CN112731572B - 一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，属于光学成像领域。部分，采用导电液体作为柔性电极，承载导电液体的介电弹性体作为驱动，通过在介电弹性体的上下表面施加电压，实现对液体形状的调控，达到液体透镜的变焦功能，实现介电弹性体液体透镜的微型化。本发明无需额外大面积的涂有柔性电极，可实现介电弹性体液体透镜的微型化。且具有驱动结构简单、变焦范围大、响应速度快、成本低等优点。

Description

一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜
技术领域
本发明涉及一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，属于光学成像领域。
背景技术
变焦透镜具有可调焦距的能力，可以实现对不同距离的物体进行成像。传统的变焦透镜以玻璃或塑料为基材，通过机械运动装置(电机和齿轮等)调节透镜间的相对位置实现变焦。由于机械运动装置的存在，该类变焦镜头具有体积大、结构复杂、易磨损、配准难度大等缺点。与传统变焦透镜不同，液体透镜无需机械运动装置即可实现变焦功能。它通过改变液体折射率或表面曲率半径，使得自身的焦距发生变化，具有体积小、响应速度快、操作简单、寿命长、功耗低等优点。液晶液体透镜通过改变折射率实现焦距变化，然而该驱动方式变焦范围小，而且偏振相关。充液型液体透镜通过改变腔室内的液体压力，使得弹性薄膜的曲率半径发生变化实现变焦，该驱动方式需要额外的压力驱动单元，导致系统难以集成，体积较大。电浸润液体透镜通过施加电压调节液体的接触角进而改变焦距，该驱动方式结构紧凑，但变焦范围较小，长时间工作容易出现焦耳热和微气泡等问题，而且对液体材料具有较为严格的要求，要求两种液体同时满足高透明度、相同密度，大折射率差等条件。与前三种液体透镜(液晶液体透镜、充液型液体透镜和电浸润液体透镜)的驱动方式不同，基于介电弹性体驱动的液体透镜通过施加电压使得介电弹性体发生变形，从而引起液体曲率半径发生变化，具有变焦范围大、响应速度快，功耗低等优点。然而，传统的介电弹性体液体透镜需要在介电弹性体的上下表面额外涂有大面积的柔性电极，导致系统体积仍然较大。因此为了减小介电弹性体液体透镜的体积，亟需提出一种新型的介电弹性体液体透镜。
发明内容
本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，要解决的技术问题是：利用透明导电液体，同时作为介电弹性体的柔性电极，也作为液体透镜的液体材料，实现介电弹性体液体透镜的微型化。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，在介电弹性体的上下表面分别布置有环形弹性薄膜，环形弹性薄膜涂有少量柔性电极，透明导电液体置于环形弹性薄膜上，当在介电弹性体的上下表面施加电压时，由于透明导电液体为导电材料，透明导电液体的异性电荷相互吸引，布置有透明导电液体区域的介电弹性体厚度减小，透明导电液体的同性电荷相互排斥，布置有透明导电液体区域的介电弹性体产生拉应力，此区域内的介电弹性体的表面积增加，从而导致环形弹性薄膜向外扩张，使得透明导电液体的曲率半径发生变化，从而改变液体透镜的焦距，具有体积小、变焦范围大、响应速度快、体积小、成本低、驱动简单的优点。本发明通过将透明导电液体同时作为介电弹性体的柔性电极，也作为液体透镜的液体材料，无需额外大面积的涂有柔性电极，可实现介电弹性体液体透镜的微型化。
本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，包括上固定板、下固定板、上铜带、下铜带、介电弹性体、上环形弹性薄膜、下环形弹性薄膜、上透明导电液体、下透明导电液体、柔性电极、开关、可调高压电源。介电弹性体被上固定板和下固定板固定于两者中间。上环形弹性薄膜粘贴于介电弹性体的上表面，下环形弹性薄膜粘贴于介电弹性体的下表面。上透明导电液体置于上环形弹性薄膜上方，下透明导电液体置于下环形弹性薄膜下方。在上环形弹性薄膜和介电弹性体的上表面涂有柔性电极，使得上铜带和上透明导电液体电气连接在一起。在下环形弹性薄膜和介电弹性体的下表面涂有柔性电极，使得下铜带和下透明导电液体电气连接在一起。开关和可调高压电源电气相连，可调高压电源的正负极分别于上铜带和下铜带相连。
作为优选，所述的介电弹性体材料为预拉伸的VHB4910、VHB4905或PDMS。
