CN113376720A - 具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体和设置在固体内芯主体上部和下部的第一透明件和第二透明件，固体内芯主体具有复杂内腔表面并作为透镜腔，在透镜腔内存储具有不同折射率、互不相溶的流体作为透镜材料，在固体内芯主体与透明件的连接处设置有注液装置，注液装置连接流体驱动装置，流体驱动装置通过注液装置改变透镜腔内流体的体积比，以调节通光方向流体接触界面在内腔表面的位置，从而改变接触界面形状，实现焦距可调。本发明液体透镜的变焦原理是保持接触角不变，改变两种流体体积比，以调节接触界面在内腔表面的位置，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线斜率不同，实现焦距可调。

Description

具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜

技术领域

本发明光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域，具体的说是涉及一种新颖的具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜。

背景技术

传统的光学变焦镜头通常是由多组独立的凸/凹固体透镜组合而成的，如固定透镜的、可以沿光轴滑动的变焦透镜。通过透镜的前后移动来改变透镜系统的组合焦距，这种变焦透镜系统由于机械驱动存在体积大，操作不便等诸多不足。液体可变焦透镜无需任何的机械移动，只需通过各种方式改变液体的形状来实现变焦，与传统固体组合透镜相比，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点。

目前常用的实现液体透镜变焦的技术有电润湿法、液晶法、压控法、电磁驱动法等。典型的利用电润湿驱动方法通过改变液体弯曲界面曲率进而调节焦距的液体变焦透镜，如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜。飞利浦公司开发的液体透镜FluidFocus技术采用折射率不同且互不混溶的两种液体,导电的水溶液和不导电的油的这两种液体被装入一个两端均是透明端盖的短试管里,试管内壁和其中的一个端盖涂有疏水性材料,这使得水溶液在试管的另一端形成半球形透镜形状的液体。透镜的形状是通过在涂层上施加一个电压以减小其水排斥力的方法来调节的，通过调整液体表面张力来改变凹凸透镜的曲率半径，从而达到改变透镜焦距的目的。但是传统电润湿透镜存在不足之处：

(1)电压较高。目前利用“电润湿”效应的液态透镜驱动电压一般在40V以上，在有效变焦范围内，电压往往会达到70V及以上。

(2)其面形被杨氏方程所描述，接触角存在饱和现象，设计的自由度较小。

(3)绝缘层工艺较为复杂，难以实现。目前仅有法国Varioptic公司实现液体透镜的商业化。

典型的挤压式液体透镜，即由压力调节密封在透明弹性膜内液体的体积，挤压弹性膜使其变形达到变焦的作用，如瑞士Optotune公司的焦距可调透镜是基于光学流体和聚合物膜组合的形状变化透镜。核心元件由一个容器组成，容器中填充有光学液体，并用一层薄的弹性聚合物膜密封。一个圆环推到膜的中心，形成可调透镜。膜的形变和透镜的半径可以通过将环推向膜、向膜的外部施加压力或通过将液体泵入或泵出容器来改变。而挤压式液体透镜亦存在不足：

(1)薄膜的寿命和机械强度。薄膜会随着液体不断往复运动，不断被拉伸或收缩。如果应用于焦距改变频率较高的场合，薄膜的寿命将会大幅降低。此外，常用的PDMS薄膜长时间与液体接触还可能存在褶皱，收缩等问题。

(2)薄膜的粗糙度以及面形精度对成像质量的影响。由于当前弹性薄膜多使用PDMS薄膜，其成型工艺为固化工艺，不同的生产条件下薄膜的质量差距较大，粗糙的表面会影响成像的清晰度以及透光率，不均匀的薄膜会造成面形误差，带来更多不可控的像差。

发明内容

针对上述器件的种种不足，本发明提出一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，该透镜通过改变透镜腔内两种或多种流体的体积比来实现焦距的调节，但起光学作用流体总体积不变。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，可变焦液体透镜包括具有复杂内腔表面的固体内芯主体、第一透明部件和第二透明部件；固体内芯主体的内腔被上述透明部件密封为透镜腔，在通光方向上内腔表面形状复杂，表面各点切平面法向随空间位置变化。

固体内芯主体内腔被第一透明件和第二透明件密封为透镜腔，在透镜腔内存储具有不同折射率、互不相溶的流体作为透镜材料，透镜材料选择两种以及以上具有不同折射率、互不相溶的流体，这些流体优选为透明液体，可用作可变焦液体透镜及其衍生品。将上述一种或多种透镜材料替换为不透明流体，可另作它用，例如可调光阑、光开关、可变光衰减器等。特殊情况下，仅保留一种流体，则另一种替换为空气。

