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液体变焦透镜的变焦原理

时间:2020-11-10 来源:新特光电 访问量:1137

液体变焦透镜的整体形状像一个圆柱体,它的上下表面由两片薄玻璃片构成,透镜的内侧壁分为两层:一层呈圆柱形、另一层呈圆台形,且上下两层均由金属电极组成,在两个电极之间涂有一层绝缘材料,以使两电极之间不导电,在变焦透镜的容器内注有两种液体,其中一种为电解质,另一种为油性非极性物质。由于互不相溶,两种液体自然就会在其接触面处形成一层清晰可见的透镜层,对光线起到会聚作用。

由于电解液与油滴之间互不相溶,在不加电压时,液体交界面在表面张力的相互作用下自然形成一层对称的透镜膜,透镜此时的焦距是固定的;当对透镜施加电压时,在电场的作用下,接触面之间的电量发生变化,从而产生一种使原有的表面张力之间不再平衡的外力,在外力作用下达到新的平衡,从而改变透镜面的曲率半径,进而改变透镜的焦距。外加电压不同,两种液体及液体与器壁之间达到稳态所需的表面张力就不同,人们通过调整外加电压来改变液体交界面的曲率,并进而改变液体透镜的焦距。这种电压对焦距的调节正是以电湿润过程为基础实现的。容器内有三个接触面需要考虑,一是金属电极和电解质之间的接触面,二是油状物和电解质之间的接触面(即透镜面),三是金属电极和油状物之间的接触面,在这三个接触面之间都存在着表面张力,透镜面的形状正是由这三个表面张力的大小决定的,电湿润现象改变了这三个力的大小,使其重新达到平衡,进而控制了透镜面的形状。在没有加电压之前,透镜面和电极之间的接触角H0是很小的,主要由三个接触面的张力决定,即

液体变焦透镜的变焦原理

其中为 Csw、Cso、Cow分别为电解液与电极、油滴与电极及电解液与油滴之间的张力系数。

液体变焦透镜的变焦原理

如果在电极上加上电压,则会存在静电力的作用。由于变焦透镜的一个电极与电解质溶液接触,而另一个电极被一层薄薄的绝缘体所覆盖,同时与如果在电极上加上电压,则会存在静电力的作用。由于变焦透镜的一个电极与电解质溶液接触,而另一个电极被一层薄薄的绝缘体所覆盖,同时与电解质溶液和非极性油状物接触;结果,在绝缘电极与电解质溶液之间的接触面上,电荷逐渐增多,使油状物与电极之间的表面张力增加,进而H0变为H,H由下式决定:

液体变焦透镜的变焦原理

其中E为绝缘介质层的介电常数,E0为真空介电常数,d为绝缘层的厚度,V为外加电压(如图)。液体透镜正是通过外加电压改变透镜面形状的。当施加外界电压时,电解质与电极表面上积累等量异性电荷,使电解质与电极之间产生相互吸引的静电力,该静电力将使电解液对油滴产生向内的挤压作用,改变两种液体之间接触面的形状,从而达到自动调焦的目的。为了使透镜面达到理想状态,两种液体的密度必须严格相等。由于液体具有流动性,在重力的作用下,液体会由势能高的地方流到势能低的地方,如果两种液体密度不同,那么当透镜的取向不同(也就是透镜光轴的方向在使用时发生改变),透镜层的对称结构就会被破坏,光轴也会变得不稳定,为了避免 发生这种情况, 就要求两种液体的密度相等。

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