CN108873123A - 一种复合型长变焦液体透镜 - Google Patents

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王琼华
王金辉
李磊
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Sichuan University
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Beihang University
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    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
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Abstract

本发明公开一种复合型长变焦液体透镜，该透镜包括公共电极、窗口玻璃、偏置电极、螺钉、密封薄膜、螺套、填充液体I、介电疏水层、填充液体II和注水通道。公共电极和偏置电极均为易导电材料。窗口玻璃作为光线入射面，胶合在公共电极上。密封薄膜作为光线出射面，与偏置电极胶合。螺钉用于将胶合后的密封薄膜与偏置电极紧密固定在一起。介电疏水层涂在偏置电极的内壁，不仅具有介电功能还有疏水作用。填充液体I、填充液体II互不相溶，且密度相同，其中填充液体I导电，填充液体II不导电，两种填充液体均透明。注水通道是在公共电极中切除的小孔。

Description

一种复合型长变焦液体透镜
技术领域
本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种复合型长变焦液体透镜。
背景技术
光学透镜是人类的重要发明之一，望远镜、显微镜和照相机就是光学透镜应用的典型代表。它不仅让人类窥探到宇宙的奥秘，也让我们认识了生命的起源—细胞，同时也留住了大家生命中各种感动的瞬间。在日常生活中，光学透镜更是无处不在，例如，近视眼镜、车载系统、监控摄像头和投影仪，等等，毫不夸张地说光学透镜已经和现代人类文明的发展紧密相连。光学透镜发展至今，已经成为覆盖军事、天文、交通、医学和艺术等领域的产业。随着光学产业的发展，光学透镜除了满足高性能外，轻量化成为近年来发展的方向和追求的重要目标之一。为了实现这一目标，一方面传统光学透镜需要更加轻量化的设计和制造，另一方面需要研究新型光学透镜或者新型透镜驱动方式。而液体透镜以其具有自适应性的特点，成为实现光学透镜轻量化的理想选择之一。
近二十年来，液体透镜逐步发展并形成了微小光子器件的一个重要研究方向。液体透镜相对于传统固体透镜最大的优势在于光焦度(焦距)可变，换句话说，液体透镜具有固体透镜所不具备的自适应变焦能力。虽然液体透镜取得了长足的发展，但它仍无法完全替代传统固体透镜，最关键原因就是光焦度太小(焦距太长)。以Varioptic公司生产的液体透镜为例，口径2.5mm的液体透镜，其最短焦距大于60mm。因此，如何增大液体透镜的光焦度是透镜能否真正实现轻量化的关键所在。
发明内容
本发明提出一种复合型长变焦液体透镜。如图1所示，该透镜包括公共电极、窗口玻璃、偏置电极、螺钉、密封薄膜、螺套、填充液体I、介电疏水层、填充液体II和注水通道。公共电极和偏置电极均为易导电材料。窗口玻璃作为光线入射面，胶合在公共电极上。密封薄膜作为光线出射面，与偏置电极胶合。螺钉用于将胶合后的密封薄膜与偏置电极紧密固定在一起。介电疏水层涂在偏置电极的内壁，不仅具有介电功能还有疏水作用。填充液体I、填充液体II互不相溶，且密度相同，其中填充液体I导电，填充液体II不导电，两种填充液体均透明。注水通道是在公共电极中切除的小孔。
本发明提出的一种复合型长变焦液体透镜的工作原理如图2所示。图中箭头所代表的光线首先透过入射面，经填充液体II到填充液体I和填充液体II的交界面，发生一次折射，再穿过密封薄膜，光线再次发生折射。其中，第一次折射通过电湿润效应来调整填充液体I 和填充液体II的交界面的曲率，从而控制光线偏折程度；第二次折射发生在填充液体I与空气交接面，即密封薄膜处，由于密封薄膜极薄，故将液体-空气交界面形成的透镜认为注水透镜。通过注水通道往透镜里添加或抽取填充液体II，利用静水压力的不同，改变密封薄膜的曲率，从而注水透镜的光焦度也可以精准控制。因此，通过合理调节填充液体I和填充液体 II的交界面和密封薄膜的曲率，显著增加了透镜光焦度改变的范围。
优选地，密封薄膜的厚度d1≥0.01mm且d1≤0.05mm。
优选地，窗口玻璃的厚度d2≥0.2mm且d2≤0.75mm。
优选地，介电疏水层厚度d3≥0.1μm且d3≤5μm。
优选地，密封薄膜为高透光率的聚合物，受力易发生形变。
优选地，介电疏水层需要承受150V以上电压，以防止被击穿。
优选地，复合型长变焦液体透镜的驱动方式为电压与机械复合型驱动。
附图说明
图1为本发明复合型长变焦液体透镜的结构图。
图2为本发明复合型长变焦液体透镜的工作原理示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1 公共电极，2 窗口玻璃，3 偏置电极，4 螺钉，5 密封薄膜，6 螺套，7 填充液体I，8 介电疏水层，9 填充液体II，10 液体通道。
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复合型长变焦液体透镜的实施例，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：如图1所示，本实施例中密封薄膜所用材料为PDMS，厚度为0.01mm，其折射率为1.52，光学透过率超过95％。公共电极和偏置电极均为抛光铝合金。介电疏水层厚度为1μm。窗口玻璃直径为4.5mm，厚度为0.5mm。透镜整体高度为10.2mm。填充液体I为苯基硅油，其密度为1.09g/cm3，折射率为1.52，阿贝数为62.8；填充液体II为氯化钠溶液，其密度为1.05g/cm3，折射率为1.34，阿贝数为55.8。
本发明通过电湿润效应引起填充液体I和填充液体II交界面曲率的改变，通过调节静水压力改变密封薄膜的曲率即液-气交界面的曲率，从而实现复合型长变焦液体透镜。

Claims (7)

1.一种复合型长变焦液体透镜，包括公共电极、窗口玻璃、偏置电极、螺钉、密封薄膜、螺套、填充液体I、介电疏水层、填充液体II和注水通道，其特征在于，公共电极和偏置电极均为易导电材料；窗口玻璃作为光线入射面，胶合在公共电极上；密封薄膜作为光线出射面，与偏置电极胶合；螺钉用于将胶合后的密封薄膜与偏置电极紧密固定在一起；介电疏水层涂在偏置电极的内壁，不仅具有介电功能还有疏水作用；填充液体I、填充液体II互不相溶，且密度相同，其中填充液体I导电，填充液体II不导电，两种填充液体均透明；注水通道是在公共电极中切除的小孔。
2.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，密封薄膜的厚度d1≥0.01mm且d1≤0.05mm。
3.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，窗口玻璃的厚度d2≥0.2mm且d2≤0.75mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，介电疏水层厚度d3≥0.1μm且d3≤5μm。
5.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，密封薄膜为高透光率的聚合物，受力易发生形变。
6.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，介电疏水层需要承受150V以上电压，以防止被击穿。
7.根据权利要求1所述的一种复合型长变焦液体透镜，其特征在于，复合型长变焦液体透镜的驱动方式为电压与机械复合型驱动。
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