CN109031484B - 一种电控调焦的液体镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电控调焦的液体镜头。包括：透镜固定圈1、透镜固定圈2、透镜窗口1、压电陶瓷管、直线导轨、压电致动器、推动压片、致动腔、液体腔、透镜窗口2、镜头外接口、视觉传感器、镜头外壳、密封透镜、密封圈1、密封圈2、驱动足B、压电陶瓷叠堆B、致动器B外壳、致动器C外壳、压电陶瓷叠堆C、驱动足C、致动器A外壳、压电陶瓷叠堆A、驱动足A。该装置通过在压电陶瓷管内外两侧电极上施加正弦交流电压信号，使其内部产生径向的超声场，从而使得内部液体的折射率发生改变，进而改变液体透镜的焦距。通过控制压电致动器来改变液体腔内的液体高度来改变物体的成像大小。该电控调焦的液体镜头制作方便简单，试用范围广，实用强。

Description

一种电控调焦的液体镜头
技术领域
本发明涉及一种电控调焦的液体镜头。
背景技术
根据工作原理和结构的不同，目前的液体透镜可分为三类：(1)基于电润湿原理的双液体透镜；(2)通过机械力改变透镜外形和体积的单液体透镜；(3)通过加电改变液晶分子排列状态从而引起折射率变化的液晶透镜。
由于液体透镜不需要机械运动，所以液体透镜较之前通过机械运动来调焦的镜头具有体积小，操作方便，便于集成等优点。所以得到很广的应用。现在主流的液体透镜是基于电润湿现象制成的一种可变焦透镜，其中使用涂覆有特殊绝缘层的电极通过电改变液滴的铺展性以改变液滴的形状。这样的液体透镜通常由彼此不相混合的两种液体形成。液体透镜因施加于电极的电压变化而改变两种液体间界面的曲率。随着两种液体间界面的曲率改变，透镜的焦距也改变。但这种液体透镜由两种液体构成，并且通过改变曲率变化来改变焦距，间接的增加了其制作的复杂程度和成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种电控调焦的液体镜头。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种电控调焦的液体镜头，包含：
透镜固定圈1(01)、透镜固定圈2(02)、透镜窗口1(03)、压电陶瓷管(04)、直线导轨(05)、压电致动器(06)、推动压片(07)、致动腔(08)、液体腔(09)、透镜窗口2(10)、镜头外接口(11)、视觉传感器(12)、镜头外壳(13)、密封透镜(14)、密封圈1(15)、密封圈2(16)、驱动足B(17)、压电陶瓷叠堆B(18)、致动器B外壳(19)、致动器C外壳(20)、压电陶瓷叠堆C(21)、驱动足C(22)、致动器A外壳(23)、压电陶瓷叠堆A(24)、驱动足A(25)。
所述的透镜固定圈1(01)、透镜固定圈2(02)与镜头外壳(13)相连接，起到固定透镜窗口1(03)和限定内部零部件的作用。
所述的压电陶瓷管(04)固定在镜头外壳(13)上，所述的直线导轨(05)固定在压电陶瓷管(04)上，并和压电致动器(06)相接触，由压电致动器(06)控制其移动。
所述的直线导轨(05)的滑块与推动压片(07)相连接，控制推动压片(07)上下移动。所述的推动压片(07)为圆形压片。直线导轨(05)有两个，分布在对称位置上。直线导轨(05)分别由两个压电致动器(06)控制。
所述的压电陶瓷管(04)使用压电陶瓷制作而成，压电陶瓷管(04)已经径向极化，在压电陶瓷的内部和外部附有一层电极，正弦交流电压信号可以通过内部和外部电极加载到压电陶瓷管(04)上。然后外壳变成超声波振荡器，其可以在径向方向上产生超声场。从而在腔内产生声驻波，腔内产生的声驻波导致液体的折射率改变，进而改变透镜的焦距。液体焦距的变化与正弦交流电压信号的频率关系如下：
Figure GDA0002632539790000021
其中H为液体腔内液体相对于压电陶瓷管(04)底部的有效高度，na是一个与驱动信号和液体固有的声学特性相关的常数值，代表液体折射率的调制深度，ω为正弦交流信号的频率，ν为液体中超声波传播速度，t为时间。
