CN114624796B - 一种组合形式的三层液体透镜结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合形式的三层液体透镜结构。该液体透镜结构包括顶板、底板、设于顶板和底板之间的隔离板、连接顶板和隔离板的第一侧壁以及连接底板和隔离板的第二侧壁，还包括互不相溶的环境液体和液滴，隔离板、顶板和第一侧壁围设形成第一收容腔，隔离板、底板和第二侧壁围设形成第二收容腔，第一收容腔和第二收容腔内均设有环境液体，且环境液体围设在液滴周围，顶板和/或底板和/或隔离板与电源连接，改变电源的电压，以改变液滴的面型。本发明的液体透镜结构具有响应速度快、功耗低、可调焦距的范围大、结构简单、操作方便、精度高以及成本低等优点；通过改变电源的电压以实现控制液滴的面型，以实现改变液体透镜的焦距。

Description

一种组合形式的三层液体透镜结构

技术领域

本发明涉及一种组合形式的三层液体透镜结构，属于光学器件技术领域。

背景技术

随着光学技术的不断发展，液体透镜因为可以更容易的实现自动调整焦距的功能，所以其变焦特性优于一般固体透镜，具有可以被大量的投入应用市场的潜力。通常采用介电润湿效应或介电泳效应来改变液体透镜的焦距，介电润湿效应是通过调节液滴和玻璃板之间的接触角来控制液滴的形状，而介电泳效应是将介电常数较高的液体驱动到强度较强的电场中，当然，现有技术中，也有通过电磁效应来控制液滴的形状。

一般的三层液体透镜都是在一个圆柱体内的，在侧壁加电压，通过单一的介电润湿原理来改变两个界面的面型达到变焦目的，但加工工艺和界面的控制较为复杂，且变焦的范围较窄，无法实现焦距的精密控制。而采用一般的介电泳效应结构来控制液滴，使得透镜的功耗高且响应速度慢。通过电磁效应来控制液滴，使得透镜的结构复杂且对液滴的要求较高，同时，该结构容易受到外界磁场的干扰。

有鉴于此，需要对现有的液体透镜进行改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合形式的三层液体透镜结构，以解决现有技术中液体透镜的结构复杂、响应速度慢以及功耗高中的至少一个问题。

为实现上述目的，本发明提供一种组合形式的三层液体透镜结构，包括顶板、底板、设于所述顶板和底板之间的隔离板、连接所述顶板和隔离板的第一侧壁以及连接所述底板和隔离板的第二侧壁，还包括互不相溶的环境液体和液滴，所述隔离板、顶板和第一侧壁围设形成第一收容腔，所述隔离板、底板和第二侧壁围设形成第二收容腔，所述第一收容腔和第二收容腔内均设有所述环境液体，且所述液滴设于所述环境液体和所述隔离板之间，所述顶板和/或底板和/或隔离板与电源连接，改变所述电源的电压，以改变所述液滴的面型。

作为本发明的进一步改进，所述顶板和/或所述底板靠近所述环境液体的表面依次设有导电层和绝缘层，所述隔离板靠近所述环境液体的表面依次设有导电层、绝缘层和疏水层，所述电源与所述导电层连接。

作为本发明的进一步改进，所述隔离板上设有连通所述第一收容腔和第二收容腔的通孔，所述液滴设于所述隔离板的两侧并通过所述通孔连通，使得所述隔离板两侧的液滴保持流动。

作为本发明的进一步改进，所述通孔的孔径为5-8mm。

作为本发明的进一步改进，所述环境液体为导电液体或绝缘液体，所述液滴为绝缘液滴。

作为本发明的进一步改进，所述导电液体为氯化钠溶液、乙二醇溶液、丙二醇溶液中的一种；所述绝缘液体为硅油。

作为本发明的进一步改进，所述隔离板包括相互连接的上隔板和下隔板，所述上隔板与所述第一侧壁连接，所述下隔板与所述第二侧壁连接。

作为本发明的进一步改进，所述顶板和所述底板连接所述电源的正极，所述上隔板和所述下隔板均连接所述电源的负极，以在所述顶板和所述上隔板之间、所述底板和所述下隔板之间形成非均匀电场，以改变所述液滴的面型。

