CN113433605A - 一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，相比于传统的机械式透镜，电调谐自适应透镜具有体积小、速度快、效率高、灵活性强和功耗低的特点。传统双层腔液体透镜口径很小，腔体结构变焦能力不足，腔体内液体成分的单一，导致液体透镜的变焦范围有限本发明公开一种导电液体‑弹性介质‑导电液体的双层腔液体透镜系统，通过改变腔体结构和在双层腔内加入不同的导电液体来改变透镜的屈光率，从而增大液体透镜的变焦能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，属于光学元件技术领域。
背景技术
液体透镜作为一种自适应光学透镜，具有无机械移动变焦，质量轻、体积小和功耗低的特点。但是传统的液体透镜限于通光口径、透镜结构和填充液体的限制，液体透镜变焦能力不强，尤其是填充腔内液体通常都是采用不导电的液体，需要额外增加导电层来实现液体透镜的变焦，限制了液体透镜的使用。
发明内容
本发明的目的在于克服传统液体透镜的存在的结构复杂、成本较高、变焦能力不足等缺点。提供一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，该装置具有结构简单，可根据填充液体导电浓度和不同组合的填充，实现液体透镜大范围的焦距改变能力。
一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，将导电液体注入透镜腔室内，通电后调节焦距，形成焦距可调的液体透镜，所述腔室数量为2，且每个腔室内通过的导电液体可以相同也可以不同；
当球面内填入两种导电液体，透镜系统的焦距f'的倒数，即光焦度为：
式中，n1为一种导电液体的折射率，n2位另一种导电液体的折射率，d为透镜系统总高度，r1为第一腔室球面半径，r2为第二腔室球面半径。
所述导电液体体积存在3种关系，分别是V1＞V2，V1＝V2和V1＜V2，其中，V1为第一导电液体(12)注入到第一圆环腔(10)的体积，V2为第二导电液体(13)注入到第二圆环腔(11)的体积。
液体注入导电液体后，液面两端弓高s发生变化，封闭腔内液体总体积不变，从而使液体透镜的焦距产生变化，
式中，V为透镜系统填充两种导电液体总体积，x为两个腔体中间部分导电液体体积，l为圆柱腔直径D的1/2，π为圆周率；
通过球体公式联立(2)和(3)可以得到球面半径r：
通过改变总体V实现的不同的初始球面半径r，在注入导电液体不变的情况下可以达到不同的变焦范围。
所述两个腔室包裹导电液体的介电弹性体膜的大小不相等。
所述介电弹性体膜的初始状态需保证，小膜的凸起程度大于大膜。
所述介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，包括被第一被动弹性体膜、第二被动弹性体、介电弹性体膜、第一框体结构、第二框体结构、第一导电液体和第二导电液体组成；所述透镜的第一框体框体结构为双同心圆环结构，第二框体结构为上下不同大小的三同心圆环结构，所述三同心圆环结构内径为大小不同的两个圆面；所述透镜系统的结构为第一被动弹性膜连接到第一框体结构的一面，第一框体结构的另一面连接介电弹性体膜，介电弹性体膜的另一面连接第二框体结构的大圆面一侧，第二框体结构的小圆一面连接第二被动弹性体膜，第一导电液体和第二导电液体分别注入在第一框体结构和第二框体结构形成的第一圆环腔和第二圆环腔内，且2种液体注射的体积不同；
进一步地，第一框体结构和第二框体结构在外表面中间位置有通过圆环结构轴线的第一贯穿孔和第二贯穿孔，所述2种不同导电液体通过贯穿孔注入到第一圆环腔体内和第二圆环腔体内；所述2个框体结构分别在靠近介电弹性体膜表面垂直第一贯穿孔和第二贯穿孔的位置分别贴有第一导电片和第二导电片；
具体的，本发明注入到第一圆环腔内和第二圆环腔内的导电液体体积存在3种关系，分别是V1＞V2，V1＝V2和V1＜V2，其中，V1为第一导电液体注入到第一圆环腔的体积，V2为第二导电液体注入到第二圆环腔的体积；
进一步地，所述2个框体结构的高度比为
其中h1为第一框体结构的高度，h2为第二框体结构的高度；
进一步地，所述第二框体结构中第二圆环腔形成的2个圆柱形腔体为第一圆柱腔19和第二圆柱腔20的直径比例为
其中D1为第一圆柱腔19的直径，D2为第二圆柱腔20的直径；所述第一圆柱腔19和第二圆柱腔20的高度比为
