CN111399213B - 基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束偏转，特别涉及一种基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，属于光学设计领域。采用介电弹性体和液体作为驱动，在介电弹性体薄膜的内侧布置介电弹性体厚膜；将介电弹性体薄膜固定安装在凹型槽上，实现对凹型槽的封装；液体从输液口注入液体腔室，介电弹性体薄膜的和介电弹性体厚膜将在液体压力的作用下发生变形，实现对光束的初始偏转，再通过给介电弹性体薄膜的柔性电极通电，使得介电弹性体薄膜和介电弹性体厚膜再次发生变形，改变位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的倾斜角度，进而使得出射光束再次发生偏转。

Description

基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器

技术领域

本发明涉及光束偏转，特别涉及基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，属于光学设计领域。

背景技术

光束偏转器件可实现对光束方向的精确控制，广泛应用于空间光通信、雷达、显微镜、显示等各个领域。常用的光束偏转方法可分为机械式和非机械式两种方式。典型的机械式方法包括旋转棱镜、旋转振镜、多面转镜等，机械式方法具有高精度、鲁棒性和可靠性等优点，然而却存在着体积大、重量大、需高压等缺点。非机械式方法主要包括声光偏转器、电光偏转器、液晶相控阵、液晶偏转光栅、液体棱镜等。声光偏转器存在扫描速度较慢的问题，电光偏转器需要较高的驱动电压，液晶相控阵存在导致效率较低的旁瓣效应，液晶偏转光栅存在偏振依赖性、响应速度慢、二级衍射现象等问题。和其他非机械式方法相比，液体棱镜方法具有小体积、重量轻、偏振无关性等优点，具有广泛的应用前景。根据驱动方式不同，液体棱镜又可分为电浸润、介电泳和高分子弹性薄膜等。电浸润和介电泳方式具有速度快、低功耗、重力影响小等优点，然而存在着通光口径小等缺点。高分子弹性薄膜方式具有通光口径大、偏转角度大等优点，然而传统的高分子弹性薄膜方式一直需要外部液体压力源，存在体积较大、调节速度慢等缺点。基于以上对比分析可知，目前的光束偏转方法难以同时满足偏振无关性、大口径、调节速度快、体积小、大偏转角等要求，为此亟需提出新型的光束偏转方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在难以同时满足偏振无关性、大口径、调节速度快、体积小和大偏转角的问题，提供基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器。该光束偏转器由于采用的介电弹性体驱动具有结构简单、响应速度快，变形量大等优点，使得该光束偏转器具有体积小、偏转角度大、通光口径大等优点，而且本发明由于同时采用了液体驱动，使得该光束偏转器不仅具有偏振无关性，而且液体产生的压力使得介电弹性体具有更大的变形量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，采用介电弹性体和液体作为驱动，在介电弹性体薄膜的内侧布置介电弹性体厚膜；将介电弹性体薄膜固定安装在凹型槽上，实现对槽的封装；所述凹型槽上设置有输液口；介电弹性体薄膜与凹型槽构成液体腔室；液体从输液口注入液体腔室，介电弹性体薄膜的和介电弹性体厚膜将在液体压力的作用下发生变形。介电弹性体厚膜的作用是使得位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的变形量小，变形后的形状保持高度的线性，可实现对光束的初始偏转。

介电弹性体厚膜的厚度与介电弹性体薄膜的厚度相差较大，介电弹性体厚膜的厚度与介电弹性体薄膜的厚度的比值范围为[0,30]，且介电弹性体厚膜的宽度与介电弹性体薄膜的宽度比值范围为[1/10,2/3]，介电弹性体厚膜左侧与介电弹性体薄膜左侧之间的距离与介电弹性体薄膜的宽度的比值范围为[0,2/3]。

还包括柔性电极，在介电弹性体薄膜的上对应布置内外柔性电极。液体腔室注满液体封装后，给柔性电极施加电压，此时柔性电极处的介电弹性体薄膜在电压驱动下将发生变形，从而导致柔性电极的长度发生变长，由于受到了液体压力的作用，带动液体的左右两侧的体积重新分布，从而使得液体腔室的液体压力发生变化，使得介电弹性体厚薄膜发生变形，改变位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的倾斜角度，进而完成对光束的偏转。

