CN109870749B - 一种大口径双通道变焦液体透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开大口径双通道变焦液体透镜，包括：出射窗口玻璃、介电疏水层Ⅰ、透镜可变曲面Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅱ、填充液体Ⅱ、透镜可变曲面Ⅱ、导电液体Ⅱ、透明圆环、环形电极、填充液体Ⅰ、导电液体Ⅰ、玻璃盖片、介电疏水层Ⅱ、驱动电源和入射窗口玻璃。通过自制光澜的切换可以将通过透镜的光线划分为内侧光路和外侧光路，从而形成透镜的内通道和外通道。外通道的光线只通过透镜可变曲面Ⅱ，实现一次折射；内通道的光线依次通过透镜可变曲面Ⅰ和透镜可变曲面Ⅱ，实现两次折射，从而增大了光焦度的调节范围，实现连续变焦。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种大口径双通道变焦液体透镜。
二、背景技术
随着手机、照相机等光学成像系统的快速发展，变焦光学系统在各种各样的成像系统中扮演着越来越重要的作用。传统的光学变焦系统主要由一个或多个透镜元件组合而成，通过调整透镜组的相对位置来改变系统的焦距，这种依靠通过移动透镜组的相对位置的机械方式使得变焦系统的结构变得愈发复杂，且易磨损，寿命低。同时，响应速度不够快、体积庞大、价格昂贵等阻碍了此类光学成像系统向轻量化、微型化、低成本方向发展。因此，人们对光学系统成像质量提出了更高的要求，轻量化、微型化的自适应成像系统更受人们的青睐。近些年，科研工作者们研制出了一种基于电湿润效应的液体透镜，这种透镜只需给透镜外加电压，便能够改变液体交界面的曲率半径，进而改变透镜的焦距。特别是Varioptic公司和Philips公司研制的基于介质上电湿润效应的液体透镜在光学成像领域得到大力运用，但这些液体透镜的变焦范围不够大，口径小。因此，在本发明中我们提出了一种大口径双通道变焦液体透镜，该液体透镜具有变焦范围大，口径大等显著特点。
三、发明内容
本发明提出一种大口径双通道变焦液体透镜。如附图1所示，该透镜包括：出射窗口玻璃、介电疏水层Ⅰ、透镜可变曲面Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅱ、填充液体Ⅱ、透镜可变曲面Ⅱ、导电液体Ⅱ、透明圆环、环形电极、填充液体Ⅰ、导电液体Ⅰ、玻璃盖片、介电疏水层Ⅱ、驱动电源和入射窗口玻璃。其中，利用导电的金属圆筒偏置电极Ⅰ构成透镜的外通道，同时在外侧通道内侧嵌入一个口径更小的同轴可导电金属圆筒偏置电极Ⅰ形成透镜的内通道，内通道与外通道同时构成该透镜的主体结构。金属圆筒偏置电极Ⅰ和金属圆筒偏置电极Ⅱ的内侧覆盖有介电疏水层形成疏水区域。金属圆筒偏置电极Ⅰ和金属圆筒偏置电极Ⅱ的外侧共同构成外通道的驱动电极，金属圆筒偏置电极Ⅱ的内侧和位于透镜底部的环形电极构成内侧通道的驱动电极。填充液体Ⅰ与导电液体Ⅰ具有相同的密度，互不相溶且具有一定的折射率差。填充液体Ⅱ与导电液体Ⅱ具有相同的密度，互不相溶且具有一定的折射率差。外通道的光线只通过透镜可变曲面Ⅱ，实现一次折射，外通道为大口径环形透镜；内通道的光线依次通过透镜可变曲面Ⅰ和透镜可变曲面Ⅱ，实现两次折射，从而增大了光焦度的调节范围，实现连续变焦。
当在金属圆筒偏置电极Ⅱ与金属圆筒偏置电极Ⅰ间施加电压时，透镜可变曲面Ⅰ与介电疏水层Ⅰ的接触角将会变化，使得曲面由凹变凸，外通道成为一个凸透镜，如附图2所示，此时外通道为环形透镜。当在金属圆筒偏置电极Ⅱ与环形电极之间施加电压时，透镜可变曲面Ⅱ与金属圆筒偏置电极Ⅰ的接触角会发生变化，使得曲面由凹变凸，因此内通道成为一个凸透镜，如附图3所示。同时给金属圆筒偏置电极Ⅱ、金属圆筒偏置电极Ⅰ和环形电极施加电压时，透镜可变曲面Ⅰ和透镜可变曲面Ⅱ都发生变化，成为凸透镜，此时内通道的光线实现两次折射，外通道的光线实现一次折射，从而达到变焦，如附图4所示。该透镜进一步扩大了液体透镜的口径，且增大了变焦范围。
优选地，外通道的金属圆筒偏置电极Ⅱ直径d1≤16mm且d1≥10mm，内通道的金属圆筒偏置电极Ⅰ直径d2≤6mmm且d2≥4mmm；外通道的金属圆筒偏置电极Ⅱ高度d3≤16mm且d3≥10mm，内通道的金属圆筒偏置电极Ⅰ高度d4≤6mm且d4≥4mm。
优选地，出射窗口玻璃厚度d5≥0.1mm且d5≤0.5mm。入射窗口玻璃厚度d6≥0.1mm且d6≤0.5mm。
优选地，环形电极由内环直径为d2，外环直径为1.2d2且厚度为0.5mm的金属圆环构成，环形电极的上下表面绝缘不导电。
优选地，填充液体Ⅰ和导电液体Ⅰ密度相同，且填充液体Ⅰ与填充液体Ⅰ有不同的折射率。填充液体Ⅰ为透明油性液体，导电液体Ⅰ为电解质液体或离子液体。
优选地，填充液体Ⅱ和导电液体Ⅱ密度相同，且填充液体Ⅱ与填充液体Ⅱ有不同的折射率。填充液体Ⅱ为透明油性液体，导电液体Ⅱ为电解质液体或离子液体。
优选地，透明圆环为光学玻璃、光学塑料等光学材料。
