CN111948777A - 一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头 - Google Patents

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张志胜
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Abstract

本发明公开了一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，包括镜头驱动器，由预拉伸后的第一介电弹性体膜、第二介电弹性体膜和柔性电极组成，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜固定粘贴在环形支撑框架上，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜对称设置且相互贴合，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜上均设有弧形凹槽，两组弧形凹槽相互对应且两者之间形成空腔，空腔内填充有透明液体介质，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜的弧形凹槽外围至环形支撑框架的环形部分均涂覆有柔性电极。本发明由介电弹性体膜、柔性电极、透明液体介质制成，通过其本身的腔体形状改变即可实现变焦成像效果，该镜头具有结构轻便、体积小等优点。

Description

一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头
技术领域
本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头。
背景技术
从变焦技术来看，广泛应用于显微镜、摄像方面的光学镜头比较常见，一般采用电机(如音圈马达)移动透镜来实现自动对焦，即改变镜头到CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)的位置，并通过图像分析，使镜头收敛到最清晰位置。清晰图像的获取，在光学系统的理论和应用中一直是一个极其重要的目标。为此，研究者们从光路系统、机械结构、电路控制和软件计算等多方面开展了大量卓有成效的研究，并设计出了形式多样的复杂可变焦镜头系统。但是，这些系统的复杂性导致其不能应用于空间受限或者电磁环境恶劣的场合，人们期待一种新的简单系统。近年来，介电弹性体驱动器(Dielectric ElastomerActuator，DEA)的出现给可变焦镜头带来了很大的可能性，研究者们在探索能否只需改变所施加的电压值就能调节镜头曲率，从而实现灵活变焦。
在现有的软驱动光学镜头系统中，主要有电驱动的片型结构可变焦镜头系统和电液混合驱动的腔型可变焦镜头系统；片型可变焦镜头在成像时不完全透明(一般透光率﹤70％)，且镜片膜变形位移较小(一般为μm级)，而电液混合驱动的方式，有利于实现镜片膜较大的曲率变化，达到了灵活变焦效果；同时简化机械结构，降低制造成本，但是现有的电液混合驱动的腔型可变焦镜头系统，仍然存在着一些问题，比如其得到清晰的可控成像效果不佳等。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，具有结构轻便、体积小等优点，而且解决了现有的电液混合驱动的腔型可变焦镜头系统存在的问题，比如其得到清晰的可控成像效果不佳的问题。
技术方案：本发明一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，包括镜头驱动器，所述镜头驱动器由预拉伸后的第一介电弹性体膜、预拉伸后的第二介电弹性体膜和柔性电极组成，所述第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜固定粘贴在环形支撑框架上，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜对称设置且相互贴合，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜上均设有弧形凹槽，两组所述弧形凹槽相互对应且两者之间形成空腔，所述空腔内填充有透明液体介质，所述第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜的弧形凹槽外围至环形支撑框架的环形部分均涂覆有柔性电极。
进一步的，所述柔性电极为导电碳脂。
进一步的，所述透明液体介质为水。透明液体介质不导通电。
进一步的，所述镜头驱动器由外电路提供驱动力；第一介电弹性体膜上的柔性电极通过铜片连接正极，第二介电弹性体膜上的柔性电极通过铜片连接负极。接通电源后，正负电荷相互吸引，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜形成挤压作用，使得第一介电弹性体膜上柔性电极区域面积和第二介电弹性体膜上柔性电极区域面积变大，镜头腔体的形状改变，其曲率也发生变化，从而实现变焦，此现象用于物体成像。
本发明的基于介电弹性体的可变焦腔型镜头可应用于仿生医学；也可以在机器人视觉系统中进行应用。
本发明的基于介电弹性体的可变焦腔型镜头采用驱动器和镜头分离式结构；与集成式可变焦镜头相比，集成式镜头易受到液体压力和高电压驱动的限制，光轴稳定性较差，镜片膜上易产生介电击穿现象，致使内部液体泄漏，使得该类软驱动镜头难以应用于医学治疗以及精密的光学设备中；而且受到高电压驱动、电极成分蒸发、电极密度与粘度等条件的制约，集成式镜头系统的使用周期较短；而本发明的分离式可变焦腔型镜头应用效果相对较好。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的可变焦腔型镜头主要由介电弹性体膜、柔性电极、透明液体介质制成，通过其本身的空腔形状改变即可实现变焦成像效果；该可变焦腔型镜头可以在仿生医学和机器人视觉系统中进行应用；本发明的可变焦腔型镜头具有结构轻便、体积小等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明俯视图；