作为优选，所述上透明导电液体和下透明导电液体采用相同材料，均为透明导电凝胶。
本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜的变焦原理为：
(a)当开关断开时，即在上环形弹性薄膜和下环形弹性薄膜之间未施加电压时，由于液体表面的张力，在忽略重力影响后，上透明导电液体和下透明导电液体具有相同初始的曲率半径r和初始液体弓高s，形成双凸透镜结构。假设上环形弹性薄膜和下环形弹性薄膜的半径为d，上透明导电液体和下透明导电液体为透明材料，其折射率为n，则液体透镜的初始焦距f0可通过式(1)得到：
Figure BDA0002895360790000021
其中，上透明导电液体的表面和下透明导电液体的表面的曲率半径r可通过液体弓高s以及环形弹性薄膜的半径为d得到：
Figure BDA0002895360790000022
此时，上透明导电液体和下透明导电液体的体积V均为：
Figure BDA0002895360790000023
当平行光线通过上透明导电液体的表面和下透明导电液体的表面时，将发生折射并汇聚于焦点F1′处。
(2)当开关连通时，即在上环形弹性薄膜和下环形弹性薄膜之间施加电压时，由于透明导电液体为导电材料，透明导电液体的同性电荷相互排斥，布置有透明导电液体区域的介电弹性体产生拉应力σ，此区域内的介电弹性体的表面积增加，从而导致环形弹性薄膜向外扩张。假设介电弹性体的杨氏模量为Y，相对介电常数为ε，初始厚度为h，可调高压电源的电压为U，则施加电压后的环形弹性薄膜的半径d′可通过式(4)得到：
Figure BDA0002895360790000031
其中，ε0为真空介电常数。
由于上环形弹性薄膜和下环形弹性薄膜的半径发生改变，使得导电液体和下透明导电液体的形状发生变化。导电液体和下透明导电液体均为体积不可压缩的液体，因此变化后的上透明导电液体的表面和下透明导电液体的表面的曲率半径r′，弓高s′可通过式(5)得到：
Figure BDA0002895360790000032
在施加电压后，液体透镜的焦距f1可表示为：
Figure BDA0002895360790000033
因此，当平行光线通过变化后的上透明导电液体的表面和下透明导电液体的表面时，将发生折射并汇聚于焦点F2′处，则液体透镜的变焦范围Δf为：
Δf＝f1-f0 (7)
有益效果：
1、本发明的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，利用透明导电液体同时作为介电弹性体的柔性电极，也作为液体透镜的液体材料，无需额外大面积的涂有柔性电极，可实现介电弹性体液体透镜的微型化。
2、本发明的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，采用介电弹性体作为驱动单元，具有驱动结构简单、变焦范围大、响应速度快、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜的爆炸图。
图2为本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜的装配图。
图3为本发明公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜的变焦原理图。
其中：1-上固定板，2-下固定板，3-上铜带，4-下铜带，5-介电弹性体，6-上环形弹性薄膜，7-下环形弹性薄膜，8-上透明导电液体，9-下透明导电液体，10-柔性电极，11-开关，12-可调高压电源，13-上透明导电液体的表面，14-下透明导电液体的表面，15-平行光线。
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。
如图1和图2所示，本实施例公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，包括上固定板1、下固定板2、上铜带3、下铜带4、介电弹性体5、上环形弹性薄膜6、下环形弹性薄膜7、上透明导电液体8、下透明导电液体9、柔性电极10、开关11、可调高压电源12。介电弹性体5被上固定板1和下固定板2固定于两者中间。上环形弹性薄膜6粘贴于介电弹性体5的上表面，下环形弹性薄膜7粘贴于介电弹性体5的下表面。上透明导电液体8置于上环形弹性薄膜6上方，下透明导电液体9置于下环形弹性薄膜7下方。在上环形弹性薄膜6和介电弹性体5的上表面涂有柔性电极10，使得上铜带3和上透明导电液体8电气连接在一起。在下环形弹性薄膜7和介电弹性体5的下表面涂有柔性电极10，使得下铜带4和下透明导电液体9电气连接在一起。开关11和可调高压电源12相连，可调高压电源12的正负极分别于上铜带3和下铜带4相连。