所述的液体腔(09)和致动腔(08)内的液体由硅油，或液体石蜡，或含有5～17个碳原子的烷烃，或含有2～6个碳原子的氯代烃构成。
所述的直线导轨(05)、推动压片(07)和驱动足A(25)、驱动足B(17)、驱动足C(22)为特种铁基烧合金，主要材料为硬粉、石墨粉、铁基粉、铁粉等。
所述的压电致动器包含致动器A，致动器B，致动器C。致动器A包含：致动器A外壳(23)、压电陶瓷叠堆A(24)、驱动足A(25)。致动器B包含：致动器B外壳(19)、压电陶瓷叠堆B(18)、驱动足B(17)。致动器C包含：致动器C外壳(20)、压电陶瓷叠堆C(21)、驱动足C(22)。具体工作原理如下：
A.先将压电陶瓷叠堆A(24)通电，使其伸长推动驱动足A(25)，使得驱动足A(25)紧贴直线导轨(05)，产生静摩擦力。
B.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，推动驱动足C(22)，从而推动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动。
C.驱动压电陶瓷叠堆B(18)，推动驱动足B(17)，使得驱动足B(17)紧贴直线导轨(05)，产生摩擦力。
D.先使压电陶瓷叠堆A(24)断电，收缩驱动足A(25)，使得驱动足A(25)离开直线导轨(05)。再使压电陶瓷叠堆C(21)断电，收缩驱动足C(22)，进而带动致动器A的移动。
E.执行步骤A，再将压电陶瓷叠堆B(18)断电。
F.重复步骤B、C、D、E，使得直线导轨(05)沿直线方向运动，驱动推动压片(07)把致动腔内(08)液体压入液体腔(09)，使得液体腔(09)内的液体水位升高。进而放大被拍摄物体。
G.执行步骤A。
H.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，使其收缩驱动足C(22)，从而拉动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动。
I.执行步骤C。
J.执行步骤D。
K.执行步骤E。
L.重复步骤H、I、J、K，使得直线导轨(05)沿反方向直线运动，拉动推动压片(07)上移，使得液体腔(09)内的液体流入致动腔(08)，使得液体腔(09)内的液体水位下移。进而缩小被拍摄物体。
所述的透镜窗口2(10)，推动压片(07)，压电陶瓷管(04)，密封圈1(15)、密封圈2(16)和密封透镜(14)形成一个密封空间，将液体部分密封，防止液体泄漏。
所述的视觉传感器(12)接收来自液体镜头的图像，并进行成像等后续处理。
所述的透镜窗口1(03)由透镜构成，在初始状态下进行聚焦，依据视觉传感器(12)处理之后的信息控制正弦交流信号施加到压电陶瓷管(04)上，进而实现调焦功能。透镜窗口2(10)和密封透镜(14)由具有高透光的平板玻璃构成。
所述的密封透镜(14)由密封圈1(15)和密封圈2(16)安装在压电陶瓷管(04)内部，确保其上下移动时液体不会泄漏。
所述的镜头外接口(11)负责将视觉传感器(12)上得到的信息传送出去，进行下一步的处理。并传入压电陶瓷管(04)和压电致动器(06)所需要的驱动电压信号。本发明公开了一种电控调焦的液体镜头。包括：透镜固定圈1、透镜固定圈2、透镜窗口1、压电陶瓷管、直线导轨、压电致动器、推动压片、致动腔、液体腔、透镜窗口2、镜头外接口、视觉传感器、镜头外壳、密封透镜、密封圈1、密封圈2、驱动足B、压电陶瓷叠堆B、致动器B外壳、致动器C外壳、压电陶瓷叠堆C、驱动足C、致动器A外壳、压电陶瓷叠堆A、驱动足A。该装置通过在压电陶瓷管内外两侧电极上施加正弦交流电压信号，使其内部产生径向的超声场，从而使得内部液体的折射率发生改变，进而改变液体透镜的焦距。通过控制压电致动器来改变液体腔内的液体高度来改变物体的成像大小。该电控调焦的液体镜头制作方便简单，试用范围广，实用强。
