一种径向伸缩-拱型放大结构的变焦透镜及其工作方法技术

本发明专利技术提供一种径向伸缩

【技术实现步骤摘要】
一种径向伸缩
‑
拱型放大结构的变焦透镜及其工作方法


[0001]本专利技术属于光学元器件
，具体涉及一种径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜及其工作方法。

技术介绍

[0002]光学透镜是光学一个成熟的分支，在许多不同的科学领域做出了重要的贡献，包括显微学、光束导向、光通信、天文学和眼科等。随着科技的进步，传统光学镜头因其结构复杂、体积庞大、且存在电磁干扰等缺点无法满足人们的需求，自适应变焦透镜引起了人们的广泛关注和重视。自适应透镜通过各种各样的驱动方式(如力、热、电)改变透镜的折射率分布或曲率半径从而实现焦距的调节。例如，液晶透镜容易制作微透镜阵列，但焦距相对较小；电润湿透镜的波前误差很小，但变焦速度慢；介质弹性体驱动的自适应透镜尺寸大、响应时间慢、工作电压高(>1kV)；以上这些缺陷限制了自适应变焦透镜的实际应用。在各种驱动机构中，压电驱动方式因其低成本、低功耗、响应速度快和执行精度高等优点应用前景广阔。
[0003]现在研究者们设计的基于逆压电效应的自适应变焦透镜主要是液体透镜，有效实现在施加电信号的状态下使得压电材料发生伸缩形变改变液体的形貌(公开号CN 102879900 A)或者使压电材料内部产生径向的超声场从而改变液体的折射率(CN 109031484 A)，进而改变液体透镜的焦距，在光通信、成像、光束成形与控制、光显示等诸多领域有广泛的应用。但是，现在采用的基于逆压电效应的自适应变焦透镜存在以下问题：(1)因为存在中间液体层，为了防止液体蒸发和泄漏等问题，需要透镜的整体结构装配尺寸控制精度要求极高，导致整体结构的制备工艺复杂，不适合大规模生产，增加成本；(2)液体会存在重力影响使得光轴不稳定，以及易受到外界温度与压力的影响，最终造成图像失真等问题，需要强大的算法来改善成像质量，最终造成整体器件制造复杂、体积庞大、机械不稳定等若干难题而不能满足智能化、微型化的应用需求；(3)为了增强输出性能(位移或焦距调节范围)，需要对压电自适应变焦透镜施加较高的电压，从而限制了其的实际应用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于逆压电效应的径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜，解决现有基于压电驱动的液体透镜存在的结构复杂、制作精度要求高、以及易受到外界环境条件的干扰、整体尺寸过大、工作电压太高、液体蒸发和泄漏、光轴不稳定和图像失真等问题，具有结构简单紧凑、制作简单、即时对焦、高光轴稳定性、极低功耗、输出位移大、不存在液体、无电磁干扰高等优点。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，包括框体以及沿着光轴依次堆叠并紧密连接的压电材料、第一玻璃、有机薄膜和第二玻璃，压电材料、第一玻璃、有机薄膜以及第二玻璃的中心保持同心，压电材料中心开设一个圆形孔，压电材料和第一玻璃的边缘与框体连接，压电材料的两个面均设置电极，有机
薄膜采用柔性透明材料，框体采用刚性材料。
[0006]压电材料采用单片压电单晶材料、单片压电陶瓷材料、多片压电单晶材料堆叠或者多片压电陶瓷材料堆叠。
[0007]压电材料均沿着厚度极化或者沿径向极化。
[0008]压电材料为压电片、压电薄膜、压电块或压电堆。
[0009]当压电材料为压电堆结构时，压电材料包含多个压电单晶片，多片压电单晶片沿着厚度方向叠加布置，两个相邻的压电片之间的电极呈叉指电极结构布置；且多个压电片之间为电学并联和串联方式连接。
[0010]第一玻璃和第二玻璃采用光学玻璃，有机薄膜采用PDMS凝胶、ClearFlex 50胶水或硅橡胶。
[0011]压电材料、第一玻璃、有机薄膜以及第二玻璃依次粘接，压电材料和第一玻璃的边缘与框体粘接。
[0012]压电材料的外缘为正多边形，框体采用金属或PMMA。
[0013]本专利技术所述自适应变焦透镜的工作方法，包括长度伸缩模式和厚度剪切模式，具体如下：
[0014](1)压电材料在长度伸缩模式下，压电材料极化方向为厚度方向，压电材料的上下表面施加激励电压后，通过d
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压电工作模式激发压电材料长度伸缩模式振动，压电材料沿着径向方向会产生较大的伸缩变形；对于厚度极化压电材料，将压电材料分为上下两部分，上部分工作电压与极化方向相同，工作在伸长状态下，下部分工作电压与极化方向相反，其工作在缩短状态；
[0015](2)压电材料在剪切模式下，压电材料极化方向为径向方向，压电材料的上下表面施加激励电压，通过d
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压电模式激发压电材料厚度剪切模式振动，其上下表面产生向上或向下的剪切运动；对于厚度极化压电材料，压电材料均工作在相同的向上或向下剪切运动模式；
