一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法技术

本发明专利技术提出一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法，该透镜由双面环状电极组、上电极、下电极、导电液体和绝缘液体组成，其中双面环状电极组将透镜划分为N带，并双面环状电极组上各环状电极与下电极中不同层独立接触导通。通过独立施加下电极各层电压可以控制所有N圈双面环状电极内外表面各接触角的值，从而控制N带内液液界面与水平面的夹角，使得各带中液液界面由初始的凸曲面变为斜面，出射各带的光线发生偏折，通过调节施加电压的不同，出射所述菲涅尔透镜的光线聚焦在不同位置，获得不同的焦距，实现变焦的效果。实现变焦的效果。实现变焦的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法
一、

[0001]本专利技术涉及一种变焦菲涅尔透镜及其制作方法，更具体地说，本专利技术涉及一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法。
二、
技术介绍

[0002]普通的光学透镜的表面曲率、口径、中心厚度、材质折射率等因素共同决定了对入射光线的折转程度、对光波前的改变，从而决定了其成像的效果。传统菲涅尔透镜将普通透镜的光滑连续表面切割成多个环状锯齿型凹槽，保留表面的曲率，拿掉尽可能多的光学材料，这使得菲涅尔透镜具有与传统玻璃透镜相同的折光功能，但整体厚度减薄了。由于菲涅尔透镜具有低成本、轻量化的优点，已广泛应用于太阳能光伏、显示与成像、照明工程、红外探测等诸多领域。
[0003]传统的菲涅尔透镜不能进行主动焦距控制，因此为增加菲涅尔透镜焦距的可调性，需要研制一种可变焦的菲涅尔透镜。现有可实现变焦的菲涅尔透镜的研究中，采用机械拉伸弹力膜导致其表面形变的原理改变焦距，响应时间长。电润湿效应因其具备电致控制、响应速度快等优势，其本身以及基于电润湿效应的各种液体光子器件受到了广泛关注。综上所述，亟待专利技术一种响应速度快和可变焦的菲涅尔透镜。
三、
技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题，在于提供一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提出一种变焦电润湿菲涅尔透镜，该变焦菲涅尔透镜由双面环状电极组、上电极、下电极、导电液体和绝缘液体组成，如附图1与附图2所示。其中，双面环状电极组由N圈同心双面环状电极组成，由内至外依次为第1圈到第N圈，所述双面环状电极的内表面和外表面上依次为导电层、介电层和疏水层，内表面与外表面的导电层之间互相绝缘，上述N圈双面环状电极将所述变焦菲涅尔透镜划分为N带，由内至外依次为第1带到第N带；上电级为一块单面导电透明电极，与所述双面环状电极组彼此绝缘；下电极由2N
‑
2层导电透明电极组成，由下之上依次为第1层到第2N
‑
2层，每层之间彼此绝缘，除第1层外，每层留大通孔，使得双面环状电极组上的除第1圈内表面电极与第N圈外表面电极外都与下电极中不同层独立接触导通；所述双面环状电极组、上电级与下电极三者形成N带封闭腔体，并通过下电极玻璃对所述2N
‑
2个表面的环形电极进行独立驱动；上述N带封闭腔体中，每一带均有绝缘液体在下，为非极性液体，导电液体在上，为极性液体，两相液体之间形成液液界面。
[0007]一种变焦电润湿菲涅尔透镜的制作方法，包括如下步骤：
[0008]S1：提供N圈双面环状电极、下电极、导电液体、绝缘液体以及上电极，其中，要求N圈双面环状电极内表面和外表面上依次为导电层、介电层和疏水层，内表面与外表面的导电层之间互相绝缘；要求下电极中2N
‑
3层导电透明电极根据所述N圈双面环状电极内外表
面电极的位置和尺寸，留大通孔，1层导电透明电极，不留通孔，将2N
‑
2层导电透明电极依次组合，使每层之间相互绝缘，通孔位置保证同心，各层施加电压的接口相互独立，以此组成下电极；
[0009]S2：将所述N圈双面环状电极用导电胶粘接在下电极所留通孔上，使N圈双面环状电极上2N
‑
2个表面分别与2N
‑
2层导电透明电极连接导通；
[0010]S3：将所述绝缘液体与导电液体依次注入N带中；
[0011]S4：将上电级以导电层朝向双面环状电极组的方向覆盖在所述双面环状电极组上方，以形成液体透镜的封闭腔体，其中所述上电级导电层与所述双面环状电极组用绝缘胶粘接，彼此绝缘地相对设置。
[0012]本专利技术所述一种变焦电润湿菲涅尔透镜实现变焦的原理如下：所述变焦菲涅尔透镜是由电润湿效应驱动的，不施加电压时，上述任意带中绝缘液体与导电液体之间形成的液液界面为凸起的弧形曲面，此液液界面与上述金属环形电极涂有介电层与疏水层的侧表面形成的接触角为初始接触角θ0；施加电压时，所述接触角θ满足Young
