CN114740555B - 一种面形和光阑可调的多功能液体透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面形和光阑可调的多功能液体透镜，其中，驱动腔体由驱动腔体侧壁、电极单元化的ITO玻璃、ITO玻璃以及液态金属材料构成；成像腔体由透明弹性体、成像腔体侧壁以及水相液体和油相液体构成。驱动腔体环绕在成像腔体周围，与成像腔体同轴。成像腔体与驱动腔体上部和下部分别连通。电极单元化的ITO玻璃分为外环调焦电极和内部面型调控电极两部分。通过对电极单元化的ITO玻璃这一个驱动施加不同方式的电压，该器件可以实现变焦且光阑可调、横向球差可控、柱透镜连续可调、液‑液面偏转等功能，可被广泛应用在光学系统中用于变焦、光阑调节、光轴偏转、控制像差等场景。

Description

一种面形和光阑可调的多功能液体透镜

技术领域

本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种面形和光阑可调的多功能液体透镜。

背景技术

传统的光学变焦系统需要通过复杂的机械结构和电子元件配合来控制固体镜片的位移，从而实现焦距改变。对于具有光阑可调、光轴偏转等功能的变焦系统，需要引入额外的固体器件来实现对应功能，需要一定的体积空间和调节响应时间。各种功能的液体光子器件的出现使得光机系统在无机械耗损、快速响应、微型化、轻量化等方面有了较大的提升。然而，目前现有的液体光子器件大多是基于单个的功能而存在的，如液体光开关、液体偏转棱镜等。例如论文Ren H. , “ Liquid-based infrared optical switch,”, AppliedPhysics Letters, 2012, 101(4): 2142.提出一种基于液体的红外光开关；论文 Liu C.,“Liquid prism for beam tracking and steering,”, Optical Engineering, 2012, 51(11):114002.提出一种基于电润湿的液体偏转棱镜，这两种器件也都只具有一种功能。此外，液体透镜在有变焦能力的同时也只会兼具一个功能，如具有面形调控功能的液体透镜等。论文Mishra K., “Optofluidic lens with tunable focal length andasphericity,”, Scientific Reports , 2014, 4: 6378. 提出一种可控球差的液体透镜，该透镜在液-液界面曲率改变的基础上调节非球面来实现球差控制的功能。如果将具有这些功能的液体光子器件都集成在系统中加以使用，只能以牺牲光机系统的体积空间和响应时间为代价。为了让光学系统更加轻量化，多功能的液体透镜成为一种新的需求。

发明内容

本发明提出一种面形和光阑可调的多功能液体透镜。如附图1所示，该透镜包括电极单元化的ITO玻璃、驱动腔体侧壁、成像腔体侧壁、支撑隔板、透明弹性体、ITO玻璃、液态金属材料、水相液体和油相液体。其中，驱动腔体由驱动腔体侧壁、电极单元化的ITO玻璃、ITO玻璃以及液态金属材料构成；成像腔体由透明弹性体、成像腔体侧壁以及水相液体和油相液体构成。驱动腔体环绕在成像腔体周围，与成像腔体同轴。成像腔体与驱动腔体上部和下部分别连通。

提出的面形和光阑可调的多功能液体透镜仅有电极单元化的ITO玻璃一个驱动，但可通过对电极单元化的ITO玻璃施加不同方式的电压实现变焦且光阑可调、横向球差可控、柱透镜连续可调、液-液面偏转等功能。其中，电极单元化的ITO玻璃由外环调焦电极和内部面形调控电极组成，如附图2所示，外环调焦电极是最外层的同心圆环带部分，内部面形调控电极是分为面积近似相等的若干个单元化电极的圆形区域。

当该液体透镜工作于变焦且光阑可调模式时，其初始工作状态如附图1所示。液体金属置于驱动腔体的中下部，延伸至成像腔体的下方，此时成像腔体的光阑最小，初始液-液界面曲率为负，成像腔体为凹透镜。当按照如附图2所示的方式给外环调焦电极施加电压 V ₁后，液态金属材料的界面在电场的作用下形成双电层，并且向正电极方向移动，从而成像腔体的光阑变大，液-液面的曲率变小，此时依旧是凹透镜，焦距变长，如附图3所示。如果施加电压 V ₂（ V ₁< V ₂），成像腔体的光阑口径会进一步增大，液-液面反向弯曲，此时变为正透镜，如附图4所示。

