CN117742054A - 可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统，所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构包括上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体，该腔体内设置有用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；该透镜结构还设有与导电液体连接的极性电极以及多个沿极性电极周向对称分布的非极性电极组件。本申请通过调整向极性电极以及各非极性电极组件分别施加的电压，实现了对可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴的调整。
Description
技术领域
本申请涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统。
背景技术
液体透镜是一种使用液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，实现变焦。液体透镜的应用领域包括摄像、光学测量等。相比于传统的透镜，液体透镜具有体积小、响应快、成本低、集成度高等优点。
现有的液体透镜主要通过机械加工的方式进行制作，且可沿着光轴方向进行焦距变化的调制，然而由于现有的液体透镜的这种加工方式，使得现有的液体透镜较难实现光轴的偏转，并且不适合进行集成化以及大型阵列化的透镜制作。此外，现有的液体透镜的透镜尺寸通常为数毫米以上，较为笨重，结构不够灵活。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统，用于解决现有技术中光轴偏转较难实现的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，包括：上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体；透镜液体，所述透镜液体设置于所述腔体内，包括用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；所述下透光封装件的内表面上设置有极性电极以及多个沿所述极性电极周向对称分布的非极性电极组件；所述导电液体与所述极性电极连接；每个非极性电极组件与所述导电液体以及所述绝缘液体接触；根据液体透镜调节规则，向所述极性电极以及各非极性电极组件分别施加对应的电压，以通过改变所述接触曲面对所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴进行调整。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述液体透镜调节规则包括：向各非极性电极组件分别施加相同的第一电压，并向所述极性电极施加与所述第一电压不同的第二电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距；向各非极性电极组件以及所述极性电极分别施加不同的电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的光轴。
于本申请的第一方面的一些实施例中，每个非极性电极组件由非极性电极、介电层以及疏水层构成。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述腔体的侧壁设置有避免所述透镜液体流出的隔离结构。
于本申请的第一方面的一些实施例中，多个所述非极性电极组件对称平铺于所述下透光封装件的内表面上。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述隔离结构为隔离件，所述隔离件的底端以及顶端分别与所述上透光封装件以及下透光封装件接触并密封；多个所述非极性电极组件的朝向所述极性电极的一端平铺于所述下透光封装件的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述隔离结构为隔离侧壁，所述隔离侧壁的底端以及顶端分别与所述上透光封装件以及下透光封装件接触并密封；所述液体透镜结构还包括高度低于所述隔离侧壁的隔离件，所述隔离件的底部设置于所述下透光封装件上，多个所述非极性电极组件的朝向所述极性电极的一端平铺于所述下透光封装件的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
于本申请的第一方面的一些实施例中，每个非极性电极由对金属材料进行沉积、光刻以及刻蚀后形成；其中，所述金属材料的类型包括：铝、钼、铜以及透明金属。
于本申请的第一方面的一些实施例中，采用对位键合或真空贴合的方式对所述上透光封装件进行封装。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第二方面提供一种光学系统，所述光学系统采用如上所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
如上所述，本申请的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统，具有以下有益效果：
所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构包括上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体，该腔体内设置有用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；该透镜结构还设有与导电液体连接的极性电极以及多个沿极性电极周向对称分布的非极性电极组件。本申请通过调整向极性电极以及各非极性电极组件分别施加的电压，实现了对可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴的调整。
附图说明
图1显示为本申请一实施例中第一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构示意图。
图2显示为本申请一实施例中可变焦及光轴偏转的液体透镜结构俯视示意图。
图3显示为本申请一实施例中第一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构光轴偏转示意图。
图4显示为本申请一实施例中第二种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构示意图。
图5显示为本申请一实施例中第二种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构光轴偏转示意图。
图6显示为本申请一实施例中第三种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构示意图。
图7显示为本申请一实施例中第三种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构光轴偏转示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。应当进一步理解，此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
