一种透过率可调的液体透镜

1.本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种透过率可调的液体透镜。

背景技术：

2.液体透镜是以液体为光学介质的曲率可变的新型光学透镜，具有焦距可调、快速响应、无机械移动、成本低等优点，被认为是下一代新型透镜之一。常规的液体透镜可分为电控液体透镜、机械力控制液体透镜、温控液体透镜等。其中比较具有代表性是电湿润液体透镜、机械润湿液体透镜等。例如，2000年，法国的 b. berge团队研制电润湿液体透镜，并创办的varioptic 公司实现了液体透镜商业化。2010年，美国s.t. wu团队提出了“机械湿润”，并基于此原理设计了一种用于可见光和近红外成像的新型自适应液体透镜。韩国的h. ren团队也基于机械湿润这些优点，于2012年提出了一种基于改变光阑的自适应液体透镜。该透镜采用了一种类似虹膜的快门(id)。在腔内隔膜两侧分别注入不相溶的液体，在id中心开口区域形成液-液面。这样的结构更加紧凑，稳定性更好。2013年，韩国的h. ren团队又提出了由气泡执行器驱动的液体透镜。该透镜是采用了电介质弹性体的气泡执行器来驱动光阑可变的自适应液体透镜，相较于其他自适应透镜具有良好的机械稳定性。
3.液体透镜具有两种重要应用：成像和光束控制。在成像领域，液体透镜主要作为成像元件使用，可以通过改变液-液或者液-气面的曲率半径改变焦距，可以实现无机械移动的焦距变化，这种功能可以应用于各种成像设备和装置。在光束控制方面，液体透镜通过液-液面的变化实现对光束汇聚或发散的控制，并通过控制球差的方式对光斑强度进行调整，实现无机械移动的光斑调制。虽然现有的液体透镜具有一定的对光束控制的能力，然而，要在不同工作距实现不同光斑能量调制的要求，常规液体透镜通过液-液面变化控制球差的方式已经很难实现。相对于传统固体透镜，液体透镜虽然在成像和光束控制具有独特的优点，但是在成像暗角、光斑能量分布和大小的精确调节等新需求仍然无法解决。因此，亟需新型液体透镜能实现光斑大小和能量的调制，以及解决成像暗角问题。

技术实现要素：

4.本发明提出一种透过率可调的液体透镜。如附图1所示，该液体透镜包括：玻璃基板i、玻璃基板ii、外壳、疏水介电层i、疏水介电层ii、电极层i、电极层ii、填充液体i、填充液体ii、填充液体iii。
5.本发明同时适用于照明和成像领域。
6.提出的液体透镜结构利用对称式结构实现了三相液体透镜，其主体结构是一个内部有对称状圆台空腔的绝缘圆柱体，即外壳。电极层i、电极层ii材料可均为导电材料，内壁均需要抛光处理，内置疏水介电层附着于电极层表面，上下接地电极为透明导电玻璃。疏水层材料为高分子聚合物，涂在偏置电极的内壁，既防止导电液体电解，又保证导电液体和填充液体所形成的液-液曲面的初始形状为理想面型。填充液体i为染导电盐溶液，其单位厚度的液体层对单光的衰减系数恒定为，因此，染液体层对光束的衰减程度与光轴
方向液体层厚度成正比。填充液体i与填充液体ii密度相同互不相溶，在透镜中形成液-液界面，称为光学面i，面型呈球形，曲率半径为。填充液体i距离光轴处的光轴方向液体层厚度可表述为 ,其中为玻璃基底i到光学面i圆心的距离，为光学面i的曲率半径。填充液体i距离光轴
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处的沿光轴方向的衰减度为。调控光学面i的面型，填充液体i对光束的衰减程度随之改变，因此可以通过控制光学面i的面型来对入射光束进行非线性衰减实现光束横截面能量匀化处理。填充液体ii与填充液体iii密度相同互不相溶，在透镜中形成液-液界面，称为光学面ii，面型呈球形，曲率半径为。两光学面共同调节，控制透镜的总光焦度，调控光束的发散角。
7.透过率可调的液体透镜的工作原理如图2所示。根据需要匀化的要求，首先，驱动光学面i进行面形的改变，实现透镜中心到边缘不同程度的衰减。其次，驱动光学面ii进行光焦度的补偿，以达到透过率可调的液体透镜的总光焦度的要求。该液体透镜在照明系统中可实现对高斯光束进行匀化并且输出平行光束，用以解决激光制造工业中由于光束能量分布不均匀性带来的问题。在成像系统中，该液体透镜可以调节局部亮度，用以解决成像系统中暗角等画面亮度不均匀的问题。
8.优选地，玻璃基板厚度d1≥0.1mm且d1≤0.5mm，直径d2≥10mm且d2≤14mm。
9.优选地，腔体内环直径d3≥4mm且d3≤6mm，腔体外环直径d4≥7mm且d1≤9mm，玻璃基板i的直径d5≥1.2d4且d5≤d2。
10.优选地，外壳的内表面具有一定的倾角，且。
11.优选地，液体通道直径d6≥1mm且d6≤2mm，两个内环的距离d7≥d3且d7≤1.2 d3，内环距腔体边缘的距离d8≥0.5d3且d8≤0.6 d3。
12.优选地，填充液体i、填充液体ii和填充液体iii的密度相同。
13.优选地，填充液体i为染溶液，填充液体ii为无硅油，填充液体iii为无溶液。
14.优选地，透过率可调液体透镜的驱动方式为电湿润驱动、机械湿润驱动或者介电力驱动。
附图说明
15.附图1为本发明透过率可调液体透镜的结构剖面图。
16.附图2为本发明在照明系统中的工作原理示意图。
17.附图3为本发明在成像模式中的工作原理示意图。
18.附图4为实施例中保证光斑有效大小不变光学面ⅱ光焦度与系统后工作距的关系图。
19.附图5为实施例中透过率可调液体透镜在照明系统中不同后工作距下的光斑图。
20.附图6为实施例中透过率可调液体透镜在照明系统中的光斑强度分布图。
21.附图7为实施例中单个透过率可调液体透镜不同光焦度下成像效果。
22.上述各附图中的图示标号为：
1玻璃基板i，2玻璃基板ii，3外壳，4疏水介电层i， 5疏水介电层ii，6电极层i，7电极层ii，8填充液体i，9填充液体ii，10填充液体iii，11腔体内环，12光学面i，13光学面ii，14cmos传感器，15固体透镜。
23.应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
24.下面详细说明本发明提出的一种透过率可调液体透镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
25.本发明的一个实施例为：如附图1所示，本实施例中玻璃基底口径为9mm，厚度为0.5mm。本发明液体透镜主体部分的具体参数：本发明液体透镜外框的口径为11mm，厚度为15mm；疏水介电层厚度~3
µ
m；填充液体i为染nacl溶液，填充液体ii为无透明硅油，填充液体iii为无nacl溶液。nacl溶液的折射率为1.33，阿贝数为55.8。而无透明硅油的折射率为1.65，阿贝数为62.8。
26.本实施例采用的工作波段为456nm-656nm。对本发明施加电压使其发生电润湿效应，通过电压控制液-液曲率从而实现对光焦度的控制。透镜在照明系统和成像模式中的工作原理分别如附图2和附图3所示。在照明系统中，保证匀化有效范围不变时，光学面ⅱ的曲率半径与后工作距的关系如附图4所示，采集到不同后工作距下匀化光斑的图如附图5所示，液体透镜在照明系统中的光斑强度分布图如附图6所示。可以看出，器件实现了在不同后工作距下控制光斑大小基本不变且能量均匀的效果。在成像系统中，单个透镜可以实现图片亮度环形渐变，调节画面局部明暗，辅助系统获取亮度均匀的成像图片，单个透镜成像效果如附图7示。

