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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 一種可改變光軸的雙液體變焦透鏡
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 在微光學(xué)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的機(jī)械透鏡因?yàn)槠涑上裣到y(tǒng)機(jī)械部件繁多、操作不靈便、制作成本高等固有缺點(diǎn)，已不能完全滿(mǎn)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(guò)控制液體周?chē)碾妶?chǎng)分布來(lái)液體自身形狀從而達(dá)到變焦的目的, 其工作原理類(lèi)似于人眼的聚焦機(jī)理。具有體積小、反應(yīng)速度快、耗電量小、無(wú)磨損壽命長(zhǎng)以及精確度高等優(yōu)點(diǎn)。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(rùn)濕特性的新型雙液體透鏡，其基本特征是：不僅可以通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)液體透鏡的變焦，還可以通過(guò)控制液體透鏡的電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏離光軸的目標(biāo)聚焦。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品利用電潤(rùn)濕現(xiàn)象對(duì)導(dǎo)電液體曲率變化的影響，首次提出使用多個(gè)透明電極分別控制圓柱體雙液體透鏡的電場(chǎng)分布，即當(dāng)給各個(gè)透明電極加同樣的電壓時(shí)，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)變焦；當(dāng)四個(gè)電極施加不同電壓時(shí)，電壓較高的電極所對(duì)應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較強(qiáng)，電壓較低的電極所對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)電極的電壓，不僅可以實(shí)現(xiàn)變焦，還可以實(shí)現(xiàn)透鏡對(duì)偏離光軸的目標(biāo)聚焦。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- ★設(shè)計(jì)發(fā)明目的: 傳統(tǒng)機(jī)械透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難，已不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。下一代透鏡技術(shù)中的液體透鏡通過(guò)控制系統(tǒng)電場(chǎng)分布改變液體形狀達(dá)到變焦的目, 工作原理類(lèi)似于人眼聚焦機(jī)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(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)液體透鏡的變焦，還可以通過(guò)控制液體透鏡的電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(guò)四個(gè)獨(dú)立電極控制液透鏡的電場(chǎng)分布，從而達(dá)到變焦以及偏離光軸聚焦的目的。 ★創(chuàng)新點(diǎn) ⑴設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)獨(dú)立的電極。通過(guò)向每個(gè)獨(dú)立電極施加不同電壓的方法來(lái)控制液體透鏡的電場(chǎng)分布，實(shí)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(jí)尺寸的圓柱玻璃管壁制備透明電極。⑵使用多個(gè)電極對(duì)圓柱體雙液體透鏡的電場(chǎng)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(jiàn)光透過(guò)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(wú)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(rùn)濕現(xiàn)象對(duì)導(dǎo)電液體曲率變化的影響，首次提出使用多個(gè)透明電極分別控制圓柱體雙液體透鏡的電場(chǎng)分布，即當(dāng)給各個(gè)透明電極加同樣的電壓時(shí)，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)變焦；當(dāng)四個(gè)電極施加不同電壓時(shí)，電壓較高的電極所對(duì)應(yīng)液體產(chǎn)生的電濕效應(yīng)較強(qiáng)，電壓較低的電極所對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)電極的電壓，不僅可以實(shí)現(xiàn)變焦，還可以實(shí)現(xiàn)透鏡對(duì)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(duì)圓柱體電極進(jìn)行了合理的改進(jìn)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)電極的電壓，不僅可以實(shí)現(xiàn)變焦、還可以實(shí)現(xiàn)透鏡對(duì)偏離光軸的目標(biāo)聚焦。通過(guò)國(guó)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(wèn)題。
獲獎(jiǎng)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(jìng)賽特等獎(jiǎng)。 ⑵相關(guān)論文《Analysis of electric field on liquid zoom lens based on electro-wetting》被2009年國(guó)際電磁學(xué)研究進(jìn)展國(guó)際會(huì)議錄用（PIERS 2009 in Beijing，Progress In Electromagnetic Research Symposium），作者已在PIERS2009會(huì)議上做口頭報(bào)告。論文被ISTP收錄。 ⑶瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試報(bào)告。 ⑷教育部科技查新站的國(guó)內(nèi)外科技查新報(bào)告。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- ■實(shí)物、產(chǎn)品 ■模型 ■樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- ★技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 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(wú)磨損壽命長(zhǎng)。與機(jī)械調(diào)焦系統(tǒng)相比,節(jié)省90%驅(qū)動(dòng)電量50%的設(shè)計(jì)空間, 成本低廉。目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光穿透率達(dá)90 %左右。通過(guò)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(jiǎn)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(duì)雙液體透鏡的電場(chǎng)進(jìn)行控制,當(dāng)給各電極加相同電壓時(shí),兩個(gè)液體相接處的界面呈弧形曲率,此時(shí)液體透鏡的光軸在圓柱形電極的正中央,可實(shí)現(xiàn)變焦。當(dāng)四個(gè)電極施加不同電壓時(shí),兩個(gè)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(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)預(yù)測(cè) 從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)講,未來(lái)光通信技術(shù)以及生醫(yī)領(lǐng)域的的視覺(jué)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(chǎng)定位是小型數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)內(nèi)置攝像鏡頭、醫(yī)用內(nèi)窺檢鏡、光刻技術(shù)、生物測(cè)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(lèi)課題研究水平概述
- 我國(guó)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(lái)看，國(guó)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(shí)驗(yàn)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(lái)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(bào)，2006（5）：1768-1770+1774。文中主要闡述了由一個(gè)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(gè)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(guò)改變ITO與液滴之間的電壓大小，透鏡的曲率及位置能同時(shí)被調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(rùn)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(xiàn)。該查新項(xiàng)目研究的是多個(gè)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(xiàn)?；趫A柱形電極的雙液體透鏡國(guó)內(nèi)尚無(wú)成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 國(guó)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(guó)的Varioptic公司，Philips公司以及日本精工，其中對(duì)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(guò)科技查新，迄今為止尚未見(jiàn)到既能變焦、又可對(duì)偏離光軸的目標(biāo)聚焦的液體透鏡的報(bào)道。