与所述透镜腔连通且与所述流体数量一一对应设置有注液装置，注液装置连接流体驱动装置，流体驱动装置通过注液装置改变透镜腔内流体的体积比，以调节通光方向流体接触界面在内腔表面的位置，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线斜率不同，改变接触界面在三相接触点处切线斜率，即改变接触界面形状，实现焦距可调。

本发明的进一步改进在于：透镜材料为透明材料或不透明材料。

本发明的进一步改进在于：固体内芯主体材料为金属或塑料PLB或硬质硅橡胶或塑料PLA，可以通过铸模，3D打印，光刻等手段实现其几何外观。

本发明的进一步改进在于：第一透明件和第二透明件的材料为透镜或平板玻璃或棱镜，第一透明件和第二透明件的材料可以相同也可以不相同，根据应用场景不同来选取。

所述注液装置为与透镜腔连通的注液孔，所述注液孔与所述液体驱动装置连通：

当流体数量为两种时，靠近第一透明件的注液孔设置在透镜腔与所述第一透明件的连接处，靠近第二透明件的注液孔设置在所述透镜腔与第二透明件的连接处；

当流体数量大于等于三种时，靠近第一透明件的注液孔设置在透镜腔与第一透明件的连接处，靠近第二透明件的注液孔设置在所述透镜腔与第二透明件的连接处，中间流体的注液孔穿过固体内芯主体与流体连通。

所述注液装置或为与透镜腔连通的上下环形垫片，上下两个环形垫片上设置有至少三个流道，环形垫片通过流道连接透镜腔和流体驱动装置。

所述固体内芯主体的内腔表面可以为部分圆弧旋转而成。圆弧的一部分绕通光方向中心线为轴旋转而成，当透镜系统处于稳定状态时，接触点处切线1、2和液体接触角θ三者保持一定的平衡关系。如图3所示内腔侧视图，在箭头所示通光方向上，通过外部装置调节两种或多种流体的体积比，三相接触点位置将沿着圆弧移动。该点处切线2斜率k₂满足圆方程求导规律变化，而切线1与切线2所夹的接触角θ保持恒定，流体接触界面即自由界面切线1斜率则按公式

变化，直到系统达成新的平衡，从而改变液体接触界面即自由界面形状，实现焦距可调。分为凸圆面和凹圆面两种情况，以适应不同需求，上下对称的圆弧旋转为内表面如图3(a)，(b)所示，上下不对称的圆弧旋转而成的侧圆面也可以是本固体内芯主体的内腔表面。

所述固体内芯主体的内腔表面可以为部分椭圆弧旋转而成，由椭圆弧的一部分绕通光方向中心线为轴旋转而成，当透镜系统处于稳定状态时，接触点处切线1、2和液体接触角θ三者保持一定的平衡关系。如图4所示内腔侧视图，在箭头所示通光方向上，通过外部装置调节两种或多种流体的体积比，三相接触点位置将沿着椭圆弧移动，该点处切线2斜率k₂满足椭圆方程求导规律变化，而切线1与切线2所夹的接触角θ保持恒定，流体接触界面即自由界面切线1斜率则按公式

变化，直到系统达成新的平衡，从而改变液体接触界面即自由界面形状，实现焦距可调。图4中(a)与(b)相对旋转轴而言，分别表现为凸面和凹面以适应不同需求，以椭圆短轴为旋转轴则切平面法线在通光方向上斜率变化快，图4中(c)与(d)相对旋转轴而言，分别表现为凸面和凹面以适应不同需求，以椭圆长轴为旋转轴则切平面法线在通光方向上斜率变化慢。如图4(a)(b)(c)(d)所示为上下对称椭圆弧旋转而成，上下不对称椭圆弧旋转而成的侧椭圆面也可以作为本发明的内腔表面。

所述固体内芯主体的内腔表面可以为部分双曲线旋转而成，由双曲线的一部分绕通光方向中心线为轴旋转而成，当透镜系统处于稳定状态时，接触点处切线1、2和液体接触角θ三者保持一定的平衡关系。如图5所示内腔侧视图，在箭头所示通光方向上，通过外部装置调节两种或多种流体的体积比，三相接触点位置将沿着双曲线移动。该点处切线2斜率k₂满足双曲线方程求导规律变化，而切线1与切线2所夹的接触角θ保持恒定，流体接触界面即自由界面切线1斜率则按公式