本申请提供一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统，所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构包括上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体，该腔体内设置有用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；该透镜结构还设有与导电液体连接的极性电极以及多个沿极性电极周向对称分布的非极性电极组件。本申请通过调整向极性电极以及各非极性电极组件分别施加的电压，实现了对可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴的调整。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1至图7所示，本发明提供一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构包括：
上透光封装件1、下透光封装件2以及设置在所述上透光封装件1和所述下透光封装件2之间的腔体3；
透镜液体，所述透镜液体设置于所述腔体内，包括用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；
所述下透光封装件2的内表面上设置有极性电极4以及多个沿所述极性电极4周向对称分布的非极性电极组件5；
所述导电液体与所述极性电极4连接；每个非极性电极组件5与所述导电液体以及所述绝缘液体接触；
根据液体透镜调节规则，向所述极性电极4以及各非极性电极组件5分别施加对应的电压，以通过改变所述接触曲面对所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴进行调整。
于一实施例中，导电液体与绝缘液体互不相溶，且导电液体以及绝缘液体之间形成的接触曲面如图1、图3、图4、图5、图6以及图7中所示。
于一实施例中，非极性电极组件5的数量为偶数且沿极性电极4周向对称分布。需要说明的是，本领域技术人员可以按照实际需求设置非极性电极组件5的数量，本发明对此不做限定。极性电极以及非极性电极组件的一种分布情况如图2所示，图2中V0所代表的圆形区域为极性电极，V1～V4分别为4个非极性电极组件。
于一实施例中，如图1、图3、图4、图5、图6以及图7所示，上透光封装件1以及下透光封装件2的材料为透明玻璃，并且在下透光封装件2的内表面上进行ITO(Indium TinOxide)透明电极的图形化，以形成极性电极4。
需要说明的是，上透光封装件1以及下透光封装件2可以采用其它材料，只要选用的材料能够透光，本发明对此不做限定。
于一实施例中，如图1、图3、图4、图5、图6以及图7所示，每个非极性电极组件5由非极性电极51、介电层52以及疏水层53构成。
于一实施例中，每个非极性电极51由对金属材料进行沉积、光刻以及刻蚀后形成；其中，所述金属材料的类型包括：铝、钼、铜以及透明金属ITO。
于一实施例中，介电层52采用的材料为氧化硅或派瑞林-C，并采用沉积或者蒸镀的方式使介电层52覆盖于非极性电极51的表面。
需要说明的是，本发明不限定介电层52的材料，本领域技术人员可按照实际需求选择合适的介电层52的材料。
于一实施例中，疏水层53采用的材料为铁氟龙，并采用沉积的方式使疏水层53覆盖于介电层52的表面。
需要说明的是，本发明不限定疏水层53的材料，本领域技术人员可按照实际需求选择合适的疏水层53的材料。
于一实施例中，通过注入、喷墨打印的方式使腔体3内充满导电液体以及绝缘液体。
于一实施例中，采用对位键合或真空贴合的方式对上透光封装件1进行封装。上透光封装件1为可变焦及光轴偏转的液体透镜结构中最后进行封装的部件，在上透光封装件1封装完成后，表示为可变焦及光轴偏转的液体透镜结构封装完成，可以使用。
本发明中具有三种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，下文将结合实施例对这三种液体透镜结构进行具体解释说明：
如图1以及图3所示，展示为本发明中第一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
于一实施例中，腔体的侧壁设置有避免所述透镜液体流出的隔离结构6。
于一实施例中，多个所述非极性电极组件5对称平铺于所述下透光封装件2的内表面上；其中，每个非极性电极组件5，如图1以及图3，其具体结构为：非极性电极51设置于下透光封装件2的内表面上；介电层52覆盖于非极性电极51的表面；疏水层53覆盖于非极性电极53的表面。
需要说明的是，第一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构具有工艺简便的特点。
如图4以及图5所示，展示为本发明中第二种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
于一实施例中，腔体的侧壁设置有避免所述透镜液体流出的隔离结构6。
于一实施例中，所述隔离结构6为隔离件，所述隔离件的底端以及顶端分别与所述上透光封装件1以及下透光封装件2接触并密封；多个所述非极性电极组件5的朝向所述极性电极4的一端平铺于所述下透光封装件2的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
需要说明的是，圆台形液体腔的形状如图4中的接触曲面的形状所示。
具体的，与上透光封装件1接触的是隔离件的顶端，与下透光封装件2接触的是隔离件的底端。每个非极性电极组件4，如图4以及图5所示，具体结构为：非极性电极51与下透光封装件2以及隔离件均接触；介电层52覆盖于非极性电极51的表面；疏水层53覆盖于非极性电极53的表面。
需要说明的是，第二种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构具有光轴中心点容易稳定的特点。
如图6以及图7所示，展示为本发明中第三种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
于一实施例中，腔体的侧壁设置有避免所述透镜液体流出的隔离结构。
于一实施例中，所述隔离结构6为隔离侧壁，所述隔离侧壁的底端以及顶端分别与所述上透光封装件1以及下透光封装件2接触并密封；所述液体透镜结构还包括高度低于所述隔离侧壁的隔离件，所述隔离件的底部设置于所述下透光封装件2上，多个所述非极性电极组件5的朝向所述极性电极4的一端平铺于所述下透光封装件2的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
于一实施例中，隔离侧壁的材料可采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)。
需要说明的是，圆台形液体腔的形状如图6中的接触曲面的形状所示。
具体的，与上透光封装件1接触的是隔离件的顶端，与下透光封装件2接触的是隔离件的底端。每个非极性电极组件4，如图6以及图7所示，具体结构为：非极性电极51与下透光封装件2以及隔离件均接触；介电层52覆盖于非极性电极51的表面；疏水层53覆盖于非极性电极53的表面。
需要说明的是，第三种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构可以满足液体总高度更高的使用需求。并且可以在使用半导体工艺完成电极图像化后，再制作高度更高的隔离侧壁。
