專利名稱：一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雙液體變焦透鏡，具體涉及一種 可改變光軸的雙液體變焦透鏡。
背景技術(shù)：
變焦透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中具有十分重要的作用。近年來(lái)隨著光通信技術(shù)的 發(fā)展，微型變焦透鏡的需求隨之增大。長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)透鏡光學(xué)系統(tǒng)不斷進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的傳統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)透鏡組，已瀕臨所能達(dá)到尺寸 的極限，不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。為實(shí)現(xiàn)變焦透鏡的微型化并提高其使用 壽命，目前國(guó)際上已經(jīng)提出了一些新型變焦微透鏡技術(shù)，液體透鏡就是其中 的一種，相較于其他新型微透鏡而言，液體透鏡的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，且成像質(zhì) 量較好。
通過(guò)外加電壓改變部分浸潤(rùn)性導(dǎo)電液體接觸角的現(xiàn)象，稱為電濕效應(yīng)
(dectrowetting)，電濕效應(yīng)可用于控制微小液滴的表面曲率。光學(xué)系統(tǒng)中 使用的光學(xué)組件的尺寸大多為幾十至幾百微米，在這個(gè)尺度下，液體的行為 受到表面張力的強(qiáng)烈影響，表面張力已經(jīng)超過(guò)其它力而成為主導(dǎo)作用力。
傳統(tǒng)的液體透鏡，基于平面電極的底座，在一個(gè)帶平板電極和疏水性表 面介質(zhì)層的襯底上面放置導(dǎo)電液滴(微升量級(jí))，電壓加在液滴和平板電極 之間。液滴和電極間沒(méi)有電壓時(shí)，由于介質(zhì)層疏水，液滴與介質(zhì)層表面的接 觸角為鈍角。液滴和電極間施加電壓后，感應(yīng)出的自由電荷或極化電荷改變 了液滴與介質(zhì)層界面的自由能，使該界面上的潤(rùn)濕特性發(fā)生變化，導(dǎo)致液滴與介質(zhì)層表面的接觸角減小。此液體透鏡不僅可以改變焦距，還可以控制透 鏡在平面上的運(yùn)動(dòng)。但傳統(tǒng)液體透鏡的結(jié)構(gòu)沒(méi)有穩(wěn)定光軸的機(jī)制，也即當(dāng)外 加電壓確定后，光學(xué)系統(tǒng)的搖晃抖動(dòng)會(huì)使透鏡的光軸位置改變，影響成像質(zhì) 量，限制了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。
為了穩(wěn)定光軸和保證成像質(zhì)量，提出了一種雙液體透鏡的設(shè)計(jì)方案圓 柱形玻璃管中填充兩種透明、密度相同且互不相溶的液體，其中一種液體是 導(dǎo)電的水溶液，另一種液體是絕緣的非極性液體。該兩種液體具有不同的折 射率，使兩種液體的界面在任何方位都能保持球面形狀。玻璃圓柱體的內(nèi)壁 依次沉積了一層透明電極和一層疏水介電層。在導(dǎo)電液體和透明電極之間施 加電壓，該電壓可以有效地改變導(dǎo)電液體與疏水介電層之間的界面張力，即 改變導(dǎo)電液體與疏水介電層的接觸角。而接觸角的改變決定圓柱形玻璃管中 填充的兩種液體的界面形狀，進(jìn)而改變液體透鏡的焦距。但這種雙液體透鏡 的透光性較差，不能施加均勻電場(chǎng)，且該透鏡中的圓柱形電極大而厚，無(wú)法 改變光軸并進(jìn)行方向性對(duì)焦。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡，用于光學(xué)系統(tǒng) 中，可改變光軸并進(jìn)行方向性對(duì)焦。