CN114815015A

CN114815015A - 一种光阑可调液体透镜

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Publication number: CN114815015A
Application number: CN202210378853.3A
Authority: CN
Inventors: 李磊; 张子怡; 赵昭昭; 刘栩宁
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2042-04-12
Also published as: CN114815015B

Abstract

一种光阑可调液体透镜，包括成像腔体和驱动腔体。其中，驱动腔体置于成像腔体的外围，与成像腔体同轴。成像腔体与驱动腔体的上部和下部分别通过对称小孔相通。驱动腔体和成像腔体内部分别填充含磁性的液态金属材料和碱性透明液体材料。驱动腔体上方为柔性电极，下方为ITO玻璃；成像腔体上方为弹性薄膜，下方为ITO玻璃。通过控制电极和电磁铁的电流通断，驱动腔体中的含磁性的液态金属材料可按照预定方向进行移动，从而带动成像腔体焦距和光阑的调节。该器件具有液体光阑可调、驱动透镜一体化、响应速度提升、变焦过程中F数恒定等优势，故在光学系统中可用于变焦、调节光阑、控制像差等场景。

Description

一种光阑可调液体透镜

技术领域

本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种光阑可调液体透镜。

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许多电子元件配合来控制固体镜片的位移，从而实现焦距改变。同时，也需要独立的驱动装置来单独控制光阑孔径大小。液体光子器件的出现为光学变焦系统提供了新的技术途径。各种功能液体光子器件，例如，液体透镜、液体光阑、液体棱镜等，使得光机系统在无机械耗损、快速响应、微型化、轻量化等方面有了更大的提升空间。液体透镜和光阑可以单独改变焦距和光阑大小，但它们各自仍然需要独立的控制系统协同工作，在一定程度上增加了体积以及操作的复杂性。现有的将光阑与变焦结合的结构主要是基于固体光阑的工作原理。例如论文Ren L., "Adaptiveliquid lens by changing aperture,", Journal of MicroelectromechanicalSystems, 2012, 21(4): 953-958. 提出一种基于固体可变光阑结构的液体透镜；同样，CN202022223768.9光圈式液体透镜虽然具有变焦和光阑可调的特点，但仍旧是借助于固体光阑结构，体积庞大、驱动复杂，机械磨损也会降低其调节的精确度。因此，无机械移动、轻量化、低功耗的新型液体光子器件仍然是重要的需求。

发明内容

本发明提出一种光阑可调液体透镜。如附图1所示，该透镜包括弹性薄膜、柔性电极、金属压片、成像腔体侧壁、驱动腔体侧壁、支撑隔板、介电层、ITO玻璃、电磁铁、含磁性的液体金属材料、碱性透明液体材料。其中，由柔性电极、驱动腔体侧壁、支撑隔板、介电层、ITO玻璃、电磁铁和含磁性的液体金属材料构成驱动腔体；由金属压片、弹性薄膜、成像腔体侧壁、介电层和ITO玻璃构成成像腔体。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通过对称小孔连通。在不同的初始状态设定下，该器件有凹透镜模式和凸透镜模式两种。

凹透镜模式初始状态如附图2所示，含磁性的液体金属材料分布在驱动腔体的下部，并且在成像腔体中延伸至最小通光口径处，其余部分填充碱性透明液体材料。密封时器件内压强低于大气压强，使得弹性薄膜与柔性电极在大气压强作用下向下凹陷。通过设定凹透镜初始状态下的驱动腔体和成像腔体的体积比、两种液体材料填充的体积比，可以确定该器件的F数大小。当对驱动腔体的柔性电极和ITO玻璃施加电压时，如附图3所示，含磁性的液体金属材料的液体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；同时由于柔性电极柔软易变形，在带感应电子的含磁性的液体金属材料的吸引下，柔性电极进一步向下凹陷，液体从驱动腔体进入成像腔体，从而成像腔体的弹性薄膜凹陷程度减小，光阑可调液体透镜的焦距变长。在这个过程中，光阑可调液体透镜的F数始终恒定，避免了因F数减小而引入的像差。

