CN112433275A - 一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，包括依次相连的第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体，上述部件中部设有光轴通孔，第一、第二绷膜部件之间夹持有光学成像膜，光学成像膜将光轴通孔分隔为独立的第一、第二成像液腔，第一、第二主体位于光轴通孔的端部均设有光学镜片，第一主体内设有与第一成像液腔通过第一液体流道连通的第一外部储液腔，第二主体内设有与第二成像液腔通过第二液体流道连通的第二外部储液腔，第一外部储液腔和第二外部储液腔均具有液体封装膜，液体封装膜的外部设有呈环形布置的永磁体以及用于驱动永磁体运动的环形线圈。本发明具有集成度高、驱动结构简单、驱动性能好、装配简单方便的优点。

Description

一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜

技术领域

本发明涉及光学器件，具体涉及一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜。

背景技术

液态透镜可广泛应用于光电侦察、图像采集、手机镜头等领域，由于其在体积方面突出的优越性，已成为微纳领域一个重要的研究热点。液态透镜一般有三种实现原理，分别为电润湿效应原理，液晶材料折射率改变原理以及液压驱动原理。使用液压驱动原理的液态透镜一般具有两个液体腔，中间由周边固支的圆形弹性薄膜分隔，两腔内液体体积的相对变化驱动薄膜变形为类球面曲面，通过控制体积变化调节曲率，其光学行为与固态透镜相似。

申请号为200920166105.0的专利公开了一种基于电润湿效应的液态透镜组件，用于抵消液体的热胀冷缩作用；申请号为201320129339.2的专利公开了另一种基于电润湿效应的液态透镜，增加导电柱的设计使得电极与布线不会相互影响；论文《Multifunc-ionalliquid lens for variable focus and zoom》研究了一种复合液态透镜的性能，实验中初始焦距为8.94ｍｍ，电压从0V～90V改变时，焦距呈指数增长，直至透镜变为凹面，焦距在电压为130V 时，在-13.42MM处饱和，但从相关论文研究成果来看电润湿效应所需驱动电压较大，不利于微小型系统使用；论文《Liquid lens with double tunable surfaces forlarge power tunability andimproved optical performance》研究了一种典型的机械液压式液态透镜，其带有一活塞，推动活塞可以促使薄膜变形并改变焦距，包括该结构在内的许多液压液态透镜都未将驱动部分集成进来，仅实现了手动控制。总之，现有的液压驱动液态透镜多数停留在试验阶段，集成化程度低，驱动结构复杂，结构难以压缩等问题限制了液态透镜的实际工程应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，本发明具有集成度高、驱动结构简单、驱动性能好、装配简单方便的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，包括依次相连的第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体，所述第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体的中部设有贯穿的光轴通孔，所述第一绷膜部件、第二绷膜部件之间夹持固定有光学成像膜，所述光学成像膜将光轴通孔分隔为独立的第一成像液腔和第二成像液腔，所述第一主体、第二主体位于光轴通孔的端部均设有光学镜片，所述第一主体内设有与第一成像液腔通过第一液体流道连通的第一外部储液腔，所述第二主体内设有与第二成像液腔通过第二液体流道连通的第二外部储液腔，所述第一外部储液腔和第二外部储液腔均具有液体封装膜，所述液体封装膜的外部设有呈环形布置的永磁体以及用于驱动永磁体运动的环形线圈。

可选地，所述第一绷膜部件、第二绷膜部件分别通过连接件与第一主体、第二主体可拆卸连接。

可选地，所述第一绷膜部件、第二绷膜部件两者为以接触面为中心的对称结构。

可选地，所述第一外部储液腔和第二外部储液腔均为环形，所述液体封装膜为环形，所述第一外部储液腔的液体封装膜的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第一主体、第一绷膜部件之间，所述第二外部储液腔的液体封装膜的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第二绷膜部件、第二主体之间。

可选地，所述液体封装膜为弹性薄膜，使得第一外部储液腔的液体封装膜的通过夹持固定分别与第一主体、第一绷膜部件保持密封，第二外部储液腔的液体封装膜通过夹持固定分别与第二绷膜部件、第二主体保持密封。

