[发明专利]一种基于电湿润液面间距可变的自适应变焦液体透镜

说明书

本发明公开一种基于电湿润液面间距可变的自适应变焦液体透镜，包括成像腔体和驱动腔体。其中，驱动腔体是环绕在成像腔体外、与成像腔体同轴的圆柱腔体。成像腔体通过上下各两个对称的小孔实现与驱动腔体的连通。成像腔体内有两种密度相同且不同折射率的透明液体形成的两个液‑液面，两个液‑液面可以被独立控制可调节曲率。驱动腔体内也有两种密度相同且不同折射率的透明液体形成的两个液‑液面，两个液‑液面可以被独立控制用于推动液体从而控制成像腔体中两液‑液面间距。该器件可以被用于光学系统中变焦、矫正像差、改变光程等作用。

技术领域

本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种基于电湿润液面间距可变的自适应变焦液体透镜。

背景技术

当今，光学成像系统已经广泛应用于工程实践和影音娱乐等诸多方面。而在诸如摄像镜头、投影镜头、照相机、光学显微镜等光学系统中，透镜则是必不可少的元件。传统的光学系统中通常采用的是固体的玻璃透镜，由于单个的玻璃透镜自身无法实现变焦，光学系统一般采用透镜组的方式来实现变焦，以此改变像的放大或缩小。透镜组的方式既是通过改变多个透镜之间的相对位置来实现的。而长时间部件之间的移动必然加剧元件的摩擦损耗，进而影响整个光学系统的成像质量和使用寿命。液体透镜的发现则为变焦提供了一种新的途径，它是一种以流控技术控制光线的光学透镜，镜体的材料一般为液体或者柔性材料，其曲率可随驱动力的变化而变化。但现有的液体透镜多为单液面曲率变化，只能靠自身实现对焦，而无法实现独立变焦，矫正像差，想要变焦只能借助多个液体透镜组合实现。再者，现有液体透镜性能单一，只能调节光路焦距，没有办法实现改变光程等其他功能。例如CN201811043388 .8 一种基于电湿润活塞的液体透镜 只有单液面曲率变化只能对焦无法实现独立变焦成像和矫正像差，更不能改变光程。CN201380070498.2 具有放大倍数控制的液体透镜虽然具有双液面调焦，但控制方式为电磁驱动，结构复杂，功能也单一。论文Kopp, D.,“All-liquid dual-lens optofluidic zoom system”, Applied Optics, 56(13), 3758 (2017) 提出了一种双液面电湿润控制液体透镜；，可以实现变焦功能，但双液面间距不可变限制了变焦范围，且功能同样单一。

发明内容

本发明提出一种基于电湿润液面间距可变的自适应变焦液体透镜。其结构如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、成像腔体-接地电极Ⅰ、成像腔体-塑料垫片、成像腔体-偏置电极Ⅰ、介电疏水层、驱动腔体-塑料垫片、驱动腔体-偏置电极Ⅰ、驱动腔体-接地电极、疏水层、驱动腔体-偏置电极Ⅱ、成像腔体-偏置电极Ⅱ、驱动腔体-盖板、成像腔体-接地电极Ⅱ、出射窗口。其中，驱动腔体是环绕在成像腔体外、与成像腔体同轴的圆柱腔体。成像腔体通过上下各两个对称的小孔实现与驱动腔体的连通。

成像腔体中填充两种密度相同但存在折射率差的透明液体，一种导电、一种绝缘。两种液体在成像腔体内形成两个液-液面分别位于两个偏执电极中部。驱动腔体中同样填充导电和绝缘的两种密度相同的透明液体，形成的两液-液面分别位于两个偏执电极中部。两腔体内液体填充方式如附图2所示。成像腔体中液-液面曲率会随电极施加电压的变化而变化，从而实现变焦的效果。驱动腔体中液-液面也会随电极之间电压变化而变化，液面的变化会推动液体通过连通孔向成像腔体涌入，从而改变成像腔体中两个液-液面的间距，从而实现变焦效果，如附图3、4所示。

本发明提出的液面间距可变的自适应变焦液体透镜的工作原理基于电湿润效应，其倾角

的变化符合Young-Lippmann方程：

（1）

当在偏置电极与导电液体之间不断加大电压，液体界面与侧壁的接触角将随之变小直至饱和，在本发明中表现为液面曲率的变化并伴随导电液体向绝缘液体方向涌动。

优选地，驱动腔体为环绕在成像腔体外、与成像腔体同轴且连通的圆柱腔体；

优选地，成像腔体中两个液面之间的间距由驱动腔体控制可调节。