CN102385078B - 一种远程操控式液体连续变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种远程操控式液体连续变焦透镜，其由变焦组件、中空橡皮管和控制组件组成；变焦组件包括主体、位于主体上面的上盖板和位于主体下面的下盖板，主体由上部的内套管和下部的外套管连接组成，内套管外部呈阶梯状，内套管下部阶梯处与外套管之间设置有密封环，透明弹性薄膜套设在内套管下端面且由密封环压紧，透明弹性薄膜、外套管与下盖板之间形成一腔室，腔室内填充有液体，外套管下部两侧分别设置有与外套管内部腔室相通的排气孔和进液嘴，进液嘴通过密封螺钉进行密封；进液嘴外端部与中空橡皮管一端相连，中空橡皮管另一端与控制组件连接。本发明能够进行远程操控、连续变焦，具有体积小、质量轻、响应速度快、成像质量优异的特点。

Description

一种远程操控式液体连续变焦透镜

技术领域

本发明属于微光学技术领域，涉及一种液体变焦透镜，尤其是涉及一种远程操控式液体连续变焦透镜。

背景技术

镜头是相机模块的灵魂，传统的镜头都是使用玻璃或者塑料作为基材，经过像差校正以满足成像的需要。在很多情况下，如拍照时拉近景物与相机的距离、显微时观看尺度不同的微生物、摄像的聚焦点远近的需求、监控的更细节化或扩大监控范围、观察远近不同的物体时望远镜变换放大倍率等等，都需要镜头的焦距发生变化，即变焦镜头。传统的变焦镜头一般使用数个镜片组成一个透镜组，然后由2～4个透镜组组成变焦镜头，利用透镜组间的间隔线性或者非线性变化来实现变焦。为了获得良好的像质，有时侯必须增加镜片的数量。镜片数量的增加和透镜组的移动，必然导致驱动机构的复杂性进一步增加，进而制作成本增加、体积增大，在一些极端情况下，如超小超轻超薄等，像质校正变得十分困难。例如手机镜头，在总厚度要求小于1cm的情况下，利用镜片间移动实现变焦，基本上是不可能的。因此，目前的手机镜头基本上都没有光学变焦，只有通过软件插值的方法实现的数字变焦，数字变焦必然大幅度降低像质。

为了克服在微小型情况下无法变焦的难题，目前国内外已经提出了一些新型变焦微透镜技术，液体变焦透镜就是其中的一种。液体变焦透镜是使用液体作为折光介质，在机械挤压或者电压驱动下，使包围液体的储液腔的薄膜曲率发生改变，从而使之焦距发生改变。液体变焦透镜具有体积小、连续变焦、响应速度快、轻质、像质好的优点。液体变焦透镜在手机、数码相机、医学内窥镜、近视眼镜、望远镜和显微镜等系统中具有广阔的应用前景。

液体变焦透镜根据变焦原理和结构不同，可以分为两种形式：机械驱动式单液体透镜和电湿润式双液体透镜。机械驱动式单液体透镜是利用机械外力挤压或抽注液体，使包含弹性透明薄膜的液体腔内体积发生改变，从而使弹性透明薄膜凸起或凹陷，以改变透镜焦距；机械驱动式单液体透镜结构复杂、控制精度和可靠性受到很大限制。电湿润式双液体透镜是利用电毛细现象，利用外加电压驱动两种互不相溶的液体接触面以改变两种液体与设置在两种液体间的憎水性绝缘层之间的接触角，使液面曲率改变，实现变焦；这种液体变焦透镜制作复杂，工艺难度高，并且驱动电压较大，已经超出了36V的人体安全电压。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、体积小的远程操控式液体连续变焦透镜，能够进行远程操控、连续变焦。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种远程操控式液体连续变焦透镜，其由变焦组件、中空橡皮管和控制组件组成；变焦组件包括主体、位于主体上面的上盖板和位于主体下面的下盖板，上盖板、下盖板均采用透明材料，主体由上部的内套管和下部的外套管连接组成，内套管外部呈阶梯状，内套管下部阶梯处与外套管之间设置有密封环，透明弹性薄膜套设在内套管下端面且由密封环压紧，透明弹性薄膜、外套管与下盖板之间形成一腔室，腔室内填充有液体，外套管下部两侧分别设置有与外套管内部腔室相通的排气孔和进液嘴，进液嘴通过密封螺钉进行密封；进液嘴外端部与中空橡皮管一端相连，中空橡皮管另一端与控制组件连接。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其上盖板、下盖板为光学玻璃或有机玻璃。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其上盖板、下盖板与主体通过胶水粘接。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件的主体中，内套管外壁上设有螺纹，外套管内壁上设有螺纹，二者通过螺纹配合连接。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其密封环外部套设有防水橡胶套。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其控制组件包括一内部设置有空腔的壳体，壳体两端均具有与空腔相通的通孔；一手柄由把手部和连杆部一体组成，手柄的连杆部伸入壳体内部的空腔中，连杆部与壳体内壁之间螺纹连接。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其控制组件的壳体外壁上设有对应于变焦组件的焦距值的刻度。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其控制组件的手柄上设置有驱动电机。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件的外套管内填充的液体采用水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其透明弹性薄膜采用ETFE膜、聚二甲基硅氧烷、PTEF膜、TPU、乳胶薄膜或SYLGARD184制作的薄膜。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件的内套管、外套管、密封环、进液嘴、密封螺钉、以及控制组件的壳体、手柄采用金属、钢化玻璃、钢化陶瓷或强化塑料材质。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，设定控制组件挤压液体进入腔室的体积为V，变焦组件的通光口径为2r，则液体进入腔室的体积为V时，弹性薄膜弹起的最大高度为h，此时弹性薄膜形成的球缺体积就是V；设定液体的折射率为n，透镜焦距f′为

