CN105044805B - 一种弹性薄膜像散校正液体透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性薄膜像散校正液体透镜，包括玻璃基板和弹性体，弹性体和玻璃基板之间形成有储液腔，弹性体包括弹性基体、弹性薄膜和柔性铰链，弹性基体上设有光学液体入口和光学液体出口，弹性基体上设有若干延伸压至柔性铰链上的压电陶瓷驱动器。本发明通过液体的压力和压电陶瓷驱动器共同作用可以高精度的实现像散面型，并可连续改变曲率半径。本发明为液体透镜进行光学系统设计和像差校正提供了可靠的物质基础，并可在不改变光学元件位置的情况下，通过改变液体透镜的曲率半径对光学系统进行连续像散校正，大大减小光学系统尺寸，扩展了光学系统的应用范围，改善了包含液体透镜的光学系统的成像质量。

Description

一种弹性薄膜像散校正液体透镜

技术领域

本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种通过液体和压电陶瓷驱动光学透明弹性薄膜变形的液体透镜。

背景技术

液体透镜是一种新型的光学元件，它是利用某种控制方法来改变镜头的形状或折射率，以此可对自身焦距、像差进行调整。目前众多方法中最具吸引力的一个研究方向便是使用光学透明的弹性薄膜将液体限制在光学透明的弹性腔体当中，通过液体的压力控制薄膜面形的变化，透镜的光焦度(或焦距)由液体表面的曲率和液体与空气的折射率差决定，透镜的的镜面面型由弹性体薄膜、支撑结构、驱动力和液体折射率共同作用决定，可变形的弹性薄膜用于限制光学液体并在液体腔与外界的压力差下产生变形。

然而，目前的光学透明弹性体结构，当光学液体被注入到弹性体腔中时，弹性薄膜受压力差向外凸起，弹性薄膜往往只能产生近似抛物面的变形，不能满足光学系统设计时对像差控制的要求，在需要像差控制的光学系统中产生光学特性变坏的问题，如像散。

为此，如何利用液体透镜校正光学系统像散像差，进而精确满足光学成像质量的要求是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种弹性薄膜像散校正液体透镜，为现代光学系统设计和像散像差校正提供了可行性，改善了光学系统的成像质量，具有可靠性高，易于实现的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种弹性薄膜像散校正液体透镜，包括玻璃基板和弹性体，弹性体和玻璃基板之间形成有储液腔，储液腔内填充有光学液体，所述弹性体包括弹性基体、弹性薄膜和柔性铰链，所述弹性基体固结于玻璃基板上，弹性基体上设有光学液体入口和光学液体出口，所述弹性薄膜设于弹性基体上并由弹性基体支撑，所述柔性铰链设于弹性基体和弹性薄膜之间以连接弹性基体和用作光学元件的弹性薄膜，所述弹性基体上设有若干延伸压至柔性铰链上的压电陶瓷驱动器。

作为优选的实施方式，所述柔性铰链上于弹性薄膜的外周位置处设有环绕弹性薄膜的周向加强筋，周向加强筋内侧均匀分布有延伸至弹性薄膜边缘的径向加强筋，所述压电陶瓷驱动器抵接到周向加强筋外侧上。

作为优选的实施方式，所述光学液体入口和光学液体出口均匀布置于弹性基体的外周侧面上，所述压电陶瓷驱动器均匀布置于弹性基体上。

作为优选的实施方式，所述光学液体入口和光学液体出口所处的位置与所述压电陶瓷驱动器所处的位置错开布置。

作为优选的实施方式，所述光学液体入口和光学液体出口的数量分别为两个，两两间隔分布。

作为优选的实施方式，所述压电陶瓷驱动器的数量为四个，其中处于相对位置的两个产生垂直向内的驱动力，另外两个产生垂直向外的驱动力。

作为优选的实施方式，所述弹性体采用弹性模量1.4-1.8Mpa、泊松比0.45的PDMS制成。

本发明的有益效果是：本发明通过液体的压力和压电陶瓷驱动器共同作用可以高精度的实现像散面型，并可连续改变曲率半径。本发明为液体透镜进行光学系统设计和像差校正提供了可靠的物质基础，并可在不改变光学元件位置的情况下，通过改变液体透镜的曲率半径对光学系统进行连续像散校正，大大减小光学系统尺寸，扩展了光学系统的应用范围，改善了包含液体透镜的光学系统的成像质量。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的剖视图。

