一种基于三维电极调控的变焦透镜及其制备方法

1.本发明属于变焦透镜制备相关技术领域，更具体地，涉及一种基于三维电极调控的变焦透镜及其制备方法。


背景技术：

2.作为应用最为广泛的光学元件，光学透镜通过改变透镜几何尺寸或材料折射率实现对光束控制，以达到偏转、聚焦、调焦和摆焦的目的。传统变焦透镜是通过将具有不同曲率的球面均质材料镜片级联安装的方式实现变焦功能。传统变焦透镜系统受体积和重量大、变焦系统复杂、集成程度低和易受外界环境干扰等因素的限制，已逐步被基于弹光效应、电光效应和声光效应等的非机械式变焦透镜所取代。非机械式电控变焦透镜克服了传统透镜的诸多缺点，无需加工高精度曲面，而是利用材料在外界压力或电场驱动下材料折射率变化，实现透镜的变焦功能。非机械式电控变焦透镜具有调控速度快、调焦范围广、无需加工复杂曲面和变焦连续的优点。
3.基于液晶材料电光效应的液晶电控变焦透镜是一类通过外加电场改变材料折射率实现所需光学功能的电控变焦透镜。自1979年提出以来，一系列具有不同电极图案、不同结构、不同材质的液晶透镜先后被成功研制。但是作为驱控液晶电控变焦透镜实现所需功能的核心部件电极始终是以分布于液晶层表面，这就导致透镜内部电场只能是二维均匀分布电场，难以构建非均布三维电场已实现透镜偏焦和摆焦等功能。此外，通过电场驱控几何结构改变实现调控光学特性的介电弹性体电控变焦透镜同样面临空间电场分布无法调控的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三维电极调控的变焦透镜及其制备方法，通过调控动态三维非均布电场驱控电控变焦实现透镜聚焦、调焦和摆焦功能，将解决现有电控变焦透镜驱控电极结构单一、调控性能差的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三维电极调控的变焦透镜，所述变焦透镜包括封装层、至少一层聚合物分散液晶光控层、以及至少一层介电弹性体光控层，其中：所述聚合物分散液晶光控层设有多个第一三维电极以及相互平行的液晶单体；所述介电弹性体光控层为透明弹性材料，其内部设有多个第二三维电极；所述封装层为透明材料，所述至少一层聚合物分散液晶光控层以及至少一层介电弹性体光控层交错叠加布置，相邻的聚合物分散液晶光控层和介电弹性体光控层之间设有所述封装层。
6.优选的，所述聚合物分散液晶光控层的材料包括聚合物基体和光引发剂。
7.优选的，所述聚合物分散液晶光控层中的多个第一三维电极相互独立，所述介电弹性体光控层中的多个第二三维电极相互独立。
8.优选的，多个所述第一三维电极均匀或规律分布于所述聚合物分散液晶光控层中，多个所述第二三维电极均匀或规律分布于所述介电弹性体光控层中。
9.优选的，所述第一三维电极和/或第二三维电极为圆柱体结构，其直径为5～15μm。
10.优选的，多个所述第一三维电极和/或第二三维透镜为圆柱体或圆环形，当为圆柱体时采用栅形布置，当为圆环形时采用同轴环形布置。
11.优选的，所述介电弹性体光控层的材料为聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、甲基丙烯酸羟乙酯-甲基丙烯酸共聚物中的一种或几种组合；所述第一三维电极和第二三维电极的材料为导电银浆或导电碳浆。
12.优选的，所述变焦透镜的上表面和下表面设有封装层进行封装。
13.按照本发明的另一个方面，提供了一种基于三维电极调控的变焦透镜的制备方法，采用3d打印技术制备所述变焦透镜，具体包括：s1：将聚合物基体、光引发剂以及液晶单体按预设比例进行混合，获得聚合物分散液晶光控层浆料，其中，所述光引发剂的质量占比为1％～5％，所述液晶单体的质量占比为50％～80％；并制备第一三维电极和第二三维电极浆料、介电弹性体光控层浆料以及封装层浆料；s2：将所述聚合物分散液晶光控层浆料、第一三维电极和第二三维电极浆料、介电弹性体光控层浆料以及封装层浆料装入3d打印设备中依次进行打印；s3：将打印完成后的结构进行紫外光固化或基板加热固化。
