[发明专利]具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜

说明书

本发明是一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，包括固体内芯主体和设置在固体内芯主体上部和下部的第一透明件和第二透明件，固体内芯主体具有复杂内腔表面并作为透镜腔，在透镜腔内存储具有不同折射率、互不相溶的流体作为透镜材料，在固体内芯主体与透明件的连接处设置有注液装置，注液装置连接流体驱动装置，流体驱动装置通过注液装置改变透镜腔内流体的体积比，以调节通光方向流体接触界面在内腔表面的位置，从而改变接触界面形状，实现焦距可调。本发明液体透镜的变焦原理是保持接触角不变，改变两种流体体积比，以调节接触界面在内腔表面的位置，利用复杂的内腔表面在通光方向面上各点切线斜率不同，实现焦距可调。

技术领域

本发明光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域，具体的说是涉及一种新颖的具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜。

背景技术

传统的光学变焦镜头通常是由多组独立的凸/凹固体透镜组合而成的，如固定透镜的、可以沿光轴滑动的变焦透镜。通过透镜的前后移动来改变透镜系统的组合焦距，这种变焦透镜系统由于机械驱动存在体积大，操作不便等诸多不足。液体可变焦透镜无需任何的机械移动，只需通过各种方式改变液体的形状来实现变焦，与传统固体组合透镜相比，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点。

目前常用的实现液体透镜变焦的技术有电润湿法、液晶法、压控法、电磁驱动法等。典型的利用电润湿驱动方法通过改变液体弯曲界面曲率进而调节焦距的液体变焦透镜，如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜。飞利浦公司开发的液体透镜FluidFocus技术采用折射率不同且互不混溶的两种液体,导电的水溶液和不导电的油的这两种液体被装入一个两端均是透明端盖的短试管里,试管内壁和其中的一个端盖涂有疏水性材料,这使得水溶液在试管的另一端形成半球形透镜形状的液体。透镜的形状是通过在涂层上施加一个电压以减小其水排斥力的方法来调节的，通过调整液体表面张力来改变凹凸透镜的曲率半径，从而达到改变透镜焦距的目的。但是传统电润湿透镜存在不足之处：

(1)电压较高。目前利用“电润湿”效应的液态透镜驱动电压一般在40V以上，在有效变焦范围内，电压往往会达到70V及以上。

(2)其面形被杨氏方程所描述，接触角存在饱和现象，设计的自由度较小。

(3)绝缘层工艺较为复杂，难以实现。目前仅有法国Varioptic公司实现液体透镜的商业化。

典型的挤压式液体透镜，即由压力调节密封在透明弹性膜内液体的体积，挤压弹性膜使其变形达到变焦的作用，如瑞士Optotune公司的焦距可调透镜是基于光学流体和聚合物膜组合的形状变化透镜。核心元件由一个容器组成，容器中填充有光学液体，并用一层薄的弹性聚合物膜密封。一个圆环推到膜的中心，形成可调透镜。膜的形变和透镜的半径可以通过将环推向膜、向膜的外部施加压力或通过将液体泵入或泵出容器来改变。而挤压式液体透镜亦存在不足：

(1)薄膜的寿命和机械强度。薄膜会随着液体不断往复运动，不断被拉伸或收缩。如果应用于焦距改变频率较高的场合，薄膜的寿命将会大幅降低。此外，常用的PDMS薄膜长时间与液体接触还可能存在褶皱，收缩等问题。

(2)薄膜的粗糙度以及面形精度对成像质量的影响。由于当前弹性薄膜多使用PDMS薄膜，其成型工艺为固化工艺，不同的生产条件下薄膜的质量差距较大，粗糙的表面会影响成像的清晰度以及透光率，不均匀的薄膜会造成面形误差，带来更多不可控的像差。

发明内容

针对上述器件的种种不足，本发明提出一种具有复杂内腔表面的可变焦液体透镜，该透镜通过改变透镜腔内两种或多种流体的体积比来实现焦距的调节，但起光学作用流体总体积不变。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：