[发明专利]一种基于介电弹性体的液体透镜变焦成像方法及系统

权利要求书

1.一种基于介电弹性体的液体变焦成像方法，其特征在于：平面介电弹性体贴附于柔性空心圆台底面；柔性空心圆台的底部粘贴于平面介电弹性体的中心区域，通过驱动平面介电弹性体变形，带动柔性空心圆台的底部半径发生变化，在柔性空心圆台中注入液体，在平面介电弹性体的上下两个表面的外围区域涂有柔性电极，当两个柔性电极具有电压差时，平面介电弹性体涂有电极的区域面积将增加，驱动柔性空心圆台的底部收缩，底部半径减小，进而使得柔性空心圆台内的液体形状发生变化，所述形状包括液体高度，半径以及弓高，从而改变液体透镜的焦距；当液体透镜焦距改变且驱动前后液体透镜的焦点位置之差在成像系统的半焦深内时，成像系统能够清晰地改变成像大小，实现单个驱动的单个液体透镜的变焦成像功能，具有变焦范围大、响应速度快、体积小、成本低、驱动简单的优点；

通过平面介电弹性体和柔性空心圆台组合实现变焦成像功能，柔性空心圆台对厚度无特殊要求，无需使用介电弹性材料，仅平面介电弹性体使用介电弹性材料，且平面介电弹性体易加工，因此，平面介电弹性体和柔性空心圆台组合易于加工。

2.一种基于介电弹性体的液体变焦成像系统，用于实现如权利要求1所述的一种基于介电弹性体的液体变焦成像方法，其特征在于：包括固定透明平板(1)、柔性空心圆台(2)、液体(3)、空心圆柱(4)、上固定板(5)、平面介电弹性体(6)、上柔性电极(7)、下柔性电极(8)、下固定板(9)、电源(10)；上固定板(5)和下固定板(9)用于固定平面介电弹性体(6)，在平面介电弹性体(6)的外围区域的上下表面分布均匀涂有上柔性电极(7)和下柔性电极(8)，中心区域的半径为柔性空心圆台(2)的底部半径，上柔性电极电气连接于电源(10)，下柔性电极(8)电气连接于地端；柔性空心圆台(2)的底部粘贴于平面介电弹性体(6)的中心区域；空心圆柱(4)粘于上固定板(5)；在柔性空心圆台(2)内注入液体(3)，柔性空心圆台(2)的顶部粘于固定透明平板(1)。

3.如权利要求2所述的一种基于介电弹性体的液体变焦成像系统，其特征在于：工作方法为，

步骤一：当电源(10)的开关断开时，由于上柔性电极(7)和下柔性电极(8)没有电压差，平面介电弹性体(6)未被驱动，此时柔性空心圆台的底部(11)的半径为a₀,柔性空心圆台的顶部(12)的半径为b，柔性空心圆台的高度(13)为h；柔性空心圆台(2)内注入液体(3)，平面介电弹性体(6)驱动前的液体表面(15)的高度为h₀，半径为r₀，弓高s₀，此时液体(3)的体积V表述为：

平面介电弹性体(6)驱动前的液体透镜焦距f₀表示为：

入射平行光线在经过介电弹性体驱动前的液体表面(15)的作用后，驱动前的汇聚光线(17)聚焦在驱动前的焦点(19)位置上；

步骤二：当电源(10)的开关闭合时，由于上柔性电极(7)和下柔性电极(8)有电压差，平面介电弹性体(6)被驱动，平面介电弹性体(6)涂有电极的区域面积将增加，带动柔性空心圆台的底部(11)收缩，其半径将变为a₁；由于柔性空心圆台的顶部(12)被固定透明平板固定，因此柔性空心圆台(2)的圆锥角将发生变化，导致驱动后的液体表面(16)的形状发生变化，其液体高度变为h₁，液体半径变为r₁，液体弓高变为s₁；由于液体(3)体积不变和液体(3)-柔性空心圆台(2)的接触角不变，同时根据三角几何关系，当柔性空心圆台的底部(11)变为a₁时，驱动后的液体高度、液体半径以及液体弓高三个参数通过式(3)计算得到；

其中θ为液体-柔性空心圆台的接触角；由于驱动后液体的高度、液体半径以及液体弓高发生变化，入射平行光线在经过介电弹性体驱动后的液体表面的作用后，驱动后的汇聚光线聚焦在驱动后的焦点位置上；驱动后的焦距也将发生变化，变化后的液体透镜焦距f₁为：

其中：f₁为变化后的液体透镜焦距；

为了使得液体透镜能够实现变焦成像，驱动前后液体透镜的焦点位置之差应在成像系统的半焦深内，即

其中δ为成像系统的焦深；在满足式(5)后，能够保证系统能够较清晰成像，此时液体透镜的变倍比为：

通过优化柔性空心圆台的结构参数和液体的初始形状，得到不同变倍比的液体透镜变焦，因此，通过在介电弹性体上施加电压，实现单个驱动实现单个液体透镜大范围快速变焦功能，而且所述柔性空心圆台对厚度无特殊要求，通过3D打印或者两次注塑工艺加工得到，具有易加工的优点。

4.如权利要求3所述的一种基于介电弹性体的液体变焦成像系统，其特征在于：还包括步骤三，

根据不同的变焦应用需求，液体透镜(3)应具有不同的焦距；当液体透镜(3)具有长焦距和短焦距时，为了减小变焦成像系统的长度，需要采用不同的相机结构方式配合液体透镜(3)完成变焦成像；在不同液体透镜(3)的焦距下，所述一种基于介电弹性体的液体变焦成像系统的成像方式包括方式一和方式二：

方式一：当柔性空心圆台(2)内的液体透镜(3)具有长的焦距时，采用包括凹透镜(22)、第一凸透镜(23)、图像传感器(24)在内的相机(25)结构，其中液体透镜(3)的像方焦点和凹透镜(22)的像方焦点重合；从无穷远目标(21)发出的入射平行光线(14)在经过柔性空心圆台(2)内的液体透镜(3)的汇聚后，然后经过凹透镜(22)的作用变为平行光线，最后经过第一凸透镜(23)聚焦后成像在图像传感器(24)上；

方式二：当柔性空心圆台(2)内的液体透镜(3)具有短的焦距时，采用包括第二凸透镜(26)、第一凸透镜(23)、图像传感器(24)在内的相机(25)结构，其中液体透镜(3)的像方焦点和凹透镜(22)的物方焦点重合；从无穷远目标(21)发出的入射平行光线(14)在经过柔性空心圆台(2)内的液体透镜(3)的汇聚后，然后经过第二凸透镜(26)的作用变为平行光线，最后经过第一凸透镜(23)聚焦后成像在图像传感器(24)上。