附图说明：1-玻璃基板，2-储液腔，3-弹性基体，4-弹性薄膜，5-柔性铰链，6-光学液体入口，7-光学液体出口，8-压电陶瓷驱动器，9-周向加强筋，10-径向加强筋。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

图1至图3示意性的示出改变曲率型像散校正弹性薄膜液体透镜的构形及其工作原理，所示的液体透镜在液体压力和压电陶瓷驱动下弹性薄膜可变形成像散面型。

具体地，本发明的液体透镜包括玻璃基板1和弹性体。如图3所示，弹性体和玻璃基板1之间形成有储液腔2，储液腔内填充有光学液体。弹性体包括弹性基体3、弹性薄膜4和柔性铰链5。弹性基体3固结于玻璃基板1上，弹性基体3上设有光学液体入口6和光学液体出口7。弹性薄膜4设于弹性基体3上并由弹性基体3支撑。柔性铰链5设于弹性基体3和弹性薄膜4之间以连接弹性基体3和用作光学元件的弹性薄膜4。弹性基体3上设有若干延伸压至柔性铰链5上的压电陶瓷驱动器8。

以上由弹性基体3、弹性薄膜4和柔性铰链5组成的弹性体材料可选用PDMS，PDMS具有良好的光学性能和力学性能，弹性模量1.4-1.8Mpa，泊松比0.45。

本发明所填充的光学液体的选取原则为：只要光学液体与弹性薄膜间没有相互的作用(比如改变性质或发生反应)，光学液体就可以根据光学系统的性能随意选择所需的折射率和色散特性的光学液体进行填充。

如图1所示，玻璃基板1的底面作为透镜的一个光学表面平面，顶面用来与弹性体进行固结。弹性体中的弹性基体3对弹性薄膜4形成支撑，其一侧固结在玻璃基板1上。弹性基体3上的光学液体入口6和光学液体出口7用来在形成像散面型液体透镜时注入和排出光学液体。弹性薄膜4在驱动力的作用下可以形成像散面型。柔性铰链5用来连接弹性基体3和用作光学元件的弹性薄膜4，起支撑弹性薄膜4的作用，并能为弹性薄膜4在驱动力作用下变形成像散面型时提供足够大的变形，同时柔性铰链5的还要有足够的刚度承受压力。在满足力学性能的同时，兼顾加工工艺的要求，在剖视图3中，柔性铰链5从弹性基体3出发，用较薄的薄膜实现，铰链的尺寸由力学性能和加工工艺决定。

压电陶瓷驱动器8向弹性体产生驱动力。压电陶瓷驱动器8对光学液体施加驱动力，此驱动力与液体压力共同作用，驱动弹性薄膜4产生像散面型。

如前所述，为了使得柔性铰链5起到更好的支撑作用和具有足够的刚度承受压力，柔性铰链5上于弹性薄膜4的外周位置处设有环绕弹性薄膜4的周向加强筋9，周向加强筋9内侧均匀分布有延伸至弹性薄膜4边缘的径向加强筋10，压电陶瓷驱动器8抵接到周向加强筋9外侧上。径向加强筋10的数量根据需要设置，在本实施例中，径向加强筋10的数量为12个。加强筋的作用为传递驱动力，使弹性薄膜4产生像散变形，抑制其他像差变形，变形时加强筋结构和柔性结构共同传递驱动力，使透镜只产生平移、倾斜、离焦和像散像差，其他像差可以忽略。

