[發明專利]一種基于介電彈性體的液體透鏡變焦成像方法及系統

有效

• 申請號: 202010639412.5
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111751910B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 程陽;郝群;曹杰;李國梁;徐辰宇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B3/14
• 分類號: G02B3/14;G02B26/00;G02B15/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種基于介電彈性體的液體變焦成像方法，其特征在于：平面介電彈性體貼附于柔性空心圓臺底面；柔性空心圓臺的底部粘貼于平面介電彈性體的中心區域，通過驅動平面介電彈性體變形，帶動柔性空心圓臺的底部半徑發生變化，在柔性空心圓臺中注入液體，在平面介電彈性體的上下兩個表面的外圍區域涂有柔性電極，當兩個柔性電極具有電壓差時，平面介電彈性體涂有電極的區域面積將增加，驅動柔性空心圓臺的底部收縮，底部半徑減小，進而使得柔性空心圓臺內的液體形狀發生變化，所述形狀包括液體高度，半徑以及弓高，從而改變液體透鏡的焦距；當液體透鏡焦距改變且驅動前后液體透鏡的焦點位置之差在成像系統的半焦深內時，成像系統能夠清晰地改變成像大小，實現單個驅動的單個液體透鏡的變焦成像功能，具有變焦范圍大、響應速度快、體積小、成本低、驅動簡單的優點；

通過平面介電彈性體和柔性空心圓臺組合實現變焦成像功能，柔性空心圓臺對厚度無特殊要求，無需使用介電彈性材料，僅平面介電彈性體使用介電彈性材料，且平面介電彈性體易加工，因此，平面介電彈性體和柔性空心圓臺組合易于加工。

2.一種基于介電彈性體的液體變焦成像系統，用于實現如權利要求1所述的一種基于介電彈性體的液體變焦成像方法，其特征在于：包括固定透明平板(1)、柔性空心圓臺(2)、液體(3)、空心圓柱(4)、上固定板(5)、平面介電彈性體(6)、上柔性電極(7)、下柔性電極(8)、下固定板(9)、電源(10)；上固定板(5)和下固定板(9)用于固定平面介電彈性體(6)，在平面介電彈性體(6)的外圍區域的上下表面分布均勻涂有上柔性電極(7)和下柔性電極(8)，中心區域的半徑為柔性空心圓臺(2)的底部半徑，上柔性電極電氣連接于電源(10)，下柔性電極(8)電氣連接于地端；柔性空心圓臺(2)的底部粘貼于平面介電彈性體(6)的中心區域；空心圓柱(4)粘于上固定板(5)；在柔性空心圓臺(2)內注入液體(3)，柔性空心圓臺(2)的頂部粘于固定透明平板(1)。

3.如權利要求2所述的一種基于介電彈性體的液體變焦成像系統，其特征在于：工作方法為，

步驟一：當電源(10)的開關斷開時，由于上柔性電極(7)和下柔性電極(8)沒有電壓差，平面介電彈性體(6)未被驅動，此時柔性空心圓臺的底部(11)的半徑為a₀,柔性空心圓臺的頂部(12)的半徑為b，柔性空心圓臺的高度(13)為h；柔性空心圓臺(2)內注入液體(3)，平面介電彈性體(6)驅動前的液體表面(15)的高度為h₀，半徑為r₀，弓高s₀，此時液體(3)的體積V表述為：

平面介電彈性體(6)驅動前的液體透鏡焦距f₀表示為：

入射平行光線在經過介電彈性體驅動前的液體表面(15)的作用后，驅動前的匯聚光線(17)聚焦在驅動前的焦點(19)位置上；

步驟二：當電源(10)的開關閉合時，由于上柔性電極(7)和下柔性電極(8)有電壓差，平面介電彈性體(6)被驅動，平面介電彈性體(6)涂有電極的區域面積將增加，帶動柔性空心圓臺的底部(11)收縮，其半徑將變為a₁；由于柔性空心圓臺的頂部(12)被固定透明平板固定，因此柔性空心圓臺(2)的圓錐角將發生變化，導致驅動后的液體表面(16)的形狀發生變化，其液體高度變為h₁，液體半徑變為r₁，液體弓高變為s₁；由于液體(3)體積不變和液體(3)-柔性空心圓臺(2)的接觸角不變，同時根據三角幾何關系，當柔性空心圓臺的底部(11)變為a₁時，驅動后的液體高度、液體半徑以及液體弓高三個參數通過式(3)計算得到；

其中θ為液體-柔性空心圓臺的接觸角；由于驅動后液體的高度、液體半徑以及液體弓高發生變化，入射平行光線在經過介電彈性體驅動后的液體表面的作用后，驅動后的匯聚光線聚焦在驅動后的焦點位置上；驅動后的焦距也將發生變化，變化后的液體透鏡焦距f₁為：

其中：f₁為變化后的液體透鏡焦距；

為了使得液體透鏡能夠實現變焦成像，驅動前后液體透鏡的焦點位置之差應在成像系統的半焦深內，即

其中δ為成像系統的焦深；在滿足式(5)后，能夠保證系統能夠較清晰成像，此時液體透鏡的變倍比為：

通過優化柔性空心圓臺的結構參數和液體的初始形狀，得到不同變倍比的液體透鏡變焦，因此，通過在介電彈性體上施加電壓，實現單個驅動實現單個液體透鏡大范圍快速變焦功能，而且所述柔性空心圓臺對厚度無特殊要求，通過3D打印或者兩次注塑工藝加工得到，具有易加工的優點。

4.如權利要求3所述的一種基于介電彈性體的液體變焦成像系統，其特征在于：還包括步驟三，

根據不同的變焦應用需求，液體透鏡(3)應具有不同的焦距；當液體透鏡(3)具有長焦距和短焦距時，為了減小變焦成像系統的長度，需要采用不同的相機結構方式配合液體透鏡(3)完成變焦成像；在不同液體透鏡(3)的焦距下，所述一種基于介電彈性體的液體變焦成像系統的成像方式包括方式一和方式二：

方式一：當柔性空心圓臺(2)內的液體透鏡(3)具有長的焦距時，采用包括凹透鏡(22)、第一凸透鏡(23)、圖像傳感器(24)在內的相機(25)結構，其中液體透鏡(3)的像方焦點和凹透鏡(22)的像方焦點重合；從無窮遠目標(21)發出的入射平行光線(14)在經過柔性空心圓臺(2)內的液體透鏡(3)的匯聚后，然后經過凹透鏡(22)的作用變為平行光線，最后經過第一凸透鏡(23)聚焦后成像在圖像傳感器(24)上；

方式二：當柔性空心圓臺(2)內的液體透鏡(3)具有短的焦距時，采用包括第二凸透鏡(26)、第一凸透鏡(23)、圖像傳感器(24)在內的相機(25)結構，其中液體透鏡(3)的像方焦點和凹透鏡(22)的物方焦點重合；從無窮遠目標(21)發出的入射平行光線(14)在經過柔性空心圓臺(2)內的液體透鏡(3)的匯聚后，然后經過第二凸透鏡(26)的作用變為平行光線，最后經過第一凸透鏡(23)聚焦后成像在圖像傳感器(24)上。