电湿效应无机械运动变焦光学系统的研究

VIP免费
3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.34MB 100 页 15积分
侵权投诉
I
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。
随着研究的不断深入，多种基于不同机制的微型变焦透镜结构相继被提出，
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。这种通过外加电压改变液面曲率来实现变焦的透镜无机械可动部件、结构紧
凑小巧、寿命长、功耗小，具有广阔的应用前景。本文在双液体变焦透镜的基础
上提出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：
基于热力学第一定律和热力学第二定律所引出的赫姆霍兹函数，利用赫姆霍
兹自由能最小化的方法推导了适应于圆柱结构和圆锥结构双液体变焦透镜的杨氏
方程，结果显示当圆锥结构双液体变焦透镜的顶角为零时，适应于圆锥结构双液
体变焦透镜的杨氏方程即可过渡到适应于圆柱结构双液体变焦透镜的杨氏方程，
其形式与传统的杨氏方程是相当一致的，都是将三相系统的接触角与三相系统中
的两两相之间的界面张力联系起来，主要的区别在于传统的杨氏方程仅仅适应于
气液固三相系统，而本文推导的杨氏方程将传统的杨氏方程推广到了双液体变焦
透镜这样的液液固三相系统。
基于界面化学所给出液体界面内外压力差与液体界面曲率半径的关系即拉普
拉斯方程，讨论了决定双液体变焦透镜中两液体界面面型的形状方程，并给出了
两种液体密度相同的情况下形状方程的解析解和两种液体密度不同的情况形状方
程的数值解，结果表明当组成双液体变焦透镜的两种液体的密度一样时，两种液
体所形成的界面总是为球面。
设计了四种不同结构的无机械运动变焦光学系统，对这四种结构的无机械运
动变焦系统的变焦以及调焦原理做了详细的说明，基于以上两个方面的理论基础，
深入分析了这四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每
一个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。结果表明前两个无机械运动变焦系统虽然在结构上相对简单，但
它们的变焦范围相对后两个系统来说更窄一些，并且它们在外加电压的作用下所
II
能达到的焦距值相对较长； 而后两种结构的无机械运动变焦光学系统的变焦范围
相对前面两个系统来说要更宽一些，并且系统的焦距值可以根据实际需要通过选
择不同焦距值的固定透镜满足相应的要求。
对双液体变焦透镜进行了一些相关的实验研究，其中包括在制备双液体变焦
透镜时要涉及到的防水涂层、液体材料以及容器尺寸等因素对双液体透镜的影响；
外加电压对蒸镀有透明导电层的平板玻璃上液滴形状的影响，这些相关的实验将
为以后制备性能较好的双液体变焦透镜以及无机械运动变焦系统提供材料选择等
方面的参考。
关键词：表面张力 电湿效应 接触角 变焦透镜 机械运动
III
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.
At present, many kinds of miniature variable-focus lenses are researched one after
the other. The double-liquid variable-focus lens based on electrowetting on dielectrics is
attracting many researchers’ attentions because of its preferable performance. Such a
lens, which varies the focal length by changing the curvature of liquid interface, has no
mechanical elements. The compact volume, long life and low consumption make it wide
prospect of application. 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.
According to Helmholtz function derived by the first and second law of
thermodynamics, explicit calculations and detailed analyses upon extended Young-type
equations respectively for the cylindrical and conical double-liquid lens are given by a
Helmholtz energy minimization method. When the apex angle of the conical
double-liquid lens is zero, the extended Young-type equation for the conical
double-liquid lens is exactly that for the cylindrical double-liquid lens. The Young-type
equations, which relate the cosine of the equilibrium contact angle and three interfacial
tensions for a liquid-liquid-solid system are similar to the traditional Young equation
that relates the equal parameters for a vapor-liquid-solid system.
A differential equation describing the interface shape of two liquids in
double-liquid variable-focus lenses is set up grounded on the Laplace equation relating
the pressure difference cross a liquid interface to the curvature of the liquid interface.
An analytical solution when two liquids have same density and a numerical solution
IV
when two liquids have different density for the differential equation are deduced in
detail. The results show that the interface shape of two liquids is completely spherical
when the density difference of two liquids is zero.
Four kinds of variable-focus optical systems without mechanical movements are
provided. The structure and principle of these systems are introduced. Based on the
theoretical analyses on double-liquid variable-focus lenses, detailed calculations are
presented to predict how the parameters for each system are related to meet the basic
requirements of zoom lenses. Corrsponding relational expressions are given and solved
so that we can obtain the zoom ratio of each system. For the first two systems, their
structures are relatively simple, but they have smaller zoom range and longer focal
length. For the last two systems, the zoom range can be larger and their focal lengths
can be adjusted by choosing different fixed lens with different focal length.
