CN110764250B - 一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜 - Google Patents
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Abstract
一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，它包括镜面层、压电陶瓷管组件、玻璃支撑结构以及介质膜；所述压电陶瓷管组件包括同轴套装的内外压电陶瓷管，内压电陶瓷管外径小于外压电陶瓷管的内径，镜面层固接在压电陶瓷组件的一端面，压电陶瓷组件的另一端面固接在玻璃支撑架构上，镜面层上镀有作为工作区域的介质膜。本发明采用压电陶瓷管横向伸长作为驱动，在压电陶瓷管内外壁之间施加电压时，将产生轴向方向的位移，且变形量随着压电陶瓷管长度的增加而增加，这种致动器能产生较大的变形，结构紧凑。
Description
技术领域
本发明属于光学器件领域，涉及一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜。
背景技术
随着科技的发展，传统光学变焦成像系统由于存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对自动化、智能化、微型化光学变焦系统的要求。
目前主要有透射式和反射式两种类型。反射式器件则通过改变反射镜反射表面曲率实现焦距的改变。而透射式器件如液滴透镜通过静电力改变液滴表面的曲率来实现焦距的改变。如一种可调焦距的反射镜(公开号CN 105022163 A)，利用压电执行器施加电压产生变形时压缩或者扩张下基板窗口内的气体，推动反射镜面使其发生圆弧变形，达到改变焦距的目的。而透射式器件如液滴透镜通过静电力改变表面的曲率或者填充液体的折射率来实现焦距的改变。如一种电控调焦的液体镜头(公开号CN 109031484 A)，利用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，但结构原理较为复杂。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜。本发明采用压电陶瓷管横向伸长作为驱动(d31方式驱动)，在压电陶瓷管内外壁之间施加电压时，将产生轴向方向的位移，且变形量随着压电陶瓷管长度的增加而增加，这种致动器能产生较大的变形，相比于电控调焦的液体镜头，结构紧凑。
本发明的技术方案是：
方案一：一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，它包括镜面层、压电陶瓷管组件、玻璃支撑结构以及介质膜；所述压电陶瓷管组件包括同轴套装的内外压电陶瓷管，内压电陶瓷管外径小于外压电陶瓷管的内径，镜面层固接在压电陶瓷组件的一端面，压电陶瓷组件的另一端面固接在玻璃支撑架构上，镜面层上镀有作为工作区域的介质膜。
方案二：一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，它包括镜面层、压电陶瓷管、铜管、玻璃支撑结构以及介质膜；压电陶瓷管和铜管同轴套装并具有间隙，压电陶瓷管作为单驱动结构，铜管作为固定结构，镜面层固接在压电陶瓷管和铜管的一端面，压电陶瓷管和铜管的另一端面固接在玻璃支撑架构上，镜面层上镀有作为工作区域的介质膜。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1)、本发明所述基于压电陶瓷管驱动的变焦镜与其他类型的变焦镜相比，极大简化了光学系统结构设计，结构紧凑，采用基于压电陶瓷管的新型驱动方式，制作简单，成本上会低很多。
2)、本发明所述基于压电陶瓷管驱动的变焦镜可充当反射式变焦镜或者透射式变焦镜，适用于不同场合不同需求，应用范围广。
3)、本发明采用压电横向伸长作为驱动(d31方式驱动)，在内外壁之间施加电压时，将产生轴向方向的位移，且变形量随着压电陶瓷管长度的增加而增加，这种致动器能产生较大的变形，在成本上要低很多，相比于电控调焦的液体镜头，结构上也比较简洁，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于内外压电陶瓷管驱动的反射式变焦镜的结构示意图；
图2为本发明实施例1中内压电陶瓷管伸长变形外压电陶瓷管缩短变形的反射式变焦镜的工作示意图；
图3为本发明实施例1中内压电陶瓷管缩短变形而外压电陶瓷管伸长变形的反射式变焦镜的工作示意图；