变化，直到系统达成新的平衡，从而改变液体接触界面即自由界面形状，实现焦距可调。图5中(a)与(b)相对旋转轴而言，分别表现为凸面和凹面以适应不同需求，上下对称双曲线旋转而成内腔表面如图5(a)(b)所示，上下不对称双曲线旋转而成的侧双曲面也可以为本发明的固体内芯主体的内腔表面。

所述固体内芯主体的内腔表面可以为部分抛物线旋转而成，由抛物线的一部分绕通光方向中心线为轴旋转而成，当透镜系统处于稳定状态时，接触点处切线1、2和液体接触角θ三者保持一定的平衡关系。如图6所示内腔侧视图，在箭头所示通光方向上，通过外部装置调节两种或多种流体的体积比，三相接触点位置将沿着抛物线移动。该点处切线2斜率k₂满足抛物线方程求导规律变化，而切线1与切线2所夹的接触角θ保持恒定，流体接触界面即自由界面切线1斜率则按公式

变化，直到系统达成新的平衡，从而改变液体接触界面即自由界面形状，实现焦距可调，如图6(a)(b)所示为上下对称抛物线旋转而成，上下不对称抛物线旋转而成的侧抛物面也在本专利保护范围之内；分别表现为凸面和凹面以适应不同需求。

所述固体内芯主体的内腔表面可以直线旋转而成，分为直线和旋转轴平行和不平行两种情况，如图2(c)(d)所示，在此种情况下本部件没有调焦功能，仅用于与其它形状部件的组合使用。

所述固体内芯主体的内腔表面可以一种或者两种及以上组合旋转而成，如图7(a)为圆弧与双曲线组合旋转而成，图7(b)为圆弧与直线组合旋转而成，其中虚线部分为透镜焦距达到极值时的液面，故直线部分不参与变焦。

所述固体内芯主体的内腔表面还可以是直线、部分圆弧、部分椭圆弧、部分双曲线、部分抛物线等旋转体部件拼接而成其它复杂曲面，即先形成上述旋转曲面，选取两个及以上相同的旋转曲面进行拼接，或不同的两个及以上旋转曲面进行拼接，形成其它复杂曲面，如图8(a)所示为相同旋转曲面拼接而成的内腔表面俯视图，图8(b)为不同旋转曲面拼接而成的内腔表面俯视图。以更多的自由度来设计复杂的内腔表面，完成各种复杂的调焦需求。

所述固体内芯主体的内腔表面可以非旋转体，其表面表现为长方体侧面、多棱柱侧面、多棱台侧面及与以上旋转体曲面组合而成如图8(c)所示，内腔表面形状也可为多段曲线，以更多的自由度来设计复杂的内腔表面，完成各种复杂的调焦需求。

在具体设计中，流体运动的控制可以使用电磁力驱动磁流体，可以利用电磁力驱动磁流体，使其向上或向下挤压弹性膜，调节透镜材料流体的体积比，从而改变两种流体接触界面的位置，使自由液面的形状发生改变，达到调节焦距的目的。

流体运动的控制也可以使用电磁力控制线圈的收缩与扩张，驱动透镜流体材料运动，从而调节透镜材料流体的体积比来实现。

流体运动的控制也可以使用电磁体上下轴向运动，流体运动的控制可以使用活塞或液泵，驱动透镜流体材料运动，从而调节透镜流体材料的体积比来实现。

本发明的进一步改进在于：本发明透镜的初始焦距可根据固体内腔表面的形状以及两种液体的体积比来配置。并且透镜的变焦范围宽，可以从负透镜调节至平面，平面调节至正透镜，可应用于智能手机、笔记本电脑、台式电脑、平板电脑、个人数字助理(PDA)、可穿戴设备、增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备、监控设备、激光电视投影等终端产品。

本发明的有益效果是：本发明的液体透镜的变焦原理是保持接触角不变，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线斜率不同，改变两种流体体积比，调节接触界面在内腔表面的位置；本发明的内腔表面形状可以任意设置，从而可以定制个性化的调焦方案，满足不同的应用场景；本发明不需要考虑电润湿变焦透镜的接触角饱和、绝缘层工艺较难的技术缺陷，工艺简单，很容易实现；与挤压式变焦透镜变焦范围窄、光学弹性聚合物膜易老化等问题相比，本发明变焦范围宽，且液体接触面为自由液面，无需考虑光学弹性膜老化的问题。

