一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的制作方法

1.本发明涉及光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域，特别是涉及一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜。


背景技术：

2.电润湿液体变焦透镜是一种新颖的可变焦透镜，属于光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域。传统的光学变焦镜头通常是由多组独立的凸/凹固体透镜组合而成的，有的透镜是固定的，有的是可以沿光轴前后滑动的。通过透镜的前后移动来改变透镜系统的焦距，这种透镜系统由于有机械诸驱动存在诸多的不足，例如体积大，操作不便等。液体透镜是近些年来新兴的技术，有着传统固体组合透镜难以比拟的优势。液体变焦透镜无需任何的机械移动，只需通过各种方式改变液体的形状来实现变焦，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点。目前常用的用来实现液体透镜变焦的技术有电润湿法、液晶法等。目前，已经日渐成熟的电润湿法已经被越来越多的科研工作者研究并取得了巨大的成绩。典型的利用电润湿驱动方法通过改变液体的弯曲界面曲率进而调节焦距液体可变透镜有如荷兰philips公司发布的fluidfocus和法国varioptic公司发布的小型液体变焦透镜。飞利浦公司开发的液体透镜fluidfocus技术采用折射率不同且互不混溶的两种液体，这两种液体(分别为导电的水溶液和不导电的油)被装入一个两端均是透明端盖的短试管里，试管内壁和其中的一个端盖涂有疏水性材料，这使得水溶液在试管的另一端形成半球形透镜形状的液体。透镜的形状是通过在涂层上施加一个dc电压以减小其水排斥力的方法来调节的通过调整液体表面张力来改变凹凸透镜的曲率半径，从而达到改变透镜焦距的目的。此类透镜相比于传统固体组合液体透镜有着很大的优越性，但是也有不足。由于此类透镜的侧壁通光孔径一致，初始焦距没法改变。