图4为本发明实施例2中基于内外压电陶瓷管驱动的透射式变焦镜的结构示意图；
图5为本发明实施例2中内压电陶瓷管伸长变形外压电陶瓷管缩短变形的透射式变焦镜的工作示意图；
图6为本发明实施例2中内压电陶瓷管缩短变形外压电陶瓷管伸长变形的透射式变焦镜的工作示意图；
图7为本发明实施例3中压电陶瓷管和铜管组合的反射式变焦镜的结构示意图；
图8为本发明实施例3中压电陶瓷管缩短变形的反射式变焦镜的工作示意图；
图9为本发明实施例3中压电陶瓷管伸长变形的反射式变焦镜的工作示意图；
图10为本发明实施例4中压电陶瓷管和铜管组合的透射式变焦镜的结构示意图；
图11为本发明实施例4中压电陶瓷管伸长变形的透射式变焦镜的工作示意图；
图12为本发明实施例4中压电陶瓷管缩短变形的透射式变焦镜的工作示意图。
图中，1、镜面层，2、外压电陶瓷管内电极，3、外压电陶瓷层、4、外压电陶瓷管外电极，5、外压电陶瓷管，6、内压电陶瓷管内电极，7、内压电陶瓷层，8、内压电陶瓷管外电极，9、内压电陶瓷管，10、液体介质，11、玻璃支撑结构，12、介质膜，13、铜管，16、压电陶瓷管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图中实心箭头方向表示光束行进方向。
参见图1，本实施方式的一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，它包括镜面层1、压电陶瓷管组件、玻璃支撑结构11以及介质膜12；
所述压电陶瓷管组件包括同轴套装的内外压电陶瓷管，内压电陶瓷管9外径小于外压电陶瓷管5的内径，镜面层1固接在压电陶瓷组件的一端面，压电陶瓷组件的另一端面固接在玻璃支撑架构11上，镜面层1上镀有作为工作区域的介质膜12。
工作原理
基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，采用压电横向伸长作为驱动(d31方式驱动)，在内外压电陶瓷管的壁之间施加电压时，其变形量为：
△L＝d31lEc (1)
式(1)中Ec为压电陶瓷管径向的驱动电场；d31是横向压电系数，是指极化方向与外力垂直的方向；l是压电陶瓷管的长度。由公式(1)可知变形量随着压电陶瓷管长度的增加而增加，这种致动器能产生较大的变形。当压电陶瓷管驱动组件为两个同轴内外压电陶瓷管时，外压电陶瓷管伸长量大于内压电陶瓷管伸长量，由于镜面层1与两个同轴内外压电陶瓷管粘接在一起，驱使整个镜面层1产生凹的面形；反之则产生凸的面形。通过控制两个内外压电陶瓷管的伸缩量之差，可以精确控制镜面层1的曲率变化；当压电陶瓷管驱动组件为一个压电陶瓷管与一个铜管同轴粘接时，铜管13作为固定机构，此时压电陶瓷管16作为驱动结构带动镜面曲率变化。
一方面该种结构的变焦镜可将镀有高反射率介质膜的圆形抛光硅片作为镜面层1，充当反射式变焦镜，内部腔体填充水冷液体用于高能激光工作条件下降温，可有效降低自身的热变形；另一方面该种结构的变焦镜可将镀有高透射率介质膜的弹性聚合物薄膜作为镜面层1，内部填充高透射率无色液体，聚合物薄膜在压电陶瓷管的作用下改变其表面曲率半径，充当透射式变焦镜。
实施例1，图1-图3为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的反射式变焦镜的结构示意图，如图2所示，镜面层1为高反射率的圆形抛光硅片，厚度为200μm，表面外侧镀有增加反射率的介质膜12，另一侧由环氧胶粘接两个同轴内外压电陶瓷管上。外压电陶瓷管5包括外压电陶瓷管内电极层2、外压电陶瓷层3和外压电陶瓷管外电极层4；外压电陶瓷层3布置在外压电陶瓷管内电极层2和外压电陶瓷管外电极层4之间且与二者固接。内压电陶瓷管9包括内压电陶瓷管内电极层6、内压电陶瓷层7和内压电陶瓷管外电极层8；内压电陶瓷层7布置在内压电陶瓷管内电极层6和内压电陶瓷管外电极层8之间且与二者固接；
外压电陶瓷管5的内径、外径分别为15mm、18mm，内压电陶瓷管9内径、外径分别为20mm、23mm，内外压电陶瓷管的壁厚均为1.5mm，内外压电陶瓷管的间隙为1mm，长度为20-30mm，极化方向沿着径向壁厚方向，内外壁均镀有5μm的银层或铝层作为电极层，由导线引出接入电压，内外压电陶瓷管同轴固定在玻璃支撑结构11上。工作区域面积为介质膜12覆盖的区域，内部腔体10无填充物或者填充水冷液体用于高能激光工作条件下降温，可有效降低自身的热变形。介质膜12为增强光束反射率的薄膜，一般有直接渡层金属膜的，如铝银金的，充当高反射金属膜。
