CN112068308A - 一种电驱动片型可变焦镜头及其设计方法和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电驱动片型可变焦镜头及其设计和制作方法，具有较高的透光率，可设计出符合成像需求的镜头，制作过程简单。本实施例的电驱动片型可变焦镜头，包括环形框架、介电弹性体膜、第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜，介电弹性体膜固定在环形框架上，第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜分别粘附在介电弹性体膜中央的两侧表面；介电弹性体膜的中央、第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜向一侧凸起。本实施例电驱动片型可变焦镜头，采用水凝胶电极，使镜头可放置在光路上，具有较高的透光率。本实施例电驱动片型可变焦镜头的设计方法，便于快速准确设计出符合成像需求的镜头。本实施例电驱动片型可变焦镜头的制作方法，制作过程简单。

Description

一种电驱动片型可变焦镜头及其设计方法和制作方法

技术领域

本发明涉及仿生镜头成像技术领域，具体来说，涉及一种电驱动片型可变焦镜头及其设计方法和制作方法。

背景技术

由马达控制的硬质镜头在平移的情况下改变焦点，而基于电驱动的片型结构可变焦镜头直接在变形的条件下就可以改变焦点。该类透镜的基本结构是透明的介电弹性体夹在柔性电极中间，并具有一定的厚度。在变化的电场作用下，片型可变焦透镜产生弯曲变形，其球面膜表面膨胀产生面外张力，从而实现焦距的变化。利用电驱动片型结构可变焦镜头来实现光学成像，该类固态可变焦镜头能够很好地承受温度、压力和运动的波动，比较耐用。但是目前发明的片型镜头系统需要高电压驱动，而且所用的电极材料大都不完全透明，导致该类可变焦镜头在成像时透光率较低，一般透光率＜70％，且镜片膜变形位移较小(一般为μm级)。也没有建立起系统的镜片膜变形幅值的影响因素，更为深入的成像机理方法还需要进一步探索。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电驱动片型可变焦镜头及其设计方法和制作方法，具有较高的透光率，设计出符合成像需求的镜头，且制作过程简单。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种电驱动片型可变焦镜头，包括环形框架、介电弹性体膜、第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜，所述介电弹性体膜固定在所述环形框架上，所述第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜分别粘附在所述介电弹性体膜中央的两侧表面；所述介电弹性体膜的中央、第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜向一侧凸起。

作为本发明实施例的进一步改进，所述第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜均采用聚丙烯酰胺水凝胶制成。

第二方面，本发明实施例提供一种上述电驱动片型可变焦镜头的设计方法，包括以下步骤：

步骤110、建立所述电驱动片型可变焦镜头的成像模型；

步骤120、根据所需成像范围和所述成像模型，确定所述电驱动片型可变焦镜头的制作参数。

作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤110具体包括：

步骤1101、建立所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型，如下式：

式中，σ表示应变，h₁表示介电弹性体膜的厚度，H₂表示两层水凝胶电极膜的厚度，相对介电常数ε＝4.161×10^-11F/m，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，λ_p表示电驱动片型可变焦镜头的预拉伸率，φ表示驱动电压，μ_DE表示介电弹性体膜的剪切模量，

表示介电弹性体膜的极限拉伸值，μ_gel表示水凝胶电极膜的剪切模量，

表示水凝胶电极膜的极限拉伸值；

步骤1102、建立所述电驱动片型可变焦镜头的曲率半径-拉伸率关系模型，如下式：

式中，R表示曲率半径，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，A表示介电弹性膜中央镜头区域的原始半径，t表示电驱动片型可变焦镜头顶部与其中间投影平面之间的距离；

步骤1103、建立所述电驱动片型可变焦镜头的焦距-曲率半径关系模型，如下式：

式中，f表示焦距，折射率n＝1.4235，R表示曲率半径；

步骤1104、结合所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型、曲率半径-拉伸率关系模型以及焦距-曲率半径关系模型，得到所述电驱动可变焦镜头的成像模型。

作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤1101，具体包括：

步骤11011、建立所述电驱动片型可变焦镜头的能量密度与拉伸率和电位移的关系式，如下式：

式中，W(λ,D)表示电驱动片型可变焦镜头的能量密度，W_DE(λ)表示介电弹性体膜的能量密度，W_gel(λ)表示水凝胶电极膜的能量密度，W_DE(λ,D)表示在电场力作用下的介电弹性体膜的能量密度；