凸透镜模式下初始状态如附图4所示，含磁性的液体金属材料分布在驱动腔体的中部，并且在成像腔体中延伸至最大通光口径处，其余部分填充碱性透明液体材料。密封时器件内压强大于大气压强，使得弹性薄膜与柔性电极在大气压强作用下向上凸起。通过设定凸透镜初始状态下的驱动腔体和成像腔体的体积比、两种液体材料填充的体积比，可以确定该器件的F数大小。当对驱动腔体的柔性电极和ITO玻璃施加电压且对电磁铁通电时，如附图5所示，含磁性的液体金属材料的液体界面在电场的作用下形成双电层，但此时由于底部磁场的作用，含磁性的液体金属材料不能向正电极方向移动，柔性电极仍然被向下吸引，开始逐渐向下凹陷。驱动腔体内两种液体材料被推向成像腔体，从而使成像腔体的光阑口径减小，弹性薄膜凸起程度增加，光阑可调液体透镜的焦距变短。在整个变焦过程中，焦距和光阑口径同步变小，所以F数可以保持恒定，避免了因F数减小而引入的像差。

本发明提出的光阑可调液体透镜的工作原理基于含磁性的液体金属材料的电磁性质，在电场中，含磁性的液体金属材料的表面张力可以用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，在碱性透明液体材料中的含磁性的液体金属材料会形成一个不对称的双电层，沿着含磁性的液体金属材料方向会有一个表面张力梯度。含磁性的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，就可以实现电场对含磁性的液体金属材料的驱动。

优选地，驱动腔体在成像腔体外并且与成像腔体同轴。

优选地，成像腔体口径D≥ 2 mm，且D≤ 10 mm。

优选地，该器件的成像腔体与驱动腔体的设计比例及两种液体材料的填充体积比可决定F数的大小，且在变焦过程中F数恒定不变。

优选地，该器件的驱动腔体和成像腔体顶部的弹性薄膜材料，包括但不限于PDMS、PVC膜、EVA膜等。

附图说明

附图1为光阑可调液体透镜的剖面结构示意图。

附图2为光阑可调液体透镜的凹透镜模式初始状态示意图。

附图3为光阑可调液体透镜的凹透镜模式变焦状态示意图。

附图4为光阑可调液体透镜的凸透镜模式初始状态示意图。

附图5为光阑可调液体透镜的凸透镜模式变焦状态示意图。

上述各附图中的图示标号为：

1弹性薄膜、2金属压片、3柔性电极、4成像腔体侧壁、5驱动腔体侧壁、6支撑隔板、7ITO玻璃、8电磁铁、9含磁性的液体金属材料、10碱性透明液体材料、11介电层，应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

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：由弹性薄膜、柔性电极、金属压片、成像腔体侧壁、驱动腔体侧壁、支撑隔板、介电层、ITO玻璃、电磁铁构成。驱动腔体从上到下依次为：柔性电极材料为铜线附着在PDMS上，其内直径3 mm、外直径4.5 mm、厚0.5 mm，腔体侧壁内直径4 mm，外直径5 mm、高3 mm，支撑隔板内直径3 mm、外直径4 mm、厚0.2 mm，支撑隔板上有4个直径为0.8 mm的贯通圆孔，介电层为3 µm的Parylene材料，ITO玻璃直径4.5 mm、厚0.5 mm，电磁铁内直径为2 mm、外直径为5 mm、厚度为1 mm。成像腔体从上到下依次为：金属压片直径3 mm、厚0.5 mm，弹性薄膜为PDMS材料，其直径2.5 mm、厚0.5 mm，成像腔体侧壁内直径2 mm、外直径3 mm、高1.5 mm。驱动腔体和成像腔体内部分别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、0.5mol/L的NaOH溶液。该功能液态金属在NaOH溶液中拥有与纯液态金属合金相似的外观、驱动行为和变形能力。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。以凹透镜模式为例，未施加电压时的初始状态如附图2所示，其驱动腔体和成像腔体的体积比、两种液体材料填充的体积比决定PDMS弹性薄膜曲率半径约为1.3 mm，光阑可调液体透镜的光阑口径约为0.4 mm，焦距约为-4 mm，对应F数约为10。当柔性电极和ITO玻璃分别作为正、负电极施加5 V_p-p DC(200Hz)的方波信号时，功能液体金属在电场的作用下液体界面形成双电层，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，光阑口径变大；与此同时柔性电极在带感应电子的功能液态金属的吸引下向下继续凹陷，将NaOH溶液向成像腔体推动，成像腔体中NaOH溶液增多，PDMS弹性薄膜曲率半径增大，光阑可调液体透镜的焦距变长。如附图3所示，最终的光阑口径约为2 mm，焦距约为-20 mm。通过在ZEMAX中仿真，在凹透镜模式下变焦过程中的三个阶段焦距/光阑大小数据提取如下：-10.032 mm/ 1.003 mm、-15.244mm/ 1.524 mm、-20.395 mm / 2.040 mm。在整个变焦过程F数基本维持在10左右。