14.优选的，在打印所述聚合物分散液晶光控层时施加外部电场以使所述液晶单体相互平行。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于三维电极调控的变焦透镜及其制备方法具有如下有益效果：
16.1.在第一三维电极的驱控下，聚合物分散液晶光控层中的液晶单体可以进行偏转，同时在第二三维电极的驱控下介电弹性体光控层可以产生形变，进而可以改变透镜内光路传输，实现透镜聚焦、调焦与摆焦功能。
17.2.第一三维电极和第二三维电极相互独立，可以通过控制电极电压的大小调节变形程度以及偏转角度实现多种聚焦、调焦和摆焦控制。
18.3.第一三维电极和第二三维电极优先为圆柱体，并且直径控制在5～15um左右，不影响光线在透镜内的传输。
19.4.本技术可以通过控制透镜组合单元的数量控制透镜聚焦、调焦与摆焦的程度。
20.5.传统电控变焦透镜制造工艺复杂，只能各功能层逐一加工，液晶初始方向固定，介电层厚度固定，控制电极形状和位置固定，导致所加工透镜初始参数无法调节，本技术通过3d打印技术克服了电控变焦透镜上述制造难题，可以便捷的实现多类型和多参数的电控变焦透镜的制造。
21.6.传统电控变焦透镜电极结构单一，电极只能沉积于透镜表面，且以圆形、方形和环形等规则形状的平面电极为主，透镜内空间电场分布取决于透镜表面两电极特性，无法实现透镜内各位置电场的精确控制，通过3d打印技术实现电控变焦透镜内三维电极的一体化制造，拓展了电控变焦透镜的控制方法，可有效对透镜内各位置电场分布精确调控。
22.7.传统电控变焦透镜难以实现多透镜一体化制造，且级联透镜结合面对透镜光学特性影响较大，通过3d打印技术打印物性接近的光控层、空间三维电极和封装层，可以实现多级透镜任意方式组合，通过各级透镜并行控制，提升光控速度和精度，实现多机制和多级一体化变焦、偏焦和摆焦功能。
附图说明
23.图1是实施例1中基于三维电极调控的变焦透镜的制备方法；
24.图2是实施例2中基于三维电极调控的变焦透镜的制备方法；
25.图3是基于三维电极调控的变焦透镜的变焦原理示意图。
26.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
27.110-聚合物分散液晶光控层；120-介电弹性体光控层；131-第一三维电极；132-第二三维电极；140-封装层。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于三维电极调控的变焦透镜，所述变焦透镜包括封装层140、至少一层聚合物分散液晶光控层110以及至少一层介电弹性体光控层120。
30.所述聚合物分散液晶光控层设有多个第一三维电极131以及相互平行的液晶单体。初始状态下第一三维电极131未加电压，液晶单体相互平行，加入电压后液晶单体进行偏转，如图3所示。
31.所述聚合物分散液晶光控层110的材料包括聚合物基体和光引发剂。进一步优选的方案中，聚合物基体优选为环氧丙烯酸酯，光引发剂优选为α-羟基酮类引发剂，液晶单体优选为lc242((4-(((4-(丙烯酰氧基)丁氧基)羰基)氧基)苯甲酸2-甲基-1，4-二苯酚酯)，所述光引发剂的质量占比为1％～5％，所述液晶单体的质量占比为50％～80％。所述聚合物分散液晶光控层中的多个第一三维电极相互独立，可以进行单独的电压控制，进一步的，第一三维电极131均布于或规律布置于聚合物分散液晶光控层内部。
32.所述介电弹性体光控层120为透明弹性材料，其内部设有多个第二三维电极132。同理，多个第二三维电极132相互独立，可以进行电压的单独控制，工作过程中可以通过控制不同第二三维电极132的电压使得不同部位的电场力差异进而实现介电弹性体光控层的变形。介电弹性体光控层120材料优选为聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、甲基丙烯酸羟乙酯-甲基丙烯酸共聚物中的一种或几种组合。