附图说明

图1是本发明可变焦液体透镜的结构示意图。

图2(a)是通光方向上各点切平面法向随空间位置变化示意图。

图2(b)(c)(d)是传统的液滴和液体透镜侧视图。

图3(a)，(b)为上下对称的圆弧旋转而成的内腔表面的结构示意图。

图4(a)(b)(c)(d)为上下对称椭圆弧旋转而成内腔表面的结构示意图。

图4(e)是填充有三种流体内腔表面的示意图。

图5(a)(b)为上下对称双曲线旋转而成的内腔表面的结构示意图。

图6(a)(b)为上下对称抛物线旋转而成的内腔表面的结构示意图。

图7(a)为圆弧与双曲线组合旋转而成的内腔表面的结构示意图。

图7(b)为圆弧与直线组合旋转而成的内腔表面的结构示意图。

图8(a)为相同旋转曲面拼接而成的内腔表面俯视图。

图8(b)为不同旋转曲面拼接而成的内腔表面俯视图。

图8(c)为四棱台结构示意图。

图9为本发明实施例三的结构示意图。

图10为带流道的环形垫片的结构示意图。

图11为本发明实施例四的结构示意图。

图12为本发明实施例五的结构示意图。

图13为本发明实施例六的结构示意图。

图14为本发明实施例七的结构示意图。

图15为本发明实施例八的结构示意图。

图16(a)本发明实实施例九可调光阑内腔表面为部分圆弧旋转而成的示意图。

图16(b)本发明实实施例九可调光阑内腔表面为为直线旋转而成的示意图。

图17(a)为光开关的断模式示意图。

图17(b)为光开关的开模式示意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

基于自由液面经典的液体透镜如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，其透镜侧壁为圆柱或圆锥，侧视图表现为直线。

传统液滴和液体透镜侧视图，如图2(b)(c)(d)所示，液体接触角θ定义为气体-固体-液体或液体1-固体-液体2三相接触点处液面轮廓线的切线与固体表面轮廓线即直线的夹角。

设切线1、2的斜率分别为k₁、k₂，根据几何关系，则

传统自由液面液体透镜侧壁轮廓(母线)是直线，如图2(c)所示，其斜率k₂不变，利用电润湿效应改变接触角θ大小，则切线1斜率按

的规律变化，从而自由液面形状变化。

而本发明中，固体内腔表面具有复杂形状，特别是在通光方向上各点切平面法向随空间位置变化，如图2(a)所示，轮廓线为非直线，因此，液体接触角θ表现为三相接触点处液面轮廓线的切线1与固体表面轮廓线的切线2的夹角。当透镜系统处于稳定状态时，切线1、2和液体接触角θ三者保持一定的平衡关系，三者中任何一个参数发生改变，则另外一个或两个参数的值必然随之改变，直到系统达成新的平衡。

所述固体内芯主体的复杂内腔表面为直线、部分圆弧、部分椭圆弧、部分双曲线、部分抛物线的一种或者多种组合旋转而成，或由上述旋转体部件拼接而成其它复杂曲面；或为非旋转体，其表面表现为长方体侧面、多棱柱侧面、多棱台侧面及与以上旋转体曲面组合而成。具体实施例中，复杂内腔表面的形状我们仅以圆弧旋转而成的来举例，其他形状的表面不再赘述。

本发明中液体透镜的变焦原理是保持接触角θ不变，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线2斜率k₂不同，改变两种流体体积比，调节接触界面在内腔表面的位置，从而改变k₂，根据公式

则切线1斜率按一定的规律变化，故而引起自由液面形状变化，实现焦距可调。

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体1和设置在所述固体内芯主体1上部和下部的第一透明件2和第二透明件3，所述固体内芯主体1具有复杂内腔表面并作为透镜腔，在通光方向表面各点切平面法向随空间位置变化，所述固体内芯主体1内腔被所述第一透明件2和所述第二透明件3密封为透镜腔，在所述透镜腔内存储具有不同折射率、互不相溶的流体作为透镜材料，当透镜材料为三种及以上流体时，透镜材料是折射率互异、两两互不相溶的流体，当透镜材料为两种流体时，可以为两种均为液体流体，也可以是一种液体流体，其余为空气流体，由于空气折射率比液体流体小，液体流体起主要作用，空气仅作为辅助材料，提供一种介质，此时也可以理解为透镜材料为一种流体，以上流体也可以是混合溶液。所述固体内芯主体1与所述透明件的连接处设置有注液装置，所述注液装置连接流体驱动装置，当注液装置为与透镜腔连通的注液孔，所述注液孔与所述液体驱动装置连通：当流体数量为两种时，靠近所述第一透明件2的注液孔设置在所述透镜腔与所述第一透明件2的连接处，靠近第二透明件3的注液孔设置在所述透镜腔与所述第二透明件3的连接处；当流体数量大于等于三种时，靠近所述第一透明件2的注液孔设置在所述透镜腔与所述第一透明件2的连接处，靠近第二透明件3的注液孔设置在所述透镜腔与所述第二透明件3的连接处，中间流体的注液孔穿过所述固体内芯主体1与所述流体连通。所述流体驱动装置通过注液装置改变透镜腔内流体的体积比，以调节通光方向流体接触界面在内腔表面的位置，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线斜率不同，改变接触界面在三相接触点处切线斜率，即改变接触界面形状，实现焦距可调。

