CN110780368B - 一种自适应液体透镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应液体透镜及其制作方法，所述透镜由凝胶腔室(4)、光学液体(5)、氧化铟锡电极(6)以及玻璃基底(7)组成；其中：凝胶发生形变与所述玻璃基底(7构成的所述凝胶腔室(4)为椭球形，所述光学液体(5)置于所述凝胶腔室(4)内；所述氧化铟锡电极(6)设置于所述玻璃基底7上；在加载于氧化铟锡电极(6)的外界电压作用下，光学液体(5)发生形变，形成液体界面，实现所述透镜的连续变焦。与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：(1)能够解决透镜焦距变化范围小等问题；(2)制作方法简单方便。

Description

一种自适应液体透镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学器件领域技术领域，尤其涉及一种液体透镜的制作方法。

背景技术

激光因其极好的方向性、单色性及高亮度等优点已经广泛应用于光刻技术、激光焊接、材料加工等领域，但还存在能量分布均匀性差的问题。

针对上述问题，发展了多种激光整形技术，它是一种借助光学元件调控激光束的强度和相位，使其成为所需光学特性光束的技术。通过光束整形方法使得光束整形结果具有单一性。典型的激光束整形方法包括衍射光学元件、非球面透镜组、双折射透镜组、微透镜阵列、液晶空间调制器以及自由曲面光学系统等。

自适应液体透镜广泛应用到光束整形当中。目前，多数自适应透镜只能实现光束的扩散或者会聚，限制了其应用。中国专利公开号CN106990459公开了一种具有多层结构的柔性可调透镜系统，该系统由刚体透镜、多流道玻璃内透镜、透明弹性薄膜和光学液体组成，在外界压力的作用下，柔性透镜变为双凸透镜。中国专利公开号CN109425918公开的液体透镜的腔体是具有截锥形状的侧壁，其结构可改善倾斜响应时间、减小像差。中国专利公开号CN104391345公开了一种含梯度折射率的电润湿型可变焦液体透镜，包含该透镜的腔体是顶部开有通孔的倒U形圆柱体。专利CN105842763公开了一种仿生固液混合可调透镜，通过转环的转动实现对弹性圈的挤压，弹性椭球体薄膜内的光学液体在弹性圈的挤压下朝薄膜前后端面集中，引起薄膜前后表面发生形变，实现透镜系统的连续变焦。中国专利公开号CN105158827公开的电润湿液体透镜，采用了定位格对界面进行精确定位，能够使在一定电压范围内的界面保持不变，实现精确变焦、数字化变焦，且能够解决大液滴驱动电压大、焦距改变范围小的问题。

鉴于此，如何实现一种焦距结构简单、焦距能从正到负的、具有较高的变焦精度的液体透镜是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提出一种自适应液体透镜及其制作方法，设计出一种具有连续变焦能力的自适应液体透镜，其能够解决透镜焦距变化范围小等问题。

本发明的一种自适应液体透镜，所述透镜由凝胶腔室4、光学液体5、氧化铟锡电极6以及玻璃基底7组成；其中：

凝胶发生形变与所述玻璃基底7构成的所述凝胶腔室4为椭球形，所述光学液体5置于所述凝胶腔室4内；所述氧化铟锡电极6设置于所述玻璃基底7上；

所述透镜的液体界面为分段连续界面，包含凝胶/光学液体界面和光学液体/气体界面；

在加载于氧化铟锡电极6的外界电压作用下，凝胶/光学液体界面不发生形变，但是光学液体/气体界面发生形变，实现所述透镜的连续变焦。

所述光学液体/气体界面在小电压作用下，形成液体透镜为凸透镜时的光学液体与空气之间的界面2，此时液体透镜表现出凸透镜的性质；

所述光学液体/气体界面在大电压作用下，形成液体透镜为凹透镜时的光学液体与空气之间的界面3，此时液体透镜表现出凹透镜的性质。

所述透镜的焦距大小不仅与外加电压有关，还与椭球型腔室在液体与其的接触处的切线斜率有关。

与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：(1)能够解决透镜焦距变化范围小等问题；(2)制作方法简单方便。

附图说明

图1为本发明的一种自适应液体透镜结构示意图；

图2为氧化铟锡(ITO)电极结构示意图；

图3为本发明的自适应液体透镜的性能测试实验装置示意图，其中，L为自适应透镜和光束质量分析仪的距离；

图4为当V＝0V时，本发明中的液体透镜为凸透镜；

图5为当V＝185V时，本发明中的液体透镜相当于平行平板；

图6为当V＝280V时，本发明中的液体透镜为凹透镜；

图7为本发明中的自适应液体透镜的焦距随电压的变化情况。

附图标记：

1、凝胶/光学液体界面，2、液体透镜为凸透镜时的光学液体与空气之间的界面，3、液体透镜为凹透镜时的光学液体与空气之间的界面，4、凝胶腔室，5、光学液体，6、氧化铟锡电极，7、玻璃基底；8、半导体激光器，9、光束准直放大，10、自适应液体透镜，11、光束质量分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，为本发明的一种自适应液体透镜结构示意图。自适应液体透镜由凝胶1、光学液体5、氧化铟锡(ITO)电极6和玻璃基底7组成。在表面张力的作用下，凝胶构成椭球形的腔室4，光学液体5置于该腔室内。在外界电压作用下，该凝胶腔室未发生形变，而光学液体/空气界面发生形变，实现透镜的连续变焦，其能够解决透镜焦距变化范围小等问题。