技术实现要素：

3.本发明主要目的在于提供一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜，以解决上述问题。
4.为达上述目的，本发明提供一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜，包括：包括导电内芯主体、透明的上盖片和下盖片；所述导电内芯主体的内腔表面是圆锥曲线旋转而成的曲面，表面设有绝缘介电层，介电层外设有疏水层；内腔被透明的上盖片和下盖片密封为透镜腔，其内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料，液体间弯曲界面与内腔表面接触初始位置可随两种液体体积比而调整，从而实现初始焦距可配置。
5.进一步的，当绝缘液体和导电液体体积比固定时，通过改变透镜导电内芯主体的内腔形状以改变初始焦距。
6.进一步的，当电内芯主体的内腔形状固定时，通过改变导电液体液面高度以改变初始焦距。
7.进一步的，所述导电内芯主体的内腔表面曲面为直线旋转而成。
8.进一步的，所述导电内芯主体的内腔表面曲面为部分圆弧旋转而成。
9.进一步的，所述导电内芯主体的内腔表面曲面为部分椭圆弧旋转而成。
10.进一步的，所述导电内芯主体的内腔表面曲面为部分曲线旋转而成。
11.进一步的，所述导电内芯主体的内腔表面曲面为部分抛物线旋转而成。
12.本发明有益效果如下：
13.(1)通过设计圆台形液体透镜的导电内芯主体尺寸形状，可以保持初始液面为水平液面，可以应用于某些特殊需要。
14.(2)所设计的透镜的导电内芯主体是球面、椭球面、曲面、抛物面的全部或者部分，透镜的尺寸灵活易变，可适用于不同的场景。
15.(3)设计的液体透镜的导电内芯主体曲面既可向外突出；也可向内凹陷。通过这样的设计可以满足响应时间的要求也可以满足焦距变化的要求。
16.(4)设计的液体透镜上下对称，所注入的绝缘液体和导电液体二者位置可以互换，便于不同的使用场景。
17.(5)设计的液体透镜可通过导电内芯主体形状的改变，由于其初始接触角不便使其焦距发生改变，可以制作出任意焦距的透镜。
附图说明
18.图1为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的整体示意图。
19.图2为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体形状不同配置初始焦距方法示意图。
20.图3为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体形状固定配置初始焦距方法示意图。
21.图4为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体为圆或者圆的部分旋转而成的球面示意图。
22.图5为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体为椭圆或者椭圆的部分旋转而成的椭球面示意图。
23.图6为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体为双曲线或者双曲线的部分旋转而成的双曲面示意图。
24.图7为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体为抛物线或者抛物线的部分旋转而成的抛物面示意图。
25.图8为本发明一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜的导电内芯主体为圆台型示意图。
26.其中，1
‑
导电内芯主体；2
‑
上盖片；3
‑
下盖片；4
‑
绝缘介电层；5
‑
疏水层；6
‑
导电液体；7
‑
绝缘液体；8
‑
ito层。
具体实施方式
27.为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
28.如图1所示，本发明中提供了一种电湿驱动初始焦距可配置变焦液体透镜，包括：导电内芯主体1、透明的上盖片2和下盖片3；所述导电内芯主体1的内腔表面是圆锥曲线旋转而成的曲面，表面设有绝缘介电层4，绝缘介电层4内侧设有疏水层5；内腔被透明的上盖片2和下盖片3密封为透镜腔，所述上盖片2和下盖片3靠近透镜腔的一侧均设置有ito层8；透镜腔内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体6和绝缘液体7作为透镜材料，液体间弯曲界面起着透镜作用，通过电湿驱动效应，外加电压u使其绝缘液体7和导电液体6界面发生弯曲以此来改变焦距。
[0029][0030]
上式为传统圆柱透镜的焦距公式，n1和n2分别为导电液体6和绝缘液体7的折射率、r为圆柱透镜的通光孔径即圆柱的直径、θ0为初始接触角、γ是液体与接触环境的表面张力、d为绝缘层厚度、ε为介电层介电常数、ε0为真空介电常数、v为外加电压。由于导电内芯主体1的内腔表面是圆锥曲线旋转而成的曲面，因此透镜的通光孔径r为关于圆锥曲线的函数。在初始电压为零的情况下，初始接触角不变，为满足初始接触角条件，液面需上下移动因此可形成不同的初始焦距。
[0031]
下面为两种配置不同初始焦距的方法：
[0032]
方法一：若所取导电内芯主体1和绝缘液体7和导电液体6均相同，所以液面处三相接触点的初始接触角相同。如图2a、图2b、图2c所示，导电内芯主体1的形状不同，其侧壁切线不同，由于初始接触角相同，所以液面的切线也不同，最终不同的透镜有着不同的液面，即透镜的初始焦距不同。
[0033]
方法二：若所取导电内芯主体1和绝缘液体7和导电液体6均相同，所以液面处三相接触点的初始接触角相同。如图3a、图3b、图3c所示，三个透镜的导电内芯主体1的形状固定，在透镜内注入填充量不同的导电液体，其液面高度不同，三相接触点的位置不同，接触点所在位置导电内芯主体1的切线也不同，由于初始接触角相同，因此液面的切线也不同，所以三个透镜的液面不同即有着不同的初始焦距。
[0034]
实施例一
[0035]
