CN113238371A - 一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜，该液体透镜包括上基板、下基板、外环腔、内环腔、电极、介电疏水层、非导电液体和导电液体。外环腔包括上微孔和下微孔，上微孔和下微孔使非导电液体以及导电液体可以在外环腔与外界进行液体交换；内环腔包括第一环形锚定层、第二环形锚定层、第三环形锚定层和若干个连通孔，连通孔使非导电液体和导电液体可以在外环腔与内环腔之间流动，第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层由介电疏水层、电极以及内环腔组成，内环腔与下基板直接连接。

Description

一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜

一、技术领域

本发明涉及一种电润湿液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜。

二、背景技术

可变焦透镜在显微镜、望远镜和照相机等光学设备中有重要应用。近年来人们对于微小尺寸的可变焦透镜的变焦性能需求越来越高，传统的单个固体透镜无法实现变焦功能，只能组合多片固体透镜通过机械部件来调节透镜之间距离以实现变焦。传统的变焦透镜组具有体积庞大、结构复杂和机械损耗大等缺点，并且传统的变焦透镜组无法实现连续性的变焦，在诸多实际应用场景下受到很大限制。为满足实际需求，克服机械移动变焦的上述缺点，液体透镜应运而生。

目前液体透镜大致分为三类：(1)机械力液体透镜，通过弹力膜、活塞或伺服马达等方式液压驱动，以使透镜的曲率发生变化；(2)介电力液体透镜，通过液滴在外加非均匀电场作用下受到介电力而实现形态变化，从而实现焦距改变；(3)电润湿液体透镜，通过外加电压利用电湿润原理改变液体接触角实现液体边界的曲率变化，进而实现焦距改变。目前技术相对成熟且已商业化的是电润湿液体透镜。电润湿液体透镜可以实现光学系统在没有机械传动的情况下变焦，且具有变焦速度快、成本低和系统轻量化等优点。

近年，液体透镜凭借上述优势在照相机、显微镜以及监控设备中得到了广泛应用。但目前的电润湿液体透镜仍存在以下难题：(1)现有的电润湿液体透镜对光焦度变化范围要求大，但液面在实现变焦的过程中滑移范围很大且重复性不稳定，这导致了电润湿液体透镜在变焦过程中引入了一定的像差；(2)现有的电润湿液体透镜制作完成后，通光光程不可调节，缺乏液-液界面位置微调的功能。综上所述，亟待研制一种具有高稳定性且光程可调的电润湿液体透镜。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种液-液界面高度稳定、液面滑移限制在微米级几何尺寸上且通光光程可调的液体透镜。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜，该液体透镜包括上基板、下基板、外环腔、内环腔、电极、介电疏水层、非导电液体和导电液体，如附图1所示。外环腔包括上微孔和下微孔，上微孔和下微孔使非导电液体以及导电液体可以在外环腔与外界进行液体交换；内环腔包括第一环形锚定层、第二环形锚定层、第三环形锚定层和若干个连通孔，连通孔使非导电液体和导电液体可以在外环腔与内环腔之间流动，第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层由介电疏水层、电极以及内环腔组成。内环腔与下基板直接连接，如附图2所示。

在初始不施加电压的状态时，非导电液体和导电液体由于表面张力作用在内环腔形成球形液面，在外环腔形成环形液面，且球形液面与环形液面均为凸面，此时非导电液体和导电液体通过连通孔可在内环腔与外环腔之间流动，并由连通原理达到平衡。第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层加电后对导电液体施加电压以改变球形液面曲率，第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层各层的上端与下端限制球形液面的滑移距离，高度稳定球形液面。

