CN108663731A - 介电泳力液体变焦透镜的制作与焦距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介电泳力液体变焦透镜的制作与焦距测量方法，包括：制作容器，其上部和下部均为玻璃基底，在下部玻璃基底的内表面镀有ITO透明电极，电极的形状为菱形交叉电极；选取两种不相溶的非电解质溶液，将第一组分滴在下部玻璃基底上，作为成像液滴，确保液滴和菱形交叉电极具有相同的几何中心；将第二组分填充在容器内制成介电泳力液体变焦透镜；将物体放置在载玻片上并固定于载物台，显微镜的底部输出光，照射在物体上，透射光经过介电泳力液体变焦透镜，成像在显微镜上，显微镜与电脑相连，将介电泳力变焦透镜对物成的像显示在电脑上；通过菱形交叉电极施加交流电压，利用显微镜成像，测出放大倍率；计算焦距。

Description

介电泳力液体变焦透镜的制作与焦距测量方法

技术领域

本发明涉及变焦透镜领域，特别涉及基于介电泳力原理的液体透镜的制作与测量方法。

背景技术

液体变焦透镜是一种可调谐光学器件，其无需调整各光学组件的相对位置，通过改变折射率或表面曲率即可实现变焦。由于其无需机械移动，响应时间短、结构紧凑，低功耗等特点在机器视觉、医学、显示、军工等领域有着广泛的应用前景。

根据变焦原理不同，液体变焦透镜可分为渐变折射率透镜和变形状透镜。渐变折射率透镜一般利用电光效应和声光效应来实现，主要用到的材料是液晶。如申请公布号为CN201710005673.X的发明专利“一种液晶透镜、显示装置及控制方法”中，采用多个结构相同的透镜单元，每个单元由上基板，面状电极，液晶层和环状子电极，下基板构成，通过施加电压使液晶分子发生受力偏转。该液晶透镜的优点是驱动电压相对小，功耗低，厚度薄，易于小型化。但液晶透镜对偏振依赖性强，光谱透过率低，对极化很敏感，而且响应时间受其粘滞系数影响较大。变形状透镜主要通过改变透镜的曲率半径来改变焦距，其驱动方式有很多种，其中基于电润湿效应和基于介电泳力原理的变焦透镜是目前比较有效且应用广泛的两种驱动方式。如申请公布号为CN201510584987.0的发明专利“电润湿液体透镜、制作方法以及应用”中，该液体透镜的设备将两种互不相溶，密度相近的液体，其中一种为电解质液体另一种为非电解质液体置于容器中，内壁镀有电极通过施加电压，来改变电荷分布，利用静电力来改变液滴的曲率。但是电润湿液体透镜会出现气泡、接触角饱和、焦耳热等问题。

发明内容

本发明公开一种性能更加稳定的液体变焦透镜的制作与测量方法。技术方案如下：

一种介电泳力液体变焦透镜的制作与焦距测量方法，包括下列步骤：

(1)制作容器，其上部和下部均为玻璃基底，在下部玻璃基底的内表面镀有ITO透明电极，电极的形状为菱形交叉电极；

(2)选取两种不相溶的非电解质溶液，设其中一种为第一组分，另一种为第二组分；

(3)将第一组分滴在下部玻璃基底上，作为成像液滴，确保液滴和菱形交叉电极具有相同的几何中心；

(4)将第二组分填充在容器内制成介电泳力液体变焦透镜；

(5)将物体放置在载玻片上并固定于载物台，显微镜的底部输出光，照射在物体上，透射光经过介电泳力液体变焦透镜，成像在显微镜上，显微镜与电脑相连，将介电泳力变焦透镜对物成的像显示在电脑上；

(6)通过菱形交叉电极施加交流电压，利用显微镜成像，测出放大倍率；

(7)计算焦距。

与传统的变焦镜头相比，介电泳力变焦透镜通过改变接触面的曲率来改变焦距，曲率半径改变几毫米与整个镜头移动几厘米具有相同的光学效果。因此光学系统可以设计的更紧凑，用更少的镜头。介电泳力变焦透镜无需镜头间的平移，因此不需要昂贵的机械驱动器，整个系统也更加稳健，可以完全封闭，没有灰尘进入。此外，使用的材料都比玻璃轻，减轻了总体的重量，更少的运动和重量也就意味着更低的功耗，且透镜的响应时间更短。与基于电润湿原理的液体变焦透镜相比，由于介电泳力变焦透镜所使用的液体不导电，所以不会出现气泡、接触角饱和、焦耳热等问题，因此变焦范围更广，性能也更加稳定。

就透镜的测量方法来说，透镜焦距的测量采用放大倍率法，能够精确测量小焦距成像透镜，降低测量误差；其次光束分析系统中，光束分析软件可以观察光束的轮廓和光斑信息，精确到μm量级，能极大地提高测量精度。

