CN110673240B - 一种带有s型流道的电流体驱动可变焦液体透镜 - Google Patents

Abstract

一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜，涉及微光学。设有成像腔室、驱动腔室、驱动腔盖板、透镜上下盖板、侧盖板、弹性薄膜、电流体、E形电极；成像腔室内填充绝缘透明液体，透镜上盖板固接成像腔室上表面，透明下盖板紧固于成像腔室下表面；上盖板弹性薄膜贴合并紧固于透镜上盖板的圆孔处；驱动腔室内设有两个E形电极构成的“S”型流道，电流体填充于“S”型流道内，驱动腔盖板设于两个E形电极上表面，驱动腔盖板上表面固接上置磁铁，驱动腔室下表面固接下置磁铁，驱动腔室一侧设方形凹槽，侧盖板中心与方形凹槽配合固接，侧盖板弹性薄膜贴合固接于侧盖板通孔处；驱动腔室与成像腔室间通过内部流道连接。结构简单、操作方便。

Description

一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜

技术领域

本发明涉及微光学技术领域，尤其是涉及应用电流体在电磁力的作用下形态可变的特性实现对可变焦液体液体曲面的改变，从而达到变焦的效果的一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜装置。

背景技术

变焦技术是光学系统实现不同远近景物清晰成像的重要保证，然而目前的透镜大多是以玻璃或树脂为材料，并且为了实现变焦，需要多个透镜组合配合精确的运动轨迹使得透镜间相对位置发生变化，具有机械结构复杂繁多、制作成本高、操作复杂、长时间使用容易出现磨损等缺点，难以满足人们日常的生产和生活需要。因此，需要探寻合适的光学变焦技术来克服传统的机械变焦系统的不足。

液体透镜通常由一种或多种液体填充的无机械连接光学元件，通过改变液面曲率或液体折射率，从而达到光学成像焦距的调节。相较于传统的固体透镜，液体透镜机构简单、体积小巧、操作方便、响应快、噪声低、集成度高。

根据实现变焦功能的驱动方式的不同，液体透镜可分为电气驱动式和机械驱动式([1]Chiu C P,Chiang T J,Chen J K,et al.Liquid Lenses and Driving Mechanisms:AReview[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2012,26:12-17,1773-1788.)。其中，常见的电气驱动式液体镜头包括介电泳式和电润湿式。该类镜头加工工艺复杂、驱动电压高，往往需要数十甚至上百伏的调控电压([2]Cheng C C,Chang C A,Yeh JA.Variable focus dielectric liquid droplet lens[J].Optics Express,2006,14(9):4101-4106.[3]Berge B,Peseux J.Variable focal lens controlled by an externalvoltage:An application of electrowetting[J].European Physical Journal E,2000,3(2):159-163.)。机械驱动式液体镜头通常需要集成流体泵、位移制动器和形状记忆合金等装置实现对透镜内部填充液体的压力控制。整个系统搭建复杂，并且体积大和焦距控制精度低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种结构简单、操作方便，具有较低的驱动电压，较高系统集成度和焦距控制精度的一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜。

本发明设有成像腔室、驱动腔室、上置磁铁、下置磁铁、驱动腔盖板、透镜上盖板、透明下盖板、侧盖板、上盖板弹性薄膜、侧盖板弹性薄膜、电流体、E形电极和绝缘透明液体；

所述成像腔室内填充绝缘透明液体，所述透镜上盖板中心设有圆孔，透镜上盖板固接成像腔室的上表面，透明下盖板紧固于成像腔室的下表面；上盖板弹性薄膜贴合并紧固于透镜上盖板的圆孔处；

所述驱动腔室内设有两个E形电极构成的“S”型流道，电流体填充于“S”型流道内，所述驱动腔盖板设于两个E形电极上表面，上置磁铁固接于驱动腔盖板的上表面，下置磁铁固接于驱动腔室的下表面，所述驱动腔室一侧设有方形凹槽，方形凹槽中心设有圆孔，所述侧盖板中心设有圆形通孔并与方形凹槽配合固接，所述侧盖板弹性薄膜贴合固接于侧盖板通孔处；

所述驱动腔室与成像腔室间通过内部流道连接。

所述驱动腔室两侧设有通孔，用于引出导线与外部控制电源连接。

所述E形电极交错放置于驱动腔室内，E形电极构成的“S”型流道供电流体填充，构成可变焦液体填充透镜的驱动单元。当特定方向的垂直电场和磁场的共同作用时，在固定的空间内能够增大驱动流道的有效长度。

