一种无机械移动部件的变焦系统和方法

1.本发明涉及光学设计的技术领域，尤其涉及一种无机械移动部件的变焦系统，以及这种无机械移动部件的变焦系统所采用的方法。


背景技术：

2.光学透镜是光学成像系统必不可少的核心元件，由于变焦透镜能够对不同距离的目标清晰成像，在显微成像、医疗器械、军事装备、科学研究、电子消费、工业监测等成像方面具有重大的应用前景和产业价值。传统变焦方法是利用多个焦距固定的透镜，通过采用电机和凸轮等机械移动部件调节固定焦距透镜组之间的相对位置实现。由于存在多个透镜和机械移动部件，而且这些透镜组必须沿着精确的移动轨迹进行运动，存在着体积大、易磨损、造价昂贵、使用寿命短、控制复杂、变焦速度慢等缺点。
3.随着人类生活的逐步提高，目前变焦光学成像系统正朝着轻量化、小型化、甚至微型化的方向发展。自适应透镜是一个可以变焦的单透镜，具有体积小、变焦原理简单、变焦速度快等优点。根据单透镜的焦距公式，实现具有可变化焦距功能的自适应透镜可分为液晶透镜和液体透镜。液晶透镜通过改变材料的折射率进而实现变焦，然而该变焦方法的焦距变化范围比较小，且该变焦透镜是偏振相关的，通常需要搭配偏振镜使用，大大降低了透过光线的光能。液体透镜通过改变液体表面的曲率半径进而实现变焦功能，具有偏振无关性、响应速度快、低能量损失等优点。
4.因此，基于液体透镜变焦原理的无机械移动部件的变焦方法，已成为一个重要研究方向。其中，专利名称“一种基于介电弹性体的液体透镜变焦成像方法及系统”(专利号zl202010639412.5)公开了一种这样的方法：采用通过驱动介电弹性体变形，带动柔性空心圆台的底部半径发生变化，进而使得柔性空心圆台内的液体形状发生变化，从而改变液体透镜的焦距。但是上述专利是将少量液体注入柔性空心圆台内部，需要液体与介电弹性体具有较大的接触角，对液体材料的选择具有严格的要求。另外由于初始液面处于柔性空心圆台内部，难以观察液体形状的初始状态，导致难以得到精确的初始焦距。而且上述专利是利用介电弹性体使得柔性空心圆台的短边发生形变，由于短边处的形变量较小、从而导致透镜的焦距变化范围较小。因此亟需提出一种对液体材料选择要求低、可直接观察液体形状、且变焦范围大的无机械移动部件的新型变焦方法。


