CN110927837A - 基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于液体透镜领域，并具体公开了一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其包括摩擦发电装置和悬浮液滴装置，摩擦发电装置包括相对设置的正电极和负电极，该正电极和负电极的相对面上分别设置有正极薄片和负极薄片；悬浮液滴装置包括正极板、腔体侧板、负极板、填充液体和悬浮液体，其中，正极板、腔体侧板、负极板依次连接共同组成一封闭的腔体，正极板表面布置有正极阵列单元，该正极阵列单元通过正极引线与正电极相连，负极板表面布置有负极单元，该负极单元通过负极引线与负电极相连；填充液体填充在腔体中，悬浮液体悬浮在填充液体中。本发明该液体透镜系统耐用性强、易操控、精度较高，且原材料成本低廉。

Description

基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统

技术领域

本发明属于液体透镜领域，更具体地，涉及一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统。

背景技术

液体透镜是指将液体作为光学系统的透镜部分，通过液体的表面形状，进而改变透镜的焦距。随着手机、相机和显微镜等光学产品的快速发展，迫切需要小型化、易操控和低成本的光学系统。目前的透镜，如数码单反中的镜头是以玻璃或塑料为基材，通过机械外力的方式改变透镜组相对距离实现其变焦的功能。基于该种方式的透镜组常体型大、结构复杂且造价昂贵，不适用于小型化光学成像场景。液体透镜工作原理类似于人眼的聚焦机理，与传统透镜不同，不需要复杂的透镜组，并且可以通过外部控制轻易改变透镜的焦距。因此，设计一种小型、可变焦距的液体透镜对实现高品质光学系统在摄像、勘测等领域有着重大科学意义。

目前的液体透镜技术有机械式液体透镜、电润湿液体透镜、液晶透镜这三种方式。机械式液体透镜通过调整上下圈的压力或者改变液体的体积，从而改变液体透镜的曲率半径，如专利US8531775公开了一种液体透镜，其包含一对透明介质，其中一个为透明的变形膜，两透明介质间充满液体。通过对液体施加外力，从而改变透镜的焦距；专利US2006164731公开了一种液体透镜，其由透明可膨胀膜、透明壁膜、贮存在腔内的固定体积液体和环形外围密封圈四部分组成，环形密封圈的半径是可变的，类似于传统的虹膜膜片，通过调节环形密封圈的半径，腔内储存的液体将重新分布，从而改变膨胀膜的曲率。电润湿液体透镜通过控制液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性，改变液滴表面形状，从而使液滴焦距发生变化；如专利US7312929公开了一种液体透镜，其使用一种导电液体和一种绝缘液体并在两液体中添加表面活性物质，通过在极板间施加电压，改变导电液体的接触角，从而改变液体界面形状改变焦距；专利CN10246823采用离子液体作为介质，利用离子液体的电湿润现象实现变焦，同时通过不同离子液体的组合，降低液体透镜的工作电压同时增大液体透镜的工作范围。液晶透镜则是通过电场变化控制液晶盒中液晶分子去向，来改变液晶体折射率从而达到改变焦距的目的；如专利US4190330将向列液晶置于可变的电场或磁场中，通过改变电场或磁场的强度，装置的焦距也就跟着发生变化；专利US20100053539在两个相隔一定距离的平行玻璃基板间固定液晶层，通过刻蚀的方式将银或其它透明金属材料覆盖在基板上，当改变电极间电压时，液晶体的排布及折射率就会发生改变从而改变透镜的焦距。

但上述透镜系统存在可变形膜的疲劳损伤(机械式液体透镜)，或是对光轴性差(电润湿液体透镜)，亦或是工作电压高，焦距变化小，对液体要求高(液晶液体透镜)的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其目的在于，基于漏电介质模型构建悬浮液滴装置以提供可变焦距的液体透镜，并通过摩擦发电装置提供悬浮液滴装置所需的电压，该液体透镜系统耐用性强、易操控、精度较高，且原材料成本低廉。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，包括摩擦发电装置和悬浮液滴装置，其中：

所述摩擦发电装置包括相对设置的正电极和负电极，该正电极和负电极的相对面上分别设置有正极薄片和负极薄片；

所述悬浮液滴装置包括正极板、腔体侧板、负极板、填充液体和悬浮液体，其中，所述正极板、腔体侧板、负极板依次连接共同组成一封闭的腔体，所述正极板表面布置有正极阵列单元，该正极阵列单元通过正极引线与所述正电极相连，所述负极板表面布置有负极单元，该负极单元通过负极引线与所述负电极相连；所述填充液体填充在所述腔体中，所述悬浮液体悬浮在所述填充液体中。

