[发明专利]一种可变焦光学透镜系统及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及材料、光学、机电与软机器技术领域，特别涉及一种可变焦光学透镜系统及其制备。

背景技术

可调(变)焦光学镜头的应用十分广泛。以单反相机为例，现有的镜头巨大笨重且十分昂贵。因此不依赖于机械旋移机构的可调(变)焦光学元件(如镜头)一直以来受到科技和工业界的关注，尤其是应用在可移动设备(如手机、卡片相机等)和医学设备(如内窥镜)等空间紧凑型设备上的可变焦光学元件。

现有的技术资料将可变焦光学系统的设计几乎都集中在由液体填充(或液态)的光学单元在外界激励(刺激)下改变曲率或者折射率以实现变焦的方案。该类方案存在响应缓慢、液体泄露和液体受重力影响使图像扭曲等的缺陷。并且，大部分设计中所需的外界激励(化学、光学、声学、电磁场等)对于该类方案的广泛应用具有较大的限制，使其难以在电子设备上进行集成。

基于以上问题，一种全新的固态、电调、快捷、微小、简易、低成本、可集成的自变焦光学系统的设计是令人期待的。然而，人类自身就具有这种结构简单却功能强大的光学系统：眼睛。在动物界，眼睛是信息获取的重要通道，大多数动物的眼睛具有焦距调节功能。多年来仿生的光学系统一直是研究的重点，但是由于人们没有找到能够具有优越的力、电、光学的弹性导体，该方面的研究一直难以得到工业界的应用。除了材料以外，一个重要的原因是人们试图用统一的思路去解决所有问题，而并没有意识到自然界和工业界的真正区别。自从法拉第发现电磁感应之后，工业界几乎处处都在和电子导体打交道，而忽略了自然界中所有信息的传递是通过离子导体进行的。动物的神经元通过离子的调节而传递动作电位，这些信号到达神经末梢刺激肌纤维细胞，使得其发生舒张或收缩的变化。动物的眼睛正是通过这种环节进行透光体曲率调节的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可变焦光学透镜系统及其制备，打破了传统技术液体介质的局限，采用全固态的柔性材料，有利工艺的优化和模块化集成。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可变焦光学透镜系统，包括：

透明的弹性或柔性的离子导体，为离子液体凝胶或掺杂有可解离金属盐的水凝胶；

介电弹性体薄膜，为透明或者局部透明的弹性绝缘材料；

其中，所述离子导体粘结于介电弹性体薄膜的两侧，按照离子导体/介电弹性体薄膜/离子导体的顺序组合，形成夹心结构。

所述离子液体凝胶为在咪唑类离子液体中聚合单体所得，所述可解离金属盐为氯化钠(NaCl)、醋酸钠(NaAc)、氯化锂(LiCl)、氯化钾(KCl)、氯化镁(MgCl₂)或醋酸钾(KAc)，相对于溶剂，可解离金属盐的掺杂量范围为0.5-12mol/L，所述咪唑类离子液体为丙烯酰胺(acrylamide，AAm)、甲基丙烯酸(methacrylic acid，MAA)、2-甲基丙烯酰胺(2-methylacrylamide，MAA)、丙烯酸(AA)、异丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide,NIPAm)或甲基丙烯酸羟乙酯(hydroxyethyl methacrylate,HEMA)；所述单体为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-甲基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯或1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯。

所述弹性绝缘材料为聚丙烯酸酯、硅橡胶或聚氯乙烯，所述局部透明是指与离子导体交接的部位是透明的。

所述夹心结构的周边以刚性或弹性的固体边框固定，外电路的两端电极分别连接至介电弹性体薄膜两侧的离子导体上。

所述介电弹性体薄膜两侧的离子导体形态为：

一侧为球缺状，另一侧为片状；

或，两侧均为球缺状。

本发明还提供了一种制备所述可变焦光学透镜系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，把高分子单体加入溶剂中，充分搅拌溶解，制备高分子单体溶液，其中所述溶剂为离子液体或去离子水；

步骤2，如果步骤1中使用溶剂为去离子水，则将金属盐加入至所得高分子单体溶液中，然后转入步骤3；如果步骤1中使用溶剂为离子液体，则直接进入步骤3；

步骤3，在高分子单体溶液中加入交联剂、引发剂和催化剂，搅拌混合均匀得到混合液体；

步骤4，将混合液体倒入模具中，密封隔绝空气中，放入恒温箱中，35-60℃加热1-2个小时；或者，放入紫外线交联仪，室温条件下光照1-2个小时；制备得到离子液体凝胶或掺杂有可解离金属盐的水凝胶，即离子导体；