其中，。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该远程操控式液体连续变焦透镜，其采用控制组件通过中空橡皮管与变焦组件相连，通过手动或自动控制手柄在壳体内旋进、旋出，挤压或抽取腔室内液体，使透明弹性薄膜凸起或者凹陷，改变液体透镜的焦距；具有体积小，质量轻，连续变焦，响应速度快，成像质量优异，成本低廉的特点，可广泛应用于数码摄像头、门外窥系统、医学内窥镜、笔记本电脑摄像头和监控系统等，还可应用在一些远程操控上，对人们无法到达或者接近的区域进行操作，例如对于人体有毒、有害的区域、有浓烟、空间颗粒物高含量区域、有远程精密监视、监控、观察、拍摄的需求的区域，以及猛兽猛禽活动的危险区域。

附图说明

图1是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的结构示意图；

图2是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的变焦组件的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的控制组件的结构示意图；

图5a是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的变焦组件实施例之一的焦距变化示意图；

图5b是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的变焦组件实施例之二的焦距变化示意图；

图5c是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的变焦组件实施例之三的焦距变化示意图；

图6是本发明远程操控式液体连续变焦透镜的变焦组件的焦距计算示意图；

图中：1－变焦组件；2－弹性薄膜；3－中空橡皮管；4－控制组件；5－上盖板；6－密封环；7－防水橡胶套；8－排气孔；9－腔室；10－内套管；11－外套管；12－进液嘴；13－下盖板；14（a、b）－凸台；15－壳体；16－手柄。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1、2、3所示，该远程操控式液体连续变焦透镜，其由变焦组件1、中空橡皮管3和控制组件4组成；变焦组件包括主体、位于主体上面的上盖板5和位于主体下面的下盖板13，上盖板、下盖板均采用光学玻璃或有机玻璃透明材料，上盖板、下盖板与主体通过胶水粘接；主体由内套管10和外套管11组成，内套管外壁上设有螺纹，外套管内壁上设有螺纹，二者通过螺纹配合连接，内套管外部呈阶梯状，内套管10下部阶梯处与外套管11之间设置有密封环6，透明弹性薄膜2套设在内套管下端面且由密封环6压紧在内套管10下端面，透明弹性薄膜2、外套管11与下盖板13之间形成一腔室9，腔室内填充有液体，外套管11下部两侧对称设置有向外延伸的凸台14a、凸台14b，外套管左侧的凸台14a内设有排气孔8，排气孔8与外套管11内的腔室9相通，排气孔用于初始注液时，将腔室内的空气排出，当腔室已经完全充满液体并无任何残留空气时，排气孔通过密封螺钉进行密封，右侧的凸台14b内设有螺孔，内部具有空腔的进液嘴12安装在凸台14b的螺孔中与凸台螺纹连接；进液嘴12与中空橡皮管3一端相连，中空橡皮管另一端与控制组件4连接。

所述密封环在压制之前，其内侧可涂抹一层胶水，能够保证在挤压透明弹性薄膜时，弹性薄膜不会脱落。

所述密封环6外部套设有厚度为0.3～1.0mm的防水橡胶套7，能够防止腔室内的液体从外套管与内套管之间的螺纹渗出。

所述进液嘴外端部设有环形齿，在进液嘴与中空橡皮管连接后，经由环形齿起到密封作用；还可通过在进液嘴与中空橡皮管连接处点胶水、用绳子或铁丝捆扎牢固，保证密闭不露水，并可以承受一定的液体压力。

所述下盖板要有一定的抗压能力，并且不产生形变。

如图4所示，所述的控制组件4包括一内部设置有空腔的壳体15，壳体两端均具有与空腔相通的通孔；一手柄16由把手部和连杆部一体组成，手柄的连杆部伸入壳体内部的空腔中，连杆部与壳体内壁之间螺纹连接。