于一实施例中，上述三种液体透镜结构中的隔离件由对有机层进行图形化而制作；其中，有机层的类型包括但不限于亚克力、聚酰亚胺。
需要说明的是，由于本发明中的各液体透镜结构均采用了半导体工艺，因此本发明中的各液体透镜结构可以达到微米量级。
于一实施例中，所述液体透镜调节规则包括：向各非极性电极组件分别施加相同的第一电压，并向所述极性电极施加与所述第一电压不同的第二电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距；向各非极性电极组件以及所述极性电极分别施加不同的电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的光轴。
下文将通过举例的方式并结合附图对本发明中液体透镜结构进行变焦及光轴偏转的过程进行详细解释说明：
向各非极性电极组件分别施加相同的第一电压，并向极性电极施加与第一电压不同的第二电压，各非极性电极组件分别与极性电极之间形成的电压差相同。举例来说，如图2中的透镜结构所示，四个非极性电极组件的电压V1＝V2＝V3＝V4，形成的电压差(V1-V0)＝(V2-V0)＝(V3-V0)＝(V4-V0)。此时如图1、图4以及图6所示，接触曲面的曲率会相应发生变化。接触曲面的曲率发生变化表示为可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距发生变化。当向各非极性电极组件分别施加的第一电压的数值不同时，接触曲面的曲率也会对应每个数值的第一电压发生变化。该过程为液体透镜结构进行变焦的过程。
向各非极性电极组件以及极性电极分别施加不同的电压，即各非极性电极组件分别与极性电极之间形成的电压差均不相同。举例来说，如图2中的透镜结构所示，四个非极性电极组件的电压V1≠V2≠V3≠V4，(V1-V0)≠(V2-V0)≠(V3-V0)≠(V4-V0)。此时如图3、图5以及图7所示，液体透镜结构的光轴会如图中的虚线箭头所示发生相应的偏转(需要说明的是，图3、图5以及图7中的虚线箭头仅是一种示意，光轴偏转程度与对各非极性电极组件以及极性电极分别施加的电压数值有关。)。当调整非极性电极组件的电压时，光轴会相应进行不同程度的偏转。
与上述实施例相似的是，本发明还提供一种光学系统，所述光学系统采用可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
需要说明的是，本实施例中的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构与上述实施例中的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构实施方式相似，故此处不做重复解释说明。
综上所述，本申请提供一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构及光学系统，所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构包括上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体，该腔体内设置有用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；该透镜结构还设有与导电液体连接的极性电极以及多个沿极性电极周向对称分布的非极性电极组件。本申请通过调整向极性电极以及各非极性电极组件分别施加的电压，实现了对可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴的调整。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，包括：
上透光封装件、下透光封装件以及设置在所述上透光封装件和所述下透光封装件之间的腔体；
透镜液体，所述透镜液体设置于所述腔体内，包括用于形成接触曲面的导电液体以及绝缘液体；
所述下透光封装件的内表面上设置有极性电极以及多个沿所述极性电极周向对称分布的非极性电极组件；
所述导电液体与所述极性电极连接；每个非极性电极组件与所述导电液体以及所述绝缘液体接触；
根据液体透镜调节规则，向所述极性电极以及各非极性电极组件分别施加对应的电压，以通过改变所述接触曲面对所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距或光轴进行调整。
2.根据权利要求1所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，所述液体透镜调节规则包括：
向各非极性电极组件分别施加相同的第一电压，并向所述极性电极施加与所述第一电压不同的第二电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的焦距；
向各非极性电极组件以及所述极性电极分别施加不同的电压，以调整所述可变焦及光轴偏转的液体透镜结构的光轴。
3.根据权利要求2所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，每个非极性电极组件由非极性电极、介电层以及疏水层构成。
4.根据权利要求3所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，所述腔体的侧壁设置有避免所述透镜液体流出的隔离结构。
5.根据权利要求4所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，多个所述非极性电极组件对称平铺于所述下透光封装件的内表面上。
6.根据权利要求4所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，所述隔离结构为隔离件，所述隔离件的底端以及顶端分别与所述上透光封装件以及下透光封装件接触并密封；多个所述非极性电极组件的朝向所述极性电极的一端平铺于所述下透光封装件的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
7.根据权利要求4所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，所述隔离结构为隔离侧壁，所述隔离侧壁的底端以及顶端分别与所述上透光封装件以及下透光封装件接触并密封；所述液体透镜结构还包括高度低于所述隔离侧壁的隔离件，所述隔离件的底部设置于所述下透光封装件上，多个所述非极性电极组件的朝向所述极性电极的一端平铺于所述下透光封装件的内表面上，另一端沿所述隔离件向上延伸至所述隔离件的顶端，并形成一个将导电液体包覆在其内的圆台形液体腔。
8.根据权利要求3所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，每个非极性电极由对金属材料进行沉积、光刻以及刻蚀后形成；其中，所述金属材料的类型包括：铝、钼、铜以及透明金属。
9.根据权利要求1所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构，其特征在于，采用对位键合或真空贴合的方式对所述上透光封装件进行封装。
10.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统采用如权利要求1至9中任一项所述的可变焦及光轴偏转的液体透镜结构。
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