[發明專利]基于逆壓電效應的可變焦雙液體透鏡

無效

• 申請號: 201010274692.0
• 申請日: 2010-09-07
• 公開（公告）號: CN101950078A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 陳瀚;吳健康;張峰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B26/02
• 分類號: G02B26/02;G02B3/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

技術領域

本發明涉及一種包含兩種不同液體的液體透鏡，更具體地，涉及一種依靠壓電材料的逆壓電效應調節焦距的液體透鏡。

背景技術

通常所用的透鏡模件使用由焦距固定的固體制成的透鏡，為了調節焦距，這種透鏡模件使用多個固體透鏡，調節時通過額外的運動機械部件，造成變焦透鏡結構復雜，控制精確度和可靠性受到很大限制。

另外一類液體透鏡包含有直接接觸的兩種不同液體，其特征在于簡單的內部結構，并且更加容易調節焦距。此類液體透鏡的原理是通過電浸潤方法來改變液體之間的交界面(或彎月面)的曲率半徑來調節其焦點。電浸潤現象依賴于液體表面張力，而當幾何尺寸變大時表面張力效果急劇減小，因此電浸潤驅動技術不適合于較大尺度的液體透鏡。而且，由于兩種液體直接接觸，要求它們必須不能互溶，密度接近，不發生化學反應，另外兩種液體的界面穩定性易收到外界擾動等因素的影響。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于逆壓電效應的可變焦雙液體透鏡，通過壓電材料的變形實現變焦功能，擴大液體的選取范圍，增大了調焦范圍。

基于逆壓電效應的可變焦雙液體透鏡，包括容腔，容腔壁采用壓電材料，容腔的上端蓋和下端蓋均采用透明材料，容腔內被透明彈性隔膜分為上下兩腔室，兩腔室內填充有不同液體，上腔室的容器壁與上端蓋及隔膜相接的地方分別安放有一電極，該兩電極間接有第一電壓；下腔室的容器壁與下端蓋及隔膜相接的地方也分別安放有一電極，該兩電極間接有第二電壓。

所述壓電材料采用PZT壓電陶瓷或石英晶體。

所述透明彈性隔膜采用聚二甲基硅氧烷或EVA樹脂薄膜。

所述上、下端蓋采用玻璃或有機玻璃。

為解決前述問題，本發明使用壓電材料的逆壓電效應(或稱為電致伸縮現象)，即當在壓電材料的極化方向上施加電場，這些壓電材料也會發生變形，電場去掉后，壓電材料的變形隨之消失。壓電材料發生變形時，可造成液體腔側壁的伸縮變形，如附圖1，導致兩種液體之間的透明彈性隔膜1發生形變。通過改變電壓大小可以改變隔膜1的曲率半徑，從而調節液體透鏡的焦點。圓柱形液體透鏡的設計還可以改善光軸的穩定性。此外，由于使用了壓電調控的方式，透鏡中無機械運動部件，結構簡單，易于控制，可靠性增強，適用于電池供電的袖珍產品中，并且適合微加工與微陣列制造。因此，本發明改善了液體透鏡的調控技術。

同時，本發明使用具有化學惰性且光學透明的彈性隔膜將兩種液體隔開，透鏡兩端用透明材料進行密封，使液體及彈性隔膜不與外界接觸，因而不會發生單液體透鏡因液體長時間負壓造成的空氣經彈性隔膜滲入液體腔內的現象。同時，透鏡兩端由玻璃密封，使得整個透鏡沒有柔性部分與外界接觸，透鏡的抗機械沖擊能力大大提高，雙液體(折射率)的壓電透鏡與現有的單液體透鏡相比，焦距可調范圍更大，并有利于減小像差。由于有透明隔膜的存在，對兩種液體的物理化學性質沒有限制，種類選擇范圍增大。因此，本發明提高了液體透鏡結構可靠性，解決了液體透鏡在液體選擇上的局限性問題，增大了調焦范圍。

附圖說明

圖1是本發明液體透鏡的截面示意圖；

圖2是本發明發生壓電效應后的液體透鏡截面圖；

圖3是圖2示例改變電壓極性后液體透鏡的截面圖。

具體實施方式

下面參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。

圖1為一種依靠逆壓電效應調節焦距的液體透鏡。如圖1所示，在一個圓柱形的腔室中充滿兩種不同折射率的液體3與液體4，兩種液體透明并且具有不同折射率，可以在蒸餾水、鉻酸鉀、乙二醇等多種液體中選擇。實施例選取的折射率為1.33的蒸餾水與折射率為1.5的63％鉻酸鉀溶液，它們被透明彈性隔膜1(比如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)薄膜)分隔開，圓柱形腔室的兩個端面5用透明玻璃片密封。圓柱腔的腔壁2是PZT壓電陶瓷制作而成，隔膜1與腔壁2、兩玻璃片端面5相接處安放有電極6(導電的金屬圓環片)。隔膜1上方的兩電極6接電壓V1，隔膜1下方的兩電極6接電壓V2。電壓V1和V2可以獨立調節大小和正負極性。

圖2中，上腔室的壓電材料容器壁在外加電壓V1下發生軸向縮短，彈性隔膜1下方的壓電材料容器壁在外加電壓V1下發生徑向伸長，彈性隔膜1與電極6接觸的部分向上移動，造成腔內液體的壓強變化，由于液體的不可壓縮性，上下液體的體積保持不變，彈性隔膜1彎曲下凹，從而改變液體透鏡曲率，達到透鏡變焦效果。通過調控電極6兩端的電壓V1和V2的大小可以使容器壁的伸縮量發生變化，從而改變液體透鏡曲率。

參見圖3，改變電壓V1和V2的極性，上腔室的壓電材料容器壁在外加電壓V1下發生軸向伸長，下腔室的壓電材料容器壁在外加電壓V1下發生徑向縮短，彈性隔膜1與電極6接觸的部分向下移動，造成腔內液體的壓強變化，由于液體的不可壓縮性，上下液體的體積保持不變，彈性隔膜1彎曲上凸，從而改變液體透鏡曲率，達到透鏡變焦效果。通過調控電極6兩端的電壓V1和V2的大小可以使容器壁的伸縮量發生變化，從而改變液體透鏡曲率。