电控双液体变焦透镜的设计及实验研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.18MB 59 页 15积分

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摘要

变焦光学系统是许多光学器件中的关键元件，传统变焦光学系统一般由两片

或更多的固定透镜组合而成，通常是利用电机和齿轮等机械装置来调节透镜间的

相对位置来实现变焦。但由于存在机械可动部件，这类镜头易磨损、变焦速度慢、

价格昂贵，而且不易实现微型化。因此研发寿命长、可靠性高且便于微小型化的

变焦光学系统具有非常重要的应用价值和巨大的市场前景。

本文主要内容主要包括三个部分：双液体变焦透镜的相关理论分析、双液体

变焦透镜的工艺研究及性能测试、无机械运动变焦系统的设计与实验研究。本文

首先进行了双液体变焦透镜的相关理论分析。建立了双液体变焦透镜的数学物理

模型；给出了适用于双液体变焦透镜的 Young 方程；从理论上分析了外加电压与

双液体变焦透镜接触角和焦距的关系；为后面章节的实验研究奠定了理论基础。

然后本文从实验上研究了双液体变焦透镜的工艺和结构优化。优化了双液体变焦

透镜的制作流程；改善了疏水介电层的性能与质量；理论分析出圆柱型双液体变

焦透镜结构最小化的一般公式；为无机械变焦系统的小型化与可靠性提供了保障。

最后本文通过对疏水介电层厚度为 2



的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验。

给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟滞曲线；并在制备性能较好的双液体变

焦透镜的基础上制作出无机械运动变焦系统的实验模型并进行性能测试；结果表

明该系统在外加电压从 0-60V 变化的过程中，系统的焦距变化为 40-15mm。这些

相关的成果将为以后制备性能较好的双液体变焦透镜以及无机械运动变焦系统提

供参考。

关键词：变焦透镜 Young 方程结构优化变焦迟滞

ABSTRACT

A variable-focus optical system is a key element in many optical devices.

Traditional variable-focus optical systems are usually composed of two or more fixed

lenses, which change the focal length by modulating the relative position of fixed lenses

with mechanical equipments, like motor and gear. But such systems have mechanical

parts which make lenses fragile, low response velocity and very expensive. In addition

they are also not convenient to be implemented in small spaces. Thereby, the

development of variable-focus optical systems with long life, high stability and small

volume has very important values of application and great potential of market.

The paper comprises three parts: theoretical analysis, technology study and

performance test of double-liquid variable-focus lenses, design and providing the

experimental model for the zoom lenses without motorized movement. Theoretical

analysis is first expounded in the paper. The model of mathematical physics for the

double-liquid variable-focus lens is constructed. A Young-equation suited for the

double-liquid variable-focus lens is derived. The theoretical analysis on the relationship

between the contact angle and the focal length of the double-liquid variable-focus lens

is given. The theoretical analysis, provide the theoretical foundation for experiment

research. Then the paper focused on technology study and performance test of

double-liquid variable-focus lenses. The manufacturing process is optimized. The

performance and quality of the dielectric layer is improved. General formula which is

about structure minimization of the cylindrical double-liquid variable-focus lens is

given. At last, the variable-focus experiment of the double-liquid variable-focus lens

with dielectric layer thickness 2



under the applied voltages is performed. A

hysteresis curve between the focal length of the double-liquid variable-focus lens and

the applied voltage is given ；Varieties of zoom lens systems without motorized

movement based on the double-liquid variable-focus lens are designed. The simulation

results show the range of the focal length for the zoom lenses is about 40-15mm under

the applied voltage 0-60V. Such experiments will supply references to fabricating

double-liquid variable-focus lenses and variable-focus optical system without

mechanical movement with good property.

Key Word：Variable-focus lens, Young-equation, Structural

optimization, Variable-focus hysteresis

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................1

§1.1 课题背景........................................................................................................1

§1.2 双液体变焦透镜的发展...............................................................................2

§1.3 课题来源及意义...........................................................................................4

§1.4 本文的主要研究工作...................................................................................5

第二章界面化学理论基础......................................................................................6

§2.1 界面基本概念...............................................................................................6

§2.2 表面张力和表面能.......................................................................................6

§2.2.1 基本概念................................................................................................6

§2.2.2 温度对表面张力的影响........................................................................9

§2.2.3 密度对表面张力的影响......................................................................10

§2.3 Laplace 方程................................................................................................ 11

