CN109884789A - 一种基于电磁驱动的变焦液体透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于电磁驱动的变焦液体透镜，该透镜包括入射窗口、线圈Ⅰ、弹簧、环形绝缘轻质环形薄片、填充液体Ⅱ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ、填充液体Ⅰ、小型磁铁、圆柱形腔体、线圈Ⅳ、出射窗口。圆柱形腔体中，环形绝缘轻质薄片被两边上下共四根弹簧固定，在电磁驱动力下，环形绝缘轻质薄片在固定在其上的小型磁铁带动下上下移动，使环形绝缘轻质薄片中圆孔处的液‑液界面向下或向上凸起，进而改变透镜的焦距。

Description

一种基于电磁驱动的变焦液体透镜

技术领域

本发明涉及一种液体透镜，更具体地说，本发明涉及一种基于电磁驱动的变焦液体透镜。

背景技术

透镜作为光学成像系统中的一种核心部件，已经与我们的生活息息相关，各类透镜已广泛应用于摄像镜头、投影镜头、光学望远镜、光学显微镜等。在这些成像系统中，由于使用的透镜一般均为固体透镜，单个的固体透镜不能实现变焦，而在成像的过程中我们又需要通过矫正像差、变焦等来得到理想的画面，所以使用的透镜往往不是单个存在的，而是以多个透镜形成一个透镜组来进行工作的。矫正像差往往需要正负透镜的组合来实现，而要实现变焦则需要多个透镜调节它们之间的相对位置，所以上述成像系统的设计和制作往往很复杂，使得开发新产品的成本高且周期长，制成的器件往往也很笨重，不易实现器件的轻便化。液体透镜的诞生，有效的改善了上述情况，这类透镜大多能实现自动变焦，例如Varioptic 公司的B. Berge飞利浦公司的J. Peseux提出了基于电湿润效应的液体透镜已经商业化生产，其通光孔径为6mm左右时,焦距最短能达到16mm。台湾新竹清华大学的团队2007年提出的一种介电力驱动的液体透镜，孔径为毫米级别，其能实现12mm到34mm的连续变焦。这类液体透镜虽然在自动变焦上取得了成功，但变焦范围仍需进一步提升，尤其是上述基于介电力驱动的液体透镜还不能实现正负透镜的自由切换。韩国明知大学的Il SongPark团队在2018年提出了一种使用电磁力驱动的电湿润液体透镜，其通过电湿润效应实现透镜的聚焦功能，电磁驱动实现放大功能，但是该器件由于液体的流动性而不稳定，即不能倾斜放置，这大大降低作为液体透镜的优势。本发明提出的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜不仅能实现变焦范围的进一步扩大与正负透镜的自由切换，该透镜还具有良好的稳定性。

发明内容

本发明提出一种基于电磁驱动的变焦液体透镜。如附图1所示，该透镜包括：入射窗口、线圈Ⅰ、弹簧、环形绝缘轻质薄片、填充液体Ⅱ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ、填充液体Ⅰ、小型磁铁、圆柱形腔体、线圈Ⅳ、出射窗口。其中，入射窗口、出射窗口、圆柱形腔体共同组成基于电磁驱动变焦液体透镜的主体结构，小型磁铁固定在环形绝缘轻质薄片中，环形绝缘轻质薄片被两边上下共四根弹簧固定，小型磁铁分别与两边上下共四个线圈相对应。 填充液体Ⅰ、Ⅱ密度完全相同，且互不相溶，且具有不同的折射率。

本发明提出的基于电磁驱动的变焦液体透镜的工作原理基于电磁驱动力, 在电磁驱动力下，磁铁带动环形绝缘轻质薄片在腔体中部向上移动，而当环形绝缘轻质薄片向上移动时，环形绝缘轻质薄片中央圆孔中填充液体Ⅰ向下涌，形成一个月牙形液-液界面，由于填充液体Ⅱ的折射率小于填充液体Ⅰ，即形成了正透镜，如附图2所示。在电磁驱动力下，磁铁带动环形绝缘轻质薄片向下移动时，挤压填充液体Ⅱ，使得部分填充液体Ⅱ在环形绝缘轻质薄片中央圆孔处向上涌，进而形成月牙形液-液界面，即形成了负透镜，如附图3所示。通过改变环形绝缘轻质薄片移动的距离可以实现交界面曲率的变化，即实现变焦的效果，由于我们使用了两种密度相同的液体，从而可以保证器件的稳定性。

优选地，出入射窗口的直径d ₁ ≥ 2mm且d ₁ ≤ 10mm；环形绝缘轻质薄片的内直径d ₂ ≥ 0.5d ₁ 且d ₂ ≤ d ₁ ，外直径d ₃ ≥ 12mm且d ₃ ≤ 20mm，厚度d ₄ ≥ 0.5mm且d ₄ ≤ 1.6mm。