[0016]压电材料的长度伸缩模式或者厚度剪切模式下，迫使其中心部分产生垂直于压电材料表面的较大位移运动，所述位移运动传递至第一玻璃，第一玻璃中心部分产生垂直于压电材料表面的较大位移运动，实现上下弯曲变形带动有机薄膜产生相应的拱起或者凹陷，形成凹透镜或凸透镜。
[0017]通过改变压电材料层数或激励电压的大小改变凹透镜或凸透镜的焦距。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供了一种基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜。所述自适应透镜工作在谐振频率下，与传统自适应变焦透镜(基于介电弹性体驱动的自适应变焦透镜和基于压电材料驱动的自适应变焦透镜)相比，其响应速度快且输出位移大；所述自适应变焦透镜工作电压低，且可调焦距范围大，具有超高可调焦距灵敏度；所述自适应变焦透镜对外界环境条件不敏感，不存在外界温度、压力以及重力的影响，因此，不需要复杂的校准程序；所述自适应变焦透镜工作电压电流均比较小，其具有极低的功耗；所述自适应透镜在其使用寿命期间性能稳定，寿命长等优点。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的一种基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜结构示意图；
[0020]图2是本专利技术的基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜的结构爆炸视图；
[0021]图3是本专利技术的基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜未加电压时的结构示意图；
[0022]图4是本专利技术的基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜施加正电压时形成平凸透镜的结构示意图；
[0023]图5是本专利技术的基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜施加负电压时形成平凸透镜的结构示意图；
[0024]图6是本专利技术的一种基于逆压电效应的新型径向伸缩
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拱型放大结构的自适应变焦透镜施加负电压时形成平凸透镜的仿真示意图，其中(a)为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，包括框体(1)以及沿着光轴依次堆叠并紧密连接的压电材料(2)、第一玻璃(3)、有机薄膜(4)和第二玻璃(5)，压电材料(2)、第一玻璃(3)、有机薄膜(4)以及第二玻璃(5)的中心保持同心，压电材料(2)中心开设一个圆形孔，压电材料(2)和第一玻璃(3)的边缘与框体(1)连接，压电材料(2)的两个面均设置电极，有机薄膜(4)采用柔性透明材料，框体(1)采用刚性材料。2.根据权利要求1所述的径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，压电材料(2)采用单片压电单晶材料、单片压电陶瓷材料、多片压电单晶材料堆叠或者多片压电陶瓷材料堆叠。3.根据权利要求1所述的径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，压电材料(2)均沿着厚度极化或者沿径向极化。4.根据权利要求1所述的径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，压电材料(2)为压电片、压电薄膜、压电块或压电堆。5.根据权利要求4所述的径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，当压电材料为压电堆结构时，压电材料(2)包含多个压电单晶片，多片压电单晶片沿着厚度方向叠加布置，两个相邻的压电片之间的电极呈叉指电极结构布置；且多个压电片之间为电学并联和串联方式连接。6.根据权利要求1所述的径向伸缩
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拱型放大结构的变焦透镜，其特征在于，第一玻璃(3)和第二玻璃(5)采用光学玻璃，有机薄膜(4)采用PDMS凝胶、ClearFlex 50胶水或硅橡胶。7.根据权利要求1所述的径向伸缩
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【专利技术属性】
技术研发人员：高翔宇，乔辽，靳浩楠，任凯乐，刘金凤，李飞，徐卓，王明文，邱超锐，杨帅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：