CN105093775B - 大光焦度和小像差的液体透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大光焦度和小像差的液体透镜。该液体透镜包括玻璃基板I、玻璃基板II、圆台形凹槽、疏水介电层、电极层I、电极层II、填充液体I、填充液体II、入射面环带反射膜、出射面环带反射膜、液晶盒、偏振片I、偏振片II和偏振片Ш，它具有两种工作模式。与常规透镜相比，在模式1下工作时，液体透镜的光焦度提高约3倍；在模式2下工作时，液体透镜的像差大大减小，且深度增大。

Description

大光焦度和小像差的液体透镜
技术领域
本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种增大光焦度减小像差的液体透镜。
背景技术
液体透镜被认为是下一代新型透镜之一，具有较大的发展潜力。液体透镜不断发展并日趋完善。2006年至2014年法国的Varioptic公司相继推出了Arctic320、Arctic416、Arctic39N0等多款液体透镜，这标志着液体透镜实现了商业化，液体透镜也因此被视为未来透镜发展的方向之一。液体透镜具有轻量化的特点，因此很多科研人员利用液体透镜研究新型轻量化的成像系统。文献“Design of a zoom lens without motorized opticalelements (Optics Express, Vol. 15, No.11, pp 6664-6669, 2007 )”公开了一种基于液体透镜的变焦成像系统，但是该系统使用了固体透镜辅助获得大光焦度，因此该系统的长度和重量都较大。
虽然液体透镜具有轻量化的特点并能自动变焦，但是目前的液体透镜仍然无法在大光焦度情况下单独使用，这大大限制了基于液体透镜的系统的轻量化发展。其原因主要有两点：第一，由于液体透镜是双相型结构，因此光焦度太小，很难获得较短的焦距；第二，当增大液体透镜的光焦度时，其曲率也会增大，因此会产生较大的像差，严重影响了成像质量。所以，液体透镜常常需要固体透镜辅助以增大光焦度和减小像差。
发明内容
本发明提出一种增大光焦度减小像差的液体透镜。如附图1所示，该液体透镜包括：玻璃基板I、玻璃基板II、圆台形凹槽、疏水介电层、电极层I、电极层II、填充液体I、填充液体II、入射面环带反射膜、出射面环带反射膜、液晶盒、偏振片I、偏振片II和偏振片Ш。偏振片I和偏振片II均置于玻璃基板I上，偏振片Ш置于液晶盒上，而液晶盒为90°扭转向列向液晶。
本发明有模式1和模式2两种工作模式。当不对液晶盒加电时，本发明以模式1工作。模式1的工作原理如附图2所示，在不加液晶电压的情况下，只有通过偏振片I的环带光线可以入射本发明液体透镜并成像。这时光线首先通过偏振片I的环形孔径入射到本发明液体透镜并第一次通过液-液面获得光焦度；当光线到达出射面板时，被出射面环带反射膜反射使光路折回，并重新通过液-液曲面并第二次获得光焦度。光线继续前进当到达入射面板时，被入射面圆形反射膜反射再次折回，通过液-液曲面第三次获得光焦度。最后光线从出射面板的中心区域离开本发明液体透镜。在整个光线追迹的过程中获得的光焦度由下面公式给出：
（1）
其中n water 为填充液体II的折射率，n oil 为填充液体I的折射率，c为液-液曲面的曲率。
当对液晶盒加电压时，系统以模式2工作。模式2的工作原理如附图3所示，在加液晶电压的情况下，液晶指向矢旋转90°，这时只有通过偏振片II的中心光线可以通过系统并成像。由于边光被遮挡，因此这些光线所造成的像差就被消除了，因此相对于全口径成像，像差大大的减小，并由于有效口径减小其成像的深度也增大了。
优选地，玻璃基底厚度d 1≥0.1mm且d 1≤0.5mm，直径d 2≥5mm且d 2≤10mm。
优选地，圆台形凹槽的长直径d 3≥5mm且d 3≤10mm，短直径d 4≥2mm且d 4≤4mm。
优选地，入射面环带反射膜外直径d 5≥0.7d 4且d 5≤0.8d 4，内直径d 6≥0.3d 4且d 6≤0.5 d 4，出射面环带反射膜外直径d 7= d 4，内直径d 8≥0.7d 4且d 8≤0.9d 4。
优选地，填充液体I和填充液体II的密度相同。
优选地，填充液体I为硅油，填充液体II为电解质液体或离子液体。
优选地，环形孔径透反混合式液体透镜的驱动方式为电湿润驱动或者机械湿润驱动。
附图说明
附图1为本发明增大光焦度减小像差液体透镜的结构剖面图。
附图2为本发明模式1的工作原理示意图。
附图3为本发明模式2的工作原理示意图。
附图4为实施例中增大光焦度减小像差液体透镜的光焦度与电压的关系示意图。
附图5为实施例中增大光焦度减小像差液体透镜模式1的成像图。
附图6为实施例中增大光焦度减小像差液体透镜模式2的成像图。
上述各附图中的图示标号为：
1玻璃基板I，2玻璃基板II，3圆台形凹槽，4疏水介电层，5电极层I，6电极层II，7填充液体I，8填充液体II，9入射面环带反射膜，10出射面环带反射膜，11液晶盒，12偏振片I，13偏振片II，14偏振片Ш，15成像面，16环带入射光，17中心入射光。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种大光焦度和小像差液体透镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：如附图1所示，本实施例中玻璃基底口径为8mm，厚度为100µm。圆台形凹槽的长直径为6mm，短直径为4mm。反射膜选用银膜，其反射率~92%。在入射面板外表面镀银膜，镀银膜的区域为外直径3.1mm，内直径为1.3mm的换大区域。出射面板镀银膜的区域为环带，其外径6mm，内径5mm。偏振片I为外直径为4mm，内直径为3.1mm的环带偏振片。偏振片II为直径为1.3mm圆形偏振片。偏振片Ш为直径为8mm的圆形偏振片。液晶盒为90°扭转向列向液晶，盒厚为~15μm。本发明液体透镜主体部分的具体参数：本发明液体透镜外框的口径为3mm，厚度为2mm；疏水介电层厚度~1µm；填充液体I为无色透明硅油，填充液体II 为NaCl溶液。NaCl溶液的折射率为1.33，阿贝数为55.8。而无色透明硅油的折射率为1.65，阿贝数为62.8。
本实施例采用的工作波段为456nm-656nm。对本发明施加电压从而引起液-液曲率发生变化从而实现光焦度的变化。当电压从0V到60V变化时，其光焦度变化如附图4所示。需要指出的本发明实施例中液体透镜的驱动电压为~35V，因此0-30V时，焦距并无变化。附图5和附图6为本发明液体透镜在模式1和模式2下的成像图，可以看出，模式1虽然整体像质略为模糊但可以识别高分辨率的细节物体，而模式2具有更小的像差，画面整体质量较高。模式1可以在军事、安保、医疗手术等领域具有优势，而模式2则可以作为民用用途的消费电子产品使用。