‑
Lippmann方程：
[0013][0014]其中，C＝εε0/d是介电层和疏水层单位面积的总电容，ε是介电层和疏水层的总相对介电常数，ε0是真空介电常数，d是介电层的厚度，γ
ci
是导电液体和绝缘液体间的界面张力。
[0015]设所述变焦菲涅尔透镜任意第N圈双面环状电极内表面施加的电压为V
2N
‑2，外表面施加的电压为V
2N
‑1，其中，第1圈仅外表面施加电压，最后一圈仅内表面施加电压；任意液液界面与第N圈内表面的接触角为θ
2N
‑2，内表面的接触角为θ
2N
‑1，其中，第1圈仅外表面有接触角，最后一圈仅内表面有接触角；任意N带中液液界面与水平面的夹角为φ
N
，用来表征液液界面倾斜的程度，定义φ
N
以液液界面起逆时针方向为正，顺时针方向为负；任意N带出射光线与法线的夹角为β
N
。
[0016]所述变焦菲涅尔透镜的原理示意图如附图3所示，相邻两带(第N
‑
1带与第N带)的4圈电极施加电压为V
2N
‑4、V
2N
‑3、V
2N
‑2和V
2N
‑1，液液界面与相应侧表面的夹角为θ
2N
‑4、θ
2N
‑3、θ
2N
‑2、θ
2N
‑1，导电液体的折射率为n1，绝缘液体的折射率为n2，导电液体与绝缘液体的注液比为p。θ
2N
‑4、θ
2N
‑3、θ
2N
‑2、θ
2N
‑1需满足：
[0017][0018]第N
‑
1带与第N带中液液界面与水平面的夹角为φ
N
‑1与φ
N
，φ
N
‑1、φ
N
满足：
[0019][0020]通过上述公式(1)
‑
(5)可知，通过独立施加下电极2N
‑
2层各电压可以控制所有N圈双面环状电极内外表面2N
‑
2个接触角的值，从而控制N带内液液界面与水平面的夹角，使得各带中液液界面由初始的凸曲面变为斜面，出射各带的光线发生偏折，通过调节施加电压的不同，出射所述菲涅尔透镜的光线聚焦在不同位置，获得不同的焦距，实现变焦的效果。
[0021]优选地，所述双面环状电极的内外径应保证所述变焦菲涅尔透镜划分出的N带每
一带的宽度s相等。
[0022]优选地，所述双面环状电极的高度h应满足h≥s。
[0023]优选地，所述上电级与下电极的导电层材料透明，可见光波段透过率≥90％。
[0024]优选地，所述介电层和疏水层的总相对介电常数ε≥2.0。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变焦电润湿菲涅尔透镜及其制作方法，其特征在于，所述的一种变焦菲涅尔透镜由双面环状电极组、上电极、下电极、导电液体和绝缘液体组成；其中，双面环状电极组由N圈同心双面环状电极组成，由内至外依次为第1圈到第N圈，所述双面环状电极的内表面和外表面上依次为导电层、介电层和疏水层，内表面与外表面的导电层之间互相绝缘，上述N圈双面环状电极将所述变焦菲涅尔透镜划分为N带，由内至外依次为第1带到第N带；上电级为一块单面导电透明电极，与所述双面环状电极组彼此绝缘；下电极由2N
‑
2层导电透明电极组成，由下之上依次为第1层到第2N
‑
2层，每层之间彼此绝缘，除第1层外，每层留大通孔，使得双面环状电极组上的除第1圈内表面电极与第N圈外表面电极外都与下电极中不同层独立接触导通；所述双面环状电极组、上电级与下电极三者形成N带封闭腔体，并通过下电极玻璃对所述2N
‑
2个表面的环形电极进行独立驱动；上述N带封闭腔体中，每一带均有绝缘液体在下，为非极性液体，导电液体在上，为极性液体，两相液体之间形成液液界面；通过独立施加下电极2N
‑
2层各电压可以控制所有N圈双面环状电极内外表面2N
‑
2个接触角的值，从而控制N带内液液界面与水平面的夹角，使得各带中液液界面由初始的凸曲面变为斜面，出射各带的光线发生偏折，通过调节施加电压的不同，出射所述菲涅尔透镜的光线聚焦在不同位置，获得不同的焦距，实现变焦的效果；所述的一种变焦电润湿菲涅尔透镜的制作方法包括如下步骤：S1：提供N圈双面环状电极、下电极、导电液体、绝缘液体以及上电极，其中，要求N圈双面环状电极内表面和外表面上依次为导电层、介电层和疏水层，内表面与外表面的导电层之间互相绝缘；要求下电极中2N
‑
3层导电透明电极根据所述N圈双面环状电极内外表面电极的位置和尺寸，留大通孔，1层导电透明电极，不留通孔，将2N
‑
2层导电透明电极依次组合，使每层之间相互绝缘，通孔位置保证同心，各层施加电压的接口相互独立，以此组成下电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琼华，赵悠然，刘超，徐近博，王鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：