33.所述第一三维电极131和第二三维电极132为圆柱体结构，其直径优选为5～15μm，进一步优选为10μm。所述第一三维电极131和第二三维电极132的材料优选为聚二甲基硅氧烷和导电纤维或导电颗粒的共混物，二者比例为10∶1～10：3，导电纤维可为纳米银纤维或碳纳米管，导电颗粒可为纳米银颗粒或纳米炭黑。多个第一三维电极和/或第二三维电极的布置可为格栅状或圆环状，各电极间距保持50-200μm之间。例如图1和图2中所示，第一三维电极131为柱状结构，相互之间平行布置，第二三维电极132为环状结构，圆环直径各不相同，同轴心布置。第一三维电极和第二三维电极连接外部控制电路，当加载电压时聚合物分散液晶光控层内部液晶单体偏转，介电弹性体产生形变，实现光控功能，在其他实施例中(图中未示出)，第一三维电极和第二三维电极也可以按照相同的规律布置好。
34.所述封装层为透明材料，所述至少一层聚合物分散液晶光控层以及至少一层介电弹性体光控层交错叠加布置，相邻的聚合物分散液晶光控层和介电弹性体光控层之间设有所述封装层。进一步优选的所述封装层材料为聚二甲基硅氧烷。所述变焦透镜的上表面和下表面也设有封装层进行封装。
35.本技术另一方面提供了一种基于三维电极调控的变焦透镜的制备方法，采用3d打印技术制备所述变焦透镜，具体包括步骤s1～s3。
36.s1：将聚合物基体、光引发剂以及液晶单体按预设比例进行混合，获得聚合物分散液晶光控层浆料，其中，所述光引发剂的质量占比为1％～5％，所述液晶单体的质量占比为50％～80％；并制备第一三维电极和第二三维电极浆料、介电弹性体光控层浆料以及封装层浆料。
37.将聚合物基体、光引发剂和液晶单体按一定比例超声共混后并采用真空消泡技术制备获得聚合物分散液晶光控层浆料。将导电纤维或导电颗粒与聚合物基体按一定比例超声共混并采用真空消泡技术制备获得第一三维电极和第二三维电极打印材料。
38.s2：将所述聚合物分散液晶光控层浆料、三维电极浆料、介电弹性体光控层浆料以及封装层浆料装入3d打印设备中依次进行打印。
39.将上述制备的聚合物分散液晶光控层浆料、第一三维电极和第二三维电极浆料、介电弹性体光控层浆料以及封装层浆料共四种打印材料转移至挤出料筒内，并安装至配备有紫外光固化、加热基板和直流高压电源的墨水直写3d打印机中。根据电控变焦透镜几何模型，设置墨水直写3d打印参数，驱动挤出料筒移动至相应位置，打印墨水经喷头挤出在预设位置沉积，依次打印封装层、聚合物分散液晶光控层、介电弹性体光控层，在光控层内指定位置打印第一三维电极或第二三维电极材料。在打印所述聚合物分散液晶光控层时施加外部电场以使所述液晶单体相互平行且与透镜入射光方向垂直。
40.墨水直写3d打印机配备有可打印4种及以上材料，通过气压将打印墨水挤出，紫外光固化装置可产生波长为365nm，光照强度40-220mw/cm2紫外光，加热基板可设置加热温度室温-200℃，直流高压电源可产生1-10kv电场。
41.打印参数：打印喷头直径50-500μm，打印层厚50-400μm，打印速度100-800mm/min，打印轨迹间距20-500μm，挤出气压100-800kpa。
42.s3：将打印完成后的结构进行紫外光固化或基板加热固化。
43.根据墨水直写3d打印固化参数，启动紫外光固化灯或加热基板，固化成形材料。具体的，根据墨水直写3d打印固化参数，设置紫外固化灯光照强度40-220mw/cm2固化3-20分钟，完成聚合物分散液晶光控层固化；启动加热基板设置加热温度120-180℃，固化15-30分钟，完成介电弹性体光控层、封装层和三维电极的固化。
44.完成第一级电控变焦透镜光控层、第一三维电极和第二三维电极和封装层一体化3d打印成形后。根据光控需求，可在第一级电控变焦透镜上表面继续打印第二级电控变焦透镜，直至满足电控变焦透镜设计要求。
45.实施例1
46.本实施例的变焦透镜包括一层聚合物分散液晶光控层和一层介电弹性体光控层，如图1所示。其制备步骤如下。
47.(1)将聚甲基丙烯酸甲酯、光引发剂和液晶单体按100∶1∶70的比例超声共混30分
钟充分混合各材料，采用真空消泡方法去除打印材料内气泡，制得聚合物分散液晶打印材料；