可选地，所述第一绷膜部件靠第一主体的一侧、第二绷膜部件靠第二主体的一侧均设有环形凹槽，所述环形线圈为环形平面线圈且布置在该环形凹槽中。

可选地，所述液体封装膜与其外部对应的永磁体之间粘接固定。

可选地，所述第一外部储液腔和第二外部储液腔对应的永磁体之间磁极相对布置。

可选地，所述第一成像液腔和第二成像液腔中分别填充有折射率不同的液体，且两者折射率不同的液体之间的密度差小于预设阈值。

可选地，所述第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体中设有依次贯穿的滑道，所述滑道与光轴通孔平行布置，所述滑道内设有与光轴通孔平行布置的多根定位销，所述第一主体以及第二主体内位于多根定位销的端部外侧均设有用于定位永磁体的永磁体卡环。

此外，本发明还提供一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，包括依次相连的第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体，所述第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体的中部设有贯穿的光轴通孔，所述第一绷膜部件、第二绷膜部件之间夹持固定有光学成像膜，所述光学成像膜将光轴通孔分隔为独立的第一成像液腔和第二成像液腔，所述第一主体、第二主体位于光轴通孔的端部均设有光学镜片，所述第一主体内设有与第一成像液腔通过第一液体流道连通的第一外部储液腔，所述第二主体内设有与第二成像液腔通过第二液体流道连通的第二外部储液腔，所述第一外部储液腔和第二外部储液腔均具有液体封装膜，所述液体封装膜的外部设有滑动顶杆，所述滑动顶杆滑动布置在第一主体或第二主体中，且所述第一主体或第二主体中还设有带动滑动顶杆升降运动的调节丝杆，所述调节丝杆与滑动顶杆之间螺纹配合。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明包括依次相连的第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体，第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体的中部设有贯穿的光轴通孔，其余部件均集成在第一主体、第一绷膜部件、第二绷膜部件、第二主体内部，具有集成度高、结构简单、装配方便的优点。

2、本发明第一外部储液腔和第二外部储液腔均具有液体封装膜，液体封装膜的外部设有呈环形布置的永磁体以及用于驱动永磁体运动的环形线圈，通过环形线圈可驱动永磁体运动，进而推动第一外部储液腔和第二外部储液腔发送形变，使得第一成像液腔和第二成像液腔的压力改变，进而实现光学成像膜的发生变形，从而使得液态透镜装置的焦距发生变化；本发明采用环形线圈+呈环形布置的永磁体的方式来驱动使得液态透镜装置的焦距发生变化，使用环形的线圈与磁铁克服了常规手段下的驱动结构难以协调体积和进光的矛盾，在驱动结构完全避开光轴的前提下，又进一步压缩了体积，达到了很高的集成度，而且还具有驱动结构简单、驱动性能好的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一装置的剖视原理结构示意图。

图2为本发明实施例一装置的变焦原理示意图。

图例说明：1、第一主体；2、第二主体；3、第一绷膜部件；4、第二绷膜部件；5、光学镜片；6、永磁体；7、永磁体卡环；8、定位销；9、液体封装膜；10、光学成像膜；11、环形线圈；12、密封位置；13、胶接位置；14、第一液体流道；15、第二液体流道；16、第一外部储液腔；17、第二外部储液腔；18、第一成像液腔；19、第二成像液腔；20、滑道；21、螺钉固定孔；22、光轴通孔。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，包括依次相连的第一主体1、第一绷膜部件3、第二绷膜部件4、第二主体2，第一主体1、第一绷膜部件3、第二绷膜部件4、第二主体2的中部设有贯穿的光轴通孔22，第一绷膜部件3、第二绷膜部件4之间夹持固定有光学成像膜10，光学成像膜10将光轴通孔22分隔为独立的第一成像液腔18和第二成像液腔19，第一主体1、第二主体2位于光轴通孔22的端部均设有光学镜片5，第一主体1内设有与第一成像液腔18通过第一液体流道14连通的第一外部储液腔16，第二主体2内设有与第二成像液腔19通过第二液体流道15连通的第二外部储液腔17，第一外部储液腔16和第二外部储液腔17均具有液体封装膜9，液体封装膜9的外部设有呈环形布置的永磁体6以及用于驱动永磁体6运动的环形线圈11。如图1和图2所示，本实施例基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜的透镜变焦工作原理如下：当上部的永磁体6受环形线圈11的左右向上移动时，挤压第一外部储液腔16的液体通过第一液体流道14进入第一成像液腔18，同时下部的永磁体6会从第二成像液腔19吸取同等体积的液体通过第二液体流道15进入第二外部储液腔17，当磁场反向时运动方式同理，这样就完成了光学成像膜10的凹凸变形，使结构具有光学透镜的变焦功能。