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡，包括 圓筒形石英玻璃管，石英玻璃管內(nèi)壁內(nèi)側(cè)和外壁外側(cè)分別鍍有導(dǎo)電薄膜B和 導(dǎo)電薄膜A，導(dǎo)電薄膜B內(nèi)側(cè)貼附有疏水介質(zhì)層，疏水介質(zhì)層內(nèi)填充有密度 相同且互不相溶的導(dǎo)電液和絕緣液體，石英玻璃管的下端面固接有端蓋，端 蓋與石英玻璃管之間設(shè)置有導(dǎo)電薄膜C，導(dǎo)電薄膜C與電源的負(fù)極相連捧， 電源的正極分別與導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電薄膜B相連接，導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電薄膜B分別與導(dǎo)電薄膜C絕緣，導(dǎo)電薄膜A沿石英玻璃管的軸向、在石英玻 璃管外壁的外側(cè)圓周上均勻分為至少四等分，各等分之間設(shè)置有厭水絕緣條 A使各部分之間相互絕緣，導(dǎo)電薄膜B沿石英玻璃管的軸向、在石英玻璃管 內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)圓周上均勻分為至少四等分，各等分之間設(shè)置有厭水絕緣條B使 各部分之間相互絕緣，厭水絕緣條A和厭水絕緣條B將石英玻璃管分為相 應(yīng)等分的象限，每個(gè)象限內(nèi)分別有一導(dǎo)電薄膜A和一導(dǎo)電薄膜B，與象限相 對(duì)應(yīng)設(shè)置數(shù)量相等的電源，不同象限內(nèi)的導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電薄膜B與各自 的電源的正極連接。
本發(fā)明的特征還在于，
導(dǎo)電薄膜A與導(dǎo)電薄膜B的等分?jǐn)?shù)量為四的倍數(shù)，導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電 薄膜B的等分?jǐn)?shù)量必須一致，并且與電源數(shù)量一致。
本發(fā)明變焦透鏡采用四倍數(shù)象限的圓柱形電極液體透鏡，在可視范圍 內(nèi)，使液體透鏡能夠達(dá)到變焦的目的，同時(shí)液體透鏡的光軸可以自由變化， 達(dá)到偏離光軸聚焦的目的，使得變焦透鏡能進(jìn)行方向性對(duì)焦。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造價(jià)低、重復(fù)能力強(qiáng)。
圖1是現(xiàn)有基于平面電極液體透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖2是現(xiàn)有基于圓柱形電極雙液體透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2的俯視圖4是本發(fā)明變焦透鏡一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖4的俯視圖。
圖中，l.電源，2.筒，3.導(dǎo)電液，4表面介質(zhì)層，5.電極，6,底座，7.石英 玻璃管，8.導(dǎo)電薄膜A， 9.導(dǎo)電薄膜B， IO.疏水介電層，ll.絕緣液體，12.端蓋，13.導(dǎo)電薄膜C， 14.厭水絕緣條A， 15.厭水絕緣條B。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1所示為現(xiàn)有基于平面電極液體透鏡的結(jié)構(gòu)。包括絕緣材料制成的底 座6，底座6的上表面固接有電極5，電極5為平板形，電極5的上面固接 有表面介質(zhì)層4，表面介質(zhì)層4的上表面固接有中空的圓柱形的筒1，筒1 的內(nèi)部與表面介質(zhì)層4的上表面相通，筒1內(nèi)填充有導(dǎo)電液3，導(dǎo)電液3與 表面介質(zhì)層4的上表面相接觸。電極5與電源1的負(fù)極相連接，電源1的正 極與導(dǎo)電液3相通。
基于平面電極的液體透鏡，在一個(gè)帶平板形電極5和具有疏水性表面'介 質(zhì)層的表面介質(zhì)層4的襯底上面放置導(dǎo)電液3 (微升量級(jí))，電源1的電壓施 加于導(dǎo)電液3和電極5之間。當(dāng)導(dǎo)電液3和電極5之間沒(méi)有電壓時(shí)，由于介 質(zhì)層疏水，導(dǎo)電液3的液滴與介質(zhì)層表面的接觸角為鈍角。導(dǎo)電液3和電極 5之間施加電壓后，感應(yīng)出的自由電荷或極化電荷改變了導(dǎo)電液3的液滴與 介質(zhì)層界面的自由能，使該界面上的潤(rùn)濕特性發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)電液3的液 滴與介質(zhì)層表面的接觸角減小。此液體透鏡不僅可以改變焦距，還可以控制 透鏡在平面上的運(yùn)動(dòng)。但該液體透鏡沒(méi)有穩(wěn)定光軸的結(jié)構(gòu)，也即當(dāng)外加電壓 確定后，光學(xué)系統(tǒng)的搖晃抖動(dòng)會(huì)使透鏡的光軸位置改變，影響成像質(zhì)量，限 制了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。