作为本发明的进一步改进，所述上隔板和所述下隔板靠近所述环境液体的一侧设有平面图案电极，所述平面图案电极呈环状结构，所述液滴设于所述平面图案电极的圆环处，所述上隔板和所述下隔板的两端分别连接所述电源的正极和负极，施加电压后，改变所述液滴与所述上隔板和所述下隔板之间的接触面积，以改变所述液滴的面型。

作为本发明的进一步改进，所述顶板连接所述电源的正极，所述上隔板连接所述电源的负极，所述下隔板的两端分别连接所述电源的正极和负极，且所述下隔板靠近所述环境液体的一侧设有平面图案电极，在所述第一收容腔内形成非均匀电场、第二收容腔内改变所述液滴和所述下隔板之间的接触角，以改变所述液滴的面型。

本发明的有益效果是：本发明的组合形式的三层液体透镜结构具有响应速度快、功耗低、可调焦距的范围大、结构简单、操作方便、精度高以及成本低等优点；通过将液体透镜中的底板和/或顶板和/或隔离板与电源连接，通过改变电源的电压以实现控制液滴的面型，以实现改变液体透镜的焦距，同时，通过电压控制液滴的面型，提高了液体透镜的响应速度。

附图说明

图1是本发明第一优选实施例的组合形式的三层液体透镜结构的结构示意图。

图2是本发明第二优选实施例的组合形式的三层液体透镜结构的结构示意图。

图3是本发明第三优选实施例的组合形式的三层液体透镜结构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1所示，本发明第一优选实施例提供了一种组合形式的三层液体透镜结构100(以下内容简称为液体透镜)，用于调整焦距。液体透镜100包括顶板1、底板3、设于顶板1和底板3之间的隔离板2、连接顶板1和隔离板2的第一侧壁4以及连接底板3和隔离板2的第二侧壁5，其中，液体透镜100还包括环境液体8和液滴9，隔离板2、顶板1和第一侧壁4围设形成第一收容腔6，隔离板2、底板3和第二侧壁5围设形成第二收容腔7，第一收容腔6和第二收容腔7内均设有环境液体8和液滴9，且环境液体8围设在液滴9周围。本实施例中，液体透镜100呈圆柱状设置，当然，在其它实施例中，液体透镜100的外形也可以为方形、球形、椭圆形等。

顶板1、底板3以及隔离板2分别与电源连接，使得第一收容腔6和/或第二收容腔7处于电场内，通过改变电源的电压，以改变液滴9的形状，进而改变液体透镜100的焦距。为了方便观察在施加不同电压时，液体透镜100中液滴9的界面变化，顶板1、底板3、隔离板2、第一侧壁4以及第二侧壁5均采用透明的玻璃材料。

隔离板2包括相互连接的上隔板22和下隔板23，上隔板22与第一侧壁4抵接，下隔板23与第二侧壁5抵接，具体的，上隔板22与第一侧壁4抵接以围设形成第一收容腔6，下隔板23与第二侧壁5抵接以围设形成第二收容腔7。隔离板2上还设有连通第一收容腔6和第二收容腔7的通孔21，具体的，通孔21贯穿上隔板22和下隔板23以将第一收容腔6和第二收容腔7连通，液滴9设于隔离板2的两侧并通过通孔21连通，使得位于隔离板2两侧的液滴9上下联通，一方面避免隔离板2两侧的液滴9自由滑动，另一方面使得隔离板2两侧的液滴9能够保持流动。优选的，通孔21开设于隔离板2的中间位置，通孔21的直径为5-8mm，更优选的，通孔21的直径为6mm。

具体的，本发明中，由于对顶板1和底板3所施加的电压相同，第一收容腔6和第二收容腔7中的电压差一致，使得隔离板2两侧液滴9的体积近似或相同，在使用过程中，隔离板2上侧的液滴9不会穿过通孔21向隔离板2下侧流动，隔离板2下侧的液滴9也不会穿过通孔21向隔离板2上侧流动。

