CN111796347A - 一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法，包括透镜架和驱动单元，在透镜架的圆周侧壁包裹弹性材料形成密闭的容腔，在容腔内盛装高折射率的透明液体；驱动单元分布在容腔圆周侧壁，其利用压电材料的逆压电效应对容腔提供径向的驱动力，容腔内的透明液体在驱动单元的驱动下发生挤压变形，使得容腔表面的弹性材料形状发生改变，最终实现可变焦透镜在一定范围内的连续变焦；本发明具有响应速度快、结构紧凑以及功耗低等特点，同时其透镜为可调状态，适用于不同的光学成像领域。

Description

一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法，属于光学器件领域。

背景技术

随着技术的不断发展与进步，传统光学变焦成像因其存在结构复杂、体积庞大、变焦慢、控制难度大等缺点，已无法满足人们对智能化光学***的需求。液体透镜，一项基于生物晶状体仿生原理的变焦透镜，得到人们的广泛关注；柔性液体透镜通常由透明弹性薄膜与透明流体介质组成，该结构往往无需机械移动就能实现焦距的调节，但该结构稳定性不高，易受到外界温度与压力的影响，故而，探索新颖的驱动方式，研究低功耗、智能化的液体透镜是当前的研究热点。

2014年，北京理工大学（CN 201410144158.6）提出一种基于双液体的快速变焦距装置，该装置是通过改变施加于电动透镜的电压和手动调节透镜旋转装置的角度，使得透镜焦距变化；2019年，来自美国的大卫·弗朗西斯·道森·埃利（CN 201920301531.2）提出了一种基于电润湿效应的液体透镜，该透镜在密封腔内设置两种互不相溶的液体，并通过改变密封腔内施加的电场，来改变两液体接触界面的形状，从而达到变焦效果；还有美国专利（US 8665527 B2; US 8605361 B2）提出一种基于压力控制的液体透镜，该透镜是基于液体透镜密封腔内与大气环境间的压强差，使得弹性薄膜发生形变，从而改变透镜的曲率半径。

前述阐述的现有技术中，当是基于电润湿效应的液体透镜时，此类结构往往需要制造几百微米的封装容腔和固体电极，装置结构复杂，材料与加工成本较高；当是基于压力控制的液体透镜时，虽然结构紧凑了，但是受到温度的影响较大，即使目前一些此类装置通过设置温度传感器来对结构加以改善，但是液体挥发、重力效应对液体透镜的光学效应以及稳定性问题还未完全解决；总的来说，现有技术中的液体透镜均存在控制策略复杂，焦距精度差，响应速度慢以及视野不清楚等缺陷，因此亟需一种新型液体透镜的出现，能够解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法，具有响应速度快、结构紧凑以及功耗低等特点，同时其透镜为可调状态，适用于不同的光学成像领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于压电致动的液体可变焦透镜，包括透镜架和驱动单元，在透镜架的圆周侧壁包裹弹性材料形成密闭的容腔，在容腔内盛装高折射率的透明液体；

驱动单元分布在容腔圆周侧壁，其利用压电材料的逆压电效应对容腔提供径向的驱动力，容腔内的透明液体在驱动单元的驱动下发生挤压变形，使得容腔表面的弹性材料形状发生改变，最终实现可变焦透镜的连续变焦；

作为本发明的进一步优选，前述的驱动单元为驱动结构，其包括压电振动器以及驱动杆，驱动杆呈圆弧状，其一端粘贴在容腔圆周侧壁的弹性材料上，其另一端与压电振动器的自由端固连，其中驱动杆的运动状态通过控制压电振动器获得改变；

作为本发明的进一步优选，前述的压电振动器包括金属基板，其呈圆弧状，与透镜架圆周侧壁形成同轴心配合；在金属基板的两侧壁上对称设置压电陶瓷片，压电陶瓷片同样呈与金属基板匹配的圆弧状，在压电陶瓷片表面接入电信号；

作为本发明的进一步优选，前述的弹性材料选用透明弹性薄膜，选用聚二甲基硅氧烷或EVA树脂薄膜；

作为本发明的进一步优选，透镜架选用玻璃、有机玻璃或者刚性透明材料制作；

作为本发明的进一步优选，前述的高折射率透明液体为蒸馏水或铬酸钾或乙二醇；

作为本发明的进一步优选，前述的驱动杆采用磷青铜或者铝合金制作；

作为本发明的进一步优选，在透镜架圆周侧壁上粘贴三个驱动结构，相邻驱动结构之间夹角为120°；

一种基于上述任意所述的基于压电致动的液体可变焦透镜的驱动方法，

在压电陶瓷片表面通入电信号时，压电振动器凭借其逆压电效应，将电能转化为机械能，为驱动杆提供沿透镜架径向方向的力，即驱动杆在压电振动器的驱动下，沿着透镜架径向运动，对透镜架圆周侧壁的透明弹性薄膜进行挤压，容腔形状随之发生改变，透明弹性薄膜的曲率同时随着驱动杆的运动发生变化，从而改变可变焦透镜的焦距；

