，本发明改善了液体透镜的调控技术。
同时，本发明使用具有化学惰性且光学透明的弹性隔膜将两种液体隔开，透镜两端用透明材料进行密封，使液体及弹性隔膜不与外界接触，因而不会发生单液体透镜因液体长时间负压造成的空气经弹性隔膜渗入液体腔内的现象。同时，透镜两端由玻璃密封，使得整个透镜没有柔性部分与外界接触，透镜的抗机械冲击能力大大提高，双液体(折射率)的压电透镜与现有的单液体透镜相比，焦距可调范围更大，并有利于减小像差。由于有透明隔膜的存在，对两种液体的物理化学性质没有限制，种类选择范围增大。因此，本发明提高了液体透镜结构可靠性，解决了液体透镜在液体选择上的局限性问题，增大了调焦范围。
附图说明
图1是本发明液体透镜的截面示意图；
图2是本发明发生压电效应后的液体透镜截面图；
图3是图2示例改变电压极性后液体透镜的截面图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图1为一种依靠逆压电效应调节焦距的液体透镜。如图1所示，在一个圆柱形的腔室中充满两种不同折射率的液体3与液体4，两种液体透明并且具有不同折射率，可以在蒸馏水、铬酸钾、乙二醇等多种液体中选择。实施例选取的折射率为1.33的蒸馏水与折射率为1.5的63％铬酸钾溶液，它们被透明弹性隔膜1(比如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)薄膜)分隔开，圆柱形腔室的两个端面5用透明玻璃片密封。圆柱腔的腔壁2是PZT压电陶瓷制作而成，隔膜1与腔壁2、两玻璃片端面5相接处安放有电极6(导电的金属圆环片)。隔膜1上方的两电极6接电压V1，隔膜1下方的两电极6接电压V2。电压V1和V2可以独立调节大小和正负极性。
图2中，上腔室的压电材料容器壁在外加电压V1下发生轴向缩短，弹性隔膜1下方的压电材料容器壁在外加电压V1下发生径向伸长，弹性隔膜1与电极6接触的部分向上移动，造成腔内液体的压强变化，由于液体的不可压缩性，上下液体的体积保持不变，弹性隔膜1弯曲下凹，从而改变液体透镜曲率，达到透镜变焦效果。通过调控电极6两端的电压V1和V2的大小可以使容器壁的伸缩量发生变化，从而改变液体透镜曲率。
参见图3，改变电压V1和V2的极性，上腔室的压电材料容器壁在外加电压V1下发生轴向伸长，下腔室的压电材料容器壁在外加电压V1下发生径向缩短，弹性隔膜1与电极6接触的部分向下移动，造成腔内液体的压强变化，由于液体的不可压缩性，上下液体的体积保持不变，弹性隔膜1弯曲上凸，从而改变液体透镜曲率，达到透镜变焦效果。通过调控电极6两端的电压V1和V2的大小可以使容器壁的伸缩量发生变化，从而改变液体透镜曲率。

Claims (5)

1.基于逆压电效应的可变焦双液体透镜，包括容腔，其特征在于，容腔壁采用压电材料，容腔的上端盖和下端盖均采用透明材料，容腔内被透明弹性隔膜分为上下两腔室，两腔室内分别填充有不同折射率的透明液体，上腔室的容器壁与上端盖及隔膜相接的地方分别安放有一电极，该两电极间接有第一电压；下腔室的容器壁与下端盖及隔膜相接的地方也分别安放有一电极，该两电极间接有第二电压。
2.根据权利要求1所述的可变焦双液体透镜，其特征在于，所述压电材料采用PZT压电陶瓷或石英晶体。
3.根据权利要求1所述的可变焦双液体透镜，其特征在于，所述透明弹性隔膜采用聚二甲基硅氧烷或EVA树脂薄膜。
4.根据权利要求1或2或3所述的可变焦双液体透镜，其特征在于，所述上、下端盖采用玻璃或有机玻璃。
5.根据权利要求1或2或3所述的可变焦双液体透镜，其特征在于，所述液体从蒸馏水、铬酸钾溶液或乙二醇中选择。
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