CN116360057A - 基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜及其工作方法 - Google Patents

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程阳
柳萌遥
郝群
欧阳琦
陈传训
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Beijing Institute of Technology BIT
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Abstract

基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜及方法，无需外部存储液体的器件，操作简单、重量轻、孔径大、变焦范围大、响应速度快。包括：刚性垫圈(1)、圆形弹性薄膜(2)、上固定板(4)、下固定板(5)、介电弹性体(8)、柔性电极(9)、刚性背板(10)、上铜带(6)、下铜带(7)、透明液体(3)、开关(11)和可调高压电源(12)；多层介电弹性体堆叠排列，介电弹性体被上固定板和下固定板固定于两者中间，在每个介电弹性体上涂柔性电极，透明液体注入到透镜腔中，在介电弹性体的上方粘贴圆形弹性薄膜，覆盖上刚性垫圈用于固定薄膜，在底部有一个刚性背板，开关和可调高压电源电气相连，电源的正负极分别与上下铜带相连进行供电。

Description

基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜及其工作方法
技术领域
本发明涉及光学成像的技术领域，尤其涉及一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，以及这种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法。
背景技术
光学变焦技术广泛地应用在数码相机、显微镜、望远镜和投影仪等领域，但传统光学变焦成像系统由于存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对智能化、微型化光学变焦系统的要求。
近年来，柔性变焦透镜引起了广泛关注，可变焦镜头已经实现了几种不同的技术和驱动机制。例如，液晶透镜利用电光效应来改变透镜折射率空间分布，最终导致焦距的变化，虽然它具有功耗低、设计紧凑的优点，但是其光学口径较小。电浸润变焦透镜通过施加电压调节液体的接触角进而改变焦距，该驱动方式具有响应时间快、体积小的优点，但当透镜口径较大时对震动和重力的影响比较敏感，且容易出现微气泡的现象。
介电弹性体材料属于一种弹性极高的高分子聚合物，其致动的原理则是在电场的作用下，正负电荷会聚集在介电弹性体材料的上下表面，两种电荷之间相互吸引从而形成了静电力，在静电力的作用下，介电弹性体材料在不可避免的会在厚度方向上会产生压缩形变，而介电弹性体材料可以看成体积不可压缩材料，所以会在其水平方向上的面积会扩展，当撤去电压之后，介电弹性体材料在自身弹性的作用下恢复到原来的状态。由于介电弹性体具有结构紧凑、形变量大、响应速度快等优点，由介电弹性体驱动的可变焦透镜引起了广泛关注。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其无需外部存储液体的器件，具有操作简单、重量轻、孔径大、变焦范围大、响应速度快的优点，在便携式成像应用中有许多潜在的应用。
本发明的技术方案是：这种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其包括：刚性垫圈(1)、圆形弹性薄膜(2)、上固定板(4)、下固定板(5)、介电弹性体(8)、柔性电极(9)、刚性背板(10)、上铜带(6)、下铜带(7)、透明液体(3)、开关(11)和可调高压电源(12)；
多层介电弹性体堆叠排列，介电弹性体被上固定板和下固定板固定于两者中间，在每个介电弹性体上涂上柔性电极，透明液体注入到透镜腔中，在介电弹性体的上方粘贴上圆形弹性薄膜，再覆盖上刚性垫圈用于固定薄膜，在底部有一个刚性背板，开关和可调高压电源电气相连，可调高压电源的正负极分别与上下铜带相连进行供电。
本发明通过往介电弹性体薄膜中注入透明液体，在介电弹性体膜内外表面涂上内柔性电极和外柔性电极，通过在电极上施加电压，利用介电弹性体厚度方向的负应变，使堆叠致动器收缩，边缘高度发生改变，从而使变焦透镜的焦距发生改变，完成变焦效果，整个系统具有质量轻、运动灵活、响应速度快和不易疲劳损坏等优点；采用堆叠式介电弹性体作为驱动方式，使受力更加的均匀，降低了单位面积所受的力，增加了整个系统的使用寿命，由于没有外部存储液体的装置，因此会减少整个装置的体积；介电弹性体在驱动状态下会产生比较大的应变，使整个系统获得比较大的光焦度可调谐范围。
