CN108663869A - 一种大变焦范围的光流控透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大变焦范围的光流控透镜，包括入射窗口、液体进出口、填充液体I、偏置电极、介电疏水层、胶槽、聚合物透镜、接地电极、绝缘垫片、填充液体II、聚合物透镜第一曲面、聚合物透镜第二曲面和螺套。光线首先通过入射窗口入射到液‑液面形成的液体透镜，然后经过聚合物透镜第一个曲面，穿过聚合物透镜的第二曲面。一方面，通过对液‑液面形成的液体透镜施加不同驱动电压改变液体曲面的曲率，从而改变透镜的光焦度；另一方面，通过液体进出口，调节整个透镜腔体内部液体的量，形成不同的内部静水压力，从而改变聚合物透镜的形状，即改变聚合物透镜第一曲面以及聚合物透镜第二曲面的曲率，当光线经过聚合物透镜时，可以进一步改变透镜的光焦度，最终实现理想的焦距变化。

Description

一种大变焦范围的光流控透镜
一、技术领域
本发明涉及一种光流控透镜，更具体地说，本发明涉及一种大变焦范围的光流控透镜。
二、背景技术
光流控是将光学与流控技术交叉集成的一门新兴学科。而光流控透镜是以流控技术控制光线的光学透镜，其镜体的材料一般为液体或者柔性材料，其曲率可随驱动力的变化而变化，从而实现自适应变焦。在近几十年里，各种流体驱动技术在飞速进步，光流控透镜技术也同时得到了蓬勃发展，它们可以应用于光学成像、显示、照明、光导航和光刻等多个领域，是极具大规模应用潜力的新型透镜，是未来光学透镜发展的重要方向。光流控透镜不仅具有轻量化、自适应变焦的优点，而且其驱动方式多种多样，这些特点是传统透镜不具备的，因此在各个领域都极有希望替代传统玻璃透镜。光流控透镜在国内外具有广泛的研究基础，近20年光流控透镜研究在国内外进入了高潮时期。德国的H.Zappe课题组在2011年设计了一款基于电磁驱动的弹性薄膜光流控透镜，透镜的焦距可从无穷远变化到36.2mm。2012年，美国威斯康辛大学的H.R.Jiang课题组提出了基于PDMS膜半球面光流控透镜，该透镜的焦距可以变到很短。美国中佛罗里达大学Shin-Tson Wu课题组在液晶透镜领域进行了深入研究，提出了低驱动电压的大变焦范围的液晶透镜以及偏振无关的蓝相液晶透镜。四川大学的课题组也对可调焦光流控透镜进行了研究，提出了双曲面光流控透镜。这些透镜与传统光流控透镜相比增大了焦距变化范围，但变焦范围依然不理想，而且，其中的薄膜透镜不能消除重力效应，影响透镜成像质量。
三、发明内容
本发明提出一种大变焦范围的光流控透镜。如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、液体进出口、填充液体I、偏置电极、介电疏水层、胶槽、聚合物透镜、接地电极、绝缘垫片、填充液体II、聚合物透镜第一曲面、聚合物透镜第二曲面和螺套。其中，入射窗口、接地电极、偏置电极、聚合物透镜和螺套组成光流控透镜腔体，介电疏水层涂在偏置电极的内壁，胶槽刻在聚合物透镜与偏置电极粘接处，填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ两种液体密度完全相同，互不相溶，且具有不同的折射率。
本发明提出的大变焦范围的光流控透镜的工作原理如附图2所示。光线首先通过入射窗口入射到液-液面形成的液体透镜，然后经过聚合物透镜第一个曲面，穿过聚合物透镜的第二曲面。通过对液-液面形成的液体透镜施加不同驱动电压改变液体曲面的曲率，从而改变透镜的光焦度。此外，通过液体进出口，调节整个透镜腔体内部液体的量，改变腔体内部静水压力，从而改变聚合物透镜的形状，即改变聚合物透镜第一曲面以及聚合物透镜第二曲面的曲率，可以进一步改变透镜的光焦度，最终实现理想的焦距变化。
优选地，光流控整体透镜高d1≥10mm且d1≤15mm，直径d2≥8mm且d2≤15mm。
优选地，入射窗口直径d3≥6mm且d3≤12mm，厚度d4≥0.25mm且d4≤0.5mm，聚合物透镜直径d5≥6mm且d5≤12mm，厚度d6≥1mm且d6≤2.5mm。
优选地，液体进出口直径d7≥0.05mm且d7≤0.1mm。
优选地，绝缘垫片厚度d8≥0.05mm且d8≤0.1mm。
优选地，入射窗口为玻璃材质。
优选地，接地电极和偏置电极材料为导电金属，其中偏置电极内壁需要抛光。
优选地，填充液体I为透明导电水溶液，填充液体II为透明油性液体，其密度相同，而折射率不同。
优选地，介电疏水层涂在偏置电极的内壁，用于防止填充液体I电解，保证填充液体I和填充液体II所形成的液-液面的初始形状为理想球型。
优选地，聚合物透镜材料为树脂或高分子材料，其形状可受力改变。
优选地，胶槽用胶水填充，以胶合聚合物透镜与偏置电极。
优选地，螺套用于进一步增加聚合物透镜与偏置电极粘接的紧密程度。
优选地，大变焦范围的光流控透镜的驱动方式为电湿润驱动和机械驱动。
四、附图说明
附图1为本发明大变焦范围的光流控透镜的结构剖面图。
附图2为本发明大变焦范围的光流控透镜的工作原理示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1入射窗口，2液体进出口,3填充液体I，4偏置电极,5介电疏水层,6胶槽，7聚合物透镜,8接地电极，9绝缘垫片，10填充液体II，11聚合物透镜第一曲面,12聚合物透镜第二曲面，13螺套。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种大变焦范围的光流控透镜的实施例，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，本实施例中入射窗口直径为7mm，厚度为0.5mm；聚合物透镜直径为9mm，厚度2.5mm；液体进出口直径为0.05mm；绝缘垫片厚度为0.05mm。光流控透镜主体部分的具体参数：透镜的口径为7mm，整体厚度为12mm；介电疏水层厚度～3μm；填充液体I为添加了十二烷基硫酸钠的NaCl溶液，其的折射率为1.33，阿贝数为55.8；填充液体II为硅油，其折射率为1.65，阿贝数为62.8；聚合物透镜为PDMS透镜，其折射率为1.47，光学透过率超过95％。
本实施例采用的工作波段为可见光波段。对本发明施加电压从而引起液-液曲率发生变化，施加静水压力从而引起聚合物透镜两个表面的曲率发生变化，最终实现光流控透镜理想的光焦度变化。本发明实施例中液体透镜的驱动电压为～86V，机械驱动压力为0.05MPa。