Some basic experiments related with double-liquid variable-focus lens are
performed. How the hydrophobic layer, liquid material and chamber volume influence
the lens and how the applied voltage changes the shape of a liquid drop on a glass plate
are primarily discussed. Such experiments will supply references to fabricating
double-liquid variable-focus lenses and variable-focus optical system without
mechanical movement with good property.
Key Word：Surface tension, Electrowetting, Contact angle, variable-
focus lens，Mechanical movements
V
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 变焦光学系统的发展..........................................................................................1
§1.2 双液体变焦透镜的发展及研究现状..................................................................4
§1.3 研究意义、目的和内容安排..............................................................................5
§1.4 论文的创新点......................................................................................................6
第二章 双液体变焦透镜的物理和化学基础.................................................................7
§2.1 热力学理论基础.................................................................................................7
§2.1.1 热力学第一定律..........................................................................................7
§2.1.2 热力学第二定律........................................................................................10
§2.1.3 热力学的基本方程....................................................................................14
§2.2 界面化学理论基础...........................................................................................15
§2.2.1 表面和界面...............................................................................................15
§2.2.2 表面张力和表面能...................................................................................16
§2.2.3 浸润现象与杨氏方程...............................................................................18
§2.2.4 拉普拉斯方程........................................................................................... 19
§2.3 流体静力学基础................................................................................................22
§2.4 本章小结............................................................................................................24
第三章 双液体变焦透镜的基本理论分析...................................................................25
§3.1 双液体变焦透镜的结构和原理........................................................................25
§3.1.1 电湿效应....................................................................................................25
§3.1.2 双液体变焦透镜的结构............................................................................26
§3.1.3 双液体变焦透镜的原理............................................................................27
§3.2 双液体变焦透镜液体界面面型的分析............................................................28
§3.2.1 双液体界面面型的形状方程....................................................................28
§3.2.2 液体的密度差为零时双液体界面面型形状方程的解析解....................29
§3.2.3 液体的密度差不为零时双液体界面面型的形状方程及其数值解........31
§3.3 适应于液液固三相系统的杨氏方程................................................................34