附图说明

图1为介电泳力液体变焦透镜示意图；

其中1、液体-1，2、液体-2，3、玻璃基底，4、ITO透明电极，5、疏水层

图2电极结构图；

图3为透镜焦距测量原理图；

图4为介电泳力液体变焦透镜的显微测量系统；

其中11、信号发生器，12、电压放大器，13、介电泳力液体透镜，14、电脑，5、显微镜

图5为介电泳力透镜的成像结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细描述：

介电泳力液体变焦透镜包括容器、疏水层、两种非电解质溶液、菱形交叉电极。其中两种液体可以提高透镜光轴的稳定性，增强透镜的抗冲击性。两种非电解质溶液互不相溶，所以在容器内会形成一接触面。当施加电压后，非均匀电场产生的介电泳力使得两液面的接触角逐渐增大，焦距逐渐变小，从而实现变焦的功能。当去掉电压后，液滴在表面张力的作用下回到原来的形状。

图1为基于介电泳力原理的液体变焦透镜结构示意图，透镜的上下基底采用透光性能较好的BK7玻璃，下部的玻璃基底的内侧镀有ITO透明电极，电极的形状为菱形交叉电极(如图2所示)。上下玻璃基底的内表面都涂有疏水层，用来增大接触角的动态变化范围。先用微型滴管将光学液体SL-5267滴在ITO玻璃基片的中央，作为成像液滴，操作时注意保证液体和菱形电极具有相同的几何中心，这样的结构设计可以实现液体透镜的光学定心，减小在各驱动电压下光轴的偏差。之后用甘油填充在透镜腔体内，稳定光轴。利用UV胶将上下玻璃基底与侧壁固定在一起，用YC-01导电银胶，将导线与ITO电极相连。

图3为透镜焦距测量原理图，焦距的测量有多种方法，其中放大倍率测量法适合精确测量小焦距成像透镜，因此为降低测量误差，我们选用放大倍率测量法，来测量介电泳力液态变焦透镜的焦距变化。将物放置在凸透镜的焦距范围内，经过透镜就会产生虚像，物像关系满足公式

其中f表示透镜的焦距，l_o表示物到镜头的距离，这很容易测量；l_I表示虚像到镜头的距离，由于虚像不能直接测量，所以这段距离可以根据相似三角形来计算。

其中Z_I表示像高,Z_O表示物高,M表示透镜的放大倍率。将公式(1)代入公式(2)消去像距l_I得到：

由公式(3)知，只要测得放大倍率M和测量出物距l_o，即可得到透镜的焦距。

图4为介电泳力液体变焦透镜的显微测量系统，其中函数信号发生器能够产生0-10V的交流电压，而保证不失真，频率设置为1kHz，偏置电压设为0V。将其产生的交流信号输入到电压放大器(XP-650.4)中，放大倍率连续可调，之后将放大器输出的电压信号连接在介电泳力透镜的电极上。将物体放置在载玻片上并固定于载物台，显微镜的底部输出光，照射在物体上，透射光经过介电泳力透镜，成像在显微镜上，显微镜与电脑相连，将介电泳力变焦透镜对物成的像显示在电脑上。

图5为介电泳力透镜的成像结果，将“C”字型物放置于载物台，不加介电泳力透镜，调节物镜使成像清晰，将物的尺寸信息拍照并记录。接着将介电泳力透镜放置在距离物5mm处，切断电压放大器与透镜的连接线，当U＝0V时，在显微镜下找到物经过介电泳力透镜的清晰的像拍照并记录，最后，保持所有参数不变的情况下，改变函数信号发生器的输出电压，观察介电泳力透镜的成像。

Claims (2)

1.一种介电泳力液体变焦透镜的制作与焦距测量方法，包括下列步骤：

(1)制作容器，其上部和下部均为玻璃基底，在下部玻璃基底的内表面镀有ITO透明电极，电极的形状为菱形交叉电极；

(2)选取两种不相溶的非电解质溶液，设其中一种为第一组分，另一种为第二组分；

(3)将第一组分滴在下部玻璃基底上，作为成像液滴，确保液滴和菱形交叉电极具有相同的几何中心；

(4)将第二组分填充在容器内制成介电泳力液体变焦透镜；

(5)将物体放置在载玻片上并固定于载物台，显微镜的底部输出光，照射在物体上，透射光经过介电泳力液体变焦透镜，成像在显微镜上，显微镜与电脑相连，将介电泳力变焦透镜对物成的像显示在电脑上；

(6)通过菱形交叉电极施加交流电压，利用显微镜成像，测出放大倍率；

(7)计算焦距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一组分为光学液体SL-5267，第二组分为甘油。