还提供了这种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其包括以下步骤：
(1)当开关断开时，变焦透镜此时处于平凸的状态，计算得到变焦透镜的光焦度，从而得到变焦透镜的初始焦距；
(2)确定需要加入透明液体的体积；
(3)当接通开关时，电压施加到介电弹性体上，在麦克斯韦应力下，介电弹性体厚度减小并且在平面内膨胀，叠加的厚度变形导致致动器的整体收缩变形，介电弹性体挤压压缩使得环形密封边缘高度发生改变，由于透明液体密封在腔室中，为了保持其总体积恒定，圆形弹性薄膜向外碰撞或者向内收缩，使得透明液体的曲率半径发生变化，进而透镜的焦距发生变化；
(4)得到光焦度的变化与边缘高度的变化的关系式，将关系式两端同时微分并使等式为0，得到透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系；
(5)当平行光线通过圆形弹性薄膜表面，将发生折射并汇聚于焦点F’
处，得到变焦透镜的变焦范围。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的爆炸图。
图2为本发明公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的装配图。
图3为本发明公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的变焦原理图。
图4为本发明公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的变焦效果图。
图5为堆叠式介电弹性体驱动的原理图。
其中：1-刚性垫圈，2-圆形弹性薄膜，3-透明液体，4-上固定板，5-下固定板，6-上铜带，7-下铜带，8-介电弹性体，9-柔性电极，10-刚性背板，11-开关，12-可调高压电源，13-平行光线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其包括：刚性垫圈1、圆形弹性薄膜2、上固定板4、下固定板5、介电弹性体8、柔性电极9、刚性背板10、上铜带6、下铜带7、透明液体3、开关11和可调高压电源12；
多层介电弹性体堆叠排列，介电弹性体被上固定板和下固定板固定于两者中间，在每个介电弹性体上涂上柔性电极，透明液体注入到透镜腔中，在介电弹性体的上方粘贴上圆形弹性薄膜，再覆盖上刚性垫圈用于固定薄膜，在底部有一个刚性背板，开关和可调高压电源电气相连，可调高压电源的正负极分别与上下铜带相连进行供电。
本发明当在两个柔性电极之间施加驱动电压时，圆形介电弹性体的外围区域的面积将增加，驱动平顶空心圆台的底部半径减小，由于平顶空心圆台内的液体体积不变，当平顶空心圆台的底部半径减小时，液体将受到挤压，从而改变与平顶空心圆台的平台区域接触的液体形状，进而实现变焦功能，具有变焦原理简单、变焦范围大、响应速度快、体积小、成本低的优点；本发明对变焦性能有贡献的液面形状是位于平顶空心圆台的平台区域，对液体材料与介电弹性体的接触角的大小无特殊要求，而且可通过肉眼直接观察或者通过图像采集设备实时观察液面形状，有利于提高获得预期焦距的精度；介电弹性体驱动的是平顶空心圆台的底部，具有大的形变量，从而使得该变焦方法具有大的变焦范围。
优选地，所述介电弹性体材料为预拉伸的VHB4910、VHB4905或PDMS。
优选地，所述透明液体为透明凝胶。
优选地，所述刚性背板和顶部垫圈由丙烯酸制成。
还提供了这种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其包括以下步骤：
(1)当开关断开时，变焦透镜此时处于平凸的状态，计算得到变焦透镜的光焦度，从而得到变焦透镜的初始焦距；
(2)确定需要加入透明液体的体积；
(3)当接通开关时，电压施加到介电弹性体上，在麦克斯韦应力下，介电弹性体厚度减小并且在平面内膨胀，叠加的厚度变形导致致动器的整体收缩变形，介电弹性体挤压压缩使得环形密封边缘高度发生改变，由于透明液体密封在腔室中，为了保持其总体积恒定，圆形弹性薄膜向外碰撞或者向内收缩，使得透明液体的曲率半径发生变化，进而透镜的焦距发生变化；
(4)得到光焦度的变化与边缘高度的变化的关系式，将关系式两端同时微分并使等式为0，得到透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系；
