电湿效应变焦光学系统及其驱动电路的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.51MB 55 页 15积分

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摘要

变焦光学系统是照相机、摄像机等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，此类镜头变

焦速度慢、价格昂贵、坚固性差，而且不易在诸如内窥镜、拍照手机等便携式微

小型装置中实现。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。

近年来，基于介质上电湿效应的双液体变焦透镜以其突出的性能而越来越受

到人们的重视。由于基于电湿效应的双液体变焦透镜，具有体积小、响应速度快、

寿命长、成像质量好、无噪音、价格低等优点，受到了业界的广泛关注。本文在

双液体变焦透镜的基础上，提出并分析了一种新型的无机械运动变焦光学系统，

开展的主要研究工作和获得的结论如下：

本文共有六章，前两章具体介绍了双液体变焦透镜的发展及其意义，然后介

绍了双液体变焦透镜相关理论基础，包括界面热力学基础、表面张力、Laplace 方

程、Young 方程等。第三章开始介绍双液体变焦透镜的工作原理，并系统的分析了

双液体透镜的界面面型；从赫姆霍兹自由能着手给出外加电压与接触角的关系。

第四章设计了一个双液体变焦透镜电控驱动系统。该系统以 Atmega8535 单片机为

主控芯片，提供与上位机的通信，对外输出一个电压幅值可调，频率为 1000 赫

兹的电压。该输出电压可用于液体透镜的驱动。第五章设计了一种基于圆锥结构

双液体变焦透镜的无机械变焦系统，并对无机械运动变焦系统的变焦以及调焦原

理做了详细的说明；深入分析了这个系统在满足变焦光学系统两个基本要求时其

相关参数必须适合的条件，并给出了相应的关系表达式，在此基础上通过数值逼

近的办法，计算了系统在外加电压使其变焦的同时又能保持像面位置不动的情况

下系统可以达到的变焦范围。第六章对全文进行了总结并提出了以后需要进行的

工作。

关键词：表面张力电湿效应接触角液体透镜机械运动

ABSTRACT

A variable-focus optical system is a key element in many optical devices, such as

cameras, video cameras etc. 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. Such

mechanical equipments make traditional variable-focus optical systems low response

velocity, very expensive, and fragile. In addition they are also not convenient to be

implemented in small spaces, such as in endoscopes and mobile phone cameras.

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.

In recent years, electrowetting has been widely used as the main means of

controlling the small liquid drops on plane. It has been applied in many areas such as

new-type displays, variable focus lenses etc. The double-liquid lens based on

electrowetting has many excellent properties, including small size, cheapness, fast

response speed, long life, better imaging quality and noiseless, and has received

extensive attention from the industry. This paper provides a new-type of variable-focus

optical system without mechanical movements on the basis of double-liquid

variable-focus lenses. The main research contents and important results for the paper are

given as follows.

The paper has six chapters. The first two chapters introduce the development and

significance of the double-liquid lens in detail，and then introduce related theoretical

foundation of the double-liquid lens, including thermodynamic based interface, surface

tension, surface free energy, Laplace equation and Young equation etc. The chapter 3

introduces the principle of the double-liquid lens, analysises interface of the

double-liquid lens systematically, shows the relationship of the external voltage and the

contact angle from the point of Helmholtz free energy, and provides the relationship of

the external voltage and the focus utilizing the Gauss optics theory. The chapter 4

introduces an electric drive and control system which make Atmega8535 single-chip

Microcomputer as the master chip. This system provides communication between the

SCM and the PC and output the voltage which amplitude is adjustable and the

frequency is 1000Hz. This output voltage can be used to drive the double-liquid lens.

The chapter 5 designs a variable-focus optical system without mechanical movement

which based on the conical double-liquid lens. The structure and principle of this system

are introduced. Detailed calculations are presented to predict how the parameters for

each system are related to meet the basic requirements of zoom lenses. Corresponding

relational expressions are given and solved so that we can obtain the zoom ratio of each

system. The last chapter gives a summary of the paper and some suggestions for future

research.

Key Word：Surface tension, Electrowetting, Contact angle, variable-

focus lens，Mechanical movements

中文摘要

ABSTRACT

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

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

§1.2 变焦透镜的发展......................................................................................... 2

§1.3 双液体变焦透镜的发展及研究现状........................................................... 4

§1.4 课题选题意义和依据................................................................................... 5

第二章双液体变焦透镜的物理和化学基础............................................................. 7

§2.1 热力学相关理论基础................................................................................... 7

§2.1.1 热力学第一定律............................................................................... 7

§2.1.2 热力学第二定律................................................................................. 9

§2.1.3 热力学的基本方程........................................................................... 13

§2.2 界面化学理论基础..................................................................................... 14

§2.2.1 界面和表面....................................................................................... 14

§2.2.2 表面张力和表面能............................................................................ 15

§2.2.3 拉普拉斯（Laplace）方程 ...............................................................17