第一主体1、第二主体2是本实施例装置的主体支撑结构，起到外壳的作用。

第一绷膜部件3、第二绷膜部件4用于独立完成光学成像膜10的绷紧操作后再与第一主体1、第二主体2相连。为了便于第一绷膜部件3、第二绷膜部件4的绷膜操作，本实施例中，第一绷膜部件3、第二绷膜部件4分别通过连接件与第一主体1、第二主体2可拆卸连接。光学成像膜10是液态透镜装置成像最重要的元件，绷膜装置（第一绷膜部件3、第二绷膜部件4）与主体（第一主体1、第二主体2）分离意味着组装时绷膜流程与其余流程可以分开进行，有充足的装配空间对光学成像膜10绷紧后的平整度和张紧力进行调整。参见图1，作为一种可选的实施方式，第一主体1、第二主体2上设有螺钉固定孔21，通过穿过螺钉固定孔21的螺栓或螺钉可将第一主体1、第一绷膜部件3、第二绷膜部件4、第二主体2依次连接固定，将第一主体1、第一绷膜部件3、第二绷膜部件4、第二主体2固连在一起形成完整的结构。此外绷膜组件（第一绷膜部件3、第二绷膜部件4）也可以采用其他方式与第一主体1、第二主体2相连。

如图1所示，本实施例中第一绷膜部件3、第二绷膜部件4两者为以接触面为中心的对称结构，使得第一绷膜部件3、第二绷膜部件4完全相同又可互相配合，这种完全对称的设计可以降低结构的加工成本，简化装配难度，使得绷膜组件（第一绷膜部件3、第二绷膜部件4）与第一主体1、第二主体2相连更加简单和方便。参见图1，作为一种可选的实施方式，第一绷膜部件3、第二绷膜部件4两者为以接触面为中心的对称设计的两薄片状开放部件。

本实施例中第一主体1、第二主体2位于光轴通孔22的端部均设有光学镜片5，通过将光学玻璃片5单独安置，一方面可以使用不同材料提高透光率，另一方面可作为预留孔位填注液体，光学镜片5在完成填注液体后在边缘处密封。

本实施例中永磁体6为环形永磁体，环形线圈11通电后产生的磁场可以推动永磁体6沿光轴通孔22的轴线方向（光轴方向）平移，进而推动液体封装膜9发生变形。

为了确保第一外部储液腔16和第二外部储液腔17发生容积变化的可靠性和稳定性，如图1所示，本实施例中第一外部储液腔16和第二外部储液腔17均为环形，液体封装膜9为环形，第一外部储液腔16的液体封装膜9的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第一主体1、第一绷膜部件3之间，第二外部储液腔17的液体封装膜9的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第二绷膜部件4、第二主体2之间，从而可与环形线圈+呈环形布置的永磁体驱动方式相互配合，确保驱动使得液态透镜装置的焦距发生变化时稳定可靠。