§2.4 接触角与 Young 方程................................................................................14

§2.4.1 润湿现象..............................................................................................14

§2.4.2 Young 方程...........................................................................................15

§2.4.3 接触角迟滞及其影响因素..................................................................16

§2.5 重力场下液滴的形状.................................................................................17

§2.6 本章小结.....................................................................................................19

第三章双液体变焦透镜的理论分析....................................................................20

§3.1 双液体变焦透镜的基础理论分析.............................................................20

§3.1.1 电湿效应..............................................................................................20

§3.1.2 基本结构与变焦原理..........................................................................21

§3.1.3 基本性能分析......................................................................................21

§3.2 双液体变焦透镜的结构分析.....................................................................24

§3.2.1 结构模型分类......................................................................................24

§3.2.2 圆柱型透镜结构最小化分析..............................................................25

§3.3 本章小结.....................................................................................................29

第四章双液体变焦透镜的制作与优化................................................................30

§4.1 圆柱管材料选择.........................................................................................30

§4.2 疏水绝缘涂层材料选择.............................................................................30

§4.3 双液体变焦透镜的镀膜方法.....................................................................33

§4.3.1 溶胶－凝胶提拉镀膜法......................................................................33

§4.3.2 派瑞林等离子真空涂敷镀膜法..........................................................35

§4.4 双液体变焦透镜的结构优化.....................................................................36

§4.5 本章小结.....................................................................................................38

第五章双液体变焦透镜的实验研究....................................................................39

§5.1 变焦迟滞现象研究......................................................................................39

§5.1.1 Young 方程的局限性...........................................................................39

§5.1.2 Young 方程的改进...............................................................................40

§5.1.3 变焦迟滞现象的理论分析与实验验证..............................................42

§5.2 模拟人眼的无机械变焦光学成像系统.....................................................44

§5.3 双液体变焦透镜其他探索实验.................................................................46

§5.4 本章小结.....................................................................................................47

第六章总结与展望................................................................................................49

参考文献..................................................................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................56

致谢......................................................................................................................57