§2.2.4 浸润现象与杨氏方程....................................................................... 19

§2.3 本章小结..................................................................................................... 21

第三章电湿效应与双液体变焦透镜....................................................................... 23

§3.1 电湿效应..................................................................................................... 23

§3.2 双液体变焦透镜的结构与原理................................................................. 25

§3.2.1 双液体变焦透镜的结构................................................................... 25

§3.2.2 双液体变焦透镜的原理................................................................... 26

§3.3 双液体变焦透镜的界面面型分析............................................................. 27

§3.3.1 双液体变焦透镜面型方程............................................................... 27

§3.1.2 实验分析密度差对液体透镜性能的影响....................................... 28

§3.4 适用于圆锥结构双液体变焦透镜的杨氏方程......................................... 29

§3.5 本章小结..................................................................................................... 32

第四章基于 AVR 单片机的双液体变焦透镜驱动系统......................................... 33

§4.1 液体透镜驱动系统的结构......................................................................... 33

§4.2 直流升压模块............................................................................................. 34

§4.3 基于 AVR 单片机的单片机系统模块....................................................... 35

§4.2.1 AVR 单片机的介绍及硬件设置 .....................................................35

§4.2.2 单片机控制系统的硬件电路........................................................... 36

§4.4 使用电控系统对液体透镜加压的实验及分析......................................... 38

§4.5 本章小结：................................................................................................. 39

第五章圆锥结构双液体变焦透镜的无机械变焦系统........................................... 41

§5.1 无机械运动变焦系统的结构和原理......................................................... 41

§5.2 无机械运动变焦系统对无穷远物体成像分析......................................... 42

§5.3 本章小结：................................................................................................. 46

第六章总结与展望................................................................................................... 47

总结：.................................................................................................................. 47

展望: ..................................................................................................................... 47

参考文献..................................................................................................................... 48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 51

论文: ..................................................................................................................... 51

科研项目: ............................................................................................................. 51

致谢......................................................................................................................... 52

第一章绪论

§1.1 课题背景

本课题研究的双液体变焦透镜，无需机械运动，只需外加电压就能够改变该透

镜的焦距，实现调焦的功能；且该透镜还具有耗能小，无机械磨损等优点。由于

双液体变焦透镜的上述优点。使它有可能成为的“人造晶状体”的理想元件。

本课题是国家 973 项目《人工视觉修复基础性研究》的子课题，编号

（2005CB724304），并得到上海教委（05EZ43）和上海市重点学科建设项目（T0501）

的资助，是一个原创性课题，处于国际前沿领域。课题主要研究一种“电湿效应”

双液体变焦透镜，并以双液体变焦透镜为组分设计一种无机械运动变焦透镜系统。

传统的光学变焦系统是由固定焦距的透镜组合在一起，协同改变各镜头之间

的间距以后，在保持成像面位置不变的同时改变整个透镜组的焦距。这种变焦距

透镜的设计方法有两种，一种是光学补偿法一种是机械补偿法，两种方法都要求

对于组成整个透镜组的若干组份镜头的机械位置进行精确的控制与定位，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。这就

使得这种光学变焦距透镜组的结构相当复杂，体积庞大，制造精度要求高，而且

不易在诸如手机摄像镜头这样的小范围空间内实现。

近若干年提出的折衍射混合型变焦距透镜中[1-3]，利用液晶菲涅尔透镜变焦，

可以不需要机械运动实现焦距的改变，整个成像光学系统可以做得紧凑轻巧。用

电控制变焦比机械控制变焦更方便和精确，加上轻便、节能、低压驱动以及响应

速度快等众多优点，使得折衍射混合液晶变焦透镜成为取代传统变焦透镜的一个

很有前景的光学器件。但是由于液晶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；且液晶菲涅尔透镜的多焦点问题还有待解决。在折

衍射混合型变焦距透镜中，焦距的改变可以用电控实现，但在无机械运动条件下，

保持成像面位置的不变还需要进一步研究；因此，折衍射混合型液晶菲涅尔变焦

距透镜目前还处于研究阶段，还没有能够实用化。

而本课题研究的双液体变焦透镜，是通过改变液体表面的形状来改变焦距，

它不需要电动机的驱动，相对于以往的调焦方式，具有耗能小，响应速度快，无

机械磨损等优点。因此本课题的研究有极大的实用意义。

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摘要：

摘要变焦光学系统是照相机、摄像机等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，此类镜头变焦速度慢、价格昂贵、坚固性差，而且不易在诸如内窥镜、拍照手机等便携式微小型装置中实现。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。近年来，基于介质上电湿效应的双液体变焦透镜以其突出的性能而越来越受到人们的重视。由于基于电湿效应的双液体变焦透镜，具有体积小、响应速度快、寿命长、成像质量好、无噪音、价格低等优点，受到了业界的广泛关注。本文在双液...

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