本实施例中，隔离板2靠近环境液体8的上下两侧表面依次设有导电层、绝缘层和疏水层，顶板1靠近环境液体8的表面以及底板3靠近环境液体8的表面均依次设有导电层和绝缘层，其中，电源与导电层连接，通电时，以在顶板1和隔离板2之间以及底板3和隔离板2之间形成电场，以改变液滴9的面型。具体的，在导电层上方设置绝缘层，以避免液体与导电层直接接触而导致玻璃板的击穿，进一步保证液体透镜100的正常使用。

本实施例中，液体透镜100通过基于平行平板电极的介电泳原理实现控制液滴9的面型，进一步控制液体透镜100的焦距，具体的，在顶板1和底板3的导电层上连接电源的正极，在上隔板22和下隔板23的导电层上连接电源的负极，以在第一收容腔6和第二收容腔7内均形成非均匀的电场，环境液体8向电场强度高的地方聚集，即，环境液体8向正极方向流动，同时，液滴9受到环境液体8的挤压或拉伸发生变形。也就是说，通过控制电源的电压，以控制电场的强度，进一步控制液滴9面型的改变，实现改变液体透镜100的焦距。

本实施例中，环境液体8可以为导电液体或绝缘液体，液滴9为绝缘液滴9。其中，导电液体可以是氯化钠溶液、乙二醇溶液、丙二醇溶液等；绝缘液体可以是硅油。当然，在其他实施例中，导电液体还可以为其他类型的可以导电的液体，绝缘液体还可以为其他类型的绝缘的液体。

本实施例中，液体透镜100的高度为10mm，顶板1、底板3、上隔板22和下隔板23的厚度为0.7mm，环境液体8和液滴9互不相溶且密度各异。具体的，环境液体8为：乙二醇溶液，密度为1115kg/m³，粘度为0.001Pa*s，溶于水、丙酮等，可用作溶剂、防冻剂等。液滴9为二甲基硅油，是无味、无毒、不易挥发的液体，密度为970kg/m³，粘度为0.02556Pa*s，不溶于水、甲醇、二醇等。电压范围为0-400V，通过改变施加的电压，使得液滴9与环境液体8的界面发生变形，以实现改变焦距和大光焦度的功能。当然，在其他实施例中，液体透镜100的尺寸、环境液体8和液滴9的类型以及电压的范围均可以根据实际情况进行调整，此处不做限制。

请参阅图2所示，在本发明第二优选实施例中，液体透镜100的结构、环境液体8和液滴9的类型均与第一实施例相同，此次不在详细描述，本实施例与第一实施例的区别点在于：液体透镜100中电极的连接位置不同，说明书以下内容仅对该区别点进行描述。

液体透镜100通过基于平面图案电极的介电润湿原理实现对液滴9面型的控制，进一步控制液体透镜100的焦距，具体的，上隔板22和下隔板23的两端分别连接电源的正极和负极，上隔板22和下隔板23靠近环境液体8的一侧设有平面图案电极。本实施例中，平面图案电极呈环形结构设置，且液滴9设于平面图案电极处，平面图案电极在施加电压后，使得液滴9与上隔板22和下隔板23之间的接触面积发生改变，进而改变液滴9面型。也就是说，通过控制电源的电压，以控制液滴9与隔离板2之间的接触面积，进一步控制液滴9面型的改变，实现改变液体透镜100的焦距。

请参阅图3所示，在本发明第三优选实施例中，液体透镜100的结构、环境液体8和液滴9的类型均与第一实施例相同，此次不在详细描述，本实施例与第一实施例的区别点在于：液体透镜100中电极的连接位置不同，说明书以下内容仅对该区别点进行描述。

