CN111766701A - 一种轮胎面的实现方法及以轮胎面为界面的双液体透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种轮胎面的实现方法,首先基于电湿润效应设计一个双液体轮胎面透镜；然后利用仿真软件构建基于电湿润效应的双液体轮胎面透镜模型；最后多次调整对模型施加的电压，使双液体界面在X、Y两个方向上都可以实现任意的曲率并且保证它们的弯曲方向相同，获得所需的轮胎面。本发明的方法解决了传统柱面透镜只能在一维方向上聚焦、发散的缺点，且液体透镜的界面由常规的圆柱面改为设计中使用的轮胎面，轮胎面在x、y两个方向上都可以实现任意的曲率，即可以同时对两个方向上的光束进行整形，因此轮胎面能更有效地收集光线、减小光学系统的体积、降低成本、大大提高了系统的成像质量。

Description

一种轮胎面的实现方法及以轮胎面为界面的双液体透镜
技术领域
本发明涉及一种轮胎面的实现方法及以轮胎面为界面的双液体透镜，属于光学技术领域。
背景技术
轮胎面是由一段圆弧绕着与其位于同一个平面，但不通过该圆弧中心的直线旋转所得到的曲面。轮胎面又称圆环面、镯面、双锥面或环曲面，有双重对称性，轮胎面属于高次非球面，有两个互相垂直的对称截面，由于其具有两个曲率，与一般的液体透镜相比，它在x、y两个方向上都可以对光束进行整形，使两个方向上的屈光度同时发生变化，从而达到双焦距变化的目的，实现在X、Y两个方向上的任意的曲率，因此轮胎面能够更有效地收集光线、减小光学系统的体积、降低成本，大大提高了系统的成像质量。它在光学系统中也有着许多独特的用途如作为变形系统中的重要变形光学元件、红外热像仪中的扫描器元件等，这种液体透镜的结构由于具有双焦距可调的特点，可以有效的消除常见的各种误差。
传统的轮胎面的实现方法主要有复制成型技术、CNC磨削/抛光技术、飞切加工技术等。复制成型技术是根据所要求的轮胎面的形状和结构，设计出相应的模具，进而通过复制成型加工所需要的原件。CNC磨削/抛光技术是利用金刚石砂轮作为模具，在加工的过程中对金刚石砂轮进行电解修整，从而加工出所需的轮胎面。飞切加工技术是将金刚石刀具安装在高速回转的主轴径向方向，同时主轴沿着进给方向间歇性的进行扫描运动，工件随着工作台运动实现不同方向的进给。飞切加工技术主要是采用轨迹法，即将其刀具刀尖的最终运动轨迹加工成所需轮胎面的形状。这些传统的轮胎面的实现方法存在着较多不确定的风险因素、复杂的模具制造、高精度的要求、高成本的代价等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种轮胎面的实现方法及以轮胎面为界面的双液体透镜,该方法通过外加电压的调节方式来改变液面的倾角以适应光路的传播方向，从而在分界面形成轮胎面，可有效规避传统轮胎面加工的风险因素。另外,由于轮胎面具有双曲率，可在两个方向上调节光束，比一般的单一曲率的液体透镜能更好的调节光束，进一步提高系统的成像质量。
本发明提供一种轮胎面的实现方法,包括以下步骤:
步骤一、基于电湿润效应设计一个双液体轮胎面透镜；
步骤二、根据步骤一设计的透镜结构，利用仿真软件构建基于电湿润效应的双液体轮胎面透镜模型，并对该模型的面型外加电压进行仿真分析，以此来分析双液体界面在不同电压下的面型；
步骤三、多次调整对步骤二中构建的模型施加的电压，使双液体界面在X、Y两个方向上都可以实现任意的曲率并且保证它们的弯曲方向相同，使得最终成型的轮胎面为所需的轮胎面。
其中，轮胎面面型的表达式为:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，分别表示在x、y两个方向上的曲率；Rx、Ry分别为x、y两个方向上的曲率半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别为x、y方向上的圆锥参数。
本发明轮胎面的实现方法是在利用仿真软件建立双液体透镜模型的基础上，通过控制四个面的电压并且使相对面的倾角保持一致的方法，在双液体的界面上实现轮胎面的面型，可以有效的避免传统轮胎面加工的风险因素，具有较高的研究价值。