第一章绪论

§1.1 课题背景

在现代光学成像系统中，变焦光学系统需要满足两个基本条件：焦距改变以

及焦距改变过程中像面位置保持不变[1]。传统的变焦系统是通过固定焦距透镜的组

合，同时改变各镜头之间的间距，在保持成像面的位置不变的同时改变整个透镜

组的焦距。这类变焦距透镜的设计方法有两种，一种是机械补偿法、另一种是光

学补偿法。但是这两种方法都要求对于构成整个透镜组的若干镜头的机械位置进

行精确的定位和控制，并在透镜组结构中需要设计有精密的驱动电机和实现同步

精确运动的精密空间凸轮，这将会带来一个问题：光学变焦距透镜组的结构就会

变得相当复杂，体积庞大，制造精度要求高，并且不易在诸如在手机摄像镜头、

人体假视等小范围空间内实现光学变焦。

随着对变焦系统研究的深入，近年来出现了许多关于变焦透镜的设计方案，

如液压式微透镜[2-3]、基于液晶的菲涅尔透镜[4-6]和基于电润湿效应的双液体变焦透

镜[7-9]。

其中液压式微透镜是通过改变腔体中液体的体积从而改变腔体顶面高分子聚

合物 PDMS（PolydimethylsiIoxane, 聚二甲基硅氧烷）薄膜的曲率大小来实现变焦，

但这种微透镜是采用液压的方式需要有一个泵，这与一般的光电产品不相容，而

且如果泵上施加的压力过大，将会破坏 PDMS 薄膜。基于液晶的菲涅尔透镜可以

不需要机械运动实现焦距的改变，使得整个成像光学系统可以做得紧凑轻巧。通

过电压控制变焦比机械控制变焦更加方便和精确，加上节能、轻便、驱动电压低

以及响应速度快等很多优点。但是由于基于液晶的菲涅尔透镜利用光的衍射特性，

使得衍射造成的色差影响难以完全消除。还有很多待解决的问题比如：多焦点、

如何保持成像面的位置不变等等。基于电润湿效应的双液体变焦透镜[10-11]是通过外

加电压的改变来调节透镜的焦距[12]。目前国外已有公司成功研制了这种基于电润

湿效应的液体变焦透镜。

本文研究的电控双液体变焦透镜是通过外加驱动电压改变液体界面的曲率半

径，不需要电机等复杂机械装置进行驱动来改变焦距，具有无机械可动部件、抗

冲击力好、结构小、响应速度快、无机械磨损、功耗小、寿命长、噪音小、可应

用于小空间等优点。该透镜可以作为小型数码相机、摄像机、手机、电脑内置摄

像头的光学元件，并可应用于生物测定仪、电视内部监视仪以及通讯设备等。因

此本课题具有重要的实用价值和巨大的市场前景。

电控双液体变焦透镜的设计及实验研究

§1.2 双液体变焦透镜的发展

早在 17 世纪 Stephan Gray[13]就设计过利用水滴来制作透镜的显微镜。他在平

板上钻孔以固定液滴，通过改变钻头直径大小从而改变液滴的曲率半径以达到改

变透镜的放大倍率的作用[14]。1875 年G.Lippmann[15]开始对电毛细管现象[16,17,18]进

行了研究，他发现在电压的作用下，浸于电解液中的水银滴表面形状会发生改变。

1936 年，Froumkine[19]发现在液滴和电极之间施加电压，可以改变液-固表面的张

力系数，从而改变液滴和电极之间接触角的大小。并且利用电场来改变处于金属

表面上的液滴的形状，成功地推动液滴在平板上运动，这种现象被称为电润湿效

应。1965 年，弗兰克·赫伯特在科幻小说《沙丘》里就提到一种名为“油透镜”的可

变焦透镜，这给科学界研究双液体变焦透镜提供了新的思路。30 多年后美国科学

家研制出一种以液压控制的集成型液体变焦透镜(liquid zooming lens)。加州大学圣

地亚哥分校(UCSD)的研究团队发明的液体透镜是由两个装满液体的透镜腔组成

的，以背靠背方式紧贴在玻璃基板的两侧。透镜的腔体是由具有弹性的 PDMS 制

成，直径约 20mm，厚度约 8mm，在每个腔体中注入 63%的铬酸钠溶液，然后用

PDMS 薄膜密封，在透镜腔的出入口装上活塞，并由一个与腔体集成在一起的微

型泵来控制压力，进而改变透镜的焦距。这是利用液体的连通原理，通过作用于

与液体透镜连通的另一个液体容器，用挤压或拉伸使它产生形变从而控制其焦距

的变化，这种控制方法属于机械力控制。

2003年，Lucent公司研究部门的科学家推出世界上第一款纯电力控制的液体变

焦透镜，这种透镜在电场作用下可以改变自身的光学特性。它是在带有特殊涂层

的基底上由一种导电液体（例如Nacl盐水溶液）形成的，在基底上放上触点，在这

些触点上加电压就能改变透镜的焦距，这种透镜的大小从几十微米至几毫米不等。

此透镜表面是液体与空气的接触面，变焦效率比较高，但它的表面只能平放，不

易控制，而且对周围环境的要求比较严格。

在2004年CeBIT博览会上，荷兰Philips公司展示了一款新型液体变焦透镜，这

是一种无机械运动部件的变焦液体透镜系统。Philips公司的这种液体透镜如图1-1

所示，由两种互不相溶且具有不同折射率的液体组成：一种是导电的水溶液，另

一种是不导电的油性液体。将两种液体密封在一个圆柱管内，圆柱管的内壁和另

一端的盖板上都涂有疏水性薄膜，这使得水溶液由于表面张力的作用向没有疏水

性薄膜的一端弯曲，通过在两个电极上加直流电压，使得液面曲率发生变化，从

而改变透镜的焦距。这种方法叫做“电浸润法[20]”。

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摘要：

摘要变焦光学系统是许多光学器件中的关键元件，传统变焦光学系统一般由两片或更多的固定透镜组合而成，通常是利用电机和齿轮等机械装置来调节透镜间的相对位置来实现变焦。但由于存在机械可动部件，这类镜头易磨损、变焦速度慢、价格昂贵，而且不易实现微型化。因此研发寿命长、可靠性高且便于微小型化的变焦光学系统具有非常重要的应用价值和巨大的市场前景。本文主要内容主要包括三个部分：双液体变焦透镜的相关理论分析、双液体变焦透镜的工艺研究及性能测试、无机械运动变焦系统的设计与实验研究。本文首先进行了双液体变焦透镜的相关理论分析。建立了双液体变焦透镜的数学物理模型；给出了适用于双液体变焦透镜的Young方程；从理论上分...

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