优选地，大口径双通道变焦液体透镜的驱动方式为电湿润驱动或介电力驱动。
四、附图说明
附图1为大口径双通道变焦液体透镜初始状态示意图。
附图2为大口径双通道变焦液体透镜外通道电压导通光路示意图。
附图3为大口径双通道变焦液体透镜内通道电压导通光路示意图。
附图4为大口径双通道变焦液体透镜内外通道电压同时导通光路示意图。
上述附图中的图示标号为：
1 出射窗口玻璃、2 介电疏水层Ⅰ、3 透镜可变曲面Ⅰ、4 金属圆筒偏置电极Ⅰ、5 金属圆筒偏置电极Ⅱ、6 填充液体Ⅱ、7 透镜可变曲面Ⅱ、8 导电液体Ⅱ、9 透明圆环、10 环形电极、11 填充液体Ⅰ、12 导电液体Ⅰ、13 玻璃盖片、14 介电疏水层Ⅱ、15 驱动电源和16入射窗口玻璃。
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口径双通道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：如附图1所示，本实施例中外通道由金属圆筒偏置电极Ⅰ形成，并在金属圆筒偏置电极Ⅰ内侧覆盖介电疏水层Teflon，金属圆筒偏置电极Ⅰ内直径为15mm，外直径为16mm。金属圆筒偏置电极Ⅰ高度为16mm；内通道由金属圆筒偏置电极Ⅱ形成，并在内侧覆盖介电疏水层Teflon，金属圆筒偏置电极Ⅱ内直径为5mm，外直径为6mm；圆筒高度为5mm。金属圆筒偏置电极Ⅰ和金属圆筒偏置电极Ⅱ的外侧共同构成外通道的驱动电极；金属圆筒偏置电极Ⅱ的内侧和位于透镜底部的环形电极构成内侧通道的驱动电极。通过UV胶将环形电极与内通道金属圆筒偏置电极Ⅰ粘连在一起。出射窗口玻璃厚度为0.5mm，内通道底部入射窗口玻璃厚度为0.5mm，外通道底部为内直径为6mm外直径为16mm的透明PMMA圆环。填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ相同，它们的折射率为1.48，阿贝数为39.0；导电液体Ⅰ与导电液体Ⅱ相同，都为NaCl水溶液，它的折射率为1.33，阿贝数为55.8。通过数据采集与实验分析，该双通道变焦液体透镜内通道的最短负焦距是-17.5mm，最短正焦距为19.5mm；外通道的最短负焦距为-53.2mm，而最短正焦距是53.2mm，该透镜进一步扩大了液体透镜的口径且增大了变焦范围。
Claims (7)
1.一种大口径双通道变焦液体透镜，该透镜包括出射窗口玻璃、介电疏水层Ⅰ、透镜可变曲面Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅰ、金属圆筒偏置电极Ⅱ、填充液体Ⅱ、透镜可变曲面Ⅱ、导电液体Ⅱ、透明圆环、环形电极、填充液体Ⅰ、导电液体Ⅰ、玻璃盖片、介电疏水层Ⅱ、驱动电源和入射窗口玻璃，其特征在于利用导电的金属圆筒偏置电极Ⅰ形成透镜的外通道，同时在外通道内嵌入一个半径更小的导电金属圆筒偏置电极Ⅱ形成透镜的内通道，内通道与外通道同时构成该透镜的主体结构，填充液体Ⅰ与导电液体Ⅰ具有相同的密度，互不相溶且具有一定的折射率差，且彼此接触；填充液体Ⅱ与导电液体Ⅱ具有相同的密度，互不相溶且具有一定的折射率差，且彼此接触，该透镜的内通道中具有透镜可变曲面Ⅰ和透镜可变曲面Ⅱ，可实现两次折射，用于连续光学变焦；透镜的外通道只有透镜可变曲面Ⅰ，实现一次折射，但其为大口径环形透镜。
2.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：光路入射时可将光路分为内通道和外通道，内通道光路可进行两次折射，用于连续光学变焦；外通道光路只能进行一次折射，但外通道为大口径环形透镜。
3.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：导电液体Ⅰ和填充液体Ⅰ密度相同，互不相溶且具有不同的折射率；导电液体Ⅱ和填充液体Ⅱ密度相同，互不相溶且具有不同的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：外通道的金属圆筒偏置电极Ⅱ直径d1≤16mm且d1≥10mm，内通道的金属圆筒偏置电极Ⅰ直径d2≤6mm且d2≥4mm；外通道的金属圆筒偏置电极Ⅱ高度d3≤16mm且d3≥10mm，内通道的金属圆筒偏置电极Ⅰ高度d4≤6mm且d4≥4mm。
5.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：环形电极由内环直径为d2，外环直径为1.2d2且厚度为0.5mm的金属圆环构成，环形电极的上下表面绝缘不导电。
6.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：透明圆环为绝缘的光学塑料。
7.根据权利要求1所述的一种大口径双通道变焦液体透镜，其特征在于：该变焦液体透镜的驱动方式为电湿润驱动或介电力驱动。
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