当该液体透镜工作于横向球差可控模式时，其初始工作状态如附图1所示。初始液-液界面为球面，故会存在球差，出现远轴光线和近轴光线的焦点不重合的情况。当按照如附图5所示的方式给内部面形调焦电极通电，此时电压从内到外依次递减（颜色越深表示施加电压越大），水相液体在不均匀电场的作用下会向正电极的方向移动，位移量与电场强度呈正比。在这样的电场作用下，近光轴区域的液-液界面位移量相对远光轴区域较大，从而使得近光轴区域的液-液面曲率增大，焦距变短。若施加电压大小合理，则近光轴区域与远轴区域焦点重合，横向球差可完全消除，如附图6所示。

当该液体透镜工作于柱透镜连续可调模式时，其初始工作状态如附图1所示。成像腔体中的液-液界面是一个具有旋转对称性的球冠状液面。当按照如附图7所示的方式在x方向给内部面形调控电极施加电压时，水相液体在不均匀电场的作用下会向正电极的方向移动，产生的位移量与电场强度呈正比，从而在沿x轴方向液-液界面凸起程度加剧，而在沿y轴方向，液-液界面的面形保持不变，如附图8和附图9所示。此外，也可以在两个互相垂直的方向上添加不同的电压，不同方向的选择决定了柱透镜的光轴方向，施加电压的范围决定了柱透镜连续可调的范围。

当该液体透镜工作于液-液面偏转模式时，其初始工作状态如附图1所示。成像腔体中的液-液界面是一个具有旋转对称性的球冠状液面。当按照附图10所示的方式给内部面形调控电极施加沿y轴正方向依次递增的电压时，水相液体在电场作用下向正电极方向的位移量沿着y轴正方向依次增大，与此同时，驱动腔体的液态金属材料保持原位置，所以液-液面的曲率也会保持不变，只是整体朝着y轴负方向发生了偏转，沿y轴方向的液体透镜剖面如附图11所示。如果按照如附图12所示方式加电（保持内部面形调控电极加电方式不变，额外的给外环调焦电极通电），此时沿y轴方向的液-液面的偏转角度保持不变，而驱动腔体中的液态金属材料在电场的作用下朝着正电极方向移动，使得成像腔体中的光阑变小，液-液界面的曲率逐渐减小，如附图13所示。同样如果按照如附图14所示方式加电（保持内部面形调控电极加电方式不变，但给外环调焦电极施加电压增大），此时透镜沿y轴方向的液-液面偏转角度不变，但此时曲率会反方向增加，成像腔体的光阑进一步增大，如附图15所示。通过这种施加电压的方式，可以实现液体透镜在任意方向的某个范围内的液-液面偏转。

本发明提出的面形和光阑可调的多功能液体透镜的工作原理基于液体金属材料和水相液体的电学性质。液体金属材料在电场中的表面张力可以用Young-Lippmann方程描述：

（1）

其中， γ表示液体金属的表面张力， γ ₀表示由液体金属-水溶液界面上的固有表面张力， C表示电容， V ₀表示双电层的固有电压， V表示外部的施加电压。施加直流电以后，在油相液体中的液体金属材料表面会形成一个不对称的双电层，沿着液体金属材料方向会有一个表面张力梯度。液体金属材料为了获得最低表面能，会主动向表面张力小的地方移动。所以在本发明中通过施加电压，就可以实现电场对液体金属材料的驱动。

水相液体在电场中的局部曲率可用拉普拉斯力与静电力来描述：

（2）

其中，表示静电力， γ表示水油液-液界面的表面张力， κ( r)为局部曲率，Δ P表示由液体金属移动而引起的成像腔体静水压变化量。当对应的参数满足方程（2）时，才会出现稳定的液-液界面面形。

