[发明专利]一种基于电湿润活塞的液体透镜

说明书

本发明公开基于电湿润活塞的液体透镜，包括：入射窗口、填充液体Ⅰ、环形薄片、填充液体Ⅱ、成像腔体、出射窗口、驱动腔体、偏置电极Ⅰ、介质层、导电液体、接地电极、疏水层、偏置电极Ⅱ、联通腔体。驱动腔体中导电液体可上下移动，形成液体活塞，从而推动成像腔体中环形薄片中央圆孔中液面发生形变，产生向下凸起或者向上凸起，进而形成正负透镜，实现焦距的变化。

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活塞的液体透镜。

背景技术

在成像系统中透镜是必不可少的元件，如摄像镜头、投影镜头、照相机、光学显微镜等。透镜为人们进行科学研究、生产和娱乐等带来了极大的便利。在上述光学成像系统中所用的通常为固体的玻璃透镜。由于单个的固体透镜自身无法实现变焦，光学成像系统通常采用了透镜组的方法来实现变焦，进而实现对像的放大或缩小。透镜组的方法是通过改变多个透镜之间的相对位置来实现的，这就意味着必须有可移动的部件，可移动的部件由于摩擦损耗不仅降低了系统的使用寿命，而且影响着成像的质量，同时透镜组使得整个系统不紧凑，显得笨重。液体透镜的发现，为实现变焦提供了另一条途径，特别是Varioptic公司的B. Berge和飞利浦公司的J. Peseux于2000年提出基于介质上电湿润效应的液体透镜最为成功。该款液体透镜结构紧凑，没有可移动部件，具有毫秒量级的响应时间，且偏振不敏感，调节范围大，成像质量亦可与固体微透镜相媲美。但是，接触角饱和现象限制了液体透镜进一步扩大调焦范围。

发明内容

本发明提出一种基于电湿润活塞的液体透镜。如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、填充液体Ⅰ、环形薄片、填充液体Ⅱ、成像腔体、出射窗口、驱动腔体、偏置电极Ⅰ、介质层、导电液体、接地电极、疏水层、偏置电极Ⅱ、联通腔体。其中，入射窗口、出射窗口、成像腔体、驱动腔体和联通腔体共同组成电湿润活塞液体透镜的主体结构。在成像腔体中部嵌有环形薄片，在驱动腔体中部布有接地电极、偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ。偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ对称分布在接地电极两侧，在偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ上依次涂覆了介质层和疏水层，形成疏水区域。导电液体、填充液体Ⅱ和填充液体Ⅰ密度相同，但导电液体和填充液体Ⅱ分别与填充液体Ⅰ不相溶，且填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ有不同的折射率。 填充液体Ⅰ和导电液体在驱动腔体中形成两个液-液界面，两个液-液界面分别位于偏置电极Ⅰ和偏置电极Ⅱ中部，偏置电极Ⅰ与偏置电极Ⅱ两者间的区域不疏水，为亲水区域，使得导电液体被铆定在腔体Ⅱ的中部。导电液体可改变与疏水区域的接触角来上下移动成为活塞，导电液体与接地电极接触。在初始状态时，在驱动腔体中导电液体与填充液体Ⅰ之间形成球形液-液界面，在成像腔体中填充液体Ⅰ与填充液体Ⅱ在环形薄片处形成的初始界面近似为平面。

本发明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)

其中θ为加电压后液-液界面与侧壁的接触角，θ₀为初始接触角， V为所施加的电压，γ_LV为液-液界面的表面张力，d为介质层与疏水层的厚度，ε₀是自由空间的介电常数，ε是介质层的介电常数。

当在偏置电极Ⅱ与导电液体之间施加电压，液-液界面与侧壁的接触角将变小，这将使得导电液体向下涌，即活塞向下移动。由于整个透镜腔体完全密封，即液体体积固定，液体不可压缩，活塞的向下移动将使得成像腔体中部环形薄片圆孔中的液-液界面向上凸起，从而改变焦距，形成负透镜，如附图2所示。当在偏置电极Ⅰ与导电液体之间施加电压时，液-液界面与侧壁的接触角将变小，这将使得导电液体向上涌，即活塞向上移动。成像腔体中部环形薄片圆孔中的液-液界面向下凸起，从而改变焦距，形成正透镜，如附图3所示。相对于传统电湿润液体透镜，本发明可实现正/负光焦度的增大。