作为本发明进一步的技术方案如下：
所述步骤一中，双液体轮胎面透镜包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体和绝缘液体。
所述步骤二中，双液体轮胎面透镜模型为设置于双液体轮胎面透镜外的长方体状中空结构。
所述步骤三中，对双液体轮胎面透镜模型施加的电压为V1、V2、V3、V4，电压V1、V2、V3、V4分别施加在双液体轮胎面透镜模型的四个侧面上，并且电压V1与V2分别施加在相对的两个侧面上以控制Y方向上的曲率半径，电压V3与V4分别施加在相对的两个侧面上以控制X方向上的曲率半径，并且相对面施加的电压相同。
本发明需调整电压使双液体界面的四个面的倾角发生改变，使它们的曲率发生任意大小的改变并且保证它们的弯曲方向相同，最终成型的界面即为所需的轮胎面。
在本发明中，通过控制施加的电压V1和V2来控制Y方向上的曲率半径，通过控制施加的电压V3和V4来控制X方向上的曲率半径。另外，为了使相对面能产生相同的倾角以实现相同程度且较为明显的弯曲，相对面施加的电压V1和V2、V3和V4应相同且通过施加电压使得模型各个面的接触角都小于90°从而保证其弯曲方向相同，从而观察所述步骤一的结构中两液体分界面的面型情况。
本发明还提供了以上述方法实现的轮胎面为界面的双液体透镜。
本发明提供的以轮胎面为界面的双液体透镜，包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体和绝缘液体。
进一步的，所述长方体玻璃管是由五块方形的ITO玻璃构建的顶部敞开式长方体结构。
进一步的，所述导电层设置于ITO玻璃的内侧面上，所述绝缘层设置于导电层上。
进一步的，所述导电液体和绝缘液体从下至上依次设置于长方体玻璃管内部；所述导电液体为一般常见的导电液体材料如KCL溶液，所述绝缘液体为一般常见的绝缘液体材料如硅油。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果 ：
（1）采用电湿润原理的双液体透镜结构，响应时间快；
（2）设计过程简单，可做到快速使用仿真软件建模和分析；
（3）通过改变施加电压就可以控制两个方向上的接触角的变化，从而实现两个方向上屈光度的变化，达到双焦距变化的目的。
本发明的方法解决了传统柱面透镜只能在一维方向上聚焦、发散的缺点，且液体透镜的界面由常规的圆柱面改为设计中使用的轮胎面，轮胎面在x、y两个方向上都可以实现任意的曲率，即可以同时对两个方向上的光束进行整形，因此轮胎面能更有效地收集光线、减小光学系统的体积、降低成本、大大提高了系统的成像质量。
附图说明
图1为本发明中以轮胎面为界面的双液体透镜的结构示意图。
图2为本发明中轮胎面面型的设计流程图。
图中：1.导电液体，2.绝缘液体，3.轮胎面界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
如图1所示，一种以轮胎面为界面的双液体透镜结构，包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体1与绝缘液体2。为了能够更加清晰的观察到轮胎面界面3的面型变化，长方体玻璃管是无盖式的玻璃管，由五块方形的ITO玻璃构建的顶部敞开式长方体结构，即四块相同的长方形ITO玻璃围绕形成长方体结构的侧壁，一块正方形或长方形的ITO玻璃置于长方体结构的底部作为底板。导电层设置于ITO玻璃的内侧面上即导电层为ITO玻璃面向玻璃管腔体内侧的那一层，绝缘层镀在ITO玻璃管的导电层上以防止电解现象的发生；导电液体1和绝缘液体2从下至上依次装在长方体玻璃管的内部，下层导电液体1为一般常见的导电液体材料（如KCL溶液），上层绝缘液体2为一般常见的绝缘液体材料（如硅油）。通过仿真软件对该结构的四个侧壁施加电压，使相对面产生相同的倾角，从而让下层导电液体1与上层绝缘液体2之间的分界面发生双焦距的改变。