其中，所述凝胶为聚氯乙烯/邻苯二甲酸二甲酯凝胶。所述光学液体为甘油。

i、在表面张力的作用下，凝胶构成椭球型腔室；

ii、该透镜液体界面为分段连续界面，包含凝胶/光学液体界面、光学液体/气体界面；

iii、在外界电压作用下，凝胶/光学液体界面不发生形变，但是光学液体/气体界面发生形变；

iv、透镜的焦距大小不仅与外加电压有关，还与椭球型腔室在液体与其的接触处的切线斜率有关。

本发明的一种自适应液体透镜制作方法，具体包括以下步骤：

将3g聚氯乙烯、30ml四氢呋喃、36ml邻苯二甲酸二甲酯混合，并在65℃恒温条件下，利用磁力搅拌器对混合物进行搅拌5小时，得到均匀混合的聚氯乙烯/邻苯二甲酸二甲酯凝胶；

制作四方形的玻璃壳体，其中壳体的玻璃基底上镀有菱形氧化铟锡(ITO)电极，将50μl甘油逐滴地滴加在玻璃基底上的氧化铟锡(ITO)电极中心处；

将65℃的凝胶沿着玻璃壳体侧壁滴加到玻璃壳体中，同时确保凝胶不要完全浸没甘油，此时形成凝胶腔体，同时形成连续分段界面，分别为凝胶/甘油界面、甘油/气体界面。

利用图3所示的自适应液体透镜的性能测试实验装置示意图，进行自适应液体透镜的性能测量。该装置由半导体激光器8、光束准直放大9、自适应液体透镜10和光束质量分析仪11组成。半导体激光器8发射出2的激光源进入光束准直放大9，经准直、放大处理后，入射至自适应液体透镜10中，改变加载于氧化铟锡(ITO)电极的外界电压，在光束质量分析仪上获得光源经自适应液体透镜形成的光斑。

如图4所示，当加载于氧化铟锡(ITO)电极的电压V＝0V时，得到L＝0.5cm的光斑图和L＝1cm的光斑图，表明光斑减小，说明透镜具有凸透镜性质。

如图5所示，当加载于氧化铟锡(ITO)电极的电压升高至185V，得到L＝0.5cm的光斑图和L＝1cm的光斑图，表明光斑基本不变，说明此时透镜相当于平行平板。

如图6所示，加载于氧化铟锡(ITO)电极的电压继续升高电压至280V，得到L＝0.5cm的光斑图和L＝1cm的光斑图，表明光斑增大，说明此时透镜具有凹透镜性质。

如图7所示，对透镜的焦距进行测量，得到透镜焦距随电压的变化关系图，透镜的焦距随着电压的升高逐渐从正到负。

Claims (4)

1.一种自适应液体透镜，其特征在于，所述透镜由凝胶腔室（4）、光学液体（5）、氧化铟锡电极（6）以及玻璃基底（7）组成；其中：

凝胶发生形变与所述玻璃基底（7）构成的所述凝胶腔室（4）为椭球形，所述光学液体（5）置于所述凝胶腔室（4）内；所述氧化铟锡电极（6）设置于所述玻璃基底（7）上；

所述透镜的液体界面为分段连续界面，包含凝胶/光学液体界面和光学液体/气体界面；

在加载于氧化铟锡电极（6）的外界电压作用下，凝胶/光学液体界面不发生形变，但是光学液体/气体界面发生形变，实现所述透镜的连续变焦。

2.如权利要求1所述的一种自适应液体透镜，其特征在于，所述光学液体/气体界面在不同电压的作用下，形成液体透镜为凸透镜时光学液体与空气之间的界面（2）或者液体透镜为凹透镜时的光学液体与空气之间的界面（3），当形成液体透镜为凸透镜时光学液体与空气之间的界面（2）时，液体透镜为凸透镜；当形成液体透镜为凹透镜时的光学液体与空气之间的界面（3）时，液体透镜为凹透镜。

3.如权利要求1所述的一种自适应液体透镜，其特征在于，所述透镜的焦距大小不仅与外加电压有关，还与椭球型腔室在液体与其的接触处的切线斜率有关。

4.一种自适应液体透镜制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将3g 聚氯乙烯、30 ml四氢呋喃、36 ml 邻苯二甲酸二甲酯混合，并在65 °C恒温条件下，利用磁力搅拌器对混合物进行搅拌5小时，得到均匀混合的聚氯乙烯/邻苯二甲酸二甲酯凝胶；

制作四方形玻璃壳体，其中壳体的玻璃基底上镀有菱形氧化铟锡电极，将50μl甘油逐滴地滴加在玻璃基底上的氧化铟锡电极中心处；

将65 °C的凝胶沿着玻璃壳体侧壁滴加到玻璃壳体中，同时确保凝胶不要完全浸没甘油，此时形成凝胶腔体，同时形成连续分段界面，分别为凝胶/甘油界面、甘油/气体界面。

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