步骤11012、建立所述电动驱动片型可变焦镜头的拉伸率与标称应力的关系式，如下式：

步骤11013、结合Gent模型、式(4)和式(5)，得到下式：

步骤11014、根据平均真实应变计算公式，如下式：

结合式(6)，得到所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型。

第三方面，本发明实施例还提供一种上述电驱动片型可变焦镜头的制作方法，包括以下步骤：

步骤210、将预拉伸后的介电弹性体膜(2)固定在环形框架(1)上；

步骤220、分别将第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)粘附在介电弹性体膜(2)的中央两侧。

步骤230、在松弛状态下，使介电弹性体膜(2)中央、第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)以预设曲率值向一侧凸出，得到电驱动片型可变焦镜头。

作为本发明实施例的进一步改进，在步骤210前还包括制作水凝胶电极膜，具体包括：

步骤201、在水中加入聚丙烯酰胺和氯化钠粉末，充分溶解后得到混合溶液；

步骤202、在所述混合溶液中加入硅油，静置预设时间后，形成聚丙烯酰胺水凝胶；

步骤203、采用聚丙烯酰胺水凝胶制成第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜。

作为本发明实施例的进一步改进，所述混合溶液中，聚丙烯酰胺的浓度为2.1％，氯化钠的浓度为3％。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：提供一种电驱动片型可变焦镜头及其设计方法和制作方法，具有较高的透光率，设计出符合成像需求的镜头，且制作过程简单。本实施例的电驱动片型可变焦镜头，采用水凝胶电极，使镜头可放置在光路上，具有较高的透光率，且水凝胶电极不易挥发，使镜头可以在露天环境中使用。本实施例的电驱动片型可变焦镜头的设计方法，设计出的镜头符合成像需求，有利于优化该类透镜的结构与性能。本实施例的电驱动片型可变焦镜头的制作方法，制作过程简单。

附图说明

图1为本发明实施例的电驱动片型可变焦镜头的主视图；

图2为本发明实施例的电驱动片型可变焦镜头的俯视图。

图中有：环形框架1，介电弹性体膜2，第一水凝胶电极膜3，第二水凝胶电极膜4。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供一种电驱动片型可变焦镜头，如图1和图2所示，包括环形框架1、介电弹性体膜2、第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4，介电弹性体膜2固定在环形框架1上，第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4分别粘附在介电弹性体膜2中央的两侧表面，形成电驱动片型可变焦镜头的驱动器。介电弹性体膜2中央、第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4均向一侧凸起形成镜头凸部。其中，介电弹性体膜2采用3M公司的VHB4910胶带。

上述实施例的电驱动片型可变焦镜头，在介电弹性体膜2的中央两侧分别粘附第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4，形成镜头的驱动器，介电弹性体膜2中央、第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4向一侧凸起。第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4作为正电极和负电极与外电路连接，在变化的电场作用下，镜头的驱动器表面膨胀产生外张力，弯曲变形，从而变焦成像。

上述实施例的电驱动片型可变焦镜头，采用水凝胶电极膜替代现有的黑色碳基电极，制得的镜头可放置在光路上，具有较高的透光率，成像时完全透明。水凝胶电极膜的拉伸率和透明度相对较高，制成的镜头在高电压、温度变化和化学反应等条件下稳定性好。

优选的，第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4均采用聚丙烯酰胺水凝胶制成。采用聚丙烯酰胺水凝胶制成的水凝胶电极膜具有耐挥发性，镜头可以在露天环境中使用。

本发明实施例还提供一种上述电驱动片型可变焦镜头的设计方法，包括以下步骤：

步骤110、建立电驱动片型可变焦镜头的成像模型；

步骤120、根据所需成像范围和成像模型，确定电驱动片型可变焦镜头的制作参数。

上述实施例的设计方法，通过建立电驱动片型可变焦镜头的成像模型，在镜头设计阶段可预测成像效果，有助于优化设计镜头结构参数，能够准确快速设计出符合成像需求的制作参数，从而进行镜头的制作，有助于电驱动片型可变焦镜头的灵活设计，提高制作效率，节约制作成本。

上述实施例方法中，步骤110具体包括：

步骤1101、建立电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型。

具体包括：

步骤11011、建立电驱动片型可变焦镜头的能量密度与拉伸率和电位移的关系式，如下式：

式中，W(λ,D)表示电驱动片型可变焦镜头的能量密度，W_DE(λ)表示介电弹性体膜的能量密度，W_gel(λ)表示水凝胶电极膜的能量密度，W_DE(λ,D)表示在电场力作用下的介电弹性体膜的能量密度；