技术特征：

1.一种透过率可调的液体透镜，包括：玻璃基板i、玻璃基板ii、外壳、疏水介电层i、疏水介电层ii、电极层i、电极层ii、填充液体i、填充液体ii、填充液体iii，其特征在于利用对称式结构实现三相液体透镜，利用染液体对光束实施非线性衰减，实现光束能量均匀分布。2.根据权利要求1所述的一种透过率可调液体透镜，其特征在于，填充液体i为染溶液，其单位厚度的液体层对单光的衰减系数恒定。3.根据权利要求1所述的一种透过率可调液体透镜，其特征在于，电极层i、电极层ii材料可均为导电金属，它们的内壁均需要抛光处理，内置疏水介电层附着于电极层表面，上下接地电极为透明导电玻璃。4.根据权利要求1所述的一种透过率可调液体透镜，其特征在于，透过率可调液体透镜具有两个液-液界面，分别由填充液体i、ii、iii间构成。5.根据权利要求1所述的一种透过率可调液体透镜，其特征在于，填充液体i为染导电盐溶液，填充液体ii为透明油性液体，填充液体iii为透明导电盐溶液，其密度相同，而折射率不同，且互不相溶。6.根据权利要求1所述的一种透过率可调液体透镜，其特征在于，透过率可调液体透镜主体结构是一个内部有对称状圆台空腔的绝缘圆柱体，外壳的内表面倾角θ，θ≥15
°
且θ≤20
°
。

技术总结

本发明提出一种透过率可调的液体透镜。如附图1所示，该液体透镜包括：玻璃基板I、玻璃基板II、外壳、疏水介电层I、疏水介电层II、电极层I、电极层II、填充液体I、填充液体II、填充液体III。其中，玻璃基板I、玻璃基板II、外壳、疏水介电层I、疏水介电层II、电极层I、电极层II共同组成透过率可调液体透镜的主体结构。光线从玻璃基板I射入，依次经过液体透镜的两个曲面，最后从玻璃基板II射出。通过电极加载的电压调节光学面I的曲率来控制对光束的非线性衰减；通过多个电极上加载的电压调节各个曲面的曲率的大小，来改变透镜的光焦度。透镜对光束的非线性衰减及发散角控制可以实现光束能量分布均匀且光斑大小可控。匀且光斑大小可控。匀且光斑大小可控。