附图说明
图1为本发明提出的一种电控调焦的液体镜头剖视图(侧面剖视)。
图2为压电致动器(06)结构图。
附图标号说明：
01透镜固定圈1、02透镜固定圈2、03透镜窗口1、04压电陶瓷管、05直线导轨、06压电致动器、07推动压片、08致动腔、09液体腔、10透镜窗口2、11镜头外接口、12视觉传感器、13镜头外壳、14密封透镜、15密封圈1、16密封圈2、17驱动足B、18压电陶瓷叠堆B、19致动器B外壳、20致动器C外壳、21压电陶瓷叠堆C、22驱动足C、23致动器A外壳、24压电陶瓷叠堆A、25驱动足A。
具体实施方式
为说明本发明的具体流程，以下将结合附图做详细的说明。
参考图1，一种电控调焦的液体镜头。本发明中的电控调焦的液体镜头包括：01透镜固定圈1、02透镜固定圈2、03透镜窗口1、04压电陶瓷管、05直线导轨、06压电致动器、07推动压片、08致动腔、09液体腔、10透镜窗口2、11镜头外接口、12视觉传感器、13镜头外壳、14密封透镜、15密封圈1、16密封圈2、17驱动足B、18压电陶瓷叠堆B、19致动器B外壳、20致动器C外壳、21压电陶瓷叠堆C、22驱动足C、23致动器A外壳、24压电陶瓷叠堆A、25驱动足A。
所述的透镜固定圈1(01)、透镜固定圈2(02)与镜头外壳(13)相连接，起到固定透镜窗口1(03)和限定内部零部件的作用。
所述的压电陶瓷管(04)固定在镜头外壳(13)上，所述的直线导轨(05)固定在压电陶瓷管(04)上，并和压电致动器(06)相接触，由压电致动器(06)控制其移动。
所述的直线导轨(05)的滑块与推动压片(07)相连接，控制推动压片(07)上下移动。所述的推动压片(07)为圆形压片，直线导轨(05)有两个，分布在对称位置上，直线导轨(05)分别由两个压电致动器(06)控制。
所述的压电陶瓷管(04)使用压电陶瓷制作而成，压电陶瓷管(04)已经径向极化，在压电陶瓷的内部和外部附有一层电极，正弦交流电压信号可以通过内部和外部电极加载到压电陶瓷管(04)上。然后外壳变成超声波振荡器，其可以在径向方向上产生超声场。从而在腔内产生声驻波，腔内产生的声驻波导致液体的折射率改变，进而改变透镜的焦距。液体焦距的变化与正弦交流电压信号的频率关系如下：
Figure GDA0002632539790000061
其中H为液体腔内液体相对于压电陶瓷管(04)底部的有效高度，na是一个与驱动信号和液体固有的声学特性相关的常数值，代表液体折射率的调制深度，ω为正弦交流信号的频率，ν为液体中超声波传播速度，t为时间。
所述的液体腔(09)和致动腔(08)内的液体由硅油，或液体石蜡，或含有5～17个碳原子的烷烃，或含有2～6个碳原子的氯代烃构成。
所述的直线导轨(05)、推动压片(07)和驱动足A(25)、驱动足B(17)、驱动足C(22)为特种铁基烧合金，主要材料为硬粉、石墨粉、铁基粉、铁粉等。
所述的透镜窗口2(10)，推动压片(07)，压电陶瓷管(04)，密封圈1(15)、密封圈2(16)和密封透镜(14)形成一个密封空间，将液体部分密封，防止液体泄漏。
所述的视觉传感器(12)接受来自液体镜头的图像，并进行成像等后续处理。
所述的透镜窗口1(03)由透镜构成，在初始状态下进行聚焦功能，依据视觉传感器(12)处理之后的信息控制正弦交流信号施加到压电陶瓷管(04)上，进而实现调焦功能。透镜窗口2(10)和密封透镜(14)由具有高透光的平板玻璃构成。
所述的密封透镜(14)由密封圈1(15)和密封圈2(16)安装在压电陶瓷管(04)内部，确保其上下移动时液体不会泄漏。
所述的镜头外接口(11)负责将视觉传感器(12)上得到的信息传送出去，进行下一步的处理。并传入压电陶瓷管(04)和压电致动器(06)所需要的驱动电压信号。