本实施例中，液体封装膜9为弹性薄膜，使得第一外部储液腔16的液体封装膜9的通过夹持固定分别与第一主体1、第一绷膜部件3保持密封，第二外部储液腔17的液体封装膜9通过夹持固定分别与第二绷膜部件4、第二主体2保持密封，通过液体封装膜9自身的弹性特性，在密封位置12处实现自然的密封作用，可进一步减小体积，去除不必要密封结构，简化了第一外部储液腔16和第二外部储液腔17的安装工艺，确保密封可靠。

参见图1，本实施例中第一绷膜部件3靠第一主体1的一侧、第二绷膜部件4靠第二主体2的一侧均设有环形凹槽，环形线圈11为环形平面线圈且布置在该环形凹槽中，环形线圈11通电后形成沿光轴通孔22的轴线方向的磁场。

本实施例中，液体封装膜9与其外部对应的永磁体6之间粘接固定（参见图中的胶接位置13），通过该方式可确保液体封装膜9、永磁体6之间保持联动。

本实施例中，第一外部储液腔16和第二外部储液腔17对应的永磁体6之间磁极相对布置（N对N或 S对S），这样放置的优势在于环形线圈11通电后对若对上部的永磁体6为斥力，对下部的永磁6体则表现为吸力，可以最大程度上发挥磁场的作用。

本实施例中，第一成像液腔18和第二成像液腔19中分别填充有折射率不同的液体，且两者折射率不同的液体之间的密度差小于预设阈值，该预设阈值可根据需要进行设置，实际上两者折射率不同的液体之间的密度差越小越好。第一成像液腔18和第二成像液腔19中分别填充有折射率不同的液体的意义在于，两种密度接近的液体通过光学成像膜10相互作用后，重力对其影响会减弱，若只在光学成像膜10一侧填充液体，在不同位姿下，薄膜可能会变形，导致光轴偏离。作为一种可选的实施方式，本实施例中第一成像液腔18和第二成像液腔19两者中一者填充的液体为水、另一者填充的液体为甘油。

本实施例中，第一主体1、第一绷膜部件3、第二绷膜部件4、第二主体2中设有依次贯穿的滑道20，滑道20与光轴通孔22平行布置，滑道20内设有与光轴通孔22平行布置的多根定位销8，第一主体1以及第二主体2内位于多根定位销8的端部外侧均设有用于定位永磁体6的永磁体卡环7。滑道20用于限制和引导定位销8，使得两永磁体6和数个定位销8固连形成的结构运动自由度为1；永磁体卡环7的目的在于固定永磁体6与定位销8的相对位置，以此来使两个永磁体6相对固定，确保永磁体6的运动行程固定可靠。参见图2，定位销8、永磁体6、永磁体卡环7相对固定组成一个整体，这个整体可沿滑道20上下平移：沿滑道20 向上平移时推动上方的液体封装膜9，迫使储液腔16的液体进入成像液腔18，同时下方的液体封装膜9反向运动，将成像液腔19中的液体抽出至储液腔17中，这样就形成了凹透镜；向下平移时同理，可形成凸透镜。

实施例二：

本实施例中与实施例一基本相同，其主要区别点在于：由于实施例一中永磁体6是单自由度直线运动，本实施例中将实施例一对液体封装膜9的电磁驱动方式替换为螺旋机构的驱动（从电动改变为了手动）。本实施例中，液体封装膜9的外部设有滑动顶杆，滑动顶杆滑动布置在第一主体1或第二主体2中，且第一主体1或第二主体2中还设有带动滑动顶杆升降运动的调节丝杆，调节丝杆与滑动顶杆之间螺纹配合。本实施例中，滑动顶杆与实施例一中定位销8的结构相同，区别为滑动顶杆表面加工螺纹，且滑动顶杆的顶部与液体封装膜9粘接固定；调节丝杆具体是套设在定位销8外侧的内螺纹管，通过手动调节内螺纹管，可驱动滑动顶杆沿着第一主体1或第二主体2中滑动从而发生升降运动，升降运动即可带动液体封装膜9形变，进而使得光学成像膜10的凹凸变形，使结构具有光学透镜的变焦功能，实现同样的调焦效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，包括依次相连的第一主体（1）、第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）、第二主体（2），所述第一主体（1）、第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）、第二主体（2）的中部设有贯穿的光轴通孔（22），所述第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）之间夹持固定有光学成像膜（10），所述光学成像膜（10）将光轴通孔（22）分隔为独立的第一成像液腔（18）和第二成像液腔（19），所述第一主体（1）、第二主体（2）位于光轴通孔（22）的端部均设有光学镜片（5），所述第一主体（1）内设有与第一成像液腔（18）通过第一液体流道（14）连通的第一外部储液腔（16），所述第二主体（2）内设有与第二成像液腔（19）通过第二液体流道（15）连通的第二外部储液腔（17），所述第一外部储液腔（16）和第二外部储液腔（17）均具有液体封装膜（9），所述液体封装膜（9）的外部设有呈环形布置的永磁体（6）以及用于驱动永磁体（6）运动的环形线圈（11）。