§3.3.1 适应于圆柱结构双液体变焦透镜的杨氏方程........................................35
§3.3.2 适应于圆锥结构双液体变焦透镜的杨氏方程........................................39
VI
第四章 基于双液体变焦透镜的无机械运动变焦光学系统.......................................43
§4.1 组分为两个双液体变焦透镜的无机械运动变焦系统....................................43
§4.2 两个液体界面在同一圆柱容器中的无机械运动变焦系统............................52
§4.3 固定透镜和圆柱双液体变焦透镜组成的无机械运动变焦系统....................61
§4.4 固定透镜和圆锥双液体变焦透镜组成的无机械运动变焦系统....................71
§4.5 本章小结............................................................................................................80
第五章 双液体变焦透镜的相关实验研究...................................................................81
§5.1 防水涂层对双液体透镜的影响........................................................................81
§5.2 液体材料对双液体透镜的影响........................................................................84
§5.3 容器的尺寸对双液体透镜的影响....................................................................85
§5.4 外加电压对平板玻璃片上液滴形状的影响....................................................86
第六章 总结与展望.......................................................................................................88
参考文献.........................................................................................................................90
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................95
致 谢.............................................................................................................................96
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
变焦光学系统在许多光学设备中扮演着十分重要的角色，它能在一定范围内
迅速改变系统的焦距，得到不同比例的像，因此在许多场合使用起来特别方便。
而且在连续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大小连续改
变，可以产生一种由近及远或由远及近的感觉，是定焦距物镜难以达到的。
随着人们生产实践活动领域的扩展和深入，变焦光学系统的使用范围得到了
显著的扩大，不仅照相机、摄像机、显微镜、望远镜、分光光度计使用这种系统，
而且一些操作练习台、热像仪、高温计以及激光设备等也离不开这种系统的帮助。
但随着现代科技的不断进步，变焦光学系统的设计发展逐渐趋于小型化和微型化。
传统的变焦镜头通常由两片或更多透镜组合而成，并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。由于存在机械可动部件，传统的镜头容易
磨损，使用寿命较低，而且不易实现微型化。为实现变焦透镜的微型化并提高其
使用寿命，新型的变焦光学系统的研究已经成为国际和国内的研究热点。
本章首先介绍了变焦光学系统的发展历史，双液体变焦透镜的研究状况，指
出了目前所提出的各种变焦系统存在的问题，提出我们的研究思路，给出论文的
研究意义、目的和研究内容及文章结构，以及本文的创新点。
§1.1 变焦光学系统的发展
现代光学成像系统广泛使用变焦透镜组，以满足利用一个光学系统同时能够
完成大区域小倍率的观察和照相与小区域大倍率的观察和照相的要求。变焦透镜
组即变焦光学系统需要满足的基本条件是：（1）改变焦距；（2）改变焦距过程中
保持像面位置不变。
传统的变焦光学系统的基本原理是用若干具有固定焦距的镜头组合在一起，
有些甚至还需棱镜等其它光学部件，它们通常利用电机和齿轮等机械装置来调节
透镜间的相对位置，在保持成像面位置不变的同时改变整个透镜组的焦距[1, 2]。这
种变焦距镜头的设计方法有两种，一种是光学补偿法，另一种是机械补偿法，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或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。对于光学补偿
法和机械补偿法已经发展出了一整套设计方法来实现满足这两个基本条件的光学
系统[2]。设计的目的是为达到所需要的变倍比各透镜（组）的参数和在变焦时为实
电湿效应无机械运动变焦光学系统的研究
2
现变倍比相应要求的各个透镜（组）的位置。通过建立变焦过程微分方程，即根
据在变焦时各运动组份对应共轭距之改变量的和为零来设计个透镜组参数和运动
参数。
图1.1 为一种简单的机械补偿方法的变焦光学系统，变焦透镜组是由两个负透
2
3
1
1
A
2
2
2
A
3
3
A
4
F
2
3
3
A
F
表示系统焦距最短时的变焦透镜组位置。图 1.1 下半部分表示系统长焦距时变焦透
镜组的位置。机械补偿时，在不同的焦距时，变倍组和补偿组之间的位置是需要
一一对应的，这时候用一个很复杂的凸轮机构来实现它们之间的对应关系。
图1.2 为一种简单的光学补偿方法的变焦光学系统，这类变焦光学系统的变焦
透镜组共有三个，两个正透镜组和一个
负透镜组，它们的位置排列如图 1.2 中
具有阴影部分的透镜所示。图的上半部
为系统短焦距时变焦透镜组的位置，图
的下半部为系统长焦距时变焦透镜组
的位置，这三个透镜组可各自分别按一
定规律移动，以达到最大限度的变焦效
果，为了简化透镜组的运动规津，可以
把
2
和
4
固定在一起进行移动，
3
则
独立移动。如果
2
、
3
、
4
三个变焦