实施例一

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体1，所述固体内芯主体材料选为金属，利用铸模的方式制造固体内芯主体，内腔表面为圆弧旋转而成，如图3所示，在固体内芯主体的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层，起到疏水修饰的作用，在固体内芯主体1的上部和下部设置有第一透明件和第二透明件，第一透明件和第二透明件优选为透镜，其焦距大小根据不同需要进行进行选取，将固体内芯主体下部用透镜密封上。所述固体内芯主体1内腔注入两种互不相溶的第一流体氯化锂溶液和第二流体硅油这两种透明液体作为透镜液体材料，液体的黏度可以根据变焦需要来选取，将固体内芯主体的上部同样用透镜密封上，在靠近第一透明件和第二透明件、所述氯化锂溶液和硅油与内腔表面位置附近均设置有注液孔，通过通过液泵和预留的注液孔来调节两种液体的体积比实现焦距可调。

实施例二

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体1，所述固体内芯主体材料选为塑料PLA，利用3D打印技术，制造固体内芯主体，内腔表面为椭圆弧旋转而成，如图4所示，在固体内芯主体的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层，起到疏水修饰的作用，在固体内芯主体1的上部和下部设置有第一透明件2和第二透明件3，第一透明件2和第二透明件3选为平板玻璃，将固体内芯主体下部用平板玻璃密封上，所述固体内芯主体1内腔内的透镜腔注入一种透明液体作为透镜液体材料，此时内腔中是一种液体透镜材料，其余为空气，仅应用于固定透镜的场景。

此时固体内芯主体内腔的透镜腔内也可以添加三种液体，氯化锂溶液，硅油、离子液体的组合，或氯化锂溶液，硅油、氯化锂溶液的组合，如图4(e)所示。将固体内芯主体的上部用平板玻璃密封上，通过通过液泵和预留的与液体透镜材料数量相同的注液孔来调节液体的体积比。在调节液体体积时，可以固定一种液体体积，改变其他两种液体体积，或同时调节三种液体体积，实现焦距可调。

实施例三

如图9、10所示，本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，内腔表面为圆弧旋转而成，所述固体内芯主体材料选为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体1，在固体内芯主体1的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层，起到疏水修饰的作用，在固体内芯主体的上部和下部均设置有上盖片2-1和下盖片2-1，上盖片2-1和下盖片2-1与所述固体内芯主体1之间设置有带流道4的有机弹性环形垫片3，主要起密封作用，环形垫片上流道的数量为三个，在固体内芯主体1的外壁设置有外壳7，所述固体内芯主体1外壁和所述外壳7之间的空间被弹性膜8隔断为第一储液腔9、第二储液腔10和磁流体储液腔11，磁流体储液腔11内存储磁流体，选取Ni、Co等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂作为磁流体材料。在第一储液腔9内注入第一流体5，即氯化锂溶液在第二储液腔10注入第二流体6，即硅油在所述外壳7的外侧设置有驱动所述磁流体储液腔11内液体即磁流体的电磁体12，环形垫片3的流道4连通透镜腔和储液腔。磁流体具有液体的流动性和固体的磁性，外壳外侧设有驱动磁流体腔内液体的电磁体12，电磁体由磁芯和线圈构成即电磁线圈，当线圈中有电流流过时能产生磁场，所产生的磁场驱动磁流体移动，挤压弹性膜，调节腔内两种液体的体积比；固体内芯主体内腔表面设有涂覆层，整个装置设有护套保护；利用电磁力驱动磁流体挤压弹性膜，以调节两种透明液体接触界面的位置，从而改变接触界面形状，实现焦距可调。