所述上盖板弹性薄膜和侧盖板弹性薄膜用于液体透镜系统内电流体在电磁力的作用下形成的压力差实现对其光学曲率的改变。所述上盖板弹性薄膜、侧盖板弹性薄膜采用包括但不限于粘接、键合等工艺分别贴合于透镜上盖板、侧盖板上。

所述透镜上盖板与成像腔室的上表面、透明下盖与成像腔室的下表面均可采用粘接。所述侧盖板与方形凹槽配合固接可采用粘接。

所述成像腔室和驱动腔室之间通过流道连接，用于电流体(如液态金属、导电离子溶液等)和绝缘透明液体在成像腔室和驱动腔室之间流动。

所述侧盖板弹性薄膜用于整个系统透镜系统内部压强与外界气压的平衡，保证电流体材料在安培力的作用下前进或者后退。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)透镜的焦距变化由电流体材料内的安培力驱动，简化了液体透镜的机械结构，取代了传统的泵等液体压力调节设备，具有响应速度快的突出优点。

2)透镜的焦距变化可由提供的电流大小和方向进行控制，易于对透镜焦距高精度调节。

3)透镜整体无额外移动部件，因而具有使用寿命长，噪音小。

4)E形电极构成的“S”型流道在有限空间内增大有效流道长度，进而增大了电流体材料所受安培力，极大程度上减小了液体透镜的体积，特别适合于高集成度的场合。

5)所述E形电极及电流体材料具有高电导率的特点，因而本发明液体透镜具有驱动电压小的显著特点。

6)相对于现有的电气驱动式液体镜头，具有较低的驱动电压。相对于机械驱动式液体镜头，具有较高的系统集成度和焦距控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的分解结构示意图。

图3为本发明实施例的第一种状态(压强P﹥0)原理示意图。

图4为本发明实施例的第一种状态(压强P﹥0)焦距变化示意图。

图5为本发明实施例的第二种状态(压强P﹤0)原理示意图。

图6为本发明实施例的第二种状态(压强P﹤0)焦距变化示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1～2，本发明实施例设有成像腔室11、驱动腔室17、上置磁铁1、下置磁铁7、驱动腔盖板2、透镜上盖板9、透明下盖板12、侧盖板5、上盖板弹性薄膜8、侧盖板弹性薄膜6、电流体3、E形电极4和绝缘透明液体10；所述成像腔室11上表面四周设有凸沿18，成像腔室11上表面中心设有圆孔，成像腔室11内填充绝缘透明液体10，所述透镜上盖板9中心设有圆孔，透镜上盖板9固接成像腔室11的上表面，透明下盖板12紧固于成像腔室11的下表面；上盖板弹性薄膜8贴合并紧固于透镜上盖板9的圆孔处；所述驱动腔室17内设有两个E形电极4构成的“S”型流道，电流体3填充于“S”型流道内，所述驱动腔盖板2设于两个E形电极4上表面，上置磁铁1固接于驱动腔盖板2的上表面，下置磁铁7固接于驱动腔室17的下表面，所述驱动腔室17一侧设有方形凹槽，方形凹槽中心设有圆孔，所述侧盖板5中心设有圆形通孔并与方形凹槽配合固接，所述侧盖板弹性薄膜6贴合固接于侧盖板5通孔处；所述驱动腔室17与成像腔室11间通过内部流道连接。

所述驱动腔室17两侧设有通孔A，用于引出导线与外部控制电源连接。外部电源通过驱动腔室两侧的通孔A引出的导线与两个E形电极4连接。

所述透镜下盖板12、驱动腔盖板2、上置磁铁1、下置磁铁7均为长方形板状体。

本发明的工作原理如下：

使用时，上置磁铁和下置磁铁在透镜主体范围产生磁场，驱动腔体中的“S”型流道储存有电流体材料，电极与电流体之间保持良好接触。电源装置正负极通过透镜主体两侧的圆孔连接在两个E形电极上，E形电极使电流体材料内部通过垂直于“S”型流道轴线方向的电流，根据左手定则确定安培力方向，得出安培力方向在“S”型流道内部始终与“S”型流道方向一致，即电流体材料所受安培力驱动沿曲折流道方向流动。该类“S”型流道的设计，能够在有限的空间内增大驱动路径的长度，获得较大的压强差。

液态金属位于上置磁铁和下置磁铁形成的磁场中，在图3所示磁场和电流方向下，安培力驱动的电流体沿流道方向流向成像腔室，迫使位于成像腔室和驱动腔室之间的流道内的绝缘透明液体流向成像腔室，进而使成像腔室内的绝缘透明液体压强增大，最终导致贴合于上盖板圆孔处的弹性薄膜变形凸起，形成凸透镜。

