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基本信息
- 項目名稱：
- 一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在微光學(xué)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的機械透鏡因為其成像系統(tǒng)機械部件繁多、操作不靈便、制作成本高等固有缺點，已不能完全滿足人們的需要。而在眾多下一代透鏡技術(shù)中，液體透鏡是通過控制液體周圍的電場分布來液體自身形狀從而達(dá)到變焦的目的, 其工作原理類似于人眼的聚焦機理。具有體積小、反應(yīng)速度快、耗電量小、無磨損壽命長以及精確度高等優(yōu)點。因此在微光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，液體透鏡很有可能全面取代傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭,成為下一代透鏡技術(shù)的核心。本作品提出了一種基于電潤濕特性的新型雙液體透鏡，其基本特征是：不僅可以通過控制電壓實現(xiàn)液體透鏡的變焦，還可以通過控制液體透鏡的電場分布，實現(xiàn)對偏離光軸的目標(biāo)聚焦。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品利用電潤濕現(xiàn)象對導(dǎo)電液體曲率變化的影響，首次提出使用多個透明電極分別控制圓柱體雙液體透鏡的電場分布，即當(dāng)給各個透明電極加同樣的電壓時，兩個液體相接處的界面呈弧形曲率，液體透鏡的光軸在圓柱形電極的正中央，可實現(xiàn)變焦；當(dāng)四個電極施加不同電壓時，電壓較高的電極所對應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較強，電壓較低的電極所對應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較弱，使得液體透鏡光軸的方向發(fā)生改變，偏向電壓較高的方位，達(dá)到可變光軸的效果。因此，通過調(diào)節(jié)各個電極的電壓，不僅可以實現(xiàn)變焦，還可以實現(xiàn)透鏡對偏離光軸的目標(biāo)聚焦。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- ★設(shè)計發(fā)明目的: 傳統(tǒng)機械透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難，已不能滿足實際需要。下一代透鏡技術(shù)中的液體透鏡通過控制系統(tǒng)電場分布改變液體形狀達(dá)到變焦的目, 工作原理類似于人眼聚焦機理。作為一代透鏡技術(shù)核心，液體透鏡有可能全面取代傳統(tǒng)鏡頭。本作品提出了一種不僅可以通過控制電壓實現(xiàn)液體透鏡的變焦，還可以通過控制液體透鏡的電場分布，實現(xiàn)對偏離光軸的目標(biāo)聚焦的雙液體透鏡。 ★基本思路 利用電濕效應(yīng)對導(dǎo)電液體曲率變化的影響，用鍍有透明導(dǎo)電薄膜的圓柱體透明電極制作的雙液體透鏡，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過四個獨立電極控制液透鏡的電場分布，從而達(dá)到變焦以及偏離光軸聚焦的目的。 ★創(chuàng)新點 ⑴設(shè)計并制備了在內(nèi)外壁均鍍有透明導(dǎo)電薄膜的圓柱形電極，利用此圓柱形電極制作了雙液體變焦透鏡。⑵對圓柱體雙液體透鏡的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)，將電極分割成四個獨立的電極。通過向每個獨立電極施加不同電壓的方法來控制液體透鏡的電場分布，實現(xiàn)液體透鏡的變焦以及偏離光軸聚焦的功能。 ★技術(shù)關(guān)鍵 ⑴利用超聲噴霧熱解法，在毫米量級尺寸的圓柱玻璃管壁制備透明電極。⑵使用多個電極對圓柱體雙液體透鏡的電場分布進(jìn)行控制，形成非球面透鏡，達(dá)到偏離光軸聚焦的目的。 ★主要技術(shù)指標(biāo) ⑴液體透鏡尺寸:直徑2～6mm，高度3～6mm。⑵液體透鏡可見光透過率大于90%。⑶控制電壓調(diào)節(jié)范圍:DC 0～60V（Teflon+聚酰亞胺）DC 0～3500V（普通絕緣材料）。⑷變焦范圍:3cm～無限遠(yuǎn)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ★作品的科學(xué)性： 本作品利用電潤濕現(xiàn)象對導(dǎo)電液體曲率變化的影響，首次提出使用多個透明電極分別控制圓柱體雙液體透鏡的電場分布，即當(dāng)給各個透明電極加同樣的電壓時，兩個液體相接處的界面呈弧形曲率，液體透鏡的光軸在圓柱形電極的正中央，可實現(xiàn)變焦；當(dāng)四個電極施加不同電壓時，電壓較高的電極所對應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較強，電壓較低的電極所對應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較弱，使得液體透鏡光軸的方向發(fā)生改變，偏向電壓較高的方位，達(dá)到可變光軸的效果。因此，通過調(diào)節(jié)各個電極的電壓，不僅可以實現(xiàn)變焦，還可以實現(xiàn)透鏡對偏離光軸的目標(biāo)聚焦。 ★作品的先進(jìn)性： 首次提出了一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡，制備了可以用于雙液體透鏡變焦的圓柱體電極，并對圓柱體電極進(jìn)行了合理的改進(jìn)，通過調(diào)節(jié)各個電極的電壓，不僅可以實現(xiàn)變焦、還可以實現(xiàn)透鏡對偏離光軸的目標(biāo)聚焦。通過國際科技查新可知，尚未有人用分割多電極的技術(shù)，解決液體透鏡偏離光軸聚焦的問題。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- ⑴2009年第七屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。 ⑵相關(guān)論文《Analysis of electric field on liquid zoom lens based on electro-wetting》被2009年國際電磁學(xué)研究進(jìn)展國際會議錄用（PIERS 2009 in Beijing，Progress In Electromagnetic Research Symposium），作者已在PIERS2009會議上做口頭報告。論文被ISTP收錄。 ⑶瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室測試報告。 ⑷教育部科技查新站的國內(nèi)外科技查新報告。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- ■實物、產(chǎn)品 ■模型 ■樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- ★技術(shù)特點和優(yōu)勢 基于電濕效應(yīng)的雙液體透鏡,變焦響應(yīng)速度快,抗震性好,成像性能穩(wěn)定,無磨損壽命長。與機械調(diào)焦系統(tǒng)相比,節(jié)省90%驅(qū)動電量50%的設(shè)計空間, 成本低廉。目前已實現(xiàn)對可見光穿透率達(dá)90 %左右。通過在液體中添加適當(dāng)物質(zhì)以調(diào)整液體的光學(xué)特性消除色差,簡化傳統(tǒng)昂貴復(fù)的消色差方法。 本透鏡使用多電極分別對雙液體透鏡的電場進(jìn)行控制,當(dāng)給各電極加相同電壓時,兩個液體相接處的界面呈弧形曲率,此時液體透鏡的光軸在圓柱形電極的正中央,可實現(xiàn)變焦。當(dāng)四個電極施加不同電壓時,兩個液體相接處的界面呈非球面曲率,使得液體透鏡光軸的方向發(fā)生改變,偏向電壓較高的方位,達(dá)到可變光軸的目的。 ★適應(yīng)范圍與推廣前景以及市場分析與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)預(yù)測 從長遠(yuǎn)角度來講,未來光通信技術(shù)以及生醫(yī)領(lǐng)域的的視覺假體技術(shù)都與液體透鏡有密切關(guān)系。當(dāng)前,液體透鏡的市場定位是小型數(shù)碼相機、手機內(nèi)置攝像鏡頭、醫(yī)用內(nèi)窺檢鏡、光刻技術(shù)、生物測定儀、電視內(nèi)部監(jiān)視儀、安全監(jiān)視以及通訊設(shè)備等。
同類課題研究水平概述
- 我國的液體透鏡的研發(fā)與制作水準(zhǔn)還處在基礎(chǔ)研究階段。從已發(fā)表的論文來看，國內(nèi)主要有兩家單位從事液體透鏡研究（清華大學(xué)微電子所，上海理工大學(xué)光電子所），其中基于平面電極下的液體透鏡目前已有實驗結(jié)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）。來自清華大學(xué)微電子所的論文《基于EWOD的錐形管狀結(jié)構(gòu)液體變焦透鏡》，作者康明，岳瑞峰，吳建剛，等。傳感技術(shù)學(xué)報，2006（5）：1768-1770+1774。文中主要闡述了由一個依次覆蓋有ITO透明導(dǎo)電薄膜及疏水介質(zhì)膜的下極板、懸在其上的一個內(nèi)外壁均覆蓋有疏水層的玻璃錐管以及處于兩者之間的導(dǎo)電液滴組成。通過改變ITO與液滴之間的電壓大小，透鏡的曲率及位置能同時被調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對透鏡焦距的調(diào)節(jié)；上海理工大學(xué)光電子所主要致力于透鏡的定量分析與透鏡填充液體密度研究。發(fā)表文章《電濕效應(yīng)雙液體變焦透鏡性能的分析》，作者繩金俠，彭潤玲，陳家璧. 光學(xué)儀器, 2007（4）：23-26。文章主要闡述一種基于電濕效應(yīng)的可變焦液體透鏡的模型，從系統(tǒng)的Helmholtz自由能著手給出外加電壓與接觸角的關(guān)系，并利用高斯光學(xué)理論推導(dǎo)出透鏡焦距與外加電壓的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上模擬給出了透鏡焦距與外加電壓的關(guān)系曲線。該查新項目研究的是多個電極施加不同電壓條件下液體透鏡的可變光軸和可變焦距，研究透鏡焦距與外加不均勻電壓的關(guān)系曲線?；趫A柱形電極的雙液體透鏡國內(nèi)尚無成功的實驗結(jié)果。 國外致力于液體透鏡研究的主要是一些大型的透鏡光學(xué)公司，包括法國的Varioptic公司，Philips公司以及日本精工，其中對雙液體透鏡的研究進(jìn)度大多處在中試階段與生產(chǎn)階段之間。 經(jīng)過科技查新，迄今為止尚未見到既能變焦、又可對偏離光軸的目標(biāo)聚焦的液體透鏡的報道。
