液-液界面变焦透镜系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 919.27KB 48 页 15积分

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摘要

变焦光学系统是照相机、摄像机等多种光学器件中的关键组成部分，它必须

满足两个基本条件：焦距改变；焦距改变过程中系统像面位置保持不变。传统的

变焦光学系统主要是通过机械装置移动镜组来实现变焦，系统的各个参量是根据

变焦时各运动组分的共轭距改变量之和为零，即建立相关的微分方程来确定的。

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。所以人们开始研制新型的变焦透镜，液－液界面变焦透镜就应运而

生。

液－液界面变焦透镜是通过外加电压改变液面曲率半径来实现变焦的，没有

机械可动部件、结构小、寿命长、功耗低，可作为数码相机、摄像机、手机等的

内置摄像头的光学元件，具有重要的实用价值和巨大的市场前景。

本文共分为五章，其中第一章主要介绍了本课题的研究背景、意义以及液体

透镜的发展现状。第二章主要分析了液－液界面变焦透镜的结构和原理，并运用

拉普拉斯方程和杨氏方程分析了平板上液滴的形状，给出了重力场影响下平板上

液滴的形状方程，并采用数值化方法求出液滴形状方程的数值解。基于热力学的

相关知识，利用系统 Helmholtz 自由能最小化的方法给出经典杨氏方程在圆柱型

液－液界面变焦透镜模型中的推广。第三章设计了一种基于电湿效应的光学成像

系统，分别对无穷远物体成像和有限远物体成像进行分析。第四章分析了制作液

－液界面变焦透镜的镀膜工艺，对比不同溶胶比例，不同提拉速率以及不用材料

的薄膜对铜片上液滴面型的影响，从而分析铜管内所镀薄膜的特性。第五章总结

全文并提出下阶段需要进行的工作。

关键词：电湿效应液－液界面透镜变焦系统提拉法镀膜

ABSTRACT

Variable-focus optical system is a vital component of many optical elements such as

cameras, video cameras etc. It must meet two basic requirements: changed focal

length and unchanged image plane position for the system. Traditional variable-focus

optical system changes its focal length mainly through moving lens group with

mechanical devices. The parameters of the system are determined by the relevant

differential equations that the sum of conjugate distances change is zero. But such

systems have mechanical parts which make lenses fragile, low response velocity and

very expensive. So people begin to research new kinds of variable-focus lenses, and

the liquid-liquid interface variable-focus lens emerges as the times required.

The liquid-liquid interface variable-focus lens varies the focal length by

changing the curvature of liquid interface which has no mechanical elements. It has

compact size, long life and low consumption which can be used as optical devices of

built-in lenses on digital cameras, video cameras and camera phones. The advantages

above make it with significant practical value and great market prospect.

There are five chapters in this paper. The first chapter mainly introduces the

general background information and significance of liquid-liquid variable-focus lens.

The second chapter mainly analyses the principle and structure of double liquids lens.

According to Laplace equation and Young equation, the shape of liquid droplet on the

plate was derived and the shape equation under the influence of a gravitational field

was solved numerically. Based on the theory of thermodynamics, explicit calculations

and detailed analyses upon extended Young equation for the cylindrical double liquids

lens are given by a Helmholtz energy minimization method. The third chapter designs

an optical system based on electrowetting and analyses the system when the imaging

objects at infinity and limited distance. The fourth chapter introduces the coating

techniques of the double liquids lens and contrasts the influence of different

proportion of sol, drawing speed and insulating material on the shape of liquid droplet

on the plate，and then analyses attribute of the insulating layers in copper tubes. The

fifth chapter gives a summary of the paper and some suggestions for future research.

Key words: electrowetting, liquid-liquid interface lens, variable-focus

system, dip-coating method

III

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题研究背景及意义 ........................................................................................1

§1.2 液－液界面透镜的发展概况 ........................................................................... 2

§1.3 本文的主要研究工作 ....................................................................................... 4

第二章液－液界面变焦透镜的结构和原理 ............................................................. 5

§2.1 液－液界面变焦透镜的结构和原理 ................................................................5

§2.1.1 液－液界面变焦透镜的结构 .................................................................... 5

§2.1.2 液－液界面变焦透镜的原理 .................................................................... 7

§2. 2 平板上液滴形状的分析 .................................................................................. 8

§2.2.1 Laplace 方程 ................................................................................................8

§2.2.2 杨氏方程 .................................................................................................. 11

§2.2.3 重力场下液滴的形状 .............................................................................. 11

§2.3 经典杨氏方程的推广 ..................................................................................... 14

§2.3.1 热力学第一定律和热力学第二定律 ...................................................... 14

§2.3.2 Helmholtz 自由能和 Gibbs 自由能 .........................................................16

