CN109031483A - 一种基于电湿润活塞的液体透镜 - Google Patents

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李林阳
王琼华
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Abstract

本发明公开基于电湿润活塞的液体透镜，包括：入射窗口、填充液体Ⅰ、环形薄片、填充液体Ⅱ、成像腔体、出射窗口、驱动腔体、偏置电极Ⅰ、介质层、导电液体、接地电极、疏水层、偏置电极Ⅱ、联通腔体。驱动腔体中导电液体可上下移动，形成液体活塞，从而推动成像腔体中环形薄片中央圆孔中液面发生形变，产生向下凸起或者向上凸起，进而形成正负透镜，实现焦距的变化。

Description

一种基于电湿润活塞的液体透镜
技术领域
本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种基于电湿润活塞的液体透镜。
背景技术
在成像系统中透镜是必不可少的元件，如摄像镜头、投影镜头、照相机、光学显微镜等。透镜为人们进行科学研究、生产和娱乐等带来了极大的便利。在上述光学成像系统中所用的通常为固体的玻璃透镜。由于单个的固体透镜自身无法实现变焦，光学成像系统通常采用了透镜组的方法来实现变焦，进而实现对像的放大或缩小。透镜组的方法是通过改变多个透镜之间的相对位置来实现的，这就意味着必须有可移动的部件，可移动的部件由于摩擦损耗不仅降低了系统的使用寿命，而且影响着成像的质量，同时透镜组使得整个系统不紧凑，显得笨重。液体透镜的发现，为实现变焦提供了另一条途径，特别是Varioptic公司的B. Berge和飞利浦公司的J. Peseux于2000年提出基于介质上电湿润效应的液体透镜最为成功。该款液体透镜结构紧凑，没有可移动部件，具有毫秒量级的响应时间，且偏振不敏感，调节范围大，成像质量亦可与固体微透镜相媲美。但是，接触角饱和现象限制了液体透镜进一步扩大调焦范围。
发明内容
本发明提出一种基于电湿润活塞的液体透镜。如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、填充液体Ⅰ、环形薄片、填充液体Ⅱ、成像腔体、出射窗口、驱动腔体、偏置电极Ⅰ、介质层、导电液体、接地电极、疏水层、偏置电极Ⅱ、联通腔体。其中，入射窗口、出射窗口、成像腔体、驱动腔体和联通腔体共同组成电湿润活塞液体透镜的主体结构。在成像腔体中部嵌有环形薄片，在驱动腔体中部布有接地电极、偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ。偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ对称分布在接地电极两侧，在偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ上依次涂覆了介质层和疏水层，形成疏水区域。导电液体、填充液体Ⅱ和填充液体Ⅰ密度相同，但导电液体和填充液体Ⅱ分别与填充液体Ⅰ不相溶，且填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ有不同的折射率。 填充液体Ⅰ和导电液体在驱动腔体中形成两个液-液界面，两个液-液界面分别位于偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ中部，偏置电极Ⅰ与偏置电极Ⅱ两者间的区域不疏水，为亲水区域，使得导电液体被铆定在腔体Ⅱ的中部。导电液体可改变与疏水区域的接触角来上下移动成为活塞，导电液体与接地电极接触。在初始状态时，在驱动腔体中导电液体与填充液体Ⅰ之间形成球形液-液界面，在成像腔体中填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ在环形薄片处形成的初始界面近似为平面。
本发明的工作原理基于电湿润效应，其倾角的变化符合Young-Lippmann方程:
(1)
其中θ为加电压后液-液界面与侧壁的接触角，θ0为初始接触角， V为所施加的电压，γLV为液-液界面的表面张力，d为介质层与疏水层的厚度，ε0是自由空间的介电常数，ε是介质层的介电常数。
当在偏置电极Ⅱ与导电液体之间施加电压，液-液界面与侧壁的接触角将变小，这将使得导电液体向下涌，即活塞向下移动。由于整个透镜腔体完全密封，即液体体积固定，液体不可压缩，活塞的向下移动将使得成像腔体中部环形薄片圆孔中的液-液界面向上凸起，从而改变焦距，形成负透镜，如附图2所示。当在偏置电极Ⅰ与导电液体之间施加电压时，液-液界面与侧壁的接触角将变小，这将使得导电液体向上涌，即活塞向上移动。成像腔体中部环形薄片圆孔中的液-液界面向下凸起，从而改变焦距，形成正透镜，如附图3所示。相对于传统电湿润液体透镜，本发明可实现正/负光焦度的增大。
优选地，出入射窗口玻璃厚度d 1 ≥0.5mm且d 1 ≤1.2mm，直径d 2 ≥3mm且d 2 ≤15mm。
优选地，成像腔体的内直径d 3 ≥2.5mm且d 3 ≤14.5mm，驱动腔体的内直径d 4 ≥3mm且d 4 ≤18mm。
优选地，环形薄片的内直径d 5 ≥0.6d 3 且d 5 ≤0.85d 3 ，外直径d 6 ≥d 3 且 d 6 ≤d 2 ，厚度d 7 ≥0.1mm且d 7 ≤1mm。
优选地，填充液体Ⅰ和导电液体密度相同，且填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ有不同的折射率。
优选地，填充液体Ⅰ为透明油性液体，填充液体Ⅱ为盐的水溶液，导电液体为电解质液体或离子液体。
优选地，接地电极、偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ材料为金属或导电薄膜。
优选地，环形薄片位于腔体Ⅰ中填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ的液-液界面处。
附图说明
附图1为基于电湿润活塞的液体透镜结构剖面示意图。
附图2为基于电湿润活塞的液体透镜形成负透镜时原理示意图。
附图3为基于电湿润活塞的液体透镜形成正透镜时原理示意图。
附图4为基于电湿润活塞的液体透镜形成负透镜时焦距随电压变化的模拟示意图。
附图5为基于电湿润活塞的液体透镜形成正透镜时焦距随电压变化的模拟示意图。
上述附图中的图示标号为：
1入射窗口、2填充液体Ⅰ、3环形薄片、4填充液体Ⅱ、5成像腔体、6出射窗口、7驱动腔体、8偏置电极Ⅰ、9介质层、10导电液体、11接地电极、12疏水层、13偏置电极Ⅱ、14联通腔体，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基于电湿润活塞的液体透镜的实施例，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，本实施例中成像腔体由两个PMMA圆管与塑料环形薄片构成，成像腔体的内直径为8mm, 外直径为10mm，高度为36mm，环形薄片的内直径为6mm, 外直径为8mm，厚度为0.5mm。 腔体两端对称位置处的圆孔的直径为5mm。 驱动腔体由铝合金圆环、铝合金圆管和PMMA圆管构成，它们的内直径均为8.5mm, 外直径均为10.5mm。其中接地电极为铝合金圆环，长度为2mm, 与它连接的是两个2mm长的的PMMA圆管。偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ为两个相同的带圆孔的铝合金圆管，圆管的长度均为15mm，其上圆孔的大小与成像腔体上圆孔的大小一致。介质层为UV胶，疏水层为Teflon，介质层与疏水层的高度约为9mm, 厚度一共约为3μm。联通腔体使用PMMA圆柱管，内直径为4mm，外直径为5mm，长度为12mm，出射窗口玻璃的厚度为1mm, 口径为10mm。驱动腔体厚度为1mm,口径为10.5mm。填充液体Ⅱ为NaCl水溶液，填充液体Ⅰ可为无色透明硅油， NaCl水溶液的折射率为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380nm-760nm。对本发明施加电压可实现焦距的变化。当电压从63V到175V变化时，其焦距变化如附图4和附图5所示, 需要指出的本发明实施例中液体透镜的驱动电压为~63V，因此0~63V时，器件无法被驱动。附图4为在偏置电极Ⅱ与接地电极上施加电压时，焦距随电压的变化，透镜的焦距调节范围为（-∞，-30mm）。 附图5为在偏置电极Ⅰ与接地电极上施加电压时，焦距随电压的变化，焦距的调节范围为（32mm，∞）。