优选地，驱动腔体为环绕在成像腔体外、与成像腔体同轴一体化的腔体。

优选地，成像腔体口径D≥1 mm，且D≤ 5 mm。

优选地，电极单元化的ITO玻璃内部面形调控电极可分为面积近似相等的若个单元化电极，单元化电极数量范围为200~800。

优选地，该器件的液态金属材料是铜-铁磁性纳米颗粒(Cu-Fe Nps)修饰过液态镓形成的功能液体金属，水相液体可以是NaOH溶液或氨水等碱性溶液，油相液体是与水相液体密度匹配且互不相溶的透明油材料。

附图说明

附图1为面形和光阑可调的多功能液体透镜的剖面结构示意图。

附图2为面形和光阑可调的多功能液体透镜外环调焦电极加电示意图。

附图3为面形和光阑可调的多功能液体透镜外环调焦电极加电 V ₁后的结构剖面示意图。

附图4为面形和光阑可调的多功能液体透镜外环调焦电极加电 V ₂后的结构剖面示意图。

附图5为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照控制球差方式通电示意图。

附图6为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照控制球差方式通电后的结构剖面示意图。

附图7为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照调节柱面镜方式通电示意图。

附图8为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照调节柱面镜方式通电后的沿y轴方向结构剖面示意图。

附图9为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照调节柱面镜方式通电后的沿x轴方向结构剖面示意图。

附图10为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照面形偏转方式通电示意图。

附图11为面形和光阑可调的多功能液体透镜内部面形调控电极按照面形偏转方式通电后的沿y轴方向结构剖面示意图。

附图12为面形和光阑可调的多功能液体透镜保持内部面形调控电极按照面形偏转方式施加电压、并且外环调焦电极通电示意图。

附图13为面形和光阑可调的多功能液体透镜保持内部面形调控电极按照面形偏转方式施加电压、并且外环调焦电极通电后的沿y轴方向结构剖面示意图。

附图14为面形和光阑可调的多功能液体透镜保持内部面形调控电极按照面形偏转方式施加电压、增大外环调焦电极施加电压示意图。

附图15为面形和光阑可调的多功能液体透镜保持内部面形调控电极按照面形偏转方式电压和增大外环调焦电极施加电压后的沿y轴方向结构剖面示意图。

上述各附图中的图示标号为：

1电极单元化的ITO玻璃、2驱动腔体侧壁、3成像腔体侧壁、4支撑隔板、5透明弹性体、6 ITO玻璃、7液态金属材料、8水相液体、9油相液体、10外环调焦电极、11内部面形调控电极。