其中，当压电振动器表面接入正信号时，容腔受到驱动杆的挤压，可变焦透镜表面呈现为凸透镜，当压电振动器表面接入负信号时，容腔受到驱动杆的拉伸，可变焦透镜表面呈现为凹透镜。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用压电振动器作为液体透镜的外部驱动结构，同时将压电振动器以圆周方向阵列在透镜容腔***，扩大了透镜的变焦范围；

2、本发明通过控制压电振动器上的电压即可推动驱动挤压透镜容腔，达到变焦效果；

3、本发明无论从结构还是控制策略均更为简单，变焦效果具有较好的优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明优选实施例的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的容腔结构示意图；

图3是本发明优选实施例的驱动结构示意图；

图4是本发明优选实施例的压电振动器结构示意图；

图5是本发明优选实施例的驱动结构在仿真软件中的变形计算结果，其中，5a为驱动结构在挤压过程中的变形计算结果，5b为驱动结构在拉伸过程中的变形计算结果；

图6是本发明优选实施例的容腔在驱动块挤压下，透明弹性薄膜发生变形的示意图，其中6a为凸透镜效果示意图，6b为凹透镜效果示意图。

图中：1为透明弹性薄膜，2为透镜架，3为驱动结构，4为压电振动器，5为驱动杆，6为固定端，7为自由端，8为金属基板，9为压电陶瓷片。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在现有技术中涉及到的液体透镜，有基于电润湿效应的液体透镜和基于压力控制的液体透镜两大类。第一种液体透镜在制造时需要几百微米的封装容腔和固体电极，装置结构复杂，材料与加工成本都比较高；第二种液体透镜虽然结构紧凑，但是受到温度影响较大，即使设置了温度传感器，但是液体挥发、重力效应对液体透镜的光学效应、稳定性问题依然无法解决，基于上述问题，本发明提出了一种基于压电致动的液体可变焦透镜。

本申请提出的液体基于压电致动的液体可变焦透镜主要是将透镜的容腔制作成可受到不同程度变形的结构，当容腔内盛放透明的光学液体时，通过对容腔形变的控制，改变了容腔内液体压强，从而使得透镜表面的形状得到改变；该结构仅仅需要通过控制进行挤压的驱动单元，就可以实现焦距的连续变焦；此种透镜结构，相较于传统的变焦镜头，调焦速度、精度均得到明显改善，且规避了现有复杂的控制策略，从而达到了响应速度快，结构紧凑，功耗低等特点，并且透镜均为可调状态，可用于眼镜、便携式成像设备、人工晶状体等不同的光学成像领域。

具体的，本申请提供的一种基于压电致动的液体可变焦透镜，包括透镜架2和驱动单元，在透镜架2的圆周侧壁包裹弹性材料形成密闭的容腔，在容腔内盛装高折射率的透明液体；驱动单元分布在容腔圆周侧壁，其利用压电材料的逆压电效应对容腔提供径向的驱动力，容腔内的透明液体在驱动单元的驱动下发生挤压变形，使得容腔表面的弹性材料形状发生改变，最终实现可变焦透镜的连续变焦。

实施例：

图1所示，是本申请提供的一种优选实施例，透镜架2选用透明的亚克力板，也可以选用玻璃、有机玻璃或者其他刚性透明材料制作，图2所示，将透明弹性薄膜1粘贴在透镜架2的上表面以及圆周侧壁上，形成一个封闭的容腔；透明弹性薄膜1选用光学特性良好，具有卓越回弹性的PDMS薄膜，即选用聚二甲基硅氧烷或EVA树脂薄膜等透明薄膜；为了更好塑造该容腔的封闭性，镜体在粘结后，需要在40℃-50℃的环境下静置10小时，并在该容腔内注入具有高折射率的光学液体，光学液体可以是蒸馏水或铬酸钾或乙二醇，本优选实施例中选用的是折射率n=1.67 的甘油；控制注入的液体体积，使得透镜上表面的光学薄膜呈水平状态，并尽量将容腔内的气泡排出，以免影响透镜的变焦效果。

图3所示，前述的驱动单元为驱动结构3，其包括压电振动器4以及驱动杆5，压电振动器4包括自由端7和固定端6，驱动杆5呈圆弧状，其一端粘贴在容腔圆周侧壁的透明弹性薄膜1上，其另一端与压电振动器4的自由端7固连，其中驱动杆5的运动状态通过控制压电振动器4获得改变；驱动杆5采用磷青铜、铝合金等其他刚性材料制成；压电振动器4采用悬臂梁式双晶压电片，图4所示，包括金属基板8，其呈圆弧状，与透镜架2圆周侧壁形成同轴心配合，将压电陶瓷片9对称的粘贴在金属基板8的两个侧壁上，压电陶瓷片9同样呈与金属基板8匹配的圆弧状，同时压电陶瓷片9的极化方向沿其厚度分布，在粘结压电陶瓷片9时，只需保证其极化方向一致即可，在压电陶瓷片9表面接入电信号。为了更好的保证压电陶瓷片9与金属基板8粘结，也需要将粘结后的结构在高温下静置。