实施例四

如图11所示，本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体1，内腔表面为圆弧旋转而成，所述固体内芯主体材料选为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体1，在固体内芯主体1的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层，起到疏水修饰的作用，在固体内芯主体的上部和下部均设置有上盖片2-1和下盖片2-1，上盖片2-1和下盖片2-1与所述固体内芯主体1之间各设置一个带流道4的有机弹性环形垫片3，主要起密封作用，为了弥补在固体内芯主体上设置注液孔所带来的不便，此处在环形垫片上设置流道来代替注液孔的作用，在固体内芯主体1的外壁设置设置有弹性膜，选取坚韧的薄膜，透明性好，抗张强度、拉伸强度较高的薄膜。例如：尼龙薄膜，聚四氟乙烯，硅橡胶等。所述固体内芯主体1内腔被所述第一透明件2和所述第二透明件3密封为透镜腔。在所述固体内芯主体1外壁的弹性膜7-1，在所述固体内芯主体1外壁和所述弹性膜7-1之间的空间被刚性板8-1隔断为第一流体储液腔9和第二流体储液腔10，所述环形垫片的流道与所述第一流体储液腔9和第二流体储液腔10连通，在第一流体储液腔9内存储透明材料氯化锂溶液，在第二流体储液腔10内存储硅油，氯化锂溶液和硅油具有不同折射率且两者互不相溶，或者氯化锂溶液和硅油相互替换到对方的储液腔，所述弹性膜7-1外侧上半部分设置有驱动第一流体储液腔9内流体5的电磁体12，在所述弹性膜外侧下半部分设置有辅助第二流体储液腔10内流体6流动的弹性箍14，在所述电磁体12的外侧设置有护套13在所述护套13与所述弹性膜7-1之间还设置有磁铁15，磁铁15产生的磁场会与电磁体12产生作用，使电磁体12向内收缩，挤压弹性膜，调节两种液体的体积比，实现焦距可调。

实施例五

如图12所示，本发明是是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体1，内腔表面为圆弧旋转而成，固体内芯主体的材料硬质硅橡胶，利用热空气硫化、液体硫化和红外线硫化，通过注射、传导、压缩的方式成模，得到固体内芯主体，由于其表面疏水性良好，所以此实施例中的内心表面不需要涂敷疏水层。在固体内芯主体的上部和下部均设置有上盖片2-1和下盖片2-1，上盖片2-1和下盖片2-1与所述固体内芯主体1之间各设置一个带流道4的有机弹性环形垫片3，主要起密封作用，环形垫片上流道的数量为三个。所述固体内芯主体1内腔被所述第一透明件2和所述第二透明件3密封为透镜腔。在所述固体内芯主体1外壁的弹性膜7-1，弹性膜选取尼龙薄膜，在所述固体内芯主体1外壁和所述弹性膜7-1之间的空间被刚性板8-1隔断为第一流体储液腔9和第二流体储液腔10，所述环形垫片的流道与所述第一流体储液腔9和第二流体储液腔10、透镜腔连通，在第一流体储液腔9内存储氯化锂溶液5，在第二流体储液腔10内存储硅油6，所述弹性膜外侧上半部分设置有驱动储氯化锂溶液5的弹性磁钢片16，磁钢一般是指铝镍钴合金，如铁与铝、镍、钴等合成，用来制作超硬度永磁合金，在所述弹性膜外侧下半部分设置有辅助硅油6流动的弹性箍14，所述弹性膜的外侧设置有保护套13，在所述保护套13与所述弹性膜之间设置有电磁体12，由磁芯和线圈构成，当线圈中有电流流过时能产生磁场，磁场会与弹性磁钢片16产生作用，电磁体产生的磁场驱动磁钢片挤压弹性膜，调节两种液体的体积比，实现焦距可调。

实施例六

如图13所示，本发明可变焦液体透镜的固体内芯主体材料为塑料PLB，对塑料进行精密加工，如砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等得到固体内芯主体，内腔表面为圆弧旋转而成，在内腔表面均匀地涂聚烯烃疏水层，在固体内芯主体的上部和下部均设置有上盖片2-1和下盖片2-1，优选为平板玻璃，用平板玻璃将固体内芯主体下部封上，在所述固体内芯主体1外壁和所述弹性膜7-1之间的空间被刚性板8-1隔断为第一流体储液腔9和第二流体储液腔10，所述有机弹性环形垫片的流道与所述第一流体储液腔9和第二流体储液腔10连通，在透镜腔内注入两种透明液体如氯化锂溶液和硅油。在所述固体内芯主体1外壁的弹性膜7-1，优选为聚四氟乙烯薄膜，所述弹性膜7-1外侧上半部分设置有驱动第一流体储液腔9内流体5的电磁体12，在所述弹性膜外侧下半部分设置有辅助第二流体储液腔10内流体6流动的弹性箍14，在所述电磁体12的外侧设置有护套13在所述护套13与所述弹性膜7-1之间还设置有磁铁15，磁铁15产生的磁场会与电磁体12产生作用，使电磁体12向下移动，挤压弹性膜，调节两种液体的体积比，实现焦距可调。

