一种基于压电致动的液体可变焦透镜及驱动方法转让专利
申请号 : CN202010735917.1
文献号 : CN111796347B
文献日 : 2021-11-02
发明人 : 杨淋 , 李涵璐 , 徐飞龙 , 李泽宇 , 宋英豪
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
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;
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;
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,利用压电陶瓷片的逆压电效应,可将电信号转化为机械能,在压电振动器的自由端产生最大振动,推动驱动杆挤压容腔,从而完成变焦。
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:前述的弹性材料选用透明弹性薄膜。
3.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:透镜架选用刚性透明材料制作。
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:前述的高折射率透明液体为蒸馏水或乙二醇。
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:前述的驱动杆采用磷青铜或者铝合金制作。
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: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°。
7.一种基于上述任意一项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。
说明书 :
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
背景技术
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。
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。
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
形状发生改变,最终实现可变焦透镜的连续变焦;
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;
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;
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;
呈现为凹透镜。
附图说明
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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。
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;
来进行调节。
简单,变焦效果也具有一定的优势。
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。
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。