本实施例采用的工作波段为380 nm~ 760 nm。在凸透镜模式，未施加电压时的初始状态如附图4所示，其驱动腔体和成像腔体的体积比、两种液体材料填充的体积比决定PDMS弹性薄膜曲率半径约为-6 mm，光阑可调液体透镜的光阑口径约为2 mm，焦距约为18mm，对应F数约为9。当给底部电磁铁通电时，在磁场作用下，功能液体金属被吸附在驱动腔体底部，并且部分功能液体金属向成像腔体流动，形成的液体光阑孔径逐渐变小。当柔性电极和ITO玻璃分别作为正、负电极施加5 V_p-p DC(200Hz)的方波信号时，功能液体金属在电场的作用下液体界面形成双电层，有向正电极运动的趋势，但由于底部磁场的存在，功能液体金属在电场作用下被限制移动，反而柔性电极在带感应电子的功能液态金属的吸引下向下凹陷，将NaOH溶液向成像腔体推动，成像腔体中NaOH溶液增多，PDMS弹性薄膜继续向上凸起，光阑可调液体透镜的焦距变短。如附图5所示，最终的光阑口径约为0.5 mm，焦距约为4.6 mm。通过在ZEMAX中仿真，在凸透镜模式下变焦过程中的四个阶段焦距/光阑大小数据提取如下：14.454 mm/ 1.606 mm、10.515 mm/ 1.168 mm、8.000 mm / 0.889 mm、4.607mm/ 0.512 mm。在整个变焦过程F数基本维持在9左右。

Claims

1.一种光阑可调液体透镜，由柔性电极、驱动腔体侧壁、支撑隔板、介电层、ITO玻璃、电磁铁和含磁性的液体金属材料构成驱动腔体，由金属压片、弹性薄膜、成像腔体侧壁、介电层和ITO玻璃构成成像腔体，驱动腔体置于成像腔体外周，与成像腔体同轴，其特征在于，成像腔体内填充碱性透明液体材料，驱动腔体内填充含磁性的液态金属材料，跟随电极与电磁铁电流通断而流动，实现成像腔体光阑调节，与此同时，成像腔体的弹性薄膜也由于液压作用而运动，实现成像腔体的焦距改变。

2.根据权利要求1所述的光阑可调液体透镜，其特征在于，所述驱动腔体环绕在成像腔体周围，与成像腔体同轴且连通。

3.根据权利要求1所述的光阑可调液体透镜，其特征在于，有凸透镜、凹透镜两种工作模式，在初始状态下的驱动腔体和成像腔体的体积比、两种液体材料填充的体积比，决定了该器件F数的大小，并且在变焦全过程可实现F数恒定。

4.根据权利要求1所述的光阑可调液体透镜，其特征在于，所述驱动腔体和成像腔体顶部为弹性薄膜，包括但不限于PDMS、PVC膜、EVA膜等。