如图3所示，本实施例公开的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜的变焦原理图：
(a)当开关11断开时，即在上环形弹性薄膜6和下环形弹性薄膜7之间未施加电压时，由于液体表面的张力，在忽略重力影响后，上透明导电液体8和下透明导电液体9具有相同的初始曲率半径r和初始液体弓高s，形成双凸透镜结构。假设上环形弹性薄膜6和下环形弹性薄膜7的半径为d，上透明导电液体8和下透明导电液体9为透明材料，其折射率为n，则液体透镜的初始焦距f0可通过式(8)得到：
Figure BDA0002895360790000041
其中，上透明导电液体的表面13和下透明导电液体的表面14的曲率半径r可通过液体弓高s以及环形弹性薄膜的半径为d得到：
Figure BDA0002895360790000042
此时，上透明导电液体8和下透明导电液体9的体积V均为：
Figure BDA0002895360790000051
当平行光线15通过上透明导电液体的表面13和下透明导电液体的表面14时，将发生折射并汇聚于焦点F1′处。
(2)当开关11连通时，即在上环形弹性薄膜6和下环形弹性薄膜7之间施加电压时，由于透明导电液体为导电材料，透明导电液体的同性电荷相互排斥，布置有透明导电液体区域的介电弹性体产生拉应力σ，此区域内的介电弹性体的表面积增加，从而导致环形弹性薄膜向外扩张。假设介电弹性体的杨氏模量为Y，相对介电常数为ε，初始厚度为h，可调高压电源12的电压为U，则施加电压后的环形弹性薄膜的半径d′可通过式(11)得到：
Figure BDA0002895360790000052
其中，ε0为真空介电常数。
由于上环形弹性薄膜6和下环形弹性薄膜7的半径发生改变，使得导电液体8和下透明导电液体9的形状发生变化。导电液体8和下透明导电液体9均为体积不可压缩的液体，因此变化后的上透明导电液体的表面13和下透明导电液体的表面14的曲率半径r′，弓高s′可通过式(12)得到：
Figure BDA0002895360790000053
在施加电压后，液体透镜的焦距f1可表示为：
Figure BDA0002895360790000054
因此，当平行光线15通过变化后的上透明导电液体的表面13和下透明导电液体的表面14时，将发生折射并汇聚于焦点F2′处，则液体透镜的变焦范围Δf为：
Δf＝f1-f0 (14)
综上所述，相比较传统方法，所述的一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，在保留介电弹性体作为液体透镜驱动单元优点(结构简单、变焦范围大、响应速度快、成本低等)的同时，利用透明导电液体作为介电弹性体的柔性电极，也作为液体透镜的液体材料，无需额外大面积的涂有柔性电极，可实现介电弹性体液体透镜的微型化。
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 (6)

1.一种基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，其特征在于：采用透明导电液体作为介电弹性体的柔性电极，在介电弹性体的上下表面分别布置透明导电液体，利用介电弹性体作为驱动，实现对液体形状的调控，达到液体透镜的变焦功能，实现介电弹性体液体透镜的微型化；
上固定板(1)、下固定板(2)、上铜带(3)、下铜带(4)、介电弹性体(5)、上环形弹性薄膜(6)、下环形弹性薄膜(7)、上透明导电液体(8)、下透明导电液体(9)、柔性电极(10)、开关(11)以及可调高压电源(12)；介电弹性体(5)被上固定板(1)和下固定板(2)固定于两者中间；对称布置的上环形弹性薄膜(6)和下环形弹性薄膜(7)分别固定在介电弹性体(5)的上、下表面上，上透明导电液体(8)置于上环形弹性薄膜(6)上方，下透明导电液体(9)置于下环形弹性薄膜(7)下方；在上环形弹性薄膜(6)和介电弹性体(5)的上表面涂有柔性电极(10)，使得上铜带(3)和上透明导电液体(8)电气连接在一起；在下环形弹性薄膜(7)和介电弹性体(5)的下表面涂有柔性电极(10)，使得下铜带(4)和下透明导电液体(9)电气连接在一起；开关(11)和可调高压电源(12)电气相连，可调高压电源(12)的正负极分别于上铜带(3)和下铜带(4)相连。
