CN105301679A - 一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜 - Google Patents

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赵瑞
马建权
陈德良
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Abstract

本发明公开了一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，包括基底、绝缘设置在基底上的透镜腔体以及设置在透镜腔体上的上盖片；所述透镜腔体包括多个绝缘连接的侧壁，所述侧壁的内壁上依次设有导电层、绝缘层和疏水层，所述基底上表面设有导电层，所述透镜腔体的底部设有导电液体，导电液体上设有绝缘液体，所述多个侧壁上的导电层分别与多个电源正极一一对应连接，基底上表面的导电层与电源负极连接。本发明提出的新型变焦液体透镜，在不改变透镜本身位置的情况下，可以对偏离透镜中心轴线处的物体聚焦，可以大大提高透镜的实用价值。

Description

一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜。
背景技术
液体透镜的起源可以追溯到l7世纪，当时英国科学家StephenGray用水滴制作了一台显微镜。Gray发现,由于水滴表面非常光滑,所以水滴透镜产生的影像也相当清晰。1875年,Lippmann研究了电毛细现象(electro-capilary),解释了通电后电解质溶液中水银液滴表面形状的变化。1995年，Gorman等人利用电润湿现象，将液体置于透明电极之上，通过外加电压改变液滴的表面形状，第一次实现了基于电润湿效应的变焦液体透镜。2004年5月5日,在CeBIT博览会上,荷兰Philps公司展出了利用FluidFocus技术开发出了一款具有里程碑意义的新产品——新型无机械活动部件的变焦液体透镜。Philps公司的这种液体透镜由两种互不相溶且具有不同折射率的液体组成，一种是导电的水溶液，另一种则是不导电的油，把两者装在一个一端有透明盖板的短管里面。管的内壁和另一端的盖板上都涂有疏水层，这使得水溶液由于表面张力的作用在没有疏水层的一端弯曲成了一个半球形状。
透镜的焦距是通过电压调节的，通过在2片电极上加不同大小的电压实现液体界面凹凸形状的改变，从而改变曲率，达到变焦的目的。
2006年法国Varioptic公司把液体透镜的腔设计成了锥形，这种结构对光轴具有自动调节功能，使液体透镜在光轴稳定性方面有了很大的提高。在耗电量方面，此种液体镜头的功耗不会超过1mW，是现在普通的机械自动变焦系统的10％；在可靠性方面，液体透镜由于没有活动部件，所以不易损坏，比机械调焦系统更加耐用。由此，Varioptic公司的液体透镜被广泛应用于手机、医疗及数字摄影市场，实现了液体透镜的商品化。上述透镜对中心轴线附近的物体能够很好的对焦，然而，当物体偏离光轴较远时，该透镜将无法对其实现自动对焦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，本发明在不改变透镜本身位置的情况下，可以对偏离透镜中心轴线处的物体聚焦，可以大大提高透镜的实用价值。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，包括基底、绝缘设置在基底上的透镜腔体以及设置在透镜腔体上的上盖片；所述透镜腔体包括多个绝缘连接的侧壁，所述侧壁的内壁上依次设有导电层、绝缘层和疏水层，所述基底上表面设有导电层，所述透镜腔体的底部设有导电液体，导电液体上设有绝缘液体，所述多个侧壁上的导电层分别与多个电源正极一一对应连接，基底上表面的导电层与电源负极连接。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述透镜腔体为长方体。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述侧壁为透光侧壁，基板为透光基板。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述侧壁为玻璃板，基板为玻璃。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述导电层为ITO导电层。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述导电液体和绝缘液体的密度相同。
作为本发明所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜进一步优化方案，所述绝缘液体为非极性油，导电液体为Nacl溶液。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的新型变焦液体透镜，在不改变透镜本身位置的情况下，可以对偏离透镜中心轴线处的物体聚焦，可以大大提高透镜的实用价值。
附图说明
图1为可变光轴液体变焦透镜的三维实体图。
图2为可变光轴液体变焦透镜的主视剖视图。
图3是基于电润湿的可调光轴液体透镜变焦原理图。
图4是液体透镜对处于透镜中心轴线处的物体对焦的原理图。
图5是液体透镜对偏离透镜中心轴线处的物体对焦的原理图。
图中的附图标记解释为：1-上盖片，2-侧壁的内壁上的ITO导电层，3-绝缘层，4-疏水层，5-基底，6-绝缘液体，7-导电液体，8-基板上表面的ITO导电层，9-内壁，10-侧壁，11、12、15、16-双液体界面，13、18-透镜光轴，14、17-腔体的中心对称轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，包括基底5、绝缘设置在基底上的透镜腔体以及设置在透镜腔体上的上盖片1；所述透镜腔体包括多个绝缘连接的侧壁，所述侧壁的内壁上依次设有导电层2、绝缘层3和疏水层4，所述基底上表面设有导电层8，所述透镜腔体的底部注入导电液体7，导电液体上注入绝缘液体6，所述多个侧壁上的导电层分别与多个电源正极一一对应连接，基底上表面的导电层与电源负极连接。所述侧壁为透光侧壁，基板为透光基板。所述侧壁为玻璃板，基板为玻璃。所述导电层为ITO导电层。