現(xiàn)有基于圓柱形電極雙液體透鏡的結(jié)構(gòu)，如圖2、圖3所示。包括豎直 設(shè)置的圓筒形石英玻璃管7，石英玻璃管7的外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別貼附有透明的 導(dǎo)電薄膜A8和導(dǎo)電薄膜B9，導(dǎo)電薄膜B9的內(nèi)側(cè)貼附有疏水介電層10，疏 水介電層10內(nèi)填充有導(dǎo)電液3和絕緣液體11，導(dǎo)電液3和絕緣液體11均為透明液體，且互不相溶；石英玻璃管7的下端面固接有端蓋12，端蓋12與 石英玻璃管7之間貼附有透明的導(dǎo)電薄膜C13，導(dǎo)電薄膜C13與電源1的負(fù) 極相連接，電源1的正極分別與導(dǎo)電薄膜A8和導(dǎo)電薄膜B9相連接。導(dǎo)電 薄膜A8、導(dǎo)電薄膜B9與導(dǎo)電薄膜C13不相接觸。
基于圓柱形電極的雙液體透鏡，石英玻璃管7中填充透明、密度相同且 互不相溶的導(dǎo)電液3和絕緣液體11。導(dǎo)電液3和絕緣液體11具有不同的折 射率，使兩種液體的界面在任何方位都能保持球面形狀。石英玻璃管7內(nèi)壁 依次設(shè)置了一層透明的導(dǎo)電薄膜B9和一層疏水介電層10。在導(dǎo)電液3和透 明的導(dǎo)電薄膜B9之間施加電壓，該電壓可以有效地改變導(dǎo)電液3與疏水介 電層10之間的界面張力，即改變導(dǎo)電液3與疏水介電層10的接觸角。而該 接觸角的改變能夠決定石英玻璃管7內(nèi)填充的兩種液體之間的界面形狀，進(jìn) 而改變液體透鏡的焦距。但這種雙液體透鏡的透光性較差，不能施加均勻電 場(chǎng)，且該透鏡中的圓柱形電極大而厚，無(wú)法改變光軸并進(jìn)行方向性對(duì)焦。
本發(fā)明變焦透鏡的結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。包括圓筒形石英玻璃管7， 沿石英玻璃管7的軸向、在石英玻璃管7外壁的外側(cè)均勻貼附有四條厭水絕 緣條A14，該四條厭水絕緣條A14將石英玻璃管7外壁的外側(cè)圓周均勻分為 四等分，在該四等分圓周之間分別貼附有透明的導(dǎo)電薄膜A8，各導(dǎo)電薄.膜 A8相互絕緣；沿石英玻璃管7的軸向、石英玻璃管7內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)均勻貼附 有四條厭水絕緣條B15，該四條厭水絕緣條B15將石英玻璃管7內(nèi)壁的內(nèi)側(cè) 圓周分為四等分，在該四等分圓周之間分別貼附有透明的導(dǎo)電薄膜B9，各 導(dǎo)電薄膜B9相互絕緣，厭水絕緣條A14和厭水絕緣條B15將石英玻璃管7 分為四個(gè)象限，每個(gè)象限內(nèi)分別有一導(dǎo)電薄膜A8和一導(dǎo)電薄膜B9，導(dǎo)電薄 膜B9的內(nèi)側(cè)貼附有圓筒形的疏水介質(zhì)層10，疏水介質(zhì)層10內(nèi)填充有導(dǎo)電液3和絕緣液體11，導(dǎo)電液3和絕緣液體11均為透明液體，且互不相溶； 石英玻璃管7的下端面固接有端蓋12，端蓋12與石英玻璃管7之間貼附有 透明的導(dǎo)電薄膜C13，導(dǎo)電薄膜A8、導(dǎo)電薄膜B9與導(dǎo)電薄膜C13不接觸。 與象限相對(duì)應(yīng)設(shè)置數(shù)量相等的電源1，不同象限內(nèi)的導(dǎo)電薄膜A8和導(dǎo)電薄 膜B9與各自的電源連接，電源1的正極與導(dǎo)電薄膜A8和導(dǎo)電薄膜B9連接， 電源1的負(fù)極與導(dǎo)電薄膜C13相連接。
厭水絕緣條A14和厭水絕緣條B15可為四的倍數(shù)，將石英玻璃管7的 內(nèi)外側(cè)分別分為四的倍數(shù)的等分。
導(dǎo)電薄膜A8、導(dǎo)電薄膜B9和導(dǎo)電薄膜C13為透明的Sn02層。 導(dǎo)電液3為鹽溶液；絕緣液體11為非極性的油性液體；導(dǎo)電液3和絕 緣液體11的密度相同，保證透鏡成像的穩(wěn)定性。
該實(shí)施例采用四個(gè)獨(dú)立的電源l，用于提供0V 60V不等的電壓以控制
液體透鏡變焦。