(5)当平行光线通过圆形弹性薄膜表面，将发生折射并汇聚于焦点F’
处，得到变焦透镜的变焦范围。
优选地，所述步骤(1)中，
变焦透镜的光焦度通过公式(1)得到：
Figure BDA0004102499490000061
其中，R1、R2是每个透镜表面的曲率半径，d是平面透镜的厚度，n是透明液体的折射率，f为初始焦距；
对于平面凸透镜，R2＝∞和R1＝R，公式(1)化简为
Figure BDA0004102499490000062
优选地，所述步骤(2)中，需要加入透明液体的体积为：
Figure BDA0004102499490000063
其中，r为透镜的内半径，h为液体的高度，R>>r，公式(3)化简为：
Figure BDA0004102499490000064
根据公式(2)光焦度P和曲率半径R的关系，公式(4)变成
Figure BDA0004102499490000065
优选地，所述步骤(4)中，得到透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系为：
Figure BDA0004102499490000071
优选地，所述步骤(5)中，变焦透镜的变焦范围△f为：
Figure BDA0004102499490000072
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1和图2所示，本实施例公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，包括刚性垫圈1、圆形弹性薄膜2、透明液体3、上固定板4、下固定板5、上铜带6、下铜带7、介电弹性体8、柔性电极9、刚性背板10、开关11、可调高压电源12。多层适当电极化的介电弹性体8堆叠排列，介电弹性体8被上固定板4和下固定板5固定于两者中间。在每个介电弹性体8上涂上柔性电极9，透明液体3注入到透镜腔中，在介电弹性体的上方粘贴上圆形弹性薄膜2，再覆盖上刚性垫圈1固定圆形弹性薄膜2，在底部有一个刚性背板10，开关11和可调高压电源12电气相连，可调高压电源的12正负极分别与上铜带4和下铜带5相连进行电压的控制。
如图3所示，本实施例公开的一种堆叠式弹性介电体驱动的变焦透镜的变焦原理为：
当开关11断开时，即不施加电压的时候，透镜此时处于平凸的状态，R1、R2是每个透镜表面的曲率半径，d是平面透镜的厚度，n是透明液体3的折射率，则变焦透镜的光焦度可通过式(1)得到：
Figure BDA0004102499490000073
对于平面凸透镜，R2＝∞和R1＝R，式(1)可化简为
Figure BDA0004102499490000074
当确定了透镜初始的焦距之后，需要下一步确定需要加入透明液体3的体积：
Figure BDA0004102499490000081
其中，r为透镜的内半径，h为液体的高度，R>>r，式(3)可化简为
Figure BDA0004102499490000082
根据式(2)光焦度P和曲率半径R的关系，式(4)可变成
Figure BDA0004102499490000083
当平行光线13通过圆形弹性薄膜2表面，将发生折射并汇聚于焦点F处。
当接通开关11时，即对介电弹性体8施加电压时，当电压施加到介电弹性体8上时，在麦克斯韦应力下，介电弹性体8厚度减小并且在平面内膨胀，叠加的厚度变形导致致动器的整体收缩变形，介电弹性体8挤压压缩使得环形密封边缘高度发生改变，由于透明液体3密封在腔室中，为了保持其总体积恒定，圆形弹性薄膜2向外碰撞或者向内收缩，使得透明液体3的曲率半径发生变化，进而透镜的焦距发生变化。光焦度的变化就取决于边缘高度的变化，因此需要得到二者的关系式。将式(5)两端同时微分并使等式为0，得到了透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系：
Figure BDA0004102499490000084
因此当平行光线13通过圆形弹性薄膜2表面，将发生折射并汇聚于焦点F’处。可以得到变焦透镜的变焦范围△f为：
Figure BDA0004102499490000085
如图4和图5所示，本实施例公开的一种基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的驱动原理主要是利用介电弹性体8受到电场的激励后，其在形状上发生变化，撤销电场后能够恢复原状的特性。当开关11断开时，介电弹性体8不发生变形，保持稳定。当接通开关11时，电压施加到介电弹性体8上，其在厚度发生压缩时，平面方向上会向四周延展，使系统的边缘高度发生变化，压缩着圆形弹性薄膜2发生变形。