随着驱动腔室内电流体材料内部通过的电流增大，电流体所受安培力增大，进一步使成像腔室内绝缘透明液体压强增大，使得贴合于上盖板圆孔处的弹性薄膜曲率增大，进而改变光线在液体和空气界面的偏折角度，实现焦距调节的目的。

所述“S”型流道中电流体内通过的电流反向时，如图5所示。电流体所受安培力随之反向，进而使成像腔室内绝缘透明液体压强减小，可使贴合于上盖板圆孔处的弹性薄膜变形下凹，形成凹透镜。

所述贴合在侧盖板5圆孔处的弹性薄膜6用于整个系统透镜系统内部压强与外界气压的平衡，保证电流体材料在安培力的作用下前进或者后退。

图3和4分别给出本发明实施例的第一种状态原理和焦距变化示意图(P﹥0)。在图3所示的垂直磁场B和电流I的共同作用下，E形电极形成“S”型流道内任意位置的电流体受安培力F作用有向成像腔室流动挤压趋势，并通过体积力的形式产生压强P(P﹥0)作用于成像腔室内填充的绝缘透明液体10。在图4所示的透镜成像腔室的剖切视图中，包括透镜上盖板截面13、部分透镜主体截面14、下盖板截面15和弹性薄膜截面16。在压强P(P﹥0)的作用下，上盖板弹性薄膜8凸起，形成凸透镜。一般地，当绝缘液体折射率大于空气时，图示光线经过透镜后会聚，产生正焦距值。

图5和6分别给出本发明实施例的第二种状态原理和焦距变化示意图(P﹤0)。实施例中第二种状态时，两个E形电极所施加的电压较第一种状态发生反向。在图5所示的垂直磁场B和电流I的共同作用下，E形电极形成“S”型流道内任意位置的电流体受安培力F作用有远离成像腔室的趋势，并通过体积力的形式产生压强P(P﹤0)作用于成像腔室内填充的绝缘透明液体10。在图6中，上盖板弹性薄膜8在压强P(P﹤0)作用下凹陷，形成凹透镜。一般地，当绝缘液体折射率大于空气时，图示光线经过透镜后发散，产生负焦距值。

由本发明实施例中第一和第二种状态分析可知，在成像过程中，可通过控制连接电源输出的电流大小和方向对透镜焦距进行调节。此外，也可根据实际需求，通过改变电极正负极性改变电流方向，控制入射光线的会聚或发散，进而改变成像焦距值的正负。

Claims (4)

1.一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜，其特征在于设有成像腔室、驱动腔室、上置磁铁、下置磁铁、驱动腔盖板、透镜上盖板、透明下盖板、侧盖板、上盖板弹性薄膜、侧盖板弹性薄膜、电流体、E形电极和绝缘透明液体；

所述成像腔室内填充绝缘透明液体，所述透镜上盖板中心设有圆孔，透镜上盖板固接成像腔室的上表面，透明下盖板紧固于成像腔室的下表面；上盖板弹性薄膜贴合并紧固于透镜上盖板的圆孔处；

所述驱动腔室内设有两个E形电极构成的“S”型流道，电流体填充于“S”型流道内，所述驱动腔盖板设于两个E形电极上表面，上置磁铁固接于驱动腔盖板的上表面，下置磁铁固接于驱动腔室的下表面，所述驱动腔室一侧设有方形凹槽，方形凹槽中心设有圆孔，所述侧盖板中心设有圆形通孔并与方形凹槽配合固接，所述侧盖板弹性薄膜贴合固接于侧盖板通孔处；

所述驱动腔室与成像腔室间通过内部流道连接；

所述驱动腔室两侧设有通孔，用于引出导线与外部控制电源连接；

所述两个E形电极交错放置于驱动腔室内，E形电极构成的“S”型流道供电流体填充。

2.如权利要求1所述一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜，其特征在于所述上盖板弹性薄膜、侧盖板弹性薄膜采用包括但不限于粘接、键合工艺分别贴合于透镜上盖板、侧盖板上。

3.如权利要求1所述一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜，其特征在于所述透镜上盖板与成像腔室的上表面、透明下盖与成像腔室的下表面均采用粘接。

4.如权利要求1所述一种带有S型流道的电流体驱动可变焦液体透镜，其特征在于所述侧盖板与方形凹槽配合固接采用粘接。

Images