Claims (7)

1.一种基于电湿润活塞的液体透镜，如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、填充液体Ⅰ、环形薄片、填充液体Ⅱ、成像腔体、出射窗口、驱动腔体、偏置电极Ⅰ、介质层、导电液体、接地电极、疏水层、偏置电极Ⅱ、联通腔体；其中，入射窗口、出射窗口、成像腔体、驱动腔体和联通腔体共同组成电湿润活塞液体透镜的主体结构，其特征在于整个透镜腔体主要分为成像腔体和驱动腔体，这两部分通过联通腔体连接，驱动腔体内发生电湿润效应，推动驱动腔体内形成的活塞上下移动，进而实现透镜的变焦。
2.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，驱动腔体中部布有接地电极、偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ，偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ对称分布在接地电极两侧，在偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ上依次涂覆了介质层和疏水层，形成疏水区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，导电液体、填充液体Ⅱ和填充液体Ⅰ密度相同，但导电液体和填充液体Ⅱ分别与填充液体Ⅰ不相溶，且填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ有不同的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，环形薄片位于成像腔体中填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ的液-液界面处。
5.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，出入射窗口玻璃厚度d 1 ≥0.5mm且d 1 ≤1.2mm，直径d 2 ≥3mm且d 2 ≤15mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，成像腔体的内直径d 3 ≥2.5mm且d 3 ≤14.5mm，驱动腔体的内直径d 4 ≥3mm且d 4 ≤18mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于电湿润活塞的液体透镜，其特征在于，环形薄片的内直径d 5 ≥0.6d 3 且d 5 ≤0.85d 3 ，外直径d 6 ≥d 3 且 d 6 ≤d 2 ，厚度 d 7 ≥0.1mm且d 7 ≤1mm。
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