步骤11012、建立电动驱动片型可变焦镜头的拉伸率与标称应力的关系式，如下式：

步骤11013、结合Gent模型、式(4)和式(5)，得到下式：

步骤11014、根据平均真实应变计算公式，如下式：

结合式(6)，得到电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型，如下式：

式中，σ表示应变，h₁表示介电弹性体膜的厚度，H₂表示两层水凝胶电极膜的总厚度，相对介电常数ε＝4.161×10^-11F/m，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，λ_p表示电驱动片型可变焦镜头的预拉伸率，φ表示驱动电压，μ_DE表示介电弹性体膜的剪切模量，

表示介电弹性体膜的极限拉伸值，μ_gel表示水凝胶电极膜的剪切模量，

表示水凝胶电极膜的极限拉伸值。

从上述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型可以看出，介电弹性体膜的厚度、水凝胶电极膜的厚度、介电弹性体的预拉伸以及驱动电压对镜片的变形均具有影响。在一定范围内，水凝胶电极膜越薄，以及介电弹性体的预拉伸越大，则镜片在电压作用下的变形量越大。

步骤1102、建立电驱动片型可变焦镜头的曲率半径-拉伸率关系模型。

具体的，介电弹性膜中央镜头区域的原始半径为A，介电弹性体膜的厚度为h₁，两层水凝胶电极膜的总厚度为H₂，镜头的总厚度为h₁+H₂，此时的镜头表面积为S_A＝πA²。在电压驱动状态下，镜头平面的表面半径为a＝λA，镜头类似于球壳的一部分，其曲率半径为R，其在中间平面的投影半径为a，球壳顶部与中间平面的距离为t。存在几何关系a²+(R-t)²＝R²，则镜片膜的曲率半径为：

此时镜头的表面积为：S_a＝2πR²-[2πR×(R-t)]。从而得到电驱动片型可变焦镜头的曲率半径-拉伸关系模型，如下式：

式中，R表示曲率半径，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，A表示介电弹性膜中央镜头区域的原始半径，t表示电驱动片型可变焦镜头顶部与其中间投影平面之间的距离。

步骤1103、若R₁和R₂分别为镜头的曲率半径，但对于本实施例的片型可变焦镜头来说，R₂→∞，R₁＝R，得到电驱动片型可变焦镜头的焦距-曲率半径关系模型，如下式：

式中，f表示焦距，折射率n＝1.4235，R表示曲率半径。

步骤1104、结合电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型、曲率半径-拉伸率关系模型以及焦距-曲率半径关系模型，得到电驱动可变焦镜头的镜头结构参数-驱动电压-焦距之间的关系模型，即成像模型。当镜头结构参数确定后，成像模型即表示驱动电压与焦距之间的关系。

本发明实施例根据电驱动片型可变焦镜头的结构特点和作用机理，建立镜头的能量应变关系，确定对能量应变关系产生影响的因素，得到电驱动片型可变焦镜头的成像模型，即镜头结构参数-驱动电压-焦距之间的关系。本发明实施例建立的成像模型，准确描述了电驱动片型可变焦镜头的成像机理，根据该成像模型制作的镜头与成像需求的匹配度较高。

本实施例还提供一种上述电驱动片型可变焦镜头的制作方法，包括以下步骤：

步骤210、将预拉伸后的介电弹性体膜2固定在环形框架1上；

步骤220、分别将第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4粘附在介电弹性体膜2的中央两侧；

步骤230、在松弛状态下，使介电弹性体膜2中央、第一水凝胶电极膜3和第二水凝胶电极膜4以预设曲率值向一侧凸出，得到电驱动片型可变焦镜头。

上述实施例的制作方法，简化了变焦镜头的制作工艺，提高了镜头系统的成像效率。

优选的，在步骤210前还包括制作水凝胶电极膜，具体包括：

步骤201、在水中加入聚丙烯酰胺和氯化钠粉末，充分溶解后得到混合溶液；

步骤202、在所述混合溶液中加入硅油，静置预设时间后，形成聚丙烯酰胺水凝胶；

步骤203、采用聚丙烯酰胺水凝胶制成第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜。

上述步骤制成的水凝胶电极膜，相比于其它方法制作的水凝胶电极膜，抗挥发、导电性能好、柔性强以及透明度高。

优选的，混合溶液中，聚丙烯酰胺的浓度为2.1％，氯化钠的浓度为3％。有助于水溶液成分的充分溶解，得到透明度较好的水凝胶电极膜。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种电驱动片型可变焦镜头，其特征在于，包括环形框架(1)、介电弹性体膜(2)、第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)，所述介电弹性体膜(2)固定在所述环形框架(1)上，所述第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)分别粘附在所述介电弹性体膜(2)中央的两侧表面；所述介电弹性体膜(2)的中央、第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)向一侧凸起。

