[發(fā)明專利]一種可變焦液體透鏡及其設(shè)計(jì)方法和制作方法

有效

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• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112014911B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張慧;張志勝;夏志杰
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué);江蘇南高智能裝備創(chuàng)新中心有限公司
• 主分類號: G02B3/14
• 分類號: G02B3/14
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

本發(fā)明提供一種可變焦液體透鏡及其設(shè)計(jì)方法和制作方法，具有較高的透光率，該鏡頭的設(shè)計(jì)方法符合成像需求，且制作過程簡單。本實(shí)施例的可變焦液體透鏡，第一介電彈性體膜和第二介電彈性體膜重疊設(shè)置，且邊緣固定在所述環(huán)形框架上；第一介電彈性體膜和第二介電彈性體膜的中央填充有離子型溶液，形成雙曲面凸部；第一電極膜和第二電極膜分別粘附在雙曲面凸部的兩側(cè)外表面；第一電極膜和第二電極膜均采用聚丙烯酰胺水凝膠制成。本實(shí)施例的可變焦液體透鏡，采用水凝膠電極，使透鏡可放置在光路上，具有較高的透光率。本實(shí)施例的可變焦液體透鏡的設(shè)計(jì)方法，有利于優(yōu)化該類透鏡的結(jié)構(gòu)與性能。本實(shí)施例的可變焦液體透鏡的制作方法，制作過程簡單，有利于提高該類透鏡的工作效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿生鏡頭成像技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種可變焦液體透鏡及其設(shè)計(jì)方法和制作方法。

背景技術(shù)

硬質(zhì)鏡頭的焦距固定，需要借助電機(jī)的機(jī)械力才能實(shí)現(xiàn)自動對焦。可變形鏡片主要由彈性膜包裹液體組成，它們可以像眼睛的睫狀肌一樣對鏡頭的變焦成像進(jìn)行微調(diào)。這些受生物啟發(fā)的可調(diào)透鏡光圈可以設(shè)計(jì)的如人眼晶狀體一樣大小，但重量卻比應(yīng)用于硬質(zhì)鏡頭的典型伺服電機(jī)小很多。

與固定焦距不同，軟驅(qū)動液體鏡頭可以通過更改所用的介質(zhì)折射率或透鏡輪廓形狀來調(diào)整焦距；根據(jù)鏡頭內(nèi)液體的體積變化，可以輕松獲得較大的焦點(diǎn)變化范圍。因此，該類新型鏡頭可以在沒有任何移動組件的輔助情況下，通過單個(gè)鏡頭進(jìn)行自適應(yīng)聚焦。但是目前發(fā)明的液體鏡頭，在成像時(shí)難以達(dá)到100％的透光率，且焦距變化范圍較小。也沒有建立起系統(tǒng)的鏡片膜變形幅值的影響因素，更為深入的成像機(jī)理方法還需要進(jìn)一步探索。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種可變焦液體透鏡及其設(shè)計(jì)方法和制作方法，使得該類透鏡具有較高的透光率，符合成像要求，且制作過程簡單。

為解決上述技術(shù)問題，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種可變焦液體透鏡，包括環(huán)形框架(1)、第一介電彈性體膜(2)、第二介電彈性體膜(3)、第一電極膜(4)和第二電極膜(5)，所述第一介電彈性體膜(2)和第二介電彈性體膜(3)重疊設(shè)置，且邊緣固定在所述環(huán)形框架(1)上；所述第一介電彈性體膜(2)和第二介電彈性體膜(3)的中央填充有離子型溶液，使得第一介電彈性體膜(2)和第二介電彈性體膜(3)的中央分別向外側(cè)突出，形成雙曲面凸部(6)；所述第一電極膜(4)和第二電極膜(5)分別粘附在所述雙曲面凸部(6)的兩側(cè)外表面；所述第一電極膜(4)和第二電極膜(5)均采用聚丙烯酰胺水凝膠制成。

作為本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，所述離子型溶液為濃度5％的氯化鈉溶液。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種上述可變焦液體透鏡的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟110、建立所述可變焦液體透鏡的成像模型；

步驟120、根據(jù)所需成像范圍和所述成像模型，確定所述可變焦液體透鏡的制作參數(shù)。

作為本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟110具體包括：

步驟1101、建立所述可變焦液體透鏡的拉伸率-電場強(qiáng)度關(guān)系模型，如下式：

式中，相對介電常數(shù)ε＝4.161×10^-11F/m，λ表示鏡片膜的拉伸率，λ_pre表示鏡片膜的預(yù)拉伸率，E表示驅(qū)動電場強(qiáng)度，μ表示鏡片膜的剪切模量；

步驟1102、建立所述可變焦液體透鏡的曲率半徑-拉伸率關(guān)系模型，如下式：

式中，R表示曲率半徑，λ表示鏡片膜的拉伸率，A表示可變焦液體透鏡表面電活性區(qū)域的原始半徑，t表示可變焦液體透鏡頂部與其中間投影平面之間的距離；

步驟1103、建立所述可變焦液體透鏡的焦距-曲率半徑關(guān)系模型，如下式：