基本信息
- 项目名称：
- 一种可改变光轴的双液体变焦透镜
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在微光学领域中，传统的机械透镜因为其成像系统机械部件繁多、操作不灵便、制作成本高等固有缺点，已不能完全满足人们的需要。而在众多下一代透镜技术中，液体透镜是通过控制液体周围的电场分布来液体自身形状从而达到变焦的目的, 其工作原理类似于人眼的聚焦机理。具有体积小、反应速度快、耗电量小、无磨损寿命长以及精确度高等优点。因此在微光学系统应用领域，液体透镜很有可能全面取代传统光学镜头,成为下一代透镜技术的核心。本作品提出了一种基于电润湿特性的新型双液体透镜，其基本特征是：不仅可以通过控制电压实现液体透镜的变焦，还可以通过控制液体透镜的电场分布，实现对偏离光轴的目标聚焦。
- 详细介绍：
- 本作品利用电润湿现象对导电液体曲率变化的影响，首次提出使用多个透明电极分别控制圆柱体双液体透镜的电场分布，即当给各个透明电极加同样的电压时，两个液体相接处的界面呈弧形曲率，液体透镜的光轴在圆柱形电极的正中央，可实现变焦；当四个电极施加不同电压时，电压较高的电极所对应液体产生的电湿效应较强，电压较低的电极所对应液体产生的电湿效应较弱，使得液体透镜光轴的方向发生改变，偏向电压较高的方位，达到可变光轴的效果。因此，通过调节各个电极的电压，不仅可以实现变焦，还可以实现透镜对偏离光轴的目标聚焦。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ★设计发明目的: 传统机械透镜结构复杂、加工困难，已不能满足实际需要。下一代透镜技术中的液体透镜通过控制系统电场分布改变液体形状达到变焦的目, 工作原理类似于人眼聚焦机理。作为一代透镜技术核心，液体透镜有可能全面取代传统镜头。本作品提出了一种不仅可以通过控制电压实现液体透镜的变焦，还可以通过控制液体透镜的电场分布，实现对偏离光轴的目标聚焦的双液体透镜。 ★基本思路 利用电湿效应对导电液体曲率变化的影响，用镀有透明导电薄膜的圆柱体透明电极制作的双液体透镜，并进行结构改进，通过四个独立电极控制液透镜的电场分布，从而达到变焦以及偏离光轴聚焦的目的。 ★创新点 ⑴设计并制备了在内外壁均镀有透明导电薄膜的圆柱形电极，利用此圆柱形电极制作了双液体变焦透镜。⑵对圆柱体双液体透镜的电极结构进行的改进，将电极分割成四个独立的电极。通过向每个独立电极施加不同电压的方法来控制液体透镜的电场分布，实现液体透镜的变焦以及偏离光轴聚焦的功能。 ★技术关键 ⑴利用超声喷雾热解法，在毫米量级尺寸的圆柱玻璃管壁制备透明电极。⑵使用多个电极对圆柱体双液体透镜的电场分布进行控制，形成非球面透镜，达到偏离光轴聚焦的目的。 ★主要技术指标 ⑴液体透镜尺寸:直径2～6mm，高度3～6mm。⑵液体透镜可见光透过率大于90%。⑶控制电压调节范围:DC 0～60V（Teflon+聚酰亚胺）DC 0～3500V（普通绝缘材料）。⑷变焦范围:3cm～无限远。
科学性、先进性
- ★作品的科学性： 本作品利用电润湿现象对导电液体曲率变化的影响，首次提出使用多个透明电极分别控制圆柱体双液体透镜的电场分布，即当给各个透明电极加同样的电压时，两个液体相接处的界面呈弧形曲率，液体透镜的光轴在圆柱形电极的正中央，可实现变焦；当四个电极施加不同电压时，电压较高的电极所对应液体产生的电湿效应较强，电压较低的电极所对应液体产生的电湿效应较弱，使得液体透镜光轴的方向发生改变，偏向电压较高的方位，达到可变光轴的效果。因此，通过调节各个电极的电压，不仅可以实现变焦，还可以实现透镜对偏离光轴的目标聚焦。 ★作品的先进性： 首次提出了一种可改变光轴的双液体变焦透镜，制备了可以用于双液体透镜变焦的圆柱体电极，并对圆柱体电极进行了合理的改进，通过调节各个电极的电压，不仅可以实现变焦、还可以实现透镜对偏离光轴的目标聚焦。通过国际科技查新可知，尚未有人用分割多电极的技术，解决液体透镜偏离光轴聚焦的问题。
获奖情况及鉴定结果