优选地，圆柱形腔体的高度d ₅ ≥ 6mm且d ₅ ≤ 30mm，较大内直径d ₆ ≥ 1.04d ₃ 且d ₆ ≤1.1d ₃ 。

优选地，填充液体Ⅰ为透明油性液体，填充液体Ⅱ为盐的水溶液。

优选地，环形绝缘轻质薄片在其两边靠近边缘位置分别固定两块小型磁铁，并用四根细弹簧固定环形绝缘轻质薄片，使其只能上下移动。

优选地，将四个线圈分为两组，线圈Ⅰ和线圈Ⅲ为一组，线圈Ⅱ和线圈Ⅳ为另一组，两组线圈分别在上下两个方向上与小磁铁相对应。每组线圈内两个线圈用导线连接且其绕线方向一致。

优选地，环形绝缘轻质薄片在液-液交界面处，且在圆柱形腔体的中央。

附图说明

附图1为基于电磁驱动的变焦液体透镜结构剖面示意图。

附图2为基于电磁驱动的变焦液体透镜形成正透镜时原理示意图。

附图3为基于电磁驱动的变焦液体透镜形成负透镜时原理示意图。

附图4为基于电磁驱动的变焦液体透镜形成正透镜时焦距随移动距离变化的模拟示意图。

附图5为基于电磁驱动的变焦液体透镜形成负透镜时焦距随移动距离变化的模拟示意图。

上述附图中的图示标号为：

1入射窗口，2线圈Ⅰ，3 弹簧，4环形绝缘轻质薄片，5 填充液体Ⅱ，6线圈Ⅱ，7线圈Ⅲ，8填充液体Ⅰ，9 小型磁铁，10圆柱形腔体，11线圈Ⅳ，12出射窗口。

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

下面详细说明本发明提出的一种电磁驱动的变焦液体透镜的实施例，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。

本发明的一个实施例为：如附图1所示，本实施例中圆柱形腔体由三个PMMA圆管构成，上下圆柱形腔体的内直径为5mm, 外直径为16mm，高度为5mm，中部圆柱形腔体的内直径为14mm, 外直径为16mm, 高度为10mm。 环形绝缘轻质薄片的内直径为5mm, 外直径为12.5mm，厚度为1mm。 小型磁铁的厚度为2mm, 长为4mm, 宽为4mm。线圈的匝数为30，内直径为5mm。细弹簧的长度为5mm, 定数为1.46。出入射窗口的直径为7mm。填充液体Ⅰ为无色透明硅油，填充液体Ⅱ可为NaCl水溶液，无色透明硅油的折射率为1.65，阿贝数为62.8。而NaCl水溶液的折射率为1.33，阿贝数为55.8。

本实施例采用的工作波段为380nm-760nm。对本发明施加电压改变环形绝缘轻质薄片上下移动的距离，可实现变焦的效果。当移动的距离为0~0.2mm时，其焦距变化如附图4和附图5所示,附图4为在线圈Ⅰ和线圈Ⅲ通电时，焦距随环形绝缘轻质薄片向上移动距离的变化，透镜的焦距调节范围为（7.97 mm，∞）。 附图5为在线圈Ⅱ和线圈Ⅳ上施加电压时，焦距随环形绝缘轻质薄片向下移动距离的变化，透镜的焦距的调节范围为（-∞，7.97mm）。

Claims (6)

1.一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，包括：入射窗口、线圈Ⅰ、弹簧、环形绝缘轻质薄片、填充液体Ⅱ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ、填充液体Ⅰ、小型磁铁、圆柱形腔体、线圈Ⅳ、出射窗口，其特征在于在圆柱形腔体中部，环形绝缘轻质薄片边缘固定有小型磁铁，并通过弹簧使绝缘轻质环形薄片固定在圆柱形腔体中部，使其只能上下移动，小型磁铁对应的位置装有上、下两组共四部线圈；对上、下两组线圈分别通电，使其产生的电磁场吸引小型磁铁向上或向下移动，进而实现透镜的变焦。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，其特征在于，在圆柱形腔体内有可上下移动的环形绝缘轻质薄片，环形绝缘轻质薄片在其两边靠近边缘位置分别固定两块小型磁铁，并用四根弹簧固定环形绝缘轻质薄片。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，其特征在于，在与绝缘轻质环形薄片上小型磁铁对应的位置有四部线圈，将四部线圈分为上下两组，两组线圈分别在上下两个方向上与小磁铁相对应，每组线圈内两个线圈用导线连接且其绕线方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，其特征在于，基于电磁驱动的变焦液体透镜包含填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ，填充液体Ⅰ和填充液体Ⅱ不相溶，且它们之间折射率不同，两种液体密度相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，其特征在于，出入射窗口直径d ₁ ≥ 2mm且d ₁ ≤ 10mm；环形绝缘轻质薄片的内直径d ₂ ≥ 0.5d ₁ 且d ₂ ≤ d ₁ ，外直径d ₃ ≥12mm且d ₃ ≤ 20mm，厚度d ₄ ≥ 0.5mm且d ₄ ≤ 1.6mm。

6. 根据权利要求1所述的一种基于电磁驱动的变焦液体透镜，其特征在于，圆柱形腔体的高度d ₅ ≥ 6mm且d ₅ ≤ 30mm，较大内直径d ₆ ≥ 1.04d ₃ 且d ₆ ≤ 1.1d ₃ 。