作为进一步优选的，所述正极阵列单元包括多个正极最小结构，该多个正极最小结构呈矩形排列，并形成数个环形阵列，每个环形阵列中的正极最小结构通过透明引线相互连接，各环形阵列中的透明引线均与所述正极引线相连。

作为进一步优选的，所述正电极和负电极均为金属电极。

作为进一步优选的，所述正极薄片和负极薄片对电子的亲和力不同。

作为进一步优选的，所述正极薄片的材料为二氧化硅填充的硅橡胶、聚氨酯泡沫塑料、聚甲醛或金属，所述负极薄片的材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶或丁基橡胶。

作为进一步优选的，当所述悬浮液体为绝缘体时，所述正极板和负极板均为透明电极板。

作为进一步优选的，所述透明电极板由涂覆了氧化铟锡的透明玻璃制成。

作为进一步优选的，所述正极板和负极板之间的距离为5mm～20mm。

作为进一步优选的，所述腔体为长方体或圆柱体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明构建悬浮液滴装置以提供可变焦距的液体透镜，并通过摩擦发电装置提供悬浮液滴装置所需的电压，该液体透镜系统耐用性强、易操控、精度较高，且原材料成本低廉。

2.本发明基于漏电介质模型，通过分散相液体在电场下的变形，使得透镜焦距的发生改变，这为可变焦液体透镜提供了一种全新的解决方案，其焦距可调范围较大，结构简单，可供选择的材料广泛。

3.本发明采用摩擦发电装置这一新兴的纳米发电技术产生驱动电压，具有体积小，成本低，结构简单等优点。

附图说明

图1为本发明实施例可变焦距液体透镜系统结构示意图；

图2为图1可变焦距液体透镜系统中悬浮液滴装置的剖面图；

图3为本发明实施例悬浮液滴单元的俯视图，其中，(a)为正极阵列单元示意图，(b)为正极阵列单元布线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-悬浮液滴装置，2-摩擦发电装置，3-正极阵列单元，4-正极板，5-腔体侧板，6-悬浮液体，7-填充液体，8-正极引线，9-负极板，10-负极引线，11-负极单元，12-透明引线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，如图1所示，包括摩擦发电装置2和悬浮液滴装置1，其中：

所述摩擦发电装置2工作时基于摩擦发电理论，即两种材料通过相互接触挤压或者是摩擦得失电子从而产生电压差；摩擦发电装置2包括相对设置的正电极和负电极，该正电极和负电极的相对面上分别设置有正极薄片和负极薄片；

具体的，所述正电极和负电极均为金属电极，所述正极薄片和负极薄片对电子亲和力不同，正极薄片的材料优选为二氧化硅填充的硅橡胶、聚氨酯泡沫塑料、聚甲醛或金属(如铝)，负极薄片的材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶或丁基橡胶。

所述悬浮液滴装置1基于漏电介质模型构建，该漏电介质模型指分散液相在电场中因自由电荷和极化电荷的存在而发生形变，如图2所示，悬浮液滴装置1包括正极板4、腔体侧板5、负极板9、填充液体7和悬浮液体6，其中：

所述正极板4、腔体侧板5、负极板9依次连接共同组成一封闭的腔体，该腔体一般为长方体或圆柱体，以便嵌入常用的光学设备中；所述正极板4表面布置有正极阵列单元3，该正极阵列单元3通过正极引线8与摩擦发电装置2的正电极相连，所述负极板9表面布置有负极单元11，该负极单元11通过负极引线10与摩擦发电装置2的负电极相连；所述填充液体7填充在所述腔体中，所述悬浮液体6悬浮在所述填充液体7中；

具体的，所述悬浮液体6可通过特制喷嘴注入填充液体7内，填充液体7和悬浮液体6互不相溶，且其密度相同或相近，因界面张力的存在，分散相液体(即悬浮液体6)呈球状，被另一种液体(即填充液体7)包裹，且分散相液体能够克服重力而悬浮；

具体的，如图3所示，所述正极阵列单元3包括多个正极最小结构，该多个正极最小结构呈矩形排列，并形成数个环形阵列，每个环形阵列中的正极最小结构通过透明引线12相互连接，各环形阵列中的透明引线12均与所述正极引线8相连；

优选的，当悬浮液体6为绝缘体时，所述正极板4和负极板9均为透明电极板，优选为涂覆了氧化铟锡(ITO)的透明玻璃；进一步的，所述正极板4和负极板9之间的距离为5mm～20mm。