2.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）分别通过连接件与第一主体（1）、第二主体（2）可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一外部储液腔（16）和第二外部储液腔（17）均为环形，所述液体封装膜（9）为环形，所述第一外部储液腔（16）的液体封装膜（9）的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第一主体（1）、第一绷膜部件（3）之间，所述第二外部储液腔（17）的液体封装膜（9）的内侧边缘、外侧边缘均夹持固定在第二绷膜部件（4）、第二主体（2）之间。

4.根据权利要求3所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述液体封装膜（9）为弹性薄膜，使得第一外部储液腔（16）的液体封装膜（9）的通过夹持固定分别与第一主体（1）、第一绷膜部件（3）保持密封，第二外部储液腔（17）的液体封装膜（9）通过夹持固定分别与第二绷膜部件（4）、第二主体（2）保持密封。

5.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一绷膜部件（3）靠第一主体（1）的一侧、第二绷膜部件（4）靠第二主体（2）的一侧均设有环形凹槽，所述环形线圈（11）为环形平面线圈且布置在该环形凹槽中。

6.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述液体封装膜（9）与其外部对应的永磁体（6）之间粘接固定。

7.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一外部储液腔（16）和第二外部储液腔（17）对应的永磁体（6）之间磁极相对布置。

8.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一成像液腔（18）和第二成像液腔（19）中分别填充有折射率不同的液体，且两者折射率不同的液体之间的密度差小于预设阈值。

9.根据权利要求1所述的基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，所述第一主体（1）、第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）、第二主体（2）中设有依次贯穿的滑道（20），所述滑道（20）与光轴通孔（22）平行布置，所述滑道（20）内设有与光轴通孔（22）平行布置的多根定位销（8），所述第一主体（1）以及第二主体（2）内位于多根定位销（8）的端部外侧均设有用于定位永磁体（6）的永磁体卡环（7）。

10.一种基于环形线圈的电磁驱动液态光学调焦透镜，其特征在于，包括依次相连的第一主体（1）、第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）、第二主体（2），所述第一主体（1）、第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）、第二主体（2）的中部设有贯穿的光轴通孔（22），所述第一绷膜部件（3）、第二绷膜部件（4）之间夹持固定有光学成像膜（10），所述光学成像膜（10）将光轴通孔（22）分隔为独立的第一成像液腔（18）和第二成像液腔（19），所述第一主体（1）、第二主体（2）位于光轴通孔（22）的端部均设有光学镜片（5），所述第一主体（1）内设有与第一成像液腔（18）通过第一液体流道（14）连通的第一外部储液腔（16），所述第二主体（2）内设有与第二成像液腔（19）通过第二液体流道（15）连通的第二外部储液腔（17），所述第一外部储液腔（16）和第二外部储液腔（17）均具有液体封装膜（9），所述液体封装膜（9）的外部设有滑动顶杆，所述滑动顶杆滑动布置在第一主体（1）或第二主体（2）中，且所述第一主体（1）或第二主体（2）中还设有带动滑动顶杆升降运动的调节丝杆，所述调节丝杆与滑动顶杆之间螺纹配合。

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