- ⑴2009年第七届“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 ⑵相关论文《Analysis of electric field on liquid zoom lens based on electro-wetting》被2009年国际电磁学研究进展国际会议录用（PIERS 2009 in Beijing，Progress In Electromagnetic Research Symposium），作者已在PIERS2009会议上做口头报告。论文被ISTP收录。 ⑶瞬态光学与光子技术国家重点实验室测试报告。 ⑷教育部科技查新站的国内外科技查新报告。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 不转让
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■模型 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- ★技术特点和优势 基于电湿效应的双液体透镜,变焦响应速度快,抗震性好,成像性能稳定,无磨损寿命长。与机械调焦系统相比,节省90%驱动电量50%的设计空间, 成本低廉。目前已实现对可见光穿透率达90 %左右。通过在液体中添加适当物质以调整液体的光学特性消除色差,简化传统昂贵复的消色差方法。 本透镜使用多电极分别对双液体透镜的电场进行控制,当给各电极加相同电压时,两个液体相接处的界面呈弧形曲率,此时液体透镜的光轴在圆柱形电极的正中央,可实现变焦。当四个电极施加不同电压时,两个液体相接处的界面呈非球面曲率,使得液体透镜光轴的方向发生改变,偏向电压较高的方位,达到可变光轴的目的。 ★适应范围与推广前景以及市场分析与经济效应预测 从长远角度来讲,未来光通信技术以及生医领域的的视觉假体技术都与液体透镜有密切关系。当前,液体透镜的市场定位是小型数码相机、手机内置摄像镜头、医用内窥检镜、光刻技术、生物测定仪、电视内部监视仪、安全监视以及通讯设备等。
同类课题研究水平概述
- 我国的液体透镜的研发与制作水准还处在基础研究阶段。从已发表的论文来看，国内主要有两家单位从事液体透镜研究（清华大学微电子所，上海理工大学光电子所），其中基于平面电极下的液体透镜目前已有实验结果（OU YANG Fan , WU Jian-gang , KANG Ming , YUE Rui-f eng, LIU Li-tian . CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS. Vol.19 No. 5 Oct . 2006）。来自清华大学微电子所的论文《基于EWOD的锥形管状结构液体变焦透镜》，作者康明，岳瑞峰，吴建刚，等。传感技术学报，2006（5）：1768-1770+1774。文中主要阐述了由一个依次覆盖有ITO透明导电薄膜及疏水介质膜的下极板、悬在其上的一个内外壁均覆盖有疏水层的玻璃锥管以及处于两者之间的导电液滴组成。通过改变ITO与液滴之间的电压大小，透镜的曲率及位置能同时被调节，从而实现对透镜焦距的调节；上海理工大学光电子所主要致力于透镜的定量分析与透镜填充液体密度研究。发表文章《电湿效应双液体变焦透镜性能的分析》，作者绳金侠，彭润玲，陈家璧. 光学仪器, 2007（4）：23-26。文章主要阐述一种基于电湿效应的可变焦液体透镜的模型，从系统的Helmholtz自由能着手给出外加电压与接触角的关系，并利用高斯光学理论推导出透镜焦距与外加电压的关系，在此基础上模拟给出了透镜焦距与外加电压的关系曲线。该查新项目研究的是多个电极施加不同电压条件下液体透镜的可变光轴和可变焦距，研究透镜焦距与外加不均匀电压的关系曲线。基于圆柱形电极的双液体透镜国内尚无成功的实验结果。 国外致力于液体透镜研究的主要是一些大型的透镜光学公司，包括法国的Varioptic公司，Philips公司以及日本精工，其中对双液体透镜的研究进度大多处在中试阶段与生产阶段之间。 经过科技查新，迄今为止尚未见到既能变焦、又可对偏离光轴的目标聚焦的液体透镜的报道。