将压电振动器4的金属基板8接地，在压电陶瓷片9表面接入电信号，利用压电陶瓷片9的逆压电效应，可将电信号转化为机械能，在压电振动器4的自由端7产生最大振动，推动驱动杆5挤压容腔，从而完成变焦，图5所示，简单变换电信号方向即可改变驱动杆5的运动方向，5a为驱动结构3在挤压过程中的变形计算结果，5b为驱动结构3在拉伸过程中的变形计算结果。

当电信号未施加到压电陶瓷片9表面时，透明弹性薄膜1表面保持水平，透镜没有任何调焦效果，与平面镜效果一致；

当电信号施加到压电陶瓷片9表面时，压电振动器4凭借其逆压电效应，将电能转化为机械能，为驱动杆5提供沿透镜架2径向方向的力，即驱动杆5在压电振动器4的驱动下，沿着透镜架2径向运动，对透镜架2圆周侧壁的透明弹性薄膜1进行挤压，容腔形状随之发生改变，透明弹性薄膜1的曲率同时随着驱动杆5的运动发生变化，从而改变可变焦透镜的焦距，具体的，当电信号为正信号时，压电振动器4将推动驱动杆5沿径向方向向内运动，容腔在驱动杆5挤压下，透明弹性薄膜1变成凸形，图6中6a所示，此时透镜与凸透镜效果一致，对光线呈汇聚作用；当电信号为负信号时，压电振动器4将推动驱动杆5沿径向方向向外运动，容腔在驱动杆5拉伸下，透明弹性薄膜1变成凹形，图6中6b所示，此时透镜与凹透镜效果一致，对光线呈发散作用；

通过控制压电振动器4上的电信号，可使得透明弹性薄膜1的曲率发生变化，透明弹性薄膜1的曲率决定了透镜的焦距，因此透镜的焦距可直接通过调节电信号的大小、方向来进行调节。

为了扩大透镜的变焦范围，在优选实施例中，将驱动结构3按照圆周阵列均匀排布在透镜架2圆周上，且选用三个驱动结构3，相邻两个驱动结构3的夹角为120°。

通过本申请提供的液体透镜，能够在光学变焦领域更好的实现微型化、集成化，也能更好的发挥压电振动器4无电磁干扰、快速响应等特点；无论从结构还是控制策略都更为简单，变焦效果也具有一定的优势。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：包括透镜架和驱动单元，在透镜架的圆周侧壁包裹弹性材料形成密闭的容腔，在容腔内盛装高折射率的透明液体；

驱动单元分布在容腔圆周侧壁，其利用压电材料的逆压电效应对容腔提供径向的驱动力，容腔内的透明液体在驱动单元的驱动下发生挤压变形，使得容腔表面的弹性材料形状发生改变，最终实现可变焦透镜的连续变焦。

2.根据权利要求1所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：前述的驱动单元为驱动结构，其包括压电振动器以及驱动杆，驱动杆呈圆弧状，其一端粘贴在容腔圆周侧壁的弹性材料上，其另一端与压电振动器的自由端固连，其中驱动杆的运动状态通过控制压电振动器获得改变。

3.根据权利要求2所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：前述的压电振动器包括金属基板，其呈圆弧状，与透镜架圆周侧壁形成同轴心配合；在金属基板的两侧壁上对称设置压电陶瓷片，压电陶瓷片同样呈与金属基板匹配的圆弧状，在压电陶瓷片表面接入电信号。

4.根据权利要求1所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：前述的弹性材料选用透明弹性薄膜，选用聚二甲基硅氧烷或EVA树脂薄膜。

5.根据权利要求1所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：透镜架选用玻璃、有机玻璃或者刚性透明材料制作。

6.根据权利要求1所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：前述的高折射率透明液体为蒸馏水或铬酸钾或乙二醇。

7.根据权利要求3所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：前述的驱动杆采用磷青铜或者铝合金制作。

8.根据权利要求2所述的基于压电致动的液体可变焦透镜，其特征在于：在透镜架圆周侧壁上粘贴三个驱动结构，相邻驱动结构之间夹角为120°。

9.一种基于上述任意权利要求所述的基于压电致动的液体可变焦透镜的驱动方法，其特征在于：

在压电陶瓷片表面通入电信号时，压电振动器凭借其逆压电效应，将电能转化为机械能，为驱动杆提供沿透镜架径向方向的力，即驱动杆在压电振动器的驱动下，沿着透镜架径向运动，对透镜架圆周侧壁的透明弹性薄膜进行挤压，容腔形状随之发生改变，透明弹性薄膜的曲率同时随着驱动杆的运动发生变化，从而改变可变焦透镜的焦距；

其中，当压电振动器表面接入正信号时，容腔受到驱动杆的挤压，可变焦透镜表面呈现为凸透镜，当压电振动器表面接入负信号时，容腔受到驱动杆的拉伸，可变焦透镜表面呈现为凹透镜。

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