一种单驱动液体变焦透镜及其制作方法、变焦成像方法技术

本发明专利技术公开的一种单驱动液体变焦透镜及其制作方法、变焦成像方法，属于光学成像领域。所述单驱动液体变焦透镜采用介电弹性体材料制作圆台形介电弹性体薄膜，在薄膜中注入液体，在薄膜的内外表面分别均匀涂上内、外柔性电极，在、外柔性电极两端施加电压时，驱动薄膜变形，进而使液体的曲率半径发生变化，改变液体透镜的焦距，由于薄膜的顶端固定于固定透明平板，薄膜的底端将发生移动，补偿液体透镜焦距变化导致的焦点移动，即利用单个驱动实现单个液体透镜的大范围、高速变焦。本发明专利技术还公开一种单驱动液体变焦透镜制作方法和基于所述一种单驱动液体变焦透镜实现的变焦成像方法。本发明专利技术还具有调焦效率高、结构简单、控制容易、加工难度小等优点。

A single driving liquid zoom lens and its fabrication method, zoom imaging method

【技术实现步骤摘要】
一种单驱动液体变焦透镜及其制作方法、变焦成像方法
本专利技术涉及一种单驱动液体变焦透镜及制作方法、变焦成像方法，属于光学成像领域。
技术介绍
变焦镜头可实现对目标不同倍率成像，广泛应用于工业、医疗、军事、生活等各个领域。变焦镜头包括两个功能组，一个是变倍组，另外一个是补偿组。变倍组可改变镜头的焦距和视场，用于实现目标的不同放大或缩小成像。补偿组用于补偿由于变倍组焦距变化后导致的焦点移动，使得焦点位置始终位于图像传感器上。由于传统的变焦镜头由多个固定透镜组成，通过机械移动部件带动固定透镜移动，完成变焦成像。然而该方法存在体积大、对准精度要求高等难题。为了解决这一难题，人们提出了采用液体透镜实现变焦。目前采用液体透镜完成变焦的方式包括：两个及以上液体透镜、固定透镜和液体透镜相结合、多驱动的单个液体透镜。第一种方式和第二种虽然省去了机械移动部件，然而由于需要多个透镜，体积和成本以及控制难度依然很大。第三种方式虽然只需单个液体透镜，然而需要多个驱动单元，结构上和控制上较为复杂。为了进一步减小系统体积和控制的复杂性，亟需提出一种单液体透镜变焦透镜及制作方法。
技术实现思路
本专利技术公开的一种单驱动液体变焦透镜及制作方法要解决的技术问题是：提供一种单驱动的液体透镜变焦透镜及制作方法，由于介电弹性体具有变形量大、驱动速度快的优点，使得该液体透镜统能够实现大范围、高速的液体透镜变焦，且具有调焦效率高、结构简单、控制容易、加工难度小等优点。本专利技术还公开基于所述一种单驱动液体变焦透镜实现的变焦成像方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种单驱动液体变焦透镜，采用介电弹性体材料制作圆台形介电弹性体薄膜，在圆台形介电弹性体薄膜中注入液体，在圆台形介电弹性体薄膜的内外表面分别均匀涂上内柔性电极和外柔性电极，在内柔性电极和外柔性电极两端施加电压时，驱动介电弹性体材料制作的圆台形介电弹性体薄膜变形，进而使圆台形介电弹性体薄膜内液体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的顶端固定于固定透明平板，此时圆台形介电弹性体薄膜的底端将发生移动，从而补偿液体透镜焦距变化导致的焦点移动，即利用单个驱动实现单个液体透镜的大范围、高速变焦功能。本专利技术公开的一种单驱动液体变焦透镜，包括固定透明平板、圆台形介电弹性体薄膜、内柔性电极、外柔性电极、液体和高压电源。固定透明平板通过粘性胶粘于圆台形介电弹性体薄膜的上方，圆台形介电弹性体薄膜的内外表面分别均匀涂有内柔性电极和外柔性电极，液体位于圆台形介电弹性体薄膜的内部，高压电源的低端与内柔性电极相连接，高压电源的正端与外柔性电极相连接。高压电源通电时在内柔性电极和外柔性电极两端施加电压，驱动介电弹性体材料制作的圆台形介电弹性体薄膜变形，进而使圆台形薄膜内液体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的顶端固定于固定透明平板，此时圆台形介电弹性体薄膜的底端将发生移动，从而补偿液体透镜焦距变化导致的焦点移动，即利用单个驱动实现单个液体透镜大范围快速变焦功能。作为优选，所述固定透明平板为玻璃平板。本专利技术还公开一种单驱动液体变焦透镜制作方法，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，实现加工注塑模具。注塑的模具主要由左上半模具、右上半模具和下方模具三个部分组成。左上半模具的截面某个位置分布有左上半模具凹槽，左上半模具的平台位置分布有两个相同的左半圆槽圆台，左半圆槽圆台有两个层叠的圆柱组成，分别为左上半模具凹槽的大圆柱和左上半模具凹槽的小圆柱，左上半模具凹槽的大圆柱用于控制注塑后的圆台形介电弹性体薄膜的平面厚度，左上半模具凹槽的小圆柱用于与下方模具固定。右上半模具的截面某个位置分布有右上半模具凸台，右上半模具凸台和左上半模具凹槽相互配合，用于将左上半模具和右上半模具固定连接。右上半模具的平台位置分布有两个相同的右上半模具圆台，右上半模具圆台有两个层叠的圆柱组成，分别为右上半模具的大圆柱和右上半模具的小圆柱，右上半模具的小圆柱用于与下方模具固定。下方模具的中间部分为下模具的凸台，外围部分分布有用于固定左上半模具和右上半模具的四个下方模具凹槽。步骤二、装配左上半模具、右上半模具和下方模具。将左上半模具凹槽和右下半模具凸台相配合，并将下方模具的四个凹槽中的两个凹槽与左上半模具的小圆柱配合，另两个凹槽与右上半模具的小圆柱相配合，实现将左上半模具、右上半模具和下方模具的装配。