48.(2)将聚二甲基硅氧烷双组分以10∶1的比例混合后，充分搅拌制备出用于封装层和介电弹性光控层的打印材料。
49.(3)将导电银纳米线与步骤(2)制得的聚二甲基硅氧烷材料按10∶1比例超声共混30分钟充分混合各材料，采用真空消泡方法去除打印材料内气泡，制得第一三维电极和第二三维电极打印材料；
50.(4)将步骤(1)～(3)制得的打印材料转移至挤出料筒内，并安装至配备有紫外光固化和加热基板的墨水直写3d打印机中；
51.(5)根据电控变焦透镜几何模型，设置墨水直写3d打印参数，其中打印喷头直径200μm，打印层厚150μm，打印速度500mm/min，打印轨迹间距180μm，挤出气压400kpa。
52.(6)驱动挤出料筒移动至目标位置，打印墨水经喷头挤出打印透镜基底封装层2层。成形基板加热至130℃，加热时间20分钟，固化封装层。
53.(7)驱动挤出料筒移动至目标位置，在同一打印层中同时按需挤出打印聚合物分散液晶材料和第一三维电极材料。设置紫外光固化灯光照强度100mw/cm2固化10分钟，固化聚合物分散液晶光控层。成形基板加热至150℃，加热时间20分钟，固化第一三维电极。
54.(8)重复步骤(6)打印上封装层。完成第一级聚合物分散液晶电控变焦透镜打印。
55.(9)在步骤(8)打印完成的封装层表面，驱动挤出料筒移动至目标位置，同一打印层中同时按需挤出打印介电弹性体材料和第二三维电极材料。成形基板加热至150℃，加热时间20分钟，固化介电弹性光控层和第二三维电极。
56.(10)重复步骤(6)打印上封装层。完成第二级介电弹性体电控变焦透镜打印。
57.实施例2
58.本实施例中变焦透镜包括两层聚合物分散液晶光控层和一层介电弹性体光控层，如图2所示。其制备步骤如下。
59.(1)将聚甲基丙烯酸甲酯、光引发剂和液晶单体按100∶3∶80的比例超声共混45分钟充分混合各材料，采用真空消泡方法去除打印材料内气泡，制得聚合物分散液晶打印材料；
60.(2)将聚二甲基硅氧烷双组分以10∶1的比例混合后，充分搅拌制备出用于封装层和介电弹性光控层的打印材料。
61.(3)将纳米炭黑颗粒与步骤(2)制得的聚二甲基硅氧烷材料按10∶3比例超声共混45分钟充分混合各材料，采用真空消泡方法去除打印材料内气泡，制得第二三维电极打印材料；
62.(4)将步骤(1)～(3)制得的打印材料转移至挤出料筒内，并安装至配备有紫外光固化和加热基板的墨水直写3d打印机中；
63.(5)根据电控变焦透镜几何模型，设置墨水直写3d打印参数，驱动挤出料筒移动至相应位置，打印墨水经喷头挤出在预设位置沉积。其中打印喷头直径400μm，打印层厚300μm，打印速度400mm/min，打印轨迹间距380μm，挤出气压700kpa；
64.(6)驱动挤出料筒移动至目标位置，打印墨水经喷头挤出打印透镜基底封装层1层。成形基板加热至150℃，加热时间10分钟，固化封装层。
65.(7)驱动挤出料筒移动至目标位置，同一打印层中同时按需挤出打印介电弹性体材料和第二三维电极材料。成形基板加热至150℃，加热时间20分钟，固化介电弹性光控层和第二三维电极。
66.(8)重复步骤(6)打印上封装层。完成第一级介电弹性体电控变焦透镜打印。
67.(9)驱动挤出料筒移动至目标位置，在同一打印层中同时按需挤出打印聚合物分散液晶材料和第二三维电极材料。设置紫外光固化灯光照强度200mw/cm2固化5分钟，固化聚合物分散液晶光控层。成形基板加热至160℃，加热时间15分钟，固化第二三维电极。
68.(10)重复步骤(6)打印上封装层。完成第二级聚合物分散液晶电控变焦透镜打印。
69.(11)重复步骤(6)～步骤(8)完成第三级介电弹性体电控变焦透镜打印。
70.本发明提供的基于三维电极调控的变焦透镜及其制备方法，通过调控动态三维非均布电场驱控电控变焦实现透镜聚焦、调焦和摆焦功能，将解决现有电控变焦透镜驱控电极结构单一、调控性能差的问题。
71.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。