技术实现要素：

5.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种无机械移动部件的变焦系统，其结构简单、响应速度快、体积小、成本低，对液体材料选择要求低，可直接观察液体形状，且变焦范围大。
6.本发明的技术方案是：这种无机械移动部件的变焦系统，其包括：圆形介电弹性体(3)、上柔性电极(4)、下柔性电极(5)、平顶空心圆台(6)、透明液体(7)、凸缘部(10)、高压电源(13)、开关(14)；
7.在圆形介电弹性体的上、下表面的外周分别涂有环形的上柔性电极、下柔性电极，环形的内圆半径为b，环形的宽度为a，平顶空心圆台的内径为b且轴线经过环形的中心，在平顶空心圆台的顶部设置凸缘部，液体注满平顶空心圆台且与凸缘部相接触；
8.上柔性电极、下柔性电极、开关、高压电源串联起来。
9.本发明当在两个柔性电极之间施加驱动电压时，圆形介电弹性体的外围区域的面积将增加，驱动平顶空心圆台的底部半径减小，由于平顶空心圆台内的液体体积不变，当平顶空心圆台的底部半径减小时，液体将受到挤压，从而改变与平顶空心圆台的平台区域接触的液体形状，进而实现变焦功能，具有变焦原理简单、变焦范围大、响应速度快、体积小、成本低的优点；本发明对变焦性能有贡献的液面形状是位于平顶空心圆台的平台区域，对液体材料与介电弹性体的接触角的大小无特殊要求，而且可通过肉眼直接观察或者通过图像采集设备实时观察液面形状，有利于提高获得预期焦距的精度；介电弹性体驱动的是平顶空心圆台的底部，具有大的形变量，从而使得该变焦方法具有大的变焦范围。
10.还提供了这种无机械移动部件的变焦系统的工作方法，其包括以下步骤：
11.(1)当开关处于断开状态时，由于透明液体的表面张力，透明液体的表面形状呈现出弧形，具有类似透镜的结构并拥有初始的焦距，与光轴平行的入射平行光线经过透明液体后，汇聚于焦点f上；
12.(2)当开关处于闭合状态时，圆形介电弹性体的外围区域的面积增加，半径变为a
′
，a
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＞a，驱动平顶空心圆台的底部收缩，半径变为b
′
，b
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《b，透明液体受到平顶空心圆台的挤压，由于透明液体的体积不变，与平顶空心圆台的凸缘部接触的液体形状发生变化，从而实现变焦功能，与光轴平行的入射平行光线经过透明液体后，汇聚于焦点f
′
上。
附图说明
13.图1为根据本发明的一种无机械移动部件的变焦系统的拆分结构示意图。
14.图2为根据本发明的平顶空心圆台的示意图，其中(a)为一个角度的立体图，(b)为另一个角度的立体图。
15.图3为根据本发明的介电弹性体上下表面涂有柔性电极以及与平顶空心圆台的装配图。
16.图4为根据本发明的除注入透明液体外，其他组成部分的装配图。
17.图5为根据本发明的利用注射器往平顶空心圆台内部注入透明液体的视图。
18.图6为根据本发明的一种无机械移动部件的变焦系统的装配图。
19.图7为根据本发明的未施加驱动电压下，一种无机械移动部件的变焦系统的横截面图，其中示出了光路。
20.图8为根据本发明的施加驱动电压下，一种无机械移动部件的变焦系统的横截面图，其中示出了光路。
21.图9为根据本发明的施加驱动电压下，一种无机械移动部件的变焦系统的装配图。
22.其中：1-上亚克力板、2-下亚克力板、3-圆形介电弹性体、4-上柔性电极、5-下柔性电极、6-平顶空心圆台、7-透明液体、8-左侧铜带、9-右侧铜带、10-凸缘部、11-注射器、12-未施加驱动电压下液体的表面形状、13-高压电源、14-开关、15-光轴、16-入射平行光线、17-施加驱动电压下液体的表面形状。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
25.如图1所示，这种无机械移动部件的变焦系统，其包括：圆形介电弹性体3、上柔性电极4、下柔性电极5、平顶空心圆台6、透明液体7、凸缘部10、高压电源13、开关14；
26.在圆形介电弹性体的上、下表面的外周分别涂有环形的上柔性电极、下柔性电极，环形的内圆半径为b，环形的宽度为a，平顶空心圆台的内径为b且轴线经过环形的中心，在平顶空心圆台的顶部设置凸缘部，液体注满平顶空心圆台且与凸缘部相接触；
27.上柔性电极、下柔性电极、开关、高压电源串联起来。
28.本发明当在两个柔性电极之间施加驱动电压时，圆形介电弹性体的外围区域的面积将增加，驱动平顶空心圆台的底部半径减小，由于平顶空心圆台内的液体体积不变，当平顶空心圆台的底部半径减小时，液体将受到挤压，从而改变与平顶空心圆台的平台区域接触的液体形状，进而实现变焦功能，具有变焦原理简单、变焦范围大、响应速度快、体积小、成本低的优点；本发明对变焦性能有贡献的液面形状是位于平顶空心圆台的平台区域，对液体材料与介电弹性体的接触角的大小无特殊要求，而且可通过肉眼直接观察或者通过图像采集设备实时观察液面形状，有利于提高获得预期焦距的精度；介电弹性体驱动的是平顶空心圆台的底部，具有大的形变量，从而使得该变焦方法具有大的变焦范围。
29.优选地，在上柔性电极的外周上设置环形的上亚克力板1，在下柔性电极的外周上设置环形的下亚克力板2，上亚克力板的宽度小于上柔性电极的宽度，下亚克力板的宽度小于下柔性电极的宽度。这样的设计是为了用电安全，同时也避免人为触碰影响无机械移动部件的变焦系统的精度。
30.优选地，在上柔性电极上电气连接左侧铜带8并粘接在上亚克力板的下方，在下柔性电极上电气连接右侧铜带9并粘接在下亚克力板的上方。铜带的作用是将高压电源的电压施加到柔性电极上。
31.优选地，通过注射器11将液体注满平顶空心圆台。这样能够精确地控制注入平顶空心圆台的液体的量。
32.优选地，所述平顶空心圆台是截头圆锥形状的，从下至上是减缩的。下端设置为具有大的直径，是为了当介电弹性体发生变形时，平顶空心圆台的下端具有大的变形量。
33.还提供了这种无机械移动部件的变焦系统的工作方法，其包括以下步骤：
34.(1)当开关处于断开状态时，由于透明液体的表面张力，透明液体的表面形状呈现出弧形，具有类似透镜的结构并拥有初始的焦距，与光轴平行的入射平行光线经过透明液体后，汇聚于焦点f上；
35.(2)当开关处于闭合状态时，圆形介电弹性体的外围区域的面积增加，半径变为a
′
，a
′
＞a，驱动平顶空心圆台的底部收缩，半径变为b
′
，b
′
《b，透明液体受到平顶空心圆台的挤压，由于透明液体的体积不变，与平顶空心圆台的凸缘部接触的液体形状发生变化，从而实现变焦功能，与光轴平行的入射平行光线经过透明液体后，汇聚于焦点f
′
上。
36.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。