其中H1为第一圆柱腔19的高度，H2为第二圆柱腔20的高度；所述第一圆柱腔20直径D3与所述第一框体结构2形成的第一圆柱形腔体10的直径D3相同；第一框体结构2和第二框体结构4的通过不同大小的腔体结构，利用帕斯卡定律，通过导电液体，把压力在液体中传递，从而实现圆柱腔20在小压力下控制圆柱腔19产生大压力，在圆柱腔的直径确定时，所述压力是线性可控的。
具体地，所述第一导电液体12和第二导电液体13为氯化钠溶液，氯化钠甘油溶液，醋酸溶液和其他不具有腐蚀性的透明的低浓度酸溶液、碱溶液和盐溶液的组合；通过导电片对腔体内导电液体提供电压，引起介电弹性体膜3形状发生改变，在介电弹性体膜3的作用下液体运动压迫上下层的被动弹性体膜凸起或下凹形成球面，使得液面两端弓高s发生变化，封闭腔内液体总体积不变，从而使液体透镜的焦距产生变化；
有益效果
1、本发明公开的一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其通过改变框体结构，形成上下两层不同的腔体结构，能增加液体变的化高度，增加透镜的变焦能力。
2、本发明公开的一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其通过在双层腔内注入不同的导电液体，取代传统的涂抹导电层的方法，通过对导电液体通电，可以快速实现变焦，大大提高了液体透镜的变焦响应时间，同时不同液体对光的折射率不同，也提高了本发明液体的变焦能力。
附图说明
图1为本发明实施例一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜的结构图；
图2位本发明实施例双层腔在注入不同导电液体施加1.75v电压下液体透镜焦距变化图；
图3位本发明实施例双层腔在注入不同导电液体施加2.75v电压下液体透镜焦距变化图；
图4位本发明实施例双层腔在注入不同导电液体施加3.75v电压下液体透镜焦距变化图；
图5位本发明实施例双层腔结构比例图。
其中，1-第一被动弹性体膜，2-第一框体结构，3-主动弹性体膜，4-第二框体结构，5-第二被动弹性体膜，6-第一导电片，7-第二导电片，8-第一贯穿孔，9-第二贯穿孔，10-第一圆环腔体，11-第二圆环腔体，12-第一导电液体，13-第二导电液体，14-光束，15-焦点f0位置，16-焦点f1位置,17-焦点f2位置,18-焦点f3位置，19-第一圆柱腔，20-第二圆柱腔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜包括被第一被动弹性体膜1、第二被动弹性体5、介电弹性体膜3、第一框体结构2、第二框体结构4、第一导电液体12和第二导电液体13组成；所述透镜的第一框体框体结构2为双同心圆环结构，第二框体结构4为上下不同大小的三同心圆环结构，所述三同心圆环结构内径为大小不同的两个圆面；所述透镜系统的结构为第一被动弹性膜1连接到第一框体结构2的一面，第一框体结构2的另一面连接介电弹性体膜3，介电弹性体膜3的另一面连接第二框体结构4的大圆面一侧，第二框体结构4的小圆一面连接第二被动弹性体膜5，第一导电液体12和第二导电液体13分别注入在第一框体结构2和第二框体结构4形成的第一圆环腔10和第二圆环腔11内，且2种液体注射的体积不同；
第一框体结构2和第二框体结构4在外表面中间位置有通过圆环结构轴线的第一贯穿孔8和第二贯穿孔9，所述2种不同导电液体通过贯穿孔注入到第一圆环腔10内和第二圆环腔11内；所述2个框体结构分别在靠近介电弹性体膜3表面垂直第一贯穿孔8和第二贯穿孔9的位置分别贴有第一导电片6和第二导电片7；
所述第二框体结构中第二圆环腔形成的2个圆柱形腔体为第一圆柱腔19和第二圆柱腔20的直径比例为
其中D1为第一圆柱腔19的直径，D2为第二圆柱腔20的直径；所述第一圆柱腔19和第二圆柱腔20的高度比为
其中H1为第一圆柱腔19的高度，H2为第二圆柱腔20的高度；所述第二圆柱腔20直径D3与所述第一框体结构2形成的第一圆柱形腔体10的直径D3相同；第一框体结构2和第二框体结构4的通过不同大小的腔体结构，利用帕斯卡定律，通过导电液体，把压力在液体中传递，从而实现第二圆柱腔20在小压力下控制第二圆柱腔19产生大压力，在圆柱腔的直径确定时，所述压力是线性可控的。
如图2、图3和图4所示，本发明所述第一导电液体12和第二导电液体13为氯化钠溶液，氯化钠甘油溶液，醋酸溶液和其他不具有腐蚀性的透明的低浓度酸溶液、碱溶液和盐溶液的组合；通过导电片对腔体内导电液体提供电压，引起介电弹性体膜3形状发生改变，在介电弹性体膜3的作用下液体运动压迫上下层的被动弹性体膜凸起或下凹形成球面，使得液面两端弓高s发生变化，封闭腔内液体总体积不变，从而使液体透镜的焦距产生变化，焦距计算为：
