[发明专利]一种单驱动液体变焦透镜及其制作方法、变焦成像方法

权利要求书

1.一种单驱动液体变焦透镜，其特征在于：包括固定透明平板(1)、圆台形介电弹性体薄膜(2)、内柔性电极(3)、外柔性电极(4)、液体(5)和高压电源(6)；固定透明平板(1)通过粘性胶粘于圆台形介电弹性体薄膜(2)的上方，圆台形介电弹性体薄膜(2)的内外表面分别均匀涂有内柔性电极(3)和外柔性电极(4)，液体(5)位于圆台形介电弹性体薄膜(2)的内部，高压电源(6)的负极与内柔性电极(3)相连接，高压电源(6)的正极与外柔性电极(4)相连接；高压电源(6)通电时在内柔性电极(3)和外柔性电极(4)两端施加电压，驱动介电弹性体材料制作的圆台形介电弹性体薄膜(2)变形，进而使圆台形薄膜内液体(5)的曲率半径发生变化，从而改变液体透镜的焦距，由于圆台形介电弹性体薄膜(2)的顶端固定于固定透明平板(1)，此时圆台形介电弹性体薄膜(2)的底端将发生移动，从而补偿液体透镜焦距变化导致的焦点移动。

2.如权利要求1所述的一种单驱动液体变焦透镜，其特征在于：所述固定透明平板(1)为玻璃平板。

3.一种单驱动液体变焦透镜制作方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、采用注塑方式加工圆台形介电弹性体薄膜(2)，实现加工注塑模具；注塑的模具主要由左上半模具(7)、右上半模具(8)和下方模具(9)三个部分组成；左上半模具(7)的截面分布有左上半模具凹槽(10)，左上半模具(7)的平台位置分布有两个相同的左半圆槽圆台(11)，左半圆槽圆台(11)由两个层叠的圆柱组成，分别为左上半模具的大圆柱(12)和左上半模具的小圆柱(13)，左上半模具的大圆柱(12)用于控制注塑后的圆台形介电弹性体薄膜(2)的平面厚度，左上半模具的小圆柱(13)用于与下方模具(9)固定；右上半模具(8)的截面分布有右上半模具凸台(14)，右上半模具凸台(14)和左上半模具凹槽(10)相互配合，用于将左上半模具和(7)右上半模具(8)固定连接；右上半模具(8)的平台位置分布有两个相同的右上半模具圆台(15)，右上半模具圆台(15)由两个层叠的圆柱组成，分别为右上半模具的大圆柱(16)和右上半模具的小圆柱(17)，右上半模具的小圆柱(17)用于与下方模具(9)固定；下方模具(9)的中间部分为下模具的凸台(18)，外围部分分布有用于固定左上半模具(7)和右上半模具(8)的四个下方模具凹槽(19)；

步骤二、装配左上半模具(7)、右上半模具(8)和下方模具(9)；将左上半模具凹槽(10)和右下半模具凸台(14)相配合，并将下方模具的四个凹槽(19)中的两个凹槽与左上半模具的小圆柱(13)配合，另两个凹槽与右上半模具的小圆柱(17)相配合，实现将左上半模具(7)、右上半模具(8)和下方模具(9)的装配；

步骤三、将介电弹性体溶液(20)注入到模具中，经过处理固化后，在室温环境中将模具细心剥离，进而完成圆台形介电弹性体薄膜(2)的制作；

步骤四、将圆台形介电弹性体薄膜(2)的内外表面分别均匀的涂一层柔性电极，分别为内柔性电极(3)和外柔性电极(4)，并分别引出导线连接到高压电源(6)的负极和正极；在圆台形介电弹性体薄膜(2)的内部注入液体(5)，液体(5)的折射率为n；固定透明平板通过粘性胶粘于圆台形介电弹性体薄膜(2)的上方。