采用上述装置实现光束偏转的方法，包括如下步骤：

步骤一、液体驱动；注入液体并将液体封装好，液体产生的压力将使得介电弹性体薄膜和介电弹性体厚膜发生初始变形；由于介电弹性体厚薄和介电弹性体薄膜具有大的厚度差，介电弹性体厚膜的作用是使得布置有介电弹性体厚膜处的介电弹性体薄膜变形小，变形后的形状保持高线性度，可实现光束的初始偏转；液体腔室的液体具有和介电弹性体厚薄相同的折射率，使得入射光线在液体和介电弹性体厚薄的交界处不发生折射，折射现象只发生在介电弹性体薄膜和空气的交接面上，由于介电弹性体薄膜和空气的折射率不同，入射光线将在介电弹性体薄膜和空气的交接面上发生折射，使得出射光线发生偏转；

步骤二、介电弹性体驱动；闭合开关，高压电压的正负极别分与两个柔性电极链接；由于涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜在高压的驱动下将再次发生变形，柔性电极长度将伸长，由于受到了液体压力的作用，具体表现为涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜将向上运动，带动液体的左右两侧的体积重新分布，液体将发生运动，液体的移动使得液体腔室内的液体压力分布发生变化，介电弹性体薄膜和介电弹性体厚膜再次发生变形，改变位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的倾斜角度，进而对出射光束再次偏转。

有益效果

(1)本发明的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，采用介电弹性体作为驱动，通过在介电弹性体的上下柔性电极之间施加电压，使得介电弹性体发生变形，从而带动液体发生位置移动，使得液体腔室内的液体压力重新分布，改变介电弹性体薄膜的倾斜角度，实现光束偏转。

(2)本发明的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，只需一次性注入液体使得介电弹性体发生变形后，将不再需要额外的液体压力源，只需要小体积的高压电源，免去了体积庞大的液体注射泵，具有体积小、响应速度快等的优点。

(3)本发明的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，采用了液体驱动，相比于液晶材料形式的光束偏转，具有偏转无关性和通光口径大等优点。

附图说明

图1为本发明公开的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器的组成图；

图2为本发明公开的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器的装配图；

图3为本发明公开的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器的横截面图；

图4为本发明公开的无液体驱动的光路图；

图5为本发明公开的有液体驱动、无介电弹性体驱动的光路图；

图6为本发明公开的有液体驱动、无介电弹性体驱动的横截面图；

图7为本发明公开的有液体驱动、有介电弹性体驱动的光路图；

图8为本发明公开的有液体驱动、有介电弹性体驱动的横截面图。

其中，1-固定板、2-介电弹性体薄膜、3-介电弹性体厚膜、4-上柔性电极、5-下柔性电极、6-液体腔室、7-模具、8-液体进口、9-液体出口、10-透明平板、11-入射光线、12-出射光线、13-液体、14-外部压力、15-高压电源、16-开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本实施例公开的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，如图1所示，包括固定板1、电弹性体薄膜2、介电弹性体厚膜3、上柔性电极4、下柔性电极5、液体腔室6、模具7、液体进口8、液体出口9、透明平板10。如图2和图3所示，固定板1通过粘性胶粘于介电弹性体薄膜2的上方，介电弹性体厚膜3粘贴与介电弹性体薄膜2的左侧下方，介电弹性体薄膜2右侧的上下表面分别均匀涂有上柔性电极4和下柔性电极5，介电弹性体薄膜2通过粘性胶粘于模具7的上方，模具7的前后两侧分别布置有液体进口8和液体出口9，透明平板10通过粘性胶粘于模具7下方用于防止液体外泄，模具7和透明平板10构成液体腔室6。入射光束11垂直于透明平板10，由于液体腔室6未填充液体时，介电弹性体薄膜2和介电弹性体厚膜3未发生变形，因此入射光束11不发生折射，将垂直于介电弹性体薄膜2、介电弹性体厚膜3的表面射出出射光线12。

本实施例公开的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，实现光束偏转包括如下步骤：

步骤一、液体驱动。如图5所示，将上柔性电极4和下柔性电极5分别连接开关16和高压电源15，此时开关16处于断开状态，即不对介电弹性体薄膜2施加电压。将液体出口9封住，将液体进口8连接外部压力14，使得液体13流入液体腔室6，液体13产生的压力将使得介电弹性体薄膜2和介电弹性体厚膜3发生变形，如图6所示。由于介电弹性体厚膜3的厚度与介电弹性体薄膜2的厚度相差较大，介电弹性体厚膜3的作用是使得位于介电弹性体厚膜2上方的介电弹性体薄膜3变形小，变形后的形状保持高度的线性，可实现对光束的初始偏转。值得注意的是，液体腔室6的液体13具有和介电弹性体厚薄3相同的折射率，使得入射光线11在液体13和介电弹性体厚薄3的交界处不发生折射，折射现象只发生在介电弹性体薄膜2和空气的交接面上，由于介电弹性体薄膜2和空气的折射率不同，入射光线11将在介电弹性体薄膜2和空气的交接面上发生折射，使得出射光线12发生偏转。

