[发明专利]一种基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜

说明书

本发明提出基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜。该透镜包括入射窗口、偏置电极、介电疏水层、塑料垫片、接地电极、出射窗口、绝缘液体和导电液体，其中，偏置电极是内壁为曲面的腔体，介电疏水层附着在其内表面，塑料垫片在偏置电极和接地电极之间以防止液体透镜加电时短路。由于腔体的曲面内壁改变了饱和时接触角的方向，使得本发明相对于传统的电湿润液体透镜具有更大的焦距改变范围。该透镜即可用于光学成像系统，也可用于3D显示、光通信、干涉仪和光刻等领域。

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曲面形镜筒的电湿润液体透镜。

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，但单个玻璃透镜自身无法实现变焦。液体透镜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。它的自适应变焦特点可以实现光学系统在没有机械传动的情况下变焦，且具有变焦速度快，系统轻量化等优点。但现有的液体透镜则受到光焦度和口径的制约从而难以取代传统的玻璃透镜。而通过活塞或电磁力挤压等方式获得的大口径高光焦度液体透镜则因为结构复杂且多次驱动带来的工艺管控上的难点又使得其商业化困难重重。在这种情况下，基于电湿润驱动的大口径高光焦度液体透镜的实现迫在眉睫。

发明内容

本发明提出基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜。结构如附图1所示，该透镜包括入射窗口、偏置电极、介电疏水层、塑料垫片、接地电极、出射窗口、绝缘液体和导电液体，其中，偏置电极是内壁为曲面的腔体，介电疏水层附着在其内表面，塑料垫片在偏置电极和接地电极之间以防止液体透镜加电时短路。

绝缘液体与导电液体为两种互不相容且存在折射率差的同密度透明液体。初始状态下，两种液体在腔体内由于表面张力的作用形成的液-液面为凸面，该透镜为负透镜。由于此时液-液面与腔体球面内壁接触点的切线与相邻最近的窗口玻璃所在的水平面沿腔体外方向呈锐角，相较于传统液体透镜的垂直接触面，其在相同的初始角的情况下可形成曲率更大的液-液曲面，因此具有更大的负光焦度，如附图2所示。当在偏置电极和接地电极之间施加电压时，在电湿润效应下，液-液面会由凸变凹，形成正透镜。同样地，此时由于液-液面与腔体球面内壁接触点的切线与相邻最近的窗口玻璃所在的水平面沿腔体外方向呈锐角，相较于传统液体透镜的垂直接触面，其在相同的饱和角的情况下可形成曲率更大的液-液曲面，因此具有更大的正光焦度，如附图3所示。由于腔体的曲面内壁改变了饱和时接触角的方向，使得本发明相对于传统的电湿润液体透镜具有更大的焦距改变范围。

本发明提出的曲面形镜筒的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：

当在偏置电极和接地电极之间不断加大电压，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-液面曲率的变化。

优选地，液体透镜腔体内壁为球面、椭球面和抛物面等曲面内壁。

优选地，液体透镜腔体曲面内壁的曲率半径小于50mm。

附图说明

附图1为基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜结构剖面示意图。

附图2为基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜施加电压之前液-液面示意图。

附图3为基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜施加电压至饱和时液-液面示意图。

附图4为基于曲面形镜筒的电湿润液体透镜施加的驱动电压与液-液面曲率半径关系示意图。

上述附图中的图示标号为：