4.如权利要求3所述的一种单驱动液体变焦透镜制作方法，其特征在于：所述步骤三处理固化方法包括加热、紫外照射。

5.如权利要求4所述的一种单驱动液体变焦透镜制作方法，其特征在于：步骤四所述液体为水、甘油或乙醇。

6.一种单驱动液体变焦透镜实现的变焦成像方法，如权利要求1所述的一种单驱动液体变焦透镜，其特征在于：

高压电源(6)的开关打开时，未施加电压时的液体表面(21)的曲率半径为r，液体(5)与圆台形介电弹性体薄膜(2)底部的距离为h，圆台形介电弹性体薄膜(2)的锥角液体(5)和圆台形介电弹性体薄膜(2)接触角为θ，圆台形介电弹性体薄膜(2)的底部半径为a，圆台形介电弹性体薄膜(2)的顶部半径为b；未施加电压时的液体表面(21)的曲率半径r表示为：

未施加电压时的液体表面(21)的弓高s表示为：

液体的体积V表示为：

V＝1/3×h×π×(a²+a×r+r²)+π×s²[(s²+r²)/(2×s)-s/3)] (3)

一束从无穷远出入射的未施加电压时的平行光线(22)照射在固定透明平板(1)后，经过液体的折射作用后聚焦于未施加电压时的焦点(23)处，未施加电压时的液体表面(21)焦距f₁′表示为：

f₁′＝r²/[2×(n-1)×s] (4)

高压电源(6)的开关闭合时，由于在圆台形介电弹性体薄膜(2)两端的柔性电极施加电压时，两个电极的异性电荷相互吸引，介电弹性体的厚度将减小，两个电极上的同性电荷相互排斥，介电弹性体长度面积将扩大，长度将增加，增加的长度为Δl，由于圆台形介电弹性体薄膜(2)的顶端固定于固定透明平板(1)，因而圆台形介电弹性体薄膜(2)的底部将往下运动，运动的位移为d；施加电压时的液体表面(24)的曲率半径为r′，施加电压时的液体表面(24)的弓高为s′，施加电压时的液体表面(24)的高度为h′；因此，高压电源(6)的开关闭合时，圆台形介电弹性体薄膜(2)的锥角表示为：

当高压电源(6)的开关闭合时，一方面，液体(5)的曲率半径将发生变化，施加电压时的液体表面(24)变为r′，从而引起液体透镜焦距的变化；另一方面，液体(5)将随着圆台形介电弹性体薄膜的底部移动，移动的位移用于补偿焦距改变后焦点的移动，使得从无穷远入射的施加电压时的平行光线(25)通过液体(5)后，施加电压时的焦点(26)的位置与未施加电压时的焦点保持一致，因此，施加电压时的液体表面(24)焦距f₂′和未施加电压时的液体表面(21)焦距f₁′满足公式：

f₁′-f₂′＝h+s/n-(h′+s′/n-d) (6)

当期望的变倍系数为ratio时，即施加电压时的液体表面(24)焦距f₂′和未施加电压时的液体表面(21)焦距f₁′的关系为：

f₂′＝ratio×f₁′ (7)

由于液体(5)在常温常压下的压缩性忽略不计，因此施加电压后，液体(5)的体积保持不变，因此满足以下公式：

1/3×h′×π×(a²+a×r′+r′²)+π×s′²[(s′²+r′²)/(2×s′)-s′/3)]＝V (8)

同时由于液体(5)和圆台形介电弹性体薄膜(2)接触角θ保持不变，因此满足以下公式：

通过式(5)～(9)联合求解，计算得到单驱动液体变焦透镜在期望的变焦倍数ratio时，圆台形介电弹性体薄膜(2)底部的运动位移d，以及施加电压时的液体表面(24)曲率半径r′，施加电压时的液体表面(24)弓高s′，施加电压时的液体表面(24)的高度h′；通过在柔性电极两端施加电压，液体(5)的曲率半径将发生变化，从而改变了液体透镜的焦距，而且圆台形介电弹性体薄膜(2)的底端将发生移动，从而补偿液体透镜焦距变化导致的焦点移动。