图2为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的反射式变焦镜的工作示意图。如图2所示，当内压电陶瓷管9内外壁，即内压电陶瓷管内电极层6与内压电陶瓷管外电极8施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形；外压电陶瓷管5内外壁，即外压电陶瓷管内电极层2与外压电陶瓷管外电极层4施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，由于镜面层1与两个同轴内外压电陶瓷管粘接在一起，内压电陶瓷管9与外压电陶瓷管5变形量之差驱使圆形抛光硅片产生凸的面形，形成可调凸面反射镜。反之如图3所示，当内压电陶瓷管9内外壁施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，外压电陶瓷管5内外壁施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形，则驱动圆形抛光硅片产生凹的面形，形成可调凹面反射镜。通过控制内外压电陶瓷管的变形量，可以精确控制圆形抛光硅片的曲率变化。
实施例2，图4-图6为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的透射式变焦镜的结构示意图。如图4所示，该结构与实施例1中图1结构一致，不同之处在于：镜面层1为高透射率的弹性聚合物薄膜，可选择PDMS薄膜或者其它生物聚合物薄膜，该弹性聚合物薄膜厚度为500μm，表面外侧镀有增加透射率的介质膜12，另一侧由环氧胶粘接两个同轴内外压电陶瓷管上。内部腔体10填充高透射率无色液体介质，如液体石蜡，铬酸钠溶液等。外压电陶瓷管5与内压电陶瓷管9尺寸规格与实施例1中一致，内压电陶瓷管内电极6在用导线引出电极时，需要注意密封防止液体泄露。介质膜12为增强光束透射率的薄膜，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜,这种薄膜就叫增透膜，一般都用氟化镁镀制增透膜。
图5-图6为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的透射式变焦镜的工作示意图。如图5所示，当内压电陶瓷管9内外壁，即内压电陶瓷管内电极层6与内压电陶瓷管外电极层8施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形；外压电陶瓷管5内外壁，即外压电陶瓷管内电极层2与外压电陶瓷管外电极层4施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，由于镜面层1与两个同轴内外压电陶瓷管粘接在一起，内压电陶瓷管9与外压电陶瓷管5变形量之差驱使作为镜面层1的弹性聚合物薄膜产生凸的面形，形成可调平面凸透镜。反之如图6所示，当内压电陶瓷管9内外壁施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，外压电陶瓷管5内外壁施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形，则驱动弹性聚合物薄膜产生凹的面形，形成可调平面凹透镜。通过控制两个压电陶瓷管的变形量之差，可以精确控制聚合物薄膜的曲率变化。
进一步地，一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，它包括镜面层1、压电陶瓷管、铜管13、玻璃支撑结构11以及介质膜12；压电陶瓷管16和铜管13同轴套装并具有间隙，压电陶瓷管16作为单驱动结构，铜管13作为固定结构，镜面层1固接在压电陶瓷管16和铜管13的一端面，压电陶瓷管16和铜管13的另一端面固接在玻璃支撑结构11上，镜面层1上镀有作为工作区域的介质膜12。如图7所示，所述变焦镜为反射式变焦镜，镜面层为具有反射性能的圆形抛光硅片；作为内装的压电陶瓷管16或铜管13内无填充物或填充水冷液体；介质膜12为增强光束反射率的薄膜。
如图10所示，所述变焦镜为透射式变焦镜，镜面层为具有透射性能的弹性聚合物薄膜；介质膜12为增强光束透射率的薄膜。玻璃支撑结构11为具有透射性能的平面透镜。
实施例3，在上述方案的基础上，图7-图9为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的反射式变焦镜的结构示意图。如图7所示，该结构与图1结构一致，不同之处在于：外压电陶瓷管5或内压电陶瓷管9其中之一替换为铜管13，也即为：铜管13套在压电陶瓷管16外，或者压电陶瓷管16套在铜管13外；压电陶瓷管16的极化方向沿着径向壁厚的方向。