以第二环形锚定层为例，不施加电压时，球形液面位于第二环形锚定层的下端，球形液面面型为凸面，导电液体和非导电液体存在折射率差，当光束正入射时，光束在该球形界面会聚或发散，即可实现了透镜功能，如附图3与附图4所示。当对电极施加电压时，随着电压的增大，在电湿润效应作用下，液-液界面的曲率会逐渐变小，此时球形液面会向上轻微滑移；随着电压继续增大，当球形液面滑移到第二环形锚定层上端时，在静电力和表面张力的共同作用下，球形液面难以越过第二环形锚定层的上端。在电压增大的过程中，液-液界面的曲率逐渐减小并对导电液体产生向下的压力，在该压力的作用下使导电液体从内环腔向外环腔流动，与此同时非导电液体由外环腔向内环腔流动，两种液体在外环腔内的环形液面会上升，保持内环腔和外环腔的压力平衡。导电液体和非导电液体在内环腔和外环腔内循环流动，使球形液面在外加电压改变的过程中一直被锚定在微米级的第二环形锚定层的上端和下端之间。随着电压进一步的增大，球形液面面型由凸面变为凹面，如附图5与附图6所示。无论球形液面面型为凸面或凹面，在电润湿效应驱动的过程中，球形液面都会稳定在某一环形锚定层上，即本发明克服了传统液体透镜在外部驱动下液-液界面滑移的固有难题，实现高稳定的电润湿液体透镜功能。

假定环形锚定层之间的节距相等，节距大小均为x，球形液面可在第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层之间移动且移动后改变光程。假定初始状态时，控制导电液体和非导电液体的体积，使注入导电液体和非导电液体后球形液面位于第二环形锚定层下端。在该状态下，球形液面中心与下基板的距离为l₁，球形液面中心与上基板的距离为l₂，导电液体折射率为n₁，非导电液体折射率为n₂。此时光轴处光程为n₁ l₁+n₂ l₂；由下微孔注入导电液体同时由上微孔排出非导电液体，改变导电液体和非导电液体的体积，使球形液面上升到第一环形锚定层的下端，此时光程变为n₁(l₁+x)+n₂(l₂-x)；反之，由上微孔注入非导电液体同时由下微孔排出导电液体，改变导电液体和非导电液体的体积差，使球形液面下降到第三环形锚定层下端，此时光程为n₁(l₁-x)+n₂(l₂+x)，如附图7所示。因此，本发明的液体透镜不仅具有高稳定性，还可通过控制环形锚定层数M、环形锚定层节距x以及两种液体的体积调节光程。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环形锚定层是由介电疏水层、电极以及内环腔组成，所述内环腔上除所述第一环形锚定层、第二锚定层和第三锚定层区域以外均不添加电极，所述环形锚定层使球形液面只在所述环形锚定层上端与下端的几何范围内滑移。

优选地，所述环形锚定层的层数M≥3。

优选地，所述环形锚定层截面的几何形状为矩形、圆角矩形、圆、椭圆、内凹矩形、内凹圆和内凹椭圆等基本几何形状以及几何形状的组合形状。

优选地，所述外环腔与内环腔可以是圆柱、圆台或者是球面等形状。

优选地，所述非导电液体是硅油、有机溶液或硅油和有机溶剂的混合物；所述导电液体是氯化锂盐溶液、氯化钠盐溶液或盐溶液和有机溶剂的混合物。

本发明的有益效果是：

本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜在其内部采用了多个环形锚定层以及带有若干连通孔的内环腔，能够将液-液界面的滑移限制在微米级的几何尺寸上以实现高稳定，同时改变液-液界面的锚定位置可以改变光程。本发明的电润湿液体透镜具有高稳定和光程可调的功能。

四、附图说明

本发明的前述方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：

附图1为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的结构示意图

附图2为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的内环腔与下基板连接示意图

附图3为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的球形液面为凸面状态下三维示意图

附图4为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的球形液面为凸面状态下二维示意图

附图5为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的球形液面为凹面状态下三维示意图

附图6为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的球形液面为凹面状态下二维示意图

附图7为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的光程调节原理示意图

附图8为本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的一种具体实施例结构示意图

上述附图中的图示标号为：

1上基板，2下基板，3外环腔，4内环腔，5上微孔，6下微孔，7连通腔，8电极，9介电疏水层，10第一环形锚定层，11第二环形锚定层，12第三环形锚定层

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接/连通关系，并非单指构件直接相接/连通，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件和连通方式，来组成更优的结构，本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

本发明一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜包括上基板、下基板、外环腔、内环腔、电极、介电疏水层、非导电液体和导电液体。其中内环腔包括第一环形锚定层、第二环形锚定层、第三环形锚定层和若干个连通孔，外环腔包括上微孔和下微孔。内环腔与下基板直接连接，外环腔与下基板和上基板直接连接。将非导电液体与导电液体按一定体积置于液体透镜中，内环腔和外环腔形成两个液-液界面，非导电液体与导电液体在内环腔形成球形液面，非导电液体与导电液体在外环腔形成环形液面。