实施例七

如图14所示，本发明的液体透镜的内腔表面为圆弧旋转而成，固体内芯主体的材料选取为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体。内腔表面有疏水层，固体内芯主体上下的上盖片和下该片与固体内芯主体之间各设置一个带有流道的有机弹性环形垫片，起到密封作用，在环形垫片上设置三个或三个以上的流道，在所述固体内芯主体1外壁的外壳7，所述固体内芯主体1外壁的形状为圆柱形，在所述固体内芯主体1外壁与所述外壳7之间的空间被通过外力驱动的活塞环17隔断为两个透镜材料储液腔，两个透镜材料储液腔内分别填充透镜材料流体，利用外力控制所述活塞环17运动调节透镜腔内流体接触面的位置实现变焦可调。

实施例八

如图15所示，本发明的液体透镜的内腔表面为圆弧旋转而成，固体内芯主体的材料选取为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体。内腔表面有疏水层，固体内芯主体上下的上盖片和下该片与固体内芯主体之间设置一个带有流道的有机弹性环形垫片，起到密封作用，在环形垫片上设置三个或三个以上的流道，在所述固体内芯主体1外壁的外壳7，所述固体内芯主体1外壁的形状为非圆柱形，在所述固体内芯主体1外壁与所述外壳7之间的空间被通过外力驱动的磁流体隔断为两个透镜材料储液腔，两个透镜材料储液腔内分别填充流体，利用外力控制所述磁流体运动运动调节透镜腔内流体接触面的位置实现变焦可调。

实施例九

将本发明中的一种或多种透镜材料替换为不透明的流体，可另作他用，例如可调光阑、可变光衰减器和光开关。

本实施例提供了一种具有复杂内腔表面的无源光器件：可调光阑、可变光衰减器和光开关。

所述可调光阑内腔表面形状如图16(a)，为部分圆弧旋转而成的。固体内芯主体的材料选取为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体。在固体内芯主体的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层。将第一透明部件和第二透明部件设置为上盖片和下盖片，将固体内芯主体下部用下盖片密封上，固体内芯主体的内部注入两种互不相溶的液体作为光阑液体材料，选取不透光的黑墨水和硅油作为透镜液体材料。固体内芯主体的上部同样用透镜密封上，通过通过液泵和预留的注液孔来调节两种液体的体积比实现光阑大小的调节。

所述可变衰减器内腔表面形状如图16(b)，为直线旋转而成的。固体内芯主体的材料选取为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体。在固体内芯主体的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层，将第一透明部件和第二透明部件设置为上盖片和下盖片，将固体内芯主体下部用下盖片密封上，固体内芯主体的内部注入两种互不相溶的液体作为衰减器液体材料，选取有一定透光率的黑墨水和硅油作为透镜液体材料，黑墨水的透光率可根据需求配置。固体内芯主体的上部同样用透镜密封上，通过通过液泵和预留的注液孔来调节两种液体的体积比实现光功率的调节。

所述光开关内腔表面形状如图17(a)(b)，为六棱柱的侧壁，图17(a)(b)分别为所述光开关的断模式和开模式。固体内芯主体的材料选取为金属，利用机械车床加工出固体内芯主体。在固体内芯主体的内腔表面均匀地涂上一层聚烯烃疏水层。将第一透明部件和第二透明部件设置为上盖片和下盖片，将固体内芯主体下部用下盖片密封上，固体内芯主体的内部注入两种互不相溶的液体作为光开关液体材料，选取不透光的黑墨水和硅油作为透镜液体材料。固体内芯主体的上部同样用透镜密封上，通过通过液泵和预留的注液孔来调节两种液体的体积比实现光开关的模式转换。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体(1)和设置在所述固体内芯主体(1)上部和下部的第一透明件(2)和第二透明件(3)，其特征在于：所述固体内芯主体(1)具有复杂内腔表面，所述固体内芯主体(1)内腔被所述第一透明件(2)和所述第二透明件(3)密封为透镜腔，在所述透镜腔内存储具有不同折射率、互不相溶的流体作为透镜材料，与所述透镜腔连通且与所述流体数量一一对应设置有注液装置，所述注液装置连接流体驱动装置，所述流体驱动装置通过注液装置改变透镜腔内流体的体积比，以调节通光方向流体接触界面在内腔表面的位置，从而改变接触界面形状，实现焦距可调。