参考图2，所述的压电致动器(06)包含致动器A，致动器B，致动器C。致动器A包含：致动器A外壳(23)、压电陶瓷叠堆A(24)、驱动足A(25)。致动器B包含：致动器B外壳(19)、压电陶瓷叠堆B(18)、驱动足B(17)。致动器C包含：致动器C外壳(20)、压电陶瓷叠堆C(21)、驱动足C(22)。具体工作原理如下：
A.先将压电陶瓷叠堆A(24)通电，使其伸长推动驱动足A(25)，使得驱动足A(25)紧贴直线导轨(05)，产生静摩擦力。
B.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，推动驱动足C(22)，从而推动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动。
C.驱动压电陶瓷叠堆B(18)，推动驱动足B(17)，使得驱动足B(17)紧贴直线导轨(05)，产生摩擦力。
D.先使压电陶瓷叠堆A(24)断电，收缩驱动足A(25)，使得驱动足A(25)离开直线导轨(05)。再使压电陶瓷叠堆C(21)断电，收缩驱动足C(22)，进而带动致动器A的移动。
E.执行步骤A，再将压电陶瓷叠堆B(18)断电。
F.重复步骤B、C、D、E，使得直线导轨(05)沿直线方向运动，驱动推动压片(07)把致动腔内(08)液体压入液体腔(09)，使得液体腔(09)内的液体水位升高。进而放大被拍摄物体。
G.执行步骤A。
H.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，使其收缩驱动足C(22)，从而拉动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动。
I.执行步骤C。
J.执行步骤D。
K.执行步骤E。
L.重复步骤H、I、J、K，使得直线导轨(05)沿反方向直线运动，拉动推动压片(07)上移，使得液体腔(09)内的液体流入致动腔(08)，使得液体腔(09)内的液体水位下移。进而缩小被拍摄物体。
以上所述，仅是本发明的较佳的一种实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出更好变形与改进，这些变形与改进，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电控调焦的液体镜头，包含：
透镜固定圈1(01)、透镜固定圈2(02)、透镜窗口1(03)、压电陶瓷管(04)、直线导轨(05)、压电致动器(06)、推动压片(07)、致动腔(08)、液体腔(09)、透镜窗口2(10)、镜头外接口(11)、视觉传感器(12)、镜头外壳(13)、密封透镜(14)、密封圈1(15)、密封圈2(16)，
透镜固定圈1(01)、透镜固定圈2(02)与镜头外壳(13)相连接，用于固定透镜窗口1(03)，压电陶瓷管(04)固定在镜头外壳(13)上，所述的直线导轨(05)固定在压电陶瓷管(04)上，并和压电致动器(06)相接触，由压电致动器(06)控制其移动，直线导轨(05)的滑块与推动压片(07)相连接，控制推动压片(07)上下移动，密封透镜(14)与压电陶瓷管(04)之间形成液体腔(09)，透镜窗口2(10)设置在镜头外壳(13)内且位于压电陶瓷管(04)的下方，推动压片(07)、镜头外壳(13)、透镜窗口2(10)、压电陶瓷管(04)之间形成致动腔(08)；
其中压电致动器(06)包含致动器A、致动器B、致动器C，致动器A包含致动器A外壳(23)，致动器A外壳(23)中设有压电陶瓷叠堆A(24)、驱动足A(25)；致动器B包含致动器B外壳(19)，致动器B外壳(19)中设有压电陶瓷叠堆B(18)、驱动足B(17)；致动器C包含致动器C外壳(20)，致动器C外壳(20)中设有压电陶瓷叠堆C(21)、驱动足C(22)；