Claims (8)

1.一种大光焦度小像差的液体透镜，包括：玻璃基板I、玻璃基板II、圆台形凹槽、疏水介电层、电极层I、电极层II、填充液体I、填充液体II、入射面环带反射膜、出射面环带反射膜、液晶盒、偏振片I、偏振片II和偏振片III，其特征在于，偏振片I和偏振片II、偏振片III正交，偏振片I和偏振片II均置于玻璃基板I上，偏振片III置于液晶盒上，入射面板和出射面板上分别镀有入射面环带反射膜和出射面环带反射膜，中间填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ，两种液体互不相溶，具有不同的折射率，且彼此接触。
2.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，液体透镜在液晶盒不加电和加电时分别在模式1和模式2下工作，模式1时，液体透镜具有大光焦度，模式2时，液体透镜具有小像差。
3.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，玻璃基底厚度d 1≥0.1mm且d 1≤0.5mm，直径d 2≥5mm且d 2≤10mm。
4.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，圆台形凹槽的长直径d 3≥5mm且d 3≤10mm，短直径d 4≥2mm且d 4≤4mm。
5.根据权利要求4所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，入射面环带反射膜外直径d 5≥0.7d 4且d 5≤0.8d 4，内直径d 6≥0.3d 4且d 6≤0.5d 4，出射面环带反射膜外直径d 7= d 4，内直径d 8≥0.7d 4且d 8≤0.9d 4。
6.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，填充液体I和填充液体II的密度相同。
7.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，填充液体I为硅油，填充液体II为电解质液体或离子液体。
8.根据权利要求1所述的一种大光焦度和小像差液体透镜，其特征在于，驱动模式为电湿润驱动或者机械湿润驱动。
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