如图4所示，一种初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜，其导电内芯主体1为圆或者圆的部分旋转而成的球面，内部结构与上述结构相同。首先制作球面导电内芯主体1，导电内芯主体1采用导体铜，先制作一个向外突出的球形模具(也可制作向内凹陷的球形模具)，然后将导体铜熔化，液态铜倒入模具当中，待液态铜冷却后便可形成一个完整的导电内芯主体1。接着在导电内芯主体的内壁均匀地涂上一层3微米厚的环氧树脂绝缘涂层，涂完绝缘层接着涂上一层聚烯烃疏水层，起到疏水修饰的作用。将导电内芯主体1的下部用ito导电玻璃密封上。导电内芯主体1的内部注入氯化锂溶液和溴代十二烷溶液作为导电溶液和绝缘溶液。最后将导电内芯主体1的上部用同样的ito导电玻璃密封上。这样便成了一个完整的初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。导电内芯主体的上下具有ito导电玻璃，导电液体和绝缘液体的位置可以互换。导电内芯主体既可向外凸出(如图4a所示)也可向内凹陷(如图4b所示)；既可对称也可不对称。
[0036]
实施例二
[0037]
如图5所示，一种初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜，其导电内芯主体1为椭圆或者椭圆的部分旋转而成的椭球面，内部结构与上述结构相同。首先制作椭球面导电内芯主体1，导电内芯主体1采用导体铝，制作向外凸出的导电内芯主体，采用车床加工，用车床加工出一个铝制导电内芯主体1，接着在导电内芯主体1的内壁均匀地涂上一层3微米厚的氧化铝陶瓷缘涂层，涂完绝缘层接着涂上一层聚碳酸酯疏水层，起到疏水修饰的作用。将导电内芯主体1的下部用ito导电玻璃密封上。导电内芯主体1的内部注入氯化锂溶液和溴代十二烷溶液作为导电溶液和绝缘溶液。最后将导电内芯主体1的上部用同样的ito导电玻璃密封上。这样便成了一个完整的初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。导电内芯主体的上下具有ito导电玻璃，导电液体和绝缘液体的位置可以互换。导电内芯主体1既可向外凸出(如图5a所示)也可向内凹陷(如图5b所示)；既可对称也可不对称。
[0038]
实施例三
[0039]
如图6所示，一种初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜，其导电内芯主体1为双曲线或者双曲线的部分旋转而成的双曲面，内部结构与上述结构相同。首先制作双曲面导电内芯主体1，导电内芯主体1采用导体铁。将导电内芯主体1分为上下m块分开制作，用实施例二的方法用车床分别加工出m块小导电内芯主体，然后涂上陶瓷聚合物绝缘涂层，分开涂绝缘层可以使得绝缘层涂的更均匀。在每一小块导电内芯主体上涂绝缘层的时候在导电内芯主体的连接处既可涂上绝缘层也可不涂绝缘层。不涂绝缘层的时候将导电内芯主体拼接到一起时可形成一块完整的导电内芯主体；在连接处涂上绝缘层的时候，导电内芯主体拼接到一起的时候可以成为独立的部分，可以用于独立的电压调节。导电内芯主体拼接好后在内壁涂上聚丙烯腈疏水层起到疏水和修饰的作用。将导电内芯主体1的下部用ito导电玻璃密封上。导电内芯主体1的内部注入氯化锂溶液和溴代十二烷溶液作为导电溶液和绝缘溶液。最后将导电内芯主体1的上部用同样的ito导电玻璃密封上。这样便成了一个完整的初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。导电内芯主体的上下具有ito导电玻璃，导电液体和绝缘液体的位置可以互换。导电内芯主体既可向外凸出(如图6a所示)也可向内凹陷(如图6b所示)；既可对称也可不对称。
[0040]
实施例四
[0041]
如图7所示，一种初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜，其导电内芯主体1为抛物线或者抛物线的部分旋转而成的抛物面，内部结构与上述结构相同。首先制作双曲面导电内芯主体1，导电内芯主体1采用导体铁。将导电内芯主体1的左右一周分为n块分开制作，用实施例二的方法用车床分别加工出n块小导电内芯主体，然后涂上环氧树脂绝缘涂层，分开涂绝缘层可以使得绝缘层涂的更均匀。在每一小块导电内芯主体上涂绝缘层的时候导电内芯主体的连接处既可涂上绝缘层也可不涂绝缘层。不涂绝缘层的时候将导电内芯主体拼接到一起时可形成一块完整的导电内芯主体；连接处涂上绝缘层的时候，导电内芯主体拼接到一起的时候可以成为独立的部分，可以用于独立的电压调节。导电内芯主体拼接好后在内壁涂上超疏水材料涂层起到疏水和修饰的作用。超疏水涂层可以使得液体的初始接触角达到150
°
，如二氧化硅纳米涂层、轻质碳酸钙、氧化锌/聚苯乙烯纳米复合材料、二氧化锰/聚苯乙烯纳米复合材料、碳纳米管结构等。将导电内芯主体1的下部用ito导电玻璃密封上。导电内芯主体1的内部注入氯化锂溶液和溴代十二烷溶液作为导电溶液和绝缘溶液。最后将导电内芯主体1的上部用同样的ito导电玻璃密封上。这样便成了一个完整的初
始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。导电内芯主体的上下具有ito导电玻璃，导电液体和绝缘液体的位置可以互换。导电内芯主体既可向外凸出(如图7a所示)也可向内凹陷(如图7b所示)；既可对称也可不对称。
[0042]
实施例五
[0043]
如图8所示，一种初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜，其导电内芯主体1为圆台型，内部结构与上述结构相同。首先制作圆台型导电内芯主体1，导电内芯主体横截面为梯形，梯形的夹角α与绝缘液体7和导电液体6的液面初始接触角θ0相等时，液面可保持水平。导电内芯主体1采用导体铁。用实施例二的方法用车床加工出电内芯主体，然后涂上环氧树脂绝缘涂层，导电内芯主体内壁绝缘层涂好后再涂上超疏水材料涂层起到疏水和修饰的作用。超疏水涂层可以使得液体的初始接触角达到150
°
。将导电内芯主体1的下部用ito导电玻璃密封上。导电内芯主体1的内部注入氯化锂溶液和溴代十二烷溶液作为导电溶液和绝缘溶液。最后将导电内芯主体1的上部用同样的ito导电玻璃密封上。这样便成了一个完整的初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。导电内芯主体的上下具有ito导电玻璃，导电液体和绝缘液体的位置可以互换。导电内芯主体既可向外凸出(如图8a所示)也可向内凹陷(如图8b所示)；既可对称也可不对称。这样可做成一个初始液面水平的圆台型初始焦距可配置的电湿驱动可变液体透镜。当夹角不相等的时候，超疏水涂层初始接触角为150
°
，以此机理设计一个圆台形液体透镜。其横截面梯形底角为20度，可配置成一个初始焦距为正的正透镜。
[0044]
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，非全部实施例，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。