其中致动器B、致动器A相对直线导轨(05)上下间隔设置，驱动足A(25)和驱动足B(17)能够水平移动，驱动足C(22)能够竖直移动，驱动足B(17)的一侧与直线导轨(05)相接触，另一侧与压电陶瓷叠堆B(18)接触，致动器B外壳(19)远离驱动足B(17)的一侧固定在致动器C外壳(20)上端侧面，压电陶瓷叠堆C(21)的下方与驱动足C(22)接触，驱动足C(22)的下方固定在致动器A外壳(23)上端侧面，压电陶瓷叠堆A(24)靠近直线导轨(05)的一侧与驱动足A(25)接触，驱动足A(25)的另一侧与直线导轨(05)相接触；
所述的压电陶瓷管(04)使用压电陶瓷制作而成，压电陶瓷管(04)已经径向极化，在压电陶瓷的内部和外部附有一层电极，正弦交流电压信号可以通过内部和外部电极加载到压电陶瓷管(04)上，然后外壳变成超声波振荡器，其可以在径向方向上产生超声场，从而在腔内产生声驻波，腔内产生的声驻波导致液体的折射率改变，进而改变透镜的焦距，液体焦距的变化与正弦交流电压信号的频率关系如下：
Figure FDA0002632539780000021
其中H为液体腔内液体相对于压电陶瓷管(04)底部的有效高度，na是一个与驱动信号和液体固有的声学特性相关的常数值，代表液体折射率的调制深度，ω为正弦交流信号的频率，ν为液体中超声波传播速度，t为时间。
2.根据权利要求1所述的一种电控调焦的液体镜头，其特征在于，所述的液体腔(09)和致动腔(08)内的液体由硅油，或液体石蜡，或含有5～17个碳原子的烷烃，或含有2～6个碳原子的氯代烃构成。
3.根据权利要求1所述的一种电控调焦的液体镜头，其特征在于，所述的直线导轨(05)、推动压片(07)和驱动足A(25)、驱动足B(17)、驱动足C(22)为铁基烧合金，主要材料为硬粉、石墨粉、铁基粉、铁粉。
4.根据权利要求1所述的一种电控调焦的液体镜头，其特征在于，具体工作原理如下：
A.先将压电陶瓷叠堆A(24)通电，使其伸长推动驱动足A(25)，使得驱动足A(25)紧贴直线导轨(05)，产生静摩擦力，以至于当所述致动器A移动时，所述直线导轨(05)可以随着致动器A一起移动，
B.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，推动驱动足C(22)，从而推动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动，
C.驱动压电陶瓷叠堆B(18)，推动驱动足B(17)，使得驱动足B(17)紧贴直线导轨(05)，产生摩擦力，
D.先使压电陶瓷叠堆A(24)断电，收缩驱动足A(25)，使得驱动足A(25)离开直线导轨(05)，再使压电陶瓷叠堆C(21)断电，收缩驱动足C(22)，进而带动致动器A的移动，
E.执行步骤A，再将压电陶瓷叠堆B(18)断电，
F.重复步骤B、C、D、E，使得直线导轨(05)沿直线方向运动，驱动推动压片(07)把致动腔(08)内液体压入液体腔(09)，使得液体腔(09)液体水位升高，进而放大被拍摄物体，
G.执行步骤A，
H.驱动压电陶瓷叠堆C(21)，使其收缩驱动足C(22)，从而拉动致动器A移动，由于驱动足A(25)与直线导轨(05)存在摩擦力，所以直线导轨(05)也随着致动器A一起移动，
I.执行步骤C，
J.执行步骤D，
K.执行步骤E，
L.重复步骤H、I、J、K，使得直线导轨(05)沿反方向直线运动，拉动推动压片(07)上移，使得液体腔(09)内的液体流入致动腔(08)，使得液体腔(09)内的液体水位下移，进而缩小被拍摄物体。
5.根据权利要求1所述的一种电控调焦的液体镜头，其特征在于，所述的透镜窗口2(10)，推动压片(07)，压电陶瓷管(04)，密封圈1(15)、密封圈2(16)和密封透镜(14)形成一个密封空间，将液体部分密封，防止液体泄漏。
6.根据权利要求1所述的一种电控调焦的液体镜头，其特征在于，所述的透镜窗口1(03)由透镜构成，透镜窗口2(10)和密封透镜(14)由具有高透光的平板玻璃构成。
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