如图2所示，光学液体入口6和光学液体出口7优选均匀布置于弹性基体3的外周侧面上，以确保驱动力均匀，避免对像散面型产生较大的干扰。在本实施例中，光学液体入口6和光学液体出口7的数量分别为两个，两两间隔分布。压电陶瓷驱动器8也优选均匀布置于弹性基体3上，以使得驱动力均匀。在本实施例中，压电陶瓷驱动器8的数量为四个，其中处于相对位置的两个产生垂直向内的驱动力，另外两个产生垂直向外的驱动力。在图2中，标示8a和8c处的压电陶瓷驱动器产生垂直纸面向内的驱动力，标示8b和8d处的压电陶瓷驱动器产生垂直纸面向外的驱动力。上述光学液体入口6和光学液体出口7、压电陶瓷驱动器8采用错开的方式间隔均布，可以有效避免驱动力作用时，引入平移、倾斜、离焦和像散以外的像差。

本发明的液体透镜驱动机制采用液体驱动和压电陶瓷驱动。当光学液体通过光学液体入口被注入到储液腔时，产生一个正压力，弹性薄膜受到压力差作用将向外凸起，与压电陶瓷驱动力共同驱动弹性薄膜形成像散面型，当光学液体从光学液体出口被抽出时，将产生负压力，同时调节压电陶瓷驱动力，弹性薄膜变形回弹，通过液体的进出控制腔内的压力，同时调节压电陶瓷驱动力，从而实现弹性薄膜产生连续的像散面型可以对焦距进行调节。

使用上面描述的光学透明弹性薄膜液体透镜，通过液体的压力和压电陶瓷驱动器共同作用可以高精度的实现像散面型，并可连续改变曲率半径。为液体透镜进行光学系统设计和像差校正提供了可靠的物质基础，并可在不改变光学元件位置的情况下，通过改变液体透镜的曲率半径对光学系统进行连续像散校正，大大减小光学系统尺寸，扩展了光学系统的应用范围，改善了包含液体透镜的光学系统的成像质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种弹性薄膜像散校正液体透镜，其特征在于：包括玻璃基板和弹性体，弹性体和玻璃基板之间形成有储液腔，储液腔内填充有光学液体，所述弹性体包括弹性基体、弹性薄膜和柔性铰链，所述弹性基体固结于玻璃基板上，弹性基体上设有光学液体入口和光学液体出口，所述弹性薄膜设于弹性基体上并由弹性基体支撑，所述柔性铰链设于弹性基体和弹性薄膜之间以连接弹性基体和用作光学元件的弹性薄膜，所述弹性基体上设有若干延伸压至柔性铰链上的压电陶瓷驱动器，所述柔性铰链从弹性基体出发，用较薄的薄膜实现，所述光学液体入口和光学液体出口均匀布置于弹性基体的外周侧面上，所述压电陶瓷驱动器均匀布置于弹性基体上，所述光学液体入口和光学液体出口所处的位置与所述压电陶瓷驱动器所处的位置错开布置，所述光学液体入口和光学液体出口的数量分别为两个，两两间隔分布，所述压电陶瓷驱动器的数量为四个，其中处于相对位置的两个产生垂直向内的驱动力，另外两个产生垂直向外的驱动力。

2.根据权利要求1所述的一种弹性薄膜像散校正液体透镜，其特征在于：所述柔性铰链上于弹性薄膜的外周位置处设有环绕弹性薄膜的周向加强筋，周向加强筋内侧均匀分布有延伸至弹性薄膜边缘的径向加强筋，所述压电陶瓷驱动器抵接到周向加强筋外侧上。

3.根据权利要求1所述的一种弹性薄膜像散校正液体透镜，其特征在于：所述弹性体采用弹性模量1.4-1.8Mpa、泊松比0.45的PDMS制成。