將石英玻璃管7內(nèi)壁和外壁上的四個(gè)等分的Sn02透明導(dǎo)電薄膜電極均 引出一根導(dǎo)線連接到各自對(duì)應(yīng)的電源的正極。將配比好的導(dǎo)電液3和絕緣液 體11充入該石英玻璃管7內(nèi)，使絕緣液體11處于石英玻璃管7的上半部分， 導(dǎo)電液3處于石英玻璃管7的下半部分，并與端蓋12上的透明導(dǎo)電薄膜C13 相接觸，使電源的負(fù)極與導(dǎo)電薄膜C13連接。每個(gè)獨(dú)立電極施加電壓之前， 絕緣液體11與導(dǎo)電液3的交接面處于水平狀態(tài)。開啟電源1給四個(gè)獨(dú)立電 極施加相等的電壓，此時(shí)絕緣液體11與導(dǎo)電液3相接處的界面呈弧形曲率， 此時(shí)液體透鏡的光軸在圓柱形電極的正中央，可達(dá)到變焦目的。當(dāng)四個(gè)獨(dú)立 電極施加不同的電壓時(shí)，電壓較高的電極所對(duì)應(yīng)的液體區(qū)域產(chǎn)生較強(qiáng)的電濕 效應(yīng)，電壓較低的電極所對(duì)應(yīng)的液體區(qū)域產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較弱，使得液體透 鏡的光軸方向發(fā)生改變，偏向電壓較高的方位，實(shí)現(xiàn)改變光軸的目的。
權(quán)利要求
1.一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡，包括圓筒形石英玻璃管(7)，石英玻璃管(7)內(nèi)壁內(nèi)側(cè)和外壁外側(cè)分別鍍有導(dǎo)電薄膜B(9)和導(dǎo)電薄膜A(8)，導(dǎo)電薄膜B(9)內(nèi)側(cè)貼附有疏水介質(zhì)層(10)，疏水介質(zhì)層(10)內(nèi)填充有密度相同且互不相溶的導(dǎo)電液(3)和絕緣液體(11)，石英玻璃管(7)的下端面固接有端蓋(12)，端蓋(12)與石英玻璃管(7)之間設(shè)置有導(dǎo)電薄膜C(13)，導(dǎo)電薄膜C(13)與電源(1)的負(fù)極相連接，電源(1)的正極分別與導(dǎo)電薄膜A(8)和導(dǎo)電薄膜B(9)相連接，導(dǎo)電薄膜A(8)和導(dǎo)電薄膜B(9)分別與導(dǎo)電薄膜C(13)絕緣，其特征在于，所述的導(dǎo)電薄膜A(8)沿石英玻璃管(7)的軸向、在石英玻璃管(7)外壁的外側(cè)圓周上均勻分為至少四等分，各等分之間設(shè)置有厭水絕緣條A(14)使各部分之間相互絕緣，所述的導(dǎo)電薄膜B(9)沿石英玻璃管(7)的軸向、在石英玻璃管(7)內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)圓周上均勻分為至少四等分，各等分之間設(shè)置有厭水絕緣條B(15)使各部分之間相互絕緣，厭水絕緣條A(14)和厭水絕緣條B(15)將石英玻璃管(7)分為相應(yīng)等分的象限，每個(gè)象限內(nèi)分別有一導(dǎo)電薄膜A(8)和一導(dǎo)電薄膜B(9)，與象限相對(duì)應(yīng)設(shè)置數(shù)量相等的電源(1)，不同象限內(nèi)的導(dǎo)電薄膜A(8)和導(dǎo)電薄膜B(9)與各自的電源(1)的正極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于，所述導(dǎo)電薄膜A(8) 與導(dǎo)電薄膜B (9)的等分?jǐn)?shù)量為四的倍數(shù)，導(dǎo)電薄膜A (8)和導(dǎo)電薄膜B (9)的等分?jǐn)?shù)量必須一致，并且與電源(1)數(shù)量一致。
全文摘要
一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡，在石英玻璃管側(cè)壁的內(nèi)外側(cè)分別鍍有導(dǎo)電薄膜B和導(dǎo)電薄膜A，導(dǎo)電薄膜B內(nèi)貼附有疏水介質(zhì)層，疏水介質(zhì)層內(nèi)填充有密度相同且互不相溶的導(dǎo)電液和絕緣液體，石英玻璃管下端面固接有端蓋，端蓋與石英玻璃管之間設(shè)置有導(dǎo)電薄膜C，導(dǎo)電薄膜C與電源的負(fù)極相連接，電源的正極分別與導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電薄膜B相連接，導(dǎo)電薄膜B和導(dǎo)電薄膜A分別沿石英玻璃管的徑向分為至少四等分，導(dǎo)電薄膜A和導(dǎo)電薄膜B等分后的各部分之間相互絕緣，設(shè)置與等分相等數(shù)量的電源，等分后的導(dǎo)電薄膜B和導(dǎo)電薄膜A分別與各自的電源相連接。本發(fā)明變焦透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在可視范圍內(nèi)可偏離光軸進(jìn)行對(duì)焦。
文檔編號(hào)G02B3/14GK101539639SQ200910021970
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者佳 劉, 施舒楠, 焦李成, 帥 袁 申請(qǐng)人:施舒楠