2.根据权利要求1所述的电驱动片型可变焦镜头，其特征在于，所述第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)均采用聚丙烯酰胺水凝胶制成。

3.一种权利要求1或2所述的电驱动片型可变焦镜头的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤110、建立所述电驱动片型可变焦镜头的成像模型；

步骤120、根据所需成像范围和所述成像模型，确定所述电驱动片型可变焦镜头的制作参数。

4.根据权利要求3所述的电驱动片型可变焦镜头的设计方法，其特征在于，所述步骤110具体包括：

步骤1101、建立所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型，如下式：

式中，σ表示应变，h₁表示介电弹性体膜的厚度，H₂表示两层水凝胶电极膜的厚度，相对介电常数ε＝4.161×10^-11F/m，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，λ_p表示电驱动片型可变焦镜头的预拉伸率，φ表示驱动电压，μ_DE表示介电弹性体膜的剪切模量，

表示介电弹性体膜的极限拉伸值，μ_gel表示水凝胶电极膜的剪切模量，

表示水凝胶电极膜的极限拉伸值；

步骤1102、建立所述电驱动片型可变焦镜头的曲率半径-拉伸率关系模型，如下式：

式中，R表示曲率半径，λ表示电驱动片型可变焦镜头的拉伸率，A表示介电弹性体膜中央镜头区域的原始半径，t表示电驱动片型可变焦镜头顶部与其中间投影平面之间的距离；

步骤1103、建立所述电驱动片型可变焦镜头的焦距-曲率半径关系模型，如下式：

式中，f表示焦距，折射率n＝1.4235，R表示曲率半径；

步骤1104、结合所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型、曲率半径-拉伸率关系模型以及焦距-曲率半径关系模型，得到所述电驱动可变焦镜头的成像模型。

5.根据权利要求4所述的电驱动片型可变焦镜头的设计方法，其特征在于，所述步骤1101，具体包括：

步骤11011、建立所述电驱动片型可变焦镜头的能量密度与拉伸率和电位移的关系式，如下式：

式中，W(λ,D)表示电驱动片型可变焦镜头的能量密度，W_DE(λ)表示介电弹性体膜的能量密度，W_gel(λ)表示水凝胶电极膜的能量密度，W_DE(λ,D)表示在电场力作用下的介电弹性体膜的能量密度；

步骤11012、建立所述电动驱动片型可变焦镜头的拉伸率与标称应力的关系式，如下式：

步骤11013、结合Gent模型、式(4)和式(5)，得到下式：

步骤11014、根据平均真实应变计算公式，如下式：

结合式(6)，得到所述电驱动片型可变焦镜头的拉伸率-镜头结构参数-驱动电压关系模型。

6.一种权利要求1或2所述的电驱动片型可变焦镜头的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤210、将预拉伸后的介电弹性体膜(2)固定在环形框架(1)上；

步骤220、分别将第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)粘附在介电弹性体膜(2)的中央两侧。

步骤230、在松弛状态下，使介电弹性体膜(2)中央、第一水凝胶电极膜(3)和第二水凝胶电极膜(4)以预设曲率值向一侧凸出，得到电驱动片型可变焦镜头。

7.根据权利要求6所述的电驱动片型可变焦镜头的制作方法，其特征在于，在步骤210前还包括制作水凝胶电极膜，具体包括：

步骤201、在水中加入聚丙烯酰胺和氯化钠粉末，充分溶解后得到混合溶液；

步骤202、在所述混合溶液中加入硅油，静置预设时间后，形成聚丙烯酰胺水凝胶；

步骤203、采用聚丙烯酰胺水凝胶制成第一水凝胶电极膜和第二水凝胶电极膜。

8.根据权利要求7所述的电驱动片型可变焦镜头的制作方法，其特征在于，所述混合溶液中，聚丙烯酰胺的浓度为2.1％，氯化钠的浓度为3％。

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