液体透镜100通过基于平行平板电极的介电泳原理和基于平面图案电极的介电润湿原理共同实现控制液滴9的面型，进一步控制液体透镜100的焦距，具体的，顶板1连接电源的正极，上隔板22连接电源的负极，以在第一收容腔6内形成非均匀电场；下隔板23的两端分别连接正极和负极，且下隔板23靠近环境液体8的一侧设有平面图案电极，通过控制顶板1和上隔板22之间的电压，以控制第一收容腔6内液滴9的面型变化，通过控制下隔板23两端的电压，以控制液滴9与下隔板23之间的接触角，以控制第二收容腔7内液滴9的面型变化，由于介电润湿效应的响应速度比介电泳效应的响应速度快，因此，下隔板23上的液滴9与下隔板23的接触面积更大，但两个液滴9的体积相同。也就是说，可以通过分别控制隔离板2两侧的液滴9的面型，使得液体透镜100的可调范围变大，以得到更加复杂的非球面面型。

综上所述，本发明的组合形式的三层液体透镜结构100具有响应速度快、功耗低、可调焦距的范围大、结构简单、操作方便、精度高以及成本低等优点；通过将液体透镜100中的底板3和/或顶板1和/或隔离板2与电源连接，通过改变电源的电压以实现控制液滴9的面型，以实现改变液体透镜100的焦距，同时，通过电压控制液滴9的面型，提高了液体透镜100的响应速度；通过在液体透镜100的第一收容腔6和第二收容腔7分别应用介电润湿效应和介电泳效应，使得液体透镜100的可调范围变大，得到更加复杂的非球面面型。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种组合形式的三层液体透镜结构，包括顶板、底板、设于所述顶板和底板之间的隔离板、连接所述顶板和隔离板的第一侧壁以及连接所述底板和隔离板的第二侧壁，其特征在于：还包括互不相溶的环境液体和液滴，所述隔离板、顶板和第一侧壁围设形成第一收容腔，所述隔离板、底板和第二侧壁围设形成第二收容腔，所述第一收容腔和第二收容腔内均设有所述环境液体，且所述液滴设于所述环境液体和所述隔离板之间，所述顶板和/或底板和/或隔离板与电源连接，改变所述电源的电压，以改变所述液滴的面型，所述隔离板上设有连通所述第一收容腔和第二收容腔的通孔，所述液滴设于所述隔离板的两侧并通过所述通孔连通，使得所述隔离板两侧的液滴保持流动。

2.根据权利要求1所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述顶板和/或所述底板靠近所述环境液体的表面依次设有导电层和绝缘层，所述隔离板靠近所述环境液体的表面依次设有导电层、绝缘层和疏水层，所述电源与所述导电层连接。

3.根据权利要求1所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述通孔的孔径为5-8mm。

4.根据权利要求1所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述环境液体为导电液体或绝缘液体，所述液滴为绝缘液滴。

5.根据权利要求4所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述导电液体为氯化钠溶液、乙二醇溶液、丙二醇溶液中的一种；所述绝缘液体为硅油。

6.根据权利要求1所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述隔离板包括相互连接的上隔板和下隔板，所述上隔板与所述第一侧壁连接，所述下隔板与所述第二侧壁连接。

7.根据权利要求6所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述顶板和所述底板连接所述电源的正极，所述上隔板和所述下隔板均连接所述电源的负极，以在所述顶板和所述上隔板之间、所述底板和所述下隔板之间形成非均匀电场，以改变所述液滴的面型。

8.根据权利要求6所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述上隔板和所述下隔板靠近所述环境液体的一侧设有平面图案电极，所述平面图案电极呈环状结构，所述液滴设于所述平面图案电极的圆环处，所述上隔板和所述下隔板的两端分别连接所述电源的正极和负极，施加电压后，改变所述液滴与所述上隔板和所述下隔板之间的接触面积，以改变所述液滴的面型。

9.根据权利要求6所述的组合形式的三层液体透镜结构，其特征在于：所述顶板连接所述电源的正极，所述上隔板连接所述电源的负极，所述下隔板的两端分别连接所述电源的正极和负极，且所述下隔板靠近所述环境液体的一侧设有平面图案电极，在所述第一收容腔内形成非均匀电场、第二收容腔内改变所述液滴和所述下隔板之间的接触角，以改变所述液滴的面型。

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