液面两端弓高s发生变化，封闭腔内液体总体积不变，从而使液体透镜的焦距产生变化，
式中，V为透镜系统填充两种导电液体总体积，x为两个腔体中间部分导电液体体积，l为圆柱腔直径D的1/2，π为圆周率。
通过球体公式联立(1)和(2)可以得到球面半径r：
当球面内填入两种不同的导电液体，可以推导出透镜系统的焦距f'的倒数(光焦度)：为：
式中，n1为一种导电液体的折射率，n2位另一种导电液体的折射率，d为透镜系统总高度。
本实例为在V2加入1.5uL氯化钠溶液V1加入1uL甘油氯化钠溶液，当一束光束14通过透镜系统在未加电压时焦距f0位置为15，在第一导电片6和第二导电片7两端施加1.75V直流电压，焦距f1位置为16；改变电压为2.75v，焦距f0位置由15变为焦距f2位置17；改变电压为3.75v，焦距f0位置由15变为焦距f3位置18。
如图5所示，第一框体结构2和第二框体结构4的高度比为
其中h1为第一框体结构2的高度，h2为第二框体结构4的高度；
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 (7)
1.一种介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：将导电液体注入透镜腔室内，通电后调节焦距，形成大视场、焦距可调的液体透镜。
2.如权利要求1所述的介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：所述腔室数量为2；且每个腔室内通过的导电液体可以相同也可以不同；
当球面内填入两种导电液体，透镜系统的焦距f'的倒数，即光焦度为：
式中，n1为一种导电液体的折射率，n2位另一种导电液体的折射率，d为透镜系统总高度，r1为第一腔室球面半径，r2为第二腔室球面半径。
3.如权利要求2所述的介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：所述导电液体体积存在3种关系，分别是V1＞V2，V1＝V2和V1＜V2，其中，V1为第一导电液体(12)注入到第一圆环腔(10)的体积，V2为第二导电液体(13)注入到第二圆环腔(11)的体积。
4.如权利要求2所述的介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：液体注入导电液体后，液面两端弓高s发生变化，封闭腔内液体总体积不变，从而使液体透镜的焦距产生变化，
式中，V为透镜系统填充两种导电液体总体积，x为两个腔体中间部分导电液体体积，l为圆柱腔直径D的1/2，π为圆周率；
通过球体公式联立(2)和(3)可以得到球面半径r：
通过改变总体V实现的不同的初始球面半径r，在注入导电液体不变的情况下可以达到不同的变焦范围。
5.如权利要求2所述的介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：所述两个腔室包裹导电液体的介电弹性体膜的大小不相等。
6.如权利要求5所述的介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜，其特征在于：所述介电弹性体膜的初始状态需保证，小膜的凸起程度大于大膜。
7.实现如权利要求1或2所述介电弹性体驱动封装导电液体的液体透镜的结构，其特征在于：包括被第一被动弹性体膜(1)、第二被动弹性体(5)、介电弹性体膜(3)、第一框体结构(2)、第二框体结构(4)、第一导电液体(12)和第二导电液体(13)组成；所述透镜的第一框体框体结构(2)为双同心圆环结构，第二框体结构(4)为上下不同大小的三同心圆环结构，所述三同心圆环结构内径为大小不同的两个圆面；所述第一被动弹性膜(1)连接到第一框体结构(2)的一面，第一框体结构(2)的另一面连接介电弹性体膜(3)，介电弹性体膜(3)的另一面连接第二框体结构(4)的大圆面一侧，第二框体结构(4)的小圆一面连接第二被动弹性体膜(5)，第一导电液体(12)和第二导电液体(13)分别注入在第一框体结构(2)和第二框体结构(4)形成的第一圆环腔(10)和第二圆环腔(11)内。
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