透镜组的光焦度分配合适，当
2
和
4
固定在一起移动时，
3
保持不动，也可以在四个焦距上达到像面位置不变，而其
它焦距的像点位置虽然稍有移动，但移动量不大。光学补偿时，变焦物镜是用其
中几组透镜作变倍和补偿的，变倍用的各个透镜组作同方向等速线性运动，此时
图1.1 机械补偿法光学变焦系统示意图
2
A
2
A
3
A
3
A
1
A
1
A
1
2
3
4
F
F
图1.2 光学补偿法光学变焦系统示意图
1
2
3
4
2
A
3
A
1
A
F
2
A
3
A
1
A
F
第一章 绪论
3
只需要用机械方法把几个透镜组连在一起移动就可以了。
而不管是机械补偿或是光学补偿的变焦光学系统都是基于传统机械运动，通
过驱动电机或空间凸轮实现对透镜位置的精确控制与定位，所以透镜组的结构复
杂、易受损、造价昂贵，并且已濒临所能达到尺寸的极限而不能满足产业发展的
需求。
为顺应以上的发展趋势，目前国际上已经出现了许多新型方案。液压式微透
镜[3, 4]是其中的一种，它通过改变充入腔体内液体的体积来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，从而达到调节焦
距的目的，但这种微透镜由于采用液压的方式需要一个额外的泵，与一般光电产
品相容性不好，而且如果泵施加的压力过大，会对 PDMS 薄膜造成毁灭性的破坏。
很早以前就另有人提出了一种折衍射混合型变焦距透镜[5-9]，它利用液晶菲涅
尔透镜通过改变施加的电压来调节液晶的折射率，从而实现对透镜焦距的控制，
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更精确，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。这种微型透镜易于实现阵列化，但焦距可调范围比较小，
并且由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真[10]，另外由于液晶菲涅
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，液晶菲涅尔
透镜的多焦点问题也还有待解决。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。
近年来出现了另一种解决方案，即基于介质上电湿效应[11-14]的双液体变焦透
镜。飞利浦(Philip)公司的实验室研究人员早在 2003 年就发表了利用“电湿效应”制
作液体变焦透镜的文章[15]，文章说明了用两种折射率不同而密度相同的液体在圆
柱形容器中形成球形界面，在液体与圆柱形容器壁之间的介电层施加电压控制改
变液体和固体壁之间的湿润角，从而改变球形界面的半径，进而改变光在其中透
过时聚焦点的位置。该论文提供了一种利用“电湿效应”实现单个液体透镜变焦的可
能性。它不同于前文提到的光学补偿法和机械补偿法，因为光学补偿法和机械补
偿法中使用的是不可改变焦距的固体透镜，变焦的原理是利用改变透镜之间的光
学间隔来实现的；它也不同于前文提到的折衍射混合型液晶菲涅尔变焦透镜，后
者是用衍射效应，用电控制液晶改变折射率，使其所形成的菲涅尔透镜的焦距改
变实现变焦的。作为一种折射型光学元件，它没有上述衍射元件多焦点，大色差
的缺点；作为一种本身变焦、非固定焦距的元件，它提供了不用改变器件之间机
械距离，无须机械运动进行调焦的可能性。
电湿效应无机械运动变焦光学系统的研究
4
随着研究的进一步深入，基于介质上电润湿的流体变焦透镜以其突出的性能
而越来越受到人们的重视。和传统机械变焦方法相比，这种通过改变液面曲率来
实现变焦(模仿人眼结构)的透镜有很多优点：由于无机械可动部件，使其非常适
用于对可靠性和耐用度要求高的场合；透镜结构紧凑小巧，能方便应用于内窥镜
和拍照手机等便携设备；易实现透镜阵列，在光互联系统和生物分析仪器，甚至
在基因、蛋白以及医学临床系统中有着相当大的应用前景。基于电润湿的流体变
焦透镜的另一个突出优点是透镜性能随着尺寸的减小而提高，即尺寸越小，透镜
变焦响应时间越短，透镜受重力及惯性的影响越小，折光率的可调范围更广。
§1.2 双液体变焦透镜的发展及研究现状
双液体变焦透镜所使用的材料是液体材料。最早的液体透镜模型可以追溯到
17 世纪，史蒂芬·格雷（Stephan Gray）用液滴作为透镜制作了显微镜。他在平板
上钻孔以固定液滴，通过改变钻头直径大小从而改变液滴的曲率半径以改变透镜
的放大倍率。
根据工作机理，目前的液体透镜实现方式大致可以分为五类：1）由平板、固
定体积的液体和弹性薄膜组合而成夹层结构[16]，通过改变薄膜的外围尺寸大小而
从而改变透镜的曲率半径，以实现对光线的汇聚或发散。2）通过诸如注射器之类
的液泵装置注入或抽吸透镜内的液体从而改变弹性薄膜的曲率半径达到变焦的目
的[17]。3）由平板、液体、薄膜组合成的层状结构，通过改变透镜的孔径大小从而
改变其焦距 [18]。
4) 通过调节适当的腔内气压从而改变液体表面形状以达到液体透
镜变焦的目的[19]。5) 基于电湿效应（electrowetting）的双液体透镜，通过调节外
加电压改变透镜腔体内液体间界面面形从而改变透镜的焦距[20,21]。前四种液体透镜
均为单液体透镜结构，制作较为简单但是实现比较复杂。而第五种透镜响应速度
快、变焦时连续性好、体积小、重量轻、功耗低，并且由于所有部件可做成一体
化，透镜的抗震性很好，因而该类型的变焦透镜引起了众多研究者极大的兴趣。
基于电湿效应双液体变焦透镜以其独特的优势成为目前国内外的研究热点。
最初对电湿效应液体变焦透镜的研究要追溯到1875年，利普曼（G.Lippmann）[22]
对电毛细现象（electrocapilary）进行了研究，他解释了通电后电解质溶液中水银
液滴表面形状的变化。1936年，弗罗姆凯恩（Froumkine）[23]利用电场来改变处于
金属表面上的小水滴的形状,并成功的推动液滴在平板上运动，这种现象便被称为
电润湿，它是通过在液滴和电极之间施加电场，来改变液-固表面的张力系数，从
而改变接触角的大小。然而，对于这种液滴与电极直接接触的结构，接触角的改
变量很小，而且易产生气泡,稳定性差。后来在1980年，Minnema [24] 首先发现了在
摘要：

I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。随着研究的不断深入，多种基于不同机制的微型变焦透镜结构相继被提出，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。这种通过外加电压改变液面曲率来实现变焦的透镜无机械可动部件、结构紧凑小巧...

展开>> 收起<<
电湿效应无机械运动变焦光学系统的研究.pdf

共100页,预览10页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：100 页 大小：2.34MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 100
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注