在摩擦发电装置2不工作时，悬浮液滴装置1中的悬浮液体6为圆球状，该液体透镜系统有一初始焦距；当对摩擦发电装置2中的正电极和负电极施加压力时，正极薄片和负极薄片接触分开后产生电势差，使两侧正电极和负电极间同样存在着电势差，电荷的迁移在悬浮液滴装置1两侧正极板4和负极板9处产生电势差，使悬浮液体6产生变形，进而改变液体透镜系统的焦距，故当摩擦发电装置2给悬浮液滴装置1施加的电压变化时，液体透镜系统的焦距随之变化，实现液体透镜系统的可变焦距。

以下为具体实施例：

摩擦发电装置采用铝板作为正极薄片，聚四氟乙烯薄膜作为负极薄片，对于一个70mm*70mm大小的摩擦发电装置，通过并联高压二极管，输出电压可达到4000V左右，同时调节摩擦面的间距可实现电压的有效控制。

悬浮液滴装置采用蓖麻油作为悬浮液滴即连续相，其折射率为1.46；采用密度相近的改性苯甲基硅油作为填充液体即分散相，其折射率为1.56，故相对折射率n＝1.07；透明的正极板和负极板的间距为10mm。

初始状态时，填充液体为直径D＝4mm的液滴，通过下式计算透镜焦距：

得到初始状态透镜焦距f₁＝15.28mm。

在摩擦发电装置施加压力时，透明电极两侧电压增大时，在电场力的作用下，液滴发生形变，其焦距逐渐变大，液滴变形公式为：

其中，d₁为变形后液滴沿电场方向的轴长，d₂为变形后液滴沿着电场法相的轴长，∈为填充液体的相对介电常数，∈₀为真空介电常数，R为液滴初始直径，E₀是正极板和负极板之间的电场强度，γ为悬浮液体和填充液体界面张力系数，Φ为系数，对于苯甲基硅油和蓖麻油，Φ＝0.045；

得到变形系数Diff＝-0.45，d₁＝2.26mm，d₂＝5.96mm，进而得到球冠曲率半径R₁＝4.52mm，此时通过下式计算透镜焦距f₂：

得到液滴变形后的透镜焦距f₂＝15.28mm；故在以上实验条件下，透镜焦距变化范围为15.28mm～32.8mm，变化范围宽，可实现两倍焦距变化，采用其他合适材料可以进一步增大焦距变化范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，包括摩擦发电装置(2)和悬浮液滴装置(1)，其中：

所述摩擦发电装置(2)包括相对设置的正电极和负电极，该正电极和负电极的相对面上分别设置有正极薄片和负极薄片；

所述悬浮液滴装置(1)包括正极板(4)、腔体侧板(5)、负极板(9)、填充液体(7)和悬浮液体(6)，其中，所述正极板(4)、腔体侧板(5)、负极板(9)依次连接共同组成一封闭的腔体，所述正极板(4)表面布置有正极阵列单元(3)，该正极阵列单元(3)通过正极引线(8)与所述正电极相连，所述负极板(9)表面布置有负极单元(11)，该负极单元(11)通过负极引线(10)与所述负电极相连；所述填充液体(7)填充在所述腔体中，所述悬浮液体(6)悬浮在所述填充液体(7)中。

2.如权利要求1所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述正极阵列单元(3)包括多个正极最小结构，该多个正极最小结构呈矩形排列，并形成数个环形阵列，每个环形阵列中的正极最小结构通过透明引线(12)相互连接，各环形阵列中的透明引线(12)均与所述正极引线(8)相连。

3.如权利要求1所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述正电极和负电极均为金属电极。

4.如权利要求1所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述正极薄片和负极薄片对电子的亲和力不同。

5.如权利要求4所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述正极薄片的材料为二氧化硅填充的硅橡胶、聚氨酯泡沫塑料、聚甲醛或金属，所述负极薄片的材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶或丁基橡胶。

6.如权利要求1所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，当所述悬浮液体(6)为绝缘体时，所述正极板(4)和负极板(9)均为透明电极板。

7.如权利要求6所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述透明电极板由涂覆了氧化铟锡的透明玻璃制成。

8.如权利要求1所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述正极板(4)和负极板(9)之间的距离为5mm～20mm。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于漏电介质模型和摩擦发电的可变焦距液体透镜系统，其特征在于，所述腔体为长方体或圆柱体。

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