§2.3.3 经典杨氏方程对圆柱型液－液界面变焦透镜的推广 .......................... 17

§2.4 本章小结 ......................................................................................................... 20

第三章基于电湿效应的光学成像系统 ................................................................... 21

§3.1 基于电湿效应的光学成像系统的结构和原理 ............................................. 21

§3.2 基于电湿效应的光学成像系统变焦过程的分析 ..........................................22

§3.2.1 光学成像系统对无穷远物体成像的分析 .............................................. 22

§3.2.2 光学成像系统对有限远物体成像的分析 .............................................. 25

§3.3 本章小结 ......................................................................................................... 28

第四章液－液界面变焦透镜的实验分析 ............................................................... 29

§4.1 液－液界面变焦透镜材料的选择 ................................................................. 29

§4.2 铜片及铜管内壁绝缘层的镀膜工艺 ............................................................. 31

§4.2.1 铜管及基片的准备工作 .......................................................................... 31

§4.2.2 溶胶浓度对铜片上液滴面型的影响 ...................................................... 33

§4.2.3 提拉速度对铜片上液滴面型的影响 ...................................................... 35

§4.2.4 不同防水涂层对铜片上液滴面型的影响 .............................................. 36

§4.3 液－液界面透镜的制作 ................................................................................. 36

§4.3.1 液体材料的选择与配制 .......................................................................... 36

§4.3.2 液体透镜的制作 ...................................................................................... 37

§4.4 液－液界面透镜加电压 ................................................................................. 38

§4.5 本章小结 ......................................................................................................... 40

第五章总结与展望 ................................................................................................... 41

参考文献 ..................................................................................................................... 42

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 45

致谢 ......................................................................................................................... 46

第一章绪论

本章对论文的研究背景和意义进行了综述，并介绍了液－液界面变焦透镜的

发展概况，指出液－液界面变焦透镜相比其他透镜的优势，最后介绍了全文的主

要研究内容和方向。

§1.1 课题研究背景及意义

现代光学成像系统基本都是采用变焦透镜组，来满足利用一个光学系统能够

同时实现大区域小倍率和小区域大倍率观察和照相的要求。变焦光学系统需要满

足两个基本条件：焦距改变；焦距改变过程中像面位置保持不变[1]。传统变焦光

学系统的基本原理是把许多固定焦距的透镜组合在一起，相互协调以改变透镜组

内各个透镜之间的间距，在保持像面位置不变的同时改变整个透镜组的焦距[2，

3]。

这种透镜组结构需要精密电机和能够控制同步精确运动的空间凸轮进行驱动。这

就使得光学变焦透镜组结构复杂，体积庞大，制造精度要求比较高，使用寿命低，

而且不容易在像手机摄像镜头这样的小空间内实现。

为了实现变焦透镜的微型化并提高其变焦及成像性能，目前出现了许多关于

变焦透镜的设计方案，如液压式微透镜[4,5]，基于液晶的微变焦透镜[6]，基于介质

上电润湿的液体变焦透镜[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)

薄膜的曲率来实现变焦的，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，会破坏 PDMS 薄膜。

基于液晶的微变焦透镜是利用电压改变液晶的折射率从而控制液晶透镜的焦距，

但是这种透镜存在色差大、焦点多和像面很难稳定等问题。而基于介质上电润湿

的液－液界面变焦透镜[10-11]是通过调节外加电压来改变透镜的焦距[12]，目前国外

已有几家公司研制成功了这种液－液界面变焦透镜。

本文研究的液－液界面变焦透镜，是用两种折射率不同而密度相同并且互不

相溶的液体在圆柱型容器中形成球形界面，在液体与容器壁之间的介电层之间施

加电压来改变液体和容器壁之间的浸润角，从而改变球形界面的曲率，进而改变

透镜的焦距。

这种液－液界面变焦透镜是通过改变液体表面的形状来改变焦距，无机械可

动部件、结构小、有利于微型化、寿命长、功耗低，响应速度快、抗冲击力好等，

由于液－液界面变焦透镜具有上述优点，它可以作为小型数码相机、摄像机、手

机/计算机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

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摘要：

I摘要变焦光学系统是照相机、摄像机等多种光学器件中的关键组成部分，它必须满足两个基本条件：焦距改变；焦距改变过程中系统像面位置保持不变。传统的变焦光学系统主要是通过机械装置移动镜组来实现变焦，系统的各个参量是根据变焦时各运动组分的共轭距改变量之和为零，即建立相关的微分方程来确定的。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。所以人们开始研制新型的变焦透镜，液－液界面变焦透镜就应运而生。液－液界面变焦透镜是通过外加电压改变液面曲率半径来实现变焦的，没有机械可动部件、结构小、寿命长、功耗低，可作为数码相机、摄像机、手机等的内置摄像头的光学元件，具有重要的实用价...

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