如图7所示，铜管13替代原先的内压电陶瓷管9充当固定装置，此时作为外管的压电陶瓷管16内外壁之间施加电压产生轴向缩短或伸长变形。工作示意如图8，压电陶瓷管16沿轴向缩短时产生凸的面形，形成可调凸面反射镜；如图9所示，压电陶瓷管16沿轴向伸长时产生凹的面形，形成可调凹面反射镜。压电陶瓷管16也是主要由压电陶瓷管内电极层、压电陶瓷层和压电陶瓷管外电极层组成。
当铜管13替代原先的外压电陶瓷管5充当固定装置，此时作为内管的压电陶瓷管16内外壁之间施加电压产生轴向缩短或伸长变形。其工作示意与图8和图9类似，此处不再赘述。
实施例4，在上述方案的基础上，图10-图12为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的透射式变焦镜的结构示意图。
图10为本实施例所述基于压电陶瓷管驱动的透射式变焦镜的结构示意图。所述变焦镜为透射式变焦镜，镜面层为具有透射性能的弹性聚合物薄膜；作为内管的压电陶瓷管16或铜管13内填充有具有透射性能的无色液体；介质膜12为增强光束透射率的薄膜。玻璃支撑结构11为具有透射性能的平面透镜。
如图10所示，该结构与实施例3中图5结构一致，不同之处在于：外压电陶瓷管5或内压电陶瓷管9其中之一为铜管13。如图10所示，铜管13替代原先的外压电陶瓷管5充当固定装置，作为内管的压电陶瓷管16内外壁之间施加电压产生轴向缩短或伸长变形；工作示意如图11所示，压电陶瓷管16沿轴向伸长时产生凸的面形，形成可调凸面透射镜；压电陶瓷管16沿轴向缩短时产生凹的面形，形成可调凹面透射镜。当铜管13替代原先的内压电陶瓷管9充当固定装置，此时作为外管的压电陶瓷管16内外壁之间施加电压产生轴向缩短或伸长变形。其工作示意与图11和图12类似，此处不再赘述。
本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (4)
1.一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，其特征在于：它包括镜面层(1)、压电陶瓷管组件、玻璃支撑结构(11)以及介质膜(12)；
所述压电陶瓷管组件包括同轴套装的内外压电陶瓷管，内压电陶瓷管(9)外径小于外压电陶瓷管(5)的内径，镜面层(1)固接在压电陶瓷组件的一端面，压电陶瓷组件的另一端面固接在玻璃支撑结构(11)上，镜面层(1)上镀有作为工作区域的介质膜(12)，内压电陶瓷管(9)和外压电陶瓷管(5)的极化方向均为沿着径向壁厚的方向；
当内压电陶瓷管(9)中的内压电陶瓷管内电极层(6)与内压电陶瓷管外电极层(8)施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形，外压电陶瓷管(5)中的外压电陶瓷管内电极层(2)与外压电陶瓷管外电极层(4)施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，驱动镜面层(1)产生凸的面形；当内压电陶瓷管(9)的内压电陶瓷管内电极层(6)与内压电陶瓷管外电极层(8)施加与极化方向相反的电压时，将产生轴向方向的缩短变形，外压电陶瓷管(5)中的外压电陶瓷管内电极层(2)与外压电陶瓷管外电极层(4)施加与极化方向相同的电压时，将产生轴向方向的伸长变形，驱动镜面层(1)产生凹的面形，控制两个同轴内外压电陶瓷管的伸缩量之差，控制镜面层(1)的曲率变化。
2.根据权利要求1所述一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，其特征在于：所述变焦镜为反射式变焦镜，镜面层(1)为具有反射性能的圆形抛光硅片；所述内压电陶瓷管(9)内无填充物或填充水冷液体，介质膜(12)为增强光束反射率的薄膜。
3.根据权利要求1所述一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，其特征在于：所述变焦镜为透射式变焦镜，镜面层(1)为具有透射性能的弹性聚合物薄膜；所述内压电陶瓷管(9)内填充有具有透射性能的无色液体，介质膜(12)为增强光束透射率的薄膜。
4.根据权利要求3所述一种基于压电陶瓷管驱动的变焦镜，其特征在于：玻璃支撑结构(11)为具有透射性能的平面透镜。
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