软电介质可调焦镜头的计算模型

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1、⑩丈摩次＃ＴＩＡＮＪｉＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－臓代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５学科专业：固体力学作者姓名：刘建超指导教师：谢宇新副教授天津大学研究生院２０１６年１０月中文摘要软电介质可调焦镜头是一种新型微光学镜头，通过改变加载在镜头上的电压改变其焦距（镜头直径）。该类镜头目前有两种构造形式，且都由软电介质薄膜、液体和刚性框架组成，一种为分离式可调焦镜头，另一种为集成式可调焦镜头。为了能使镜头更好地应用于实际中，设计人员需要确定两类镜头中电压与焦距（镜头直径）的函数关系，以

2、及相关镜头参数对两者关系和焦距（镜头直径）最大变化量的影响。镜头参数包括软电介质薄膜预拉伸、镜头比例尺寸和液体体积。为了保证两类镜头安全有效地工作，还需要对镜头可能出现的失效行为进行预测判断。因此，为了满足上述要求，本文分别对两类镜头进行了以下研究工作：1．首先对软电介质薄膜的变形进行分析，发现虽然其在边界处有不均匀变形，但是不均匀变形范围较小且对镜头的变焦影响有限，因此假设软电介质薄膜的变形为均匀变形。2．根据软电介质薄膜均匀变形假设和能量法，建立微型镜头的控制方程。3．确定软电介质薄膜的材料模型。并由该材料模型推导出，

3、在变形过程中薄膜内的应力和主伸长的表达式。简化并求解该控制方程。4．对计算结果同已有的实验结果对比。求解在变焦过程中软电介质薄膜内应力、应变和电场强度。改变镜头参数——软电介质薄膜预拉伸、镜头比例尺寸和液体体积——再次计算，确定镜头参数对镜头中电压和焦距（镜头直径）关系的影响。研究结果表明：1．均匀变形假设下的计算结果与实验结果吻合地较好，能够准确预测镜头中电压和焦距（镜头直径）的关系。2．在工作过程中，微型镜头不会失效。3．软电介质薄膜预拉伸和镜头比例尺寸对电压和焦距（镜头直径）的关系影响较大，而液体体积对两者关系的影响

4、则十分微小。两类镜头在均匀变形假设下的力学模型，其控制方程比较简单，计算过程也十分简洁，因此更方便于相关设计人员进行参考。关键词：可调焦镜头，软电介质，大变形，能量法IABSTRACTLensesusingtransparentdielectricelastomersmembranesandliquidareconstructedbytwodifferentmethods.Onetypeiscalledseparationtunablelensandanotheroneiscalledintegratedtunablele

5、ns,whichchangeitsfocallengthbyalteringthevoltageappliedonthemselves.Tomakelensesbebetterapplied,designershouldfigureouttherelationshipbetweenvoltageandfocallengthandimpactimposedbythecharacteristicsoflens,suchasthepre-stretchofdielectricelastomers,theproportionals

6、izeandthevolumeofliquid.Furthermore,themodesoffailureshouldbepredictedtomakesurethatthelensesworksafelyandefficiently.Inthispaper,tomeetabovedemand,workhasbeendoneasfollows:1．First,weanalysethedeformationofdielectricelastomersandfindthatalthoughthereisinhomogeneou

7、sontheboundary,itsscaleissonegligibleandhaslittleimpactonfocallength.Thus,weadopthomogeneousdeformationassumption.2．Accordingtothehomogeneousdeformationassumptionandenergymethod,governingequationsofthelensesareestablished.3．Thematerialmodelofdielectricelastomersis

8、tobeprescribedandthestressandthestretchintheelastomermembranesshouldbederivedfromtheabovematerialmodel.Governingequationsofthelensesaresimplifiedtobesol