2.根据权利要求1所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述固体内芯主体的内腔表面为直线、部分圆弧、部分椭圆弧、部分双曲线、部分抛物线的一种或者多种组合旋转而成，或由上述旋转体部件拼接而成的复杂曲面；

或为非旋转体，其表面表现为长方体侧面、多棱柱侧面、多棱台侧面及与以上旋转体曲面组合而成。

3.根据权利要求1所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述注液装置为与透镜腔连通的注液孔，所述注液孔与所述液体驱动装置连通：

当流体数量为两种时，靠近所述第一透明件(2)的注液孔设置在所述透镜腔与所述第一透明件(2)的连接处，靠近第二透明件(3)的注液孔设置在所述透镜腔与所述第二透明件(3)的连接处；

当流体数量大于等于三种时，靠近所述第一透明件(2)的注液孔设置在所述透镜腔与所述第一透明件(2)的连接处，靠近第二透明件(3)的注液孔设置在所述透镜腔与所述第二透明件(3)的连接处，中间流体的注液孔穿过所述固体内芯主体(1)与所述流体连通。

4.根据权利要求1所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述注液装置为与所述透镜腔连通的上下环形垫片，上下两个所述环形垫片上分别设置有至少三个流道，所述环形垫片通过流道连接透镜腔和流体驱动装置。

5.根据权利要求4所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述流体驱动装置包括设置在所述固体内芯主体(1)外壁的外壳，所述固体内芯主体(1)外壁和所述外壳之间的空间被弹性膜隔断为数个透镜材料储液腔和磁流体储液腔，在所述外壳的外侧设置有驱动所述磁流体储液腔内液体流动的电磁体(12)，所述环形垫片的流道连通所述透镜材料储液腔和透镜腔，利用电磁力驱动磁流体储液腔内的磁流体挤压所述弹性膜，调节透镜腔内流体接触界面的位置，在所述电磁体(12)的外侧还设置有护套(13)。

6.根据权利要求4所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述流体驱动装置包括设置在所述固体内芯主体(1)外壁的弹性膜，在所述固体内芯主体(1)外壁和所述弹性膜之间的空间被刚性板隔断为数个透镜材料储液腔，所述弹性膜外侧上半部分设置有驱动其中一个透镜材料储液腔的电磁体(12)，在所述弹性膜外侧下半部分设置有辅助另外一个透镜材料注液腔内流体流动的弹性箍(14)，所述环形垫片的流道与连通透镜材料储液腔和透镜腔，在所述电磁体(12)的外侧设置有护套(13)在所述护套(13)与所述弹性膜之间还设置有磁铁(15)。

7.根据权利要求6所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述流体驱动装置包括设置在所述固体内芯主体(1)外壁的弹性膜，在所述固体内芯主体(1)外壁和所述弹性膜之间的空间被刚性板隔断为数个透镜材料储液腔，所述弹性膜外侧上半部分设置有驱动其中一个透镜材料储液腔内流体的弹性磁钢片(16)，在所述弹性膜外侧下半部分设置有辅助另外一个透镜材料储液腔内流体流动的弹性箍(14)，所述环形垫片的流道连通透镜材料储液腔和透镜腔，所述弹性膜的外侧设置有保护套(13)，在所述保护套(13)与所述弹性膜之间设置有电磁体(12)。

8.根据权利要求1所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述流体驱动装置包括设置在所述固体内芯主体(1)外壁的外壳，所述固体内芯主体(1)外壁的形状为圆柱形，在所述固体内芯主体(1)外壁与所述外壳之间的空间被通过外力驱动的活塞环(17)隔断为数个透镜材料储液腔，利用外力控制所述活塞环(17)运动调节透镜腔内流体接触面的位置实现变焦可调。

9.根据权利要求1所述具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，其特征在于：所述流体驱动装置包括设置在所述固体内芯主体(1)外壁的外壳，所述固体内芯主体(1)外壁的形状为非圆柱形，在所述固体内芯主体(1)外壁与所述外壳之间的空间被磁流体隔断为数个透镜材料储液腔，利用外力控制所述磁流体运动调节透镜腔内流体接触面的位置实现变焦可调。

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