针对以轮胎面为界面的双液体透镜结构，一种轮胎面的实现方法,如图2所示，包括以下步骤:
步骤一、基于电湿润效应设计一个双液体轮胎面透镜，该透镜结构包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体1与绝缘液体2。
步骤二、根据步骤一设计的透镜结构，利用仿真软件构建基于电湿润效应的双液体轮胎面透镜模型，并对该模型的面型外加电压进行仿真分析，以此来分析双液体界面在不同电压下的面型。双液体轮胎面透镜模型为设置于双液体轮胎面透镜外的长方体状中空结构。
步骤三、多次调整对步骤二中构建的模型施加的电压，使双液体界面在X、Y两个方向上都可以实现任意的曲率并且保证它们的弯曲方向相同，使得最终成型的轮胎面为所需的轮胎面。对双液体轮胎面透镜模型施加的电压为V1、V2、V3、V4。电压V1、V2、V3、V4分别施加在双液体轮胎面透镜模型的四个侧面上，电压V1与V2分别施加在相对的两个侧面上并且通过控制电压V1和V2来控制Y方向上的曲率半径，电压V3与V4分别施加在相对的两个侧面上并且通过控制电压V3和V4来控制X方向上的曲率半径。另外，为了使相对面能产生相同的倾角以实现相同程度且较为明显的弯曲，相对面施加的电压V1和V2、V3和V4应相同且通过施加电压使得各个面的接触角都小于90°从而保证其弯曲方向相同，从而观察双液体轮胎面透镜结构中两液体分界面的面型情况。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轮胎面的实现方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、基于电湿润效应设计一个双液体轮胎面透镜；
步骤二、根据步骤一设计的透镜结构，利用仿真软件构建基于电湿润效应的双液体轮胎面透镜模型，并对该模型的面型外加电压进行仿真分析，以此来分析双液体界面在不同电压下的面型；
步骤三、多次调整对步骤二中构建的模型施加的电压，使双液体界面在X、Y两个方向上都可以实现任意的曲率并且保证它们的弯曲方向相同，使得最终成型的轮胎面为所需的轮胎面。
2.根据权利要求1 根据权利要求1所述一种轮胎面的实现方法，其特征在于，所述步骤一中，双液体轮胎面透镜包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体和绝缘液体。
3.根据权利要求2 根据权利要求1所述一种轮胎面的实现方法，其特征在于，所述步骤二中，双液体轮胎面透镜模型为设置于双液体轮胎面透镜外的长方体状中空结构。
4.根据权利要求3根据权利要求1所述一种轮胎面的实现方法，其特征在于，所述步骤三中，对双液体轮胎面透镜模型施加的电压为V1、V2、V3、V4，电压V1、V2、V3、V4分别施加在双液体轮胎面透镜模型的四个侧面上，并且电压V1与V2分别施加在相对的两个侧面上以控制Y方向上的曲率半径，电压V3与V4分别施加在相对的两个侧面上以控制X方向上的曲率半径，并且相对面施加的电压相同。
5.根据权利要求4根据权利要求1所述一种轮胎面的实现方法，其特征在于，所述步骤三中，通过施加电压使得模型各个面的接触角都小于90°，从而保证其弯曲方向相同。
6.以权利要求1至5任一项所述方法实现的轮胎面为界面的双液体透镜。
7.根据权利要求6所述以轮胎面为界面的双液体透镜，其特征在于，包括长方体玻璃管、导电层、绝缘层、导电液体和绝缘液体。
8.根据权利要求7所述以轮胎面为界面的双液体透镜，其特征在于，所述长方体玻璃管是由五块方形的ITO玻璃构建的顶部敞开式长方体结构。
9.根据权利要求8所述以轮胎面为界面的双液体透镜，其特征在于，所述导电层设置于ITO玻璃的内侧面上，所述绝缘层设置于导电层上。
10.根据权利要求9所述以轮胎面为界面的双液体透镜，其特征在于，所述导电液体和绝缘液体从下至上依次设置于长方体玻璃管内部；所述导电液体为KCL溶液，所述绝缘液体为硅油。
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