2.如权利要求1所述的基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，其特征在于：所述介电弹性体的上下表面分别布置有环形弹性薄膜，环形弹性薄膜涂有少量柔性电极，透明导电液体置于环形弹性薄膜上，当在介电弹性体的上下表面施加电压时，由于透明导电液体为导电材料，透明导电液体的异性电荷相互吸引，布置有透明导电液体区域的介电弹性体厚度减小，透明导电液体的同性电荷相互排斥，布置有透明导电液体区域的介电弹性体产生拉应力，此区域内的介电弹性体的表面积增加，从而导致环形弹性薄膜向外扩张，使得透明导电液体的曲率半径发生变化，从而改变液体透镜的焦距。
3.如权利要求1或2所述的基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，其特征在于：所述的介电弹性体(5)材料为预拉伸的VHB4910、VHB4905或PDMS。
4.如权利要求1或2所述的基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜，其特征在于：所述上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)采用相同材料，均为透明导电凝胶。
5.采用如权利要求1或2所述的基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜实现变焦的方法，其特征在于：
未施加电压时，由于液体表面的张力，在忽略重力影响后，上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)具有相同初始曲率半径r和初始液体弓高s，形成双凸透镜结构；所述上环形弹性薄膜(6)和下环形弹性薄膜(7)的半径为d，上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)为透明材料，折射率为n，则液体透镜的初始焦距f0通过式(1)得到：
Figure FDA0003292228630000021
其中，上透明导电液体的表面(13)和下透明导电液体的表面(14)的初始曲率半径r通过初始液体弓高s以及环形弹性薄膜(7)的半径为d得到：
Figure FDA0003292228630000022
此时，上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)的体积V均为：
Figure FDA0003292228630000023
当平行光线(15)通过上透明导电液体的表面(13)和下透明导电液体的表面(14)时，将发生折射并汇聚于焦点F1′处。
6.采用如权利要求1或2所述的基于透明导电液体的介电弹性体液体透镜实现变焦的方法，其特征在于：
施加电压时，由于透明导电液体为导电材料，透明导电液体的同性电荷相互排斥，布置有透明导电液体区域的介电弹性体产生拉应力σ，此区域内的介电弹性体的表面积增加，从而导致环形弹性薄膜向外扩张；介电弹性体的杨氏模量为Y，相对介电常数为ε，初始厚度为h，可调高压电源(12)的电压为U，则施加电压后的环形弹性薄膜的半径d′通过式(4)得到：
Figure FDA0003292228630000024
其中，ε0为真空介电常数；
由于上环形弹性薄膜(6)和下环形弹性薄膜(7)的半径发生改变，使得上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)的形状发生变化；上透明导电液体(8)和下透明导电液体(9)均为体积不可压缩的液体，因此变化后的上透明导电液体的表面(13)和下透明导电液体的表面(14)的曲率半径r′，弓高s′通过式(5)得到：
Figure FDA0003292228630000025
在施加电压后，液体透镜的焦距f1表示为：
Figure FDA0003292228630000026
因此，当平行光线(15)通过变化后的上透明导电液体的表面(13)和下透明导电液体的表面(14)时，将发生折射并汇聚于焦点F2′处，则液体透镜的变焦范围Δf为：
Δf＝f1-f0 (7) 。
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