Claims (9)

1.一种大变焦范围的光流控透镜，包括：入射窗口、液体进出口、填充液体I、偏置电极、介电疏水层、胶槽、聚合物透镜、接地电极、绝缘垫片、填充液体II、聚合物透镜第一曲面、聚合物透镜第二曲面和螺套，其特征在于，入射窗口、接地电极、偏置电极、聚合物透镜和螺套组成光流控透镜腔体，介电疏水层涂在偏置电极的内壁，胶槽刻在聚合物透镜与偏置电极粘接处，填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ的密度完全相同，互不相溶，且具有不同的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，入射窗口为玻璃材质。
3.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，接地电极和偏置电极材料为导电金属，其中偏置电极内壁需要抛光。
4.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，填充液体I为透明导电水溶液，填充液体II为透明油性液体，其密度相同，而折射率不同。
5.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，介电疏水层涂在偏置电极的内壁，用于防止填充液体I电解，保证填充液体I和填充液体II所形成的液-液面的初始形状为理想球型。
6.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，聚合物透镜材料为树脂或高分子材料，其形状可受力改变。
7.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，胶槽用胶水填充，以胶合聚合物透镜与偏置电极。
8.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，螺套用于进一步增加聚合物透镜与偏置电极粘接的紧密程度。
9.根据权利要求1所述的一种大变焦范围的光流控透镜，其特征在于，驱动模式为电湿润驱动和机械驱动。
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