步骤二、介电弹性体驱动。如图7所示，将开关16闭合，使得高压电压15的正极连接上柔性电极4，高压电压15的负极连接下柔性电极5。由于涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜2在高压的驱动下，将发生大变形，其长度将伸长。由于受到了液体压力的作用，具体表现为涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜2将往上运动，带动左右液体体积重新分布，液体13将发生右侧运动，如图8所示。由于液体13可认为是不可压缩的，因此液体13体积将保持不变，液体13的右侧移动使得液体腔室6的液体压力分布发生变化，左侧的介电弹性体薄膜2和介电弹性体厚膜3再次发生变形，进而对出射光束12再次偏转。

综上所述，相比较传统方法，所述的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器及其方法，同时利用介电弹性体和液体作为驱动，在一次性填充液体驱动介电弹性体发生变形后，无需额外的液体压力源，即可实现对光束的偏转，具有偏振无关性、通光口径大、响应速度快、体积小、偏转角大等优点。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，其特征在于：采用介电弹性体和液体作为驱动，在介电弹性体薄膜的内侧布置介电弹性体厚膜；将介电弹性体薄膜固定安装在凹型槽上，实现对槽的封装；所述凹型槽上设置有输液口；介电弹性体薄膜与凹型槽构成液体腔室；液体从输液口注入液体腔室，介电弹性体薄膜的和介电弹性体厚膜将在液体压力的作用下发生变形；介电弹性体厚膜的作用是使得位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的变形量小，变形后的形状保持高度的线性，可实现对光束的初始偏转；

还包括柔性电极，在介电弹性体薄膜的上对应布置内外柔性电极；液体腔室注满液体封装后，给柔性电极施加电压，此时柔性电极处的介电弹性体薄膜在电压驱动下将发生变形，从而导致柔性电极的长度发生变长，由于受到了液体压力的作用，带动液体的左右两侧的体积重新分布，从而使得液体腔室的液体压力发生变化，使得介电弹性体厚薄膜发生变形，改变位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的倾斜角度，进一步完成对光束的偏转。

2.如权利要求1所述的基于介电弹性体和液体双驱动的光束偏转器，其特征在于：介电弹性体厚膜的厚度与介电弹性体薄膜的厚度相差较大，介电弹性体厚膜的厚度与介电弹性体薄膜的厚度的比值范围为不大于30；介电弹性体厚膜的宽度与介电弹性体薄膜的宽度比值范围为1/10～2/3；介电弹性体厚膜左侧与介电弹性体薄膜左侧之间的距离与介电弹性体薄膜的宽度的比值范围为不大于2/3。

3.采用如权利要求1所述的光束偏转器实现光束偏转的方法，其特征在于：

步骤一、液体驱动；注入液体并将液体封装好，液体产生的压力将使得介电弹性体薄膜和介电弹性体厚膜发生初始变形；由于介电弹性体厚薄和介电弹性体薄膜具有大的厚度差，介电弹性体厚膜的作用是使得布置有介电弹性体厚膜处的介电弹性体薄膜变形小，变形后的形状保持高线性度，可实现光束的初始偏转；液体腔室的液体具有和介电弹性体厚薄相同的折射率，使得入射光线在液体和介电弹性体厚薄的交界处不发生折射，折射现象只发生在介电弹性体薄膜和空气的交接面上，由于介电弹性体薄膜和空气的折射率不同，入射光线将在介电弹性体薄膜和空气的交接面上发生折射，使得出射光线发生偏转；

步骤二、介电弹性体驱动；闭合开关，高压电压的正负极别分与两个柔性电极链接；由于涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜在高压的驱动下将再次发生变形，柔性电极长度将伸长，由于受到了液体压力的作用，具体表现为涂有柔性电极处的介电弹性体薄膜将向上运动，带动液体的左右两侧的体积重新分布，液体将发生运动，液体的移动使得液体腔室内的液体压力分布发生变化，介电弹性体薄膜和介电弹性体厚膜再次发生变形，改变位于介电弹性体厚膜上方的介电弹性体薄膜的倾斜角度，进而对出射光束再次偏转。

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