本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的一个实施例为：外环腔外径d₁为14mm，外环腔内径d₂为12mm，外环腔高度为h₁为8mm，外环腔上有上微孔和下微孔，上微孔和下微孔的直径d₃为1mm且中心与上基板或下基板的距离h₂为1mm，内环腔外径d₄为9mm，内环腔内径d₅为8mm，内环腔高度h₃为6mm，内环腔有若干连通孔，连通孔直径d₆为1.6mm且中心与下基板距离h₄为1mm，内环腔体有三个环形锚定层，且环形锚定层之间的节距x为250μm，三个环形锚定层的直径d₇均为7mm，环形锚定层截面形状相对内环腔为外凸矩形，所述外凸矩形的宽度a为500μm且长度b为500μm，第二环形锚定层的中心到上基板或下基板的高度h₅均为4mm，如附图8所示。

以球形液面位于第二环形锚定层下端为例，初始状态时，球形液面位于第二环形锚定层下端，球形液面中心与下基板的距离l₁为4.9mm，球形液面中心处与上基板的距离为l₂为3.1mm，导电液体折射率n₁为1.39，非导电液体折射率n₂为1.49，此时总光程Δδ₂为11.430mm；由下微孔注入导电液体同时由上微孔排出非导电液体，改变导电液体和非导电液体的体积，使球形液面上升到第一环形锚定层的下端，此时总光程Δδ₁为11.405mm；由上微孔注入非电液体同时由下微孔排出导电液体，改变导电液体和非导电液体的体积，使球形液面下降到第三环形锚定层的下端，此时总光程Δδ₃为11.455mm，如附图7所示。

本发明的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜的光程调节方法的一个实施例如下：

第一，由下微孔注入体积V₁＝28μl的导电液体。

第二，由上微孔排出体积V₁＝28μl的非导电液体。

第三，球形液面由第二环形锚定层上移至第一环形锚定层，球形液面上移距离x₁为250μm，此时总光程Δδ₁为11.405mm。

第四，由上微孔注入体积V₂为56μl的非导电液体。

第五，由下微孔排出体积V₂为56μl的导电液体。

第六，球形液面由第一环形锚定层下移至第三环形锚定层，球形液面下移距离x₂为500μm，此时总光程Δδ₃为11.455mm。

以上是对本发明的一种实施方式进行了具体说明，但本发明不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出种种等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜包括上基板、下基板、外环腔、内环腔、电极、介电疏水层、非导电液体和导电液体，其特征在于，所述外环腔包括上微孔和下微孔，所述上微孔和下微孔使所述非导电液体以及导电液体可以在所述外环腔与外界进行液体交换；所述内环腔包括第一环形锚定层、第二环形锚定层、第三环形锚定层和若干个连通孔，所述内环腔与所述下基板直接连接；所述连通孔使所述非导电液体和导电液体可以在外环腔与内环腔之间流动；所述非导电液体与导电液体在所述外环腔形成环形液面，所述非导电液体与导电液体在所述内环腔形成球面液面；所述第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层由介电疏水层、电极以及内环腔组成，所述第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层加电后对所述导电液体施加电压以改变所述球形液面曲率，所述第一环形锚定层、第二锚定层和第三锚定层各层的上端与下端将限制所述球形液面的滑移距离；所述环形锚定层之间节距相等，所述球形液面可在所述第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层之间移动且移动后改变光程。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜，其特征在于，所述第一环形锚定层、第二环形锚定层和第三环形锚定层由介电疏水层、电极以及内环腔组成；所述内环腔上除所述第一环形锚定层、第二锚定层和第三锚定层区域以外均不添加电极；所述环形锚定层使球形液面只在所述环形锚定层上端与下端的几何范围内滑移；所述环形锚定层的层数M≥3；所述环形锚定层截面的几何形状为矩形、圆角矩形、圆、椭圆、内凹矩形、内凹圆和内凹椭圆等基本几何形状以及几何形状的组合形状；所述外环腔与内环腔可以是圆柱、圆台或者是球面等形状。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定和光程可调的电润湿液体透镜，其特征在于，所述非导电液体是硅油、有机溶液或硅油和有机溶剂的混合物；所述导电液体是氯化锂盐溶液、氯化钠盐溶液或盐溶液和有机溶剂的混合物。

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