综上所述，相比较传统方法，本发明的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，通过堆叠式介电弹性体驱动，使产生应变所需的力分布的更加均匀，而且介电弹性体会产生比较大的应变，使整个系统获得比较大的光焦度可调谐范围。在实现较大范围变焦的同时，整个系统具有质量轻、运动灵活、响应速度快和不易疲劳损坏等优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其特征在于：其包括：刚性垫圈(1)、圆形弹性薄膜(2)、上固定板(4)、下固定板(5)、介电弹性体(8)、柔性电极(9)、刚性背板(10)、上铜带(6)、下铜带(7)、透明液体(3)、开关(11)和可调高压电源(12)；多层介电弹性体堆叠排列，介电弹性体被上固定板和下固定板固定于两者中间，在每个介电弹性体上涂上柔性电极，透明液体注入到透镜腔中，在介电弹性体的上方粘贴上圆形弹性薄膜，再覆盖上刚性垫圈用于固定薄膜，在底部有一个刚性背板，开关和可调高压电源电气相连，可调高压电源的正负极分别与上下铜带相连进行供电。
2.根据权利要求1所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其特征在于：所述介电弹性体材料为预拉伸的VHB4910、VHB4905或PDMS。
3.根据权利要求2所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其特征在于：所述透明液体为透明凝胶。
4.根据权利要求3所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜，其特征在于：所述刚性背板和顶部垫圈由丙烯酸制成。
5.根据权利要求1所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)当开关断开时，变焦透镜此时处于平凸的状态，计算得到变焦透镜的光焦度，从而得到变焦透镜的初始焦距；
(2)确定需要加入透明液体的体积；
(3)当接通开关时，电压施加到介电弹性体上，在麦克斯韦应力下，
介电弹性体厚度减小并且在平面内膨胀，叠加的厚度变形导致致动器的整体收缩变形，介电弹性体挤压压缩使得环形密封边缘高度发生改变，由于透明液体密封在腔室中，为了保持其总体积恒定，圆形弹性薄膜向外碰撞或者向内收缩，使得透明液体的曲率半径发生变化，进而透镜的焦距发生变化；
(4)得到光焦度的变化与边缘高度的变化的关系式，将关系式两端同时微分并使等式为0，得到透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系；
(5)当平行光线通过圆形弹性薄膜表面，将发生折射并汇聚于焦点F’处，得到变焦透镜的变焦范围。
6.根据权利要求5所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，
变焦透镜的光焦度通过公式(1)得到：
Figure FDA0004102499480000021
其中，R1、R2是每个透镜表面的曲率半径，d是平面透镜的厚度，n是透明液体的折射率，f为初始焦距；
对于平面凸透镜，R2＝∞和R1＝R，公式(1)化简为
Figure FDA0004102499480000022
7.根据权利要求6所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，需要加入透明液体的体积为：
Figure FDA0004102499480000023
其中，r为透镜的内半径，h为液体的高度，R>>r，公式(3)化简为：
Figure FDA0004102499480000031
根据公式(2)光焦度P和曲率半径R的关系，公式(4)变成
Figure FDA0004102499480000032
8.根据权利要求7所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，得到透镜光焦度与环形密封边缘高度之间的直接关系为：
Figure FDA0004102499480000033
9.根据权利要求8所述的基于堆叠式介电弹性体驱动的变焦透镜的工作方法，其特征在于：所述步骤(5)中，变焦透镜的变焦范围△f为：
Figure FDA0004102499480000034
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