图3为镜头变焦前后对比效果图(a为变焦前，b为变焦后)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
如图1至图3所示，本发明一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，包括镜头驱动器，镜头驱动器由预拉伸后的第一介电弹性体膜1、预拉伸后的第二介电弹性体膜2和柔性电极5组成，第一介电弹性体膜1与第二介电弹性体膜2均为丙烯酸基介电弹性体膜(VHB4910)，第一介电弹性体膜1与第二介电弹性体膜2预拉伸至400％，拉伸之前的薄膜厚度为1mm，第一介电弹性体膜1与第二介电弹性体膜2的边缘固定粘贴在环形支撑框架6上，环形支撑框架6由透明亚克力板切割制成，用于支撑整个镜头系统；
第一介电弹性体膜1和第二介电弹性体膜2对称设置且相互贴合，第一介电弹性体膜1和第二介电弹性体膜2上均设有弧形凹槽3，两组弧形凹槽3相互对应且两者之间形成空腔，空腔内填充有透明液体介质4水；其中弧形凹槽3的形成过程为：使用一个瓶口口径为2.5cm的软塑料水瓶，挤压瓶身排出一定量空气，当介电弹性体膜与瓶口紧密贴合，再将水瓶恢复原状，此时的介电弹性体膜与瓶口贴合部分将呈下凹状，即弧形凹槽3，再将透明液体介质4水，滴入介电弹性体膜下凹状的弧形凹槽3处，然后覆上对称设置的相同预拉伸的介电弹性体膜，将水夹于中间，并排出空气，挤压水瓶使水瓶与介电弹性体膜分离；
进一步地解释为：受负压法的启发，基于实验室的现有条件，利用小口径大容积弹性收集瓶的回弹性，在介电弹性体膜的中央位置制造一个圆形的负压力区即弧形凹槽3，在中间填入封装液体后，将另一侧对称设置的介电弹性体膜贴在装有液体的介电弹性体膜上，将中央的液体密封；
第一介电弹性体膜1和第二介电弹性体膜2的弧形凹槽3外围至环形支撑框架6的环形部分均涂覆有柔性电极5，柔性电极5为导电碳脂，镜头驱动器由外电路提供驱动力，电压范围为1.5kV～6kV，电流范围为微安级，所以不会危害人体安全；第一介电弹性体膜1上的柔性电极5通过铜片连接正极，第二介电弹性体膜2上的柔性电极5通过铜片连接负极，接通电源后，第一介电弹性体膜1带有正电荷，第二介电弹性体膜2带有负电荷，正负电荷相互吸引第一介电弹性体膜1和第二介电弹性体膜2形成挤压作用，使得第一介电弹性体膜1上柔性电极5区域面积和第二介电弹性体膜2上柔性电极5区域面积变大并且延展变薄，这时镜头腔体的形状受挤压改变，其曲率也发生变化，从而实现变焦，此现象可应用于成像；
当电压逐渐增大时，可变焦腔型镜头的曲率逐渐增大，从而焦距随着减小；撤去电压后，可变焦腔型镜头在回弹力作用下恢复至初始状态；本发明的基于介电弹性体的可变焦腔型镜头质量轻、体积小，变焦距成像效果如图3所示，随着电压的增大，焦距变化越显著，能够满足远近、大小成像的要求；
本发明的基于介电弹性体的可变焦腔型镜头可应用于仿生医学；也可以在机器人视觉系统中进行应用；本发明可通过控制器对电源正负极之间的电压大小进行调整，进而改变空腔的曲率半径，实现该成像系统的自动变焦与对焦，整个本发明镜头腔体内的透明液体介质水不导通电。本发明的镜头变形时，测量介电弹性体膜表面的最大形变量，记录数据并进行主要参数的运算，即可得出镜头焦距变化范围；也可录像观察得到成像清晰度。

Claims (6)

1.一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，其特征在于：包括镜头驱动器，所述镜头驱动器由预拉伸后的第一介电弹性体膜、预拉伸后的第二介电弹性体膜和柔性电极组成，所述第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜固定粘贴在环形支撑框架上，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜对称设置且相互贴合，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜上均设有弧形凹槽，两组所述弧形凹槽相互对应且两者之间形成空腔，所述空腔内填充有透明液体介质，所述第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜的弧形凹槽外围至环形支撑框架的环形部分均涂覆有柔性电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，其特征在于：所述柔性电极为导电碳脂。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，其特征在于：所述透明液体介质为水。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头，其特征在于：所述镜头驱动器由外电路提供驱动力；第一介电弹性体膜上的柔性电极通过铜片连接正极，第二介电弹性体膜上的柔性电极通过铜片连接负极。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头应用于仿生医学。
6.一种如权利要求1～4任一项所述的一种基于介电弹性体的可变焦腔型镜头可以在机器人视觉系统中应用。
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