步骤三、将介电弹性体溶液注入到模具中，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的制作。作为优选，所述步骤三处理固化方法包括加热、紫外照射。步骤四、将圆台形介电弹性体薄膜的内外表面分别均匀的涂一层柔性电极，分别为内柔性电极和外柔性电极，并分别引出导线连接到高压电源的负极和正极。在圆台形介电弹性体薄膜的内部注入液体，液体的折射率为n。固定透明平板通过粘性胶粘于圆台形介电弹性体薄膜的上方。作为优选，步骤四所述液体为水、甘油或乙醇。本专利技术还公开基于所述一种单驱动液体变焦透镜实现的变焦成像方法，包括如下步骤：包括所述一种单驱动液体变焦透镜制作方法的步骤一至步骤四。还包括步骤五、高压电源的开关打开时，未施加电压时的液体表面的曲率半径为r，液体与圆台形介电弹性体薄膜底部的距离为h，圆台形介电弹性体薄膜的锥角液体和圆台形介电弹性体薄膜接触角为θ，圆台形介电弹性体薄膜的底部半径为a，圆台形介电弹性体薄膜的顶部半径为b。未施加电压时的液体表面的曲率半径r表示为：未施加电压时的液体表面的弓高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照射在固定透明平板后，经过液体的折射作用后聚焦于未施加电压时的焦点处，未施加电压时的液体表面焦距f1′表示为：f1′＝r2/[2×(n-1)×s](4)步骤六、高压电源的开关闭合时，由于在圆台形介电弹性体薄膜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的顶端固定于固定透明平板，因而圆台形介电弹性体薄膜的底部将往下运动，运动的位移为d。施加电压时的液体表面的曲率半径为r′，施加电压时的液体表面的弓高为s′，施加电压时的液体表面的高度为h′。因此，高压电源的开关闭合时，圆台形介电弹性体薄膜的锥角表示为：当高压电源的开关闭合时，一方面，液体的曲率半径将发生变化，施加电压时的液体表面变为r′，从而引起液体透镜焦距的变化；另一方面，液体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通过液体后，施加电压时的焦点的位置与未施加电压时的焦点保持一致，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单驱动液体变焦透镜，其特征在于：采用介电弹性体材料制作圆台形介电弹性体薄膜(2)，在圆台形介电弹性体薄膜(2)中注入液体(5)，在圆台形介电弹性体薄膜(2)的内外表面分别均匀涂上内柔性电极(3)和外柔性电极(4)，在内柔性电极(3)和外柔性电极(4)两端施加电压时，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，进而使圆台形介电弹性体薄膜(2)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，即利用单个驱动实现单个液体透镜的大范围、高速变焦功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种单驱动液体变焦透镜，其特征在于：采用介电弹性体材料制作圆台形介电弹性体薄膜(2)，在圆台形介电弹性体薄膜(2)中注入液体(5)，在圆台形介电弹性体薄膜(2)的内外表面分别均匀涂上内柔性电极(3)和外柔性电极(4)，在内柔性电极(3)和外柔性电极(4)两端施加电压时，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，进而使圆台形介电弹性体薄膜(2)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，即利用单个驱动实现单个液体透镜的大范围、高速变焦功能。


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：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)的低端与内柔性电极(3)相连接，高压电源(6)的正端与外柔性电极(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，即利用单个驱动实现单个液体透镜大范围快速变焦功能。


3.如权利要求1或2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。


4.一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)的截面某个位置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)有两个层叠的圆柱组成，分别为左上半模具凹槽的大圆柱(12)和左上半模具凹槽的小圆柱(13)，左上半模具凹槽的大圆柱(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，左上半模具凹槽的小圆柱(13)用于与下方模具(9)固定；右上半模具(8)的截面某个位置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)有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...

【专利技术属性】
技术研发人员：程阳，郝群，曹杰，崔焕，王营博，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11