该变焦透镜采用长方体结构(透镜腔体的壁面数不局限于4面，可以适当增加透镜壁面数使液体界面面型的改变更加均匀与平稳，比如八面型或十二面型等)。本发明为了减小仿真误差与节约制作成本，透镜腔体采用4块相同尺寸的ITO玻璃绝缘相接而成。如图1所示：长方体的四个侧壁由4块内壁镀有ITO导电层的玻璃片(长4mm,宽2mm,厚3um)粘连而成，壁面间相互绝缘，基底5为ITO玻璃，基底与长方体腔体紧密接触并绝缘相接，4个侧壁上的导电层分别与4个独立的电源正极相连，电源负极与基底的ITO导电层相连。本发明基于电润湿原理采用“导电液体+绝缘液体”的双相液体结构。如图2所示：上盖片1与基底5之间的透镜腔体用于存储液体透镜材料，腔体上层的绝缘液体6为折射率较大(noil＝1.4～1.65)的绝缘油；下层的导电液体7为折射率较小(nNacl＝1.3)的Nacl导电溶液，为了忽略重力的影响，两种液体的密度需保持一致。腔体内壁的ITO导电层2作为一个导电电极，其表面涂覆有绝缘层3、疏水层4，基底上表面的ITO导电层8作为另一个导电电极，基底与长方体腔体紧密接触并绝缘相接。
液体透镜的变焦功能是通过改变电压来实现的，如图3所示，球形界面的球心为O，通过调节电压，双液体界面从图3中的11变化到12，从而透镜曲率发生改变，实现变焦。
图4、图5说明了变焦液体透镜光轴的可调性。如图4，当给四壁分别施加一定(V1＝0,V2＝33,V3＝0,V4＝33)的电压时，双液体界面15呈现凸起的球面，此时，液体透镜的光轴13与腔体的中心对称轴14重合，实现传统液体透镜的变焦功能。如图5，当给四壁分别施加另外的电压(V1＝0,V2＝33,V3＝0,V4＝60)组合时，根据电润湿原理，施加高电压的腔体壁与导电液体的接触角较小，而施加低电压的腔体壁与导电液体的接触角较大，此时双液体界面16的光轴18相对于腔体中心轴线17有所偏移，从而实现了对偏离中心对称轴线上物体的对焦。根据介质上电润湿施加的电压V与接触角θ的关系：这样就可以通过给各电极施加不同电压来改变接触角，进而控制绝缘液体和导电液体界面处的面形，达到控制光轴位置的目的。
本发明公开了一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜的设计方法，其目的在于构建光轴可调的变焦液体透镜，为研究变焦液体透镜提供一个新思路，也为液体透镜的应用拓展新领域。本发明基于电润湿原理采用“导电液体+绝缘液体”的双相液体结构。根据电润湿理论，通过改变施加于壁面的电压来控制各腔体壁与导电液体的接触角来控制液体界面凹凸面型，从而实现液体透镜的变焦。本发明腔体由4块(不局限于4块)相同尺寸的ITO玻璃绝缘相接构成，具体步骤为：a)采用金属线切割技术，将ITO玻璃划分为尺寸相同(4mm*2mm)的4块；b)使用硅橡胶将四块ITO玻璃粘连起来(玻璃内壁镀有ITO导电层，壁面间相互绝缘)，构成一个完整的长方体透镜腔体；c)基底为ITO玻璃，基底与长方体腔体紧密接触并绝缘相接；d)用导线把内壁电极(即侧壁内璧上的导电层)分别与4个独立电源的正极相连，基板的ITO玻璃层与电源的负极相连；e)向长方体腔体内先后注入导电液体(Nacl溶液)和绝缘液体(油)，为了忽略重力的影响，两种液体密度需相同。经由上述步骤制作的液体透镜，通过施加在内壁上的工作电压组合分别控制液体与壁面的接触角，改变双液体界面的面形，从而达到控制界面曲率的目的。当给4个独立内壁施加一定的电压时，双液体界面依然保持球形状态，且双液体界面的中心对称轴(即透镜的光轴)和腔体中心轴线重合，实现传统液体透镜的变焦功能；改变施加于壁面的电压组合，根据电润湿原理，随着电压增大接触角将变小，所以在施加高电压一侧，腔壁与导电液体的接触角较小，而施加低电压的腔体壁与导电液体的接触角较大，此时液体界面的中心对称轴偏离腔体的中心轴，达到改变透镜光轴的目的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，包括基底、绝缘设置在基底上的透镜腔体以及设置在透镜腔体上的上盖片；所述透镜腔体包括多个绝缘连接的侧壁，所述侧壁的内壁上依次设有导电层、绝缘层和疏水层，所述基底上表面设有导电层，所述透镜腔体的底部设有导电液体，导电液体上设有绝缘液体，所述多个侧壁上的导电层分别与多个电源正极一一对应连接，基底上表面的导电层与电源负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述透镜腔体为长方体。
3.根据权利要求1所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述侧壁为透光侧壁，基板为透光基板。
4.根据权利要求1所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述侧壁为玻璃板，基板为玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述导电层为ITO导电层。
6.根据权利要求1所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述导电液体和绝缘液体的密度相同。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种基于电润湿技术的可变光轴液体变焦透镜，其特征在于，所述绝缘液体为非极性油，导电液体为Nacl溶液。
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