具体实施方式

为使对本发明的结构、功能以及技术方案更加清楚明白，兹配合实施例，对一种面形和光阑可调液体透镜进行进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本发明的器件结构如附图1所示，具体如下：由1电极单元化的ITO玻璃、2驱动腔体侧壁、3成像腔体侧壁、4支撑隔板、5透明弹性体、6 ITO玻璃、7液态金属材料、密度匹配的8水相液体、9油相液体构成。驱动腔体从上到下依次为：电极单元化的ITO玻璃直径为4.5mm，厚0.5 mm，外环调焦电极外直径4mm，内直径3mm，驱动腔体侧壁内直径4 mm、外直径 5mm、高5 mm，支撑隔板内直径2.5 mm、外直径 4.5 mm、高0.5 mm，其上有对称的6个贯通的直径为1 mm的圆孔，ITO玻璃直径为4.5 mm、高0.5 mm。成像腔体中内部面形调焦电极直径2mm，被分为面积近似大小的264个网格，成像腔体侧壁内直径2 mm、外直径3 mm、高2 mm，透明弹性体直径0.6 mm、高1 mm。驱动腔体中填充使用质量分数为2.47 %的铜-铁磁性纳米颗粒(Cu-Fe Nps)修饰过液态镓形成的功能液体金属，成像腔体下部填充0.5 mol/L的NaOH溶液（折射率为1.33）、上部填充与其同密度的硅油（折射率为1.55）。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。以变焦且光阑可调功能为例，液体透镜初始状态如附图1所示，水油液-液界面的曲率为负值，焦距约为-40 mm，光阑大小为0.6 mm。当给底部ITO玻璃接地，顶部电极单元化的ITO玻璃的外环调焦电极接 10 V_p-p DC(200Hz)的方波信号时，功能液体金属的界面在电场的作用下表面形成双电层，并向正电极方向移动，此时成像腔体中底部作为光阑的功能液态金属逐渐移出，光阑变大，与此同时，水油液-液界面的曲率也发生改变，负透镜的焦距变长，如附图2所示。此时对应的光阑大小为1.2 mm，焦距约为-136 mm。当顶部电极单元化的ITO玻璃的外环调焦电极接 15 V_p-p DC(200Hz)的方波信号时，光阑进一步增大，此时，水油液-液界面的曲率为正，对应焦距约为90 mm。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。以横向球差可控功能为例，液体透镜初始状态如附图1所示，近光轴焦距 f _近=40 mm，远光轴焦距 f _远=39.5 mm。在按照附图5所示的方式施加电压 400V、300V、200V和100V，其中，颜色从深到浅依次表示电压从高到低。水相液体在不均匀电场的作用下移动，且不同电场强度决定了不同的位移量，从而使得近光轴区域的液面曲率增大，焦距变短，与远轴区域焦点重合，如附图6所示，此时有 f _近=  f _远，消除了横向球差。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。以柱透镜连续可调功能为例，液体透镜初始状态如附图1所示，成像腔体中的液-液界面是一个具有旋转对称性的球状液面，此时x方向和y方向剖面的焦距相等，有 f _x=  f _y= -40 mm。当按照附图7的方式沿着x轴施加400V、300V、200V的电压时，在y方向，液-液界面的剖面面形保持不变，此时 f _y= -40 mm，如附图8所示；而在x方向，水相液体在不均匀电场的作用下向正电极方向产生位移，从而凸起程度加剧，此时 f _y= -38 mm，如附图9所示。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。以液-液面偏转功能为例，液体透镜初始状态如附图1所示，成像腔体中的液-液界面是一个具有旋转对称性的球状液面。当按照附图10所示的方式沿y轴施加500V、400V、300V、200V和100V的电压时，水相液体在不均匀电场的作用下产生不同位移，形成液-液界的偏转，此时偏转角θ=5°，透镜的焦距依旧为-40mm，液体透镜的y轴剖面如附图11所示。当施加如附图12所示的电压时（外环调焦电压为13V），此时偏转角依旧为θ=5°，液体透镜的焦距为-454mm，其沿y轴剖面如附图13所示。当施加如附图14所示的电压时（外环调焦电压为15V），此时偏转角依旧为θ=5°，液体透镜的焦距为90 mm，其沿y轴剖面如附图15所示。

Claims (3)

1.一种面形和光阑可调的多功能液体透镜，由驱动腔体侧壁、电极单元化的ITO玻璃、ITO玻璃以及液态金属材料构成驱动腔体，由透明弹性体、成像腔体侧壁以及水相液体和油相液体构成成像腔体，成像腔体内填充水相液体和油相液体，驱动腔体内填充液态金属材料，其特征在于，所述驱动腔体环绕在成像腔体周围，与成像腔体同轴，成像腔体与驱动腔体上部和下部分别连通，水相液体为碱性溶液，电极单元化的ITO玻璃外环调焦电极是最外层的同心圆环，内部面形调控电极划分为面积相等的若干个单元化电极，通过对电极单元化的ITO玻璃这一个驱动施加不同方式的电压，可以独立控制不同功能，液体透镜可以实现光阑与焦距可调、横向球差可控、柱透镜连续可调、液-液面偏转功能。

2.根据权利要求1所述的面形和光阑可调的多功能液体透镜，其特征在于，所述液体透镜的驱动基于电场中的液态金属所在方向存在表面张力梯度、产生位移，且电场中的水相液体局部曲率发生改变的特性而实现。

3.根据权利要求1所述的面形和光阑可调的多功能液体透镜，其特征在于，油相液体是与水相液体密度匹配且互不相溶的透明油材料。

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