上述的控制组件的壳体15外壁上设有对应于变焦组件的焦距值的刻度，依据手柄旋进的体积可以求得焦距值，然后刻在壳体外壁上。操作者握持手柄16的把手部手动旋转手柄，使手柄在壳体内旋进、旋出，挤压或抽取腔室9内液体，使透明弹性薄膜2凸起或者凹陷，改变液体透镜的焦距。

上述的控制组件的手柄16上设置有驱动电机，如步进电机，由步进电机驱动手柄旋转，能够精确的自动控制液体透镜焦距的改变。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件1的外套管11内填充的液体采用水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其透明弹性薄膜2采用ETFE膜（ETFE为乙烯-四氟乙烯共聚物）、聚二甲基硅氧烷、PTEF膜（PTEF为聚四氟乙烯）、TPU（TPU为热塑性聚氨酯弹性体橡胶）、乳胶薄膜或SYLGARD184（SYLGARD184是由液体组分组成的双组份产品，包括基本组分与固化剂，基本组分与固化剂按10:1重量比完全混合；可以用来制备高透过率、弹性非常好的薄膜）。

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件1的内套管10、外套管11、密封环6、进液嘴12、密封螺钉、以及控制组件4的壳体15、手柄16采用金属、钢化玻璃、钢化陶瓷或强化塑料材质。

下面结合图5a、5b、5c详细说明本发明远程操控式液体连续变焦透镜的焦距变化。

如图5a所示，当控制组件的手柄未作任何挤压或者抽取液体动作时，透明弹性薄膜保持平面，透镜相当于一个玻璃平行平板，它对光线没有发散或者会聚作用，此时透镜的焦距为无限大。

如图5b所示，当控制组件的手柄旋出，抽取腔室内的液体时，透明弹性薄膜就会凹陷，形成凹透镜，对光线具有发散作用。

如图5c所示，当控制组件的手柄旋进，挤压腔室内的液体时，透明弹性薄膜就会凸起，形成凸透镜，对光线具有会聚作用。

通过抽取或者挤压腔室内的液体可以使透镜在宽范围内实现连续变焦。

如图6所示，本发明的远程操控式液体连续变焦透镜，通过操作控制组件的手柄，使手柄挤压体积为V的液体进入到腔室中，此时透明弹性薄膜凸起，形成一个球缺。设定此时球缺的高度为h，变焦组件的通光口径为2r，则由底边2r和高度h形成的球缺的体积等于V。设定此时球的曲率半径为R，则由体积相等，可得以下公式

（1）

由公式（1）的第一个等式，根据已知的的π、r和V求得球缺高度为

（2）

由公式（1）的第二个等式，可以求得此时液面的曲率半径

（3）

对于此时的透镜，上表面曲率半径为R，下表面为平面，即它是一个平凸透镜。设定液体的折射率为n，由几何光学知识，对于一个平凸透镜，它的焦距f″可以用以下公式计算

（4）

在上式进行焦距计算时，假定透镜置于空气中。将公式（2）代入公式（3），然后把公式（3）代入公式（4），即可获得此时液体透镜的焦距f′为

（5）

所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其变焦组件的主体还可采用其它结构形式，如内套管与外套管通过粘接方式连接，或者一体成型的结构形式。上述形式均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其由变焦组件（1）、中空橡皮管（3）和控制组件（4）组成；变焦组件包括主体、位于主体上面的上盖板（5）和位于主体下面的下盖板（13），上盖板、下盖板均采用透明材料，主体由上部的内套管（10）和下部的外套管（11）连接组成，内套管外部呈阶梯状，内套管下部阶梯处与外套管之间设置有密封环（6），透明弹性薄膜（2）套设在内套管下端面且由密封环压紧，透明弹性薄膜、外套管与下盖板之间形成一腔室（9），腔室内填充有液体，外套管下部两侧分别设置有与外套管内部腔体相通的排气孔（8）和进液嘴（12），进液嘴通过密封螺钉进行密封；进液嘴外端部与中空橡皮管一端相连，中空橡皮管另一端与控制组件连接；控制组件（4）包括一内部设置有空腔的壳体（15），壳体两端均具有与空腔相通的通孔；一手柄（16）由把手部和连杆部一体组成，手柄的连杆部伸入壳体内部的空腔中，连杆部与壳体内壁之间螺纹连接，控制组件（4）的壳体（15）外壁上设有对应于变焦组件的焦距值的刻度，或者控制组件的手柄（16）上设置有驱动电机。

2.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其上盖板（5）、下盖板（13）与主体通过胶水粘接。

3.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其变焦组件的主体中，内套管（10）外壁上设有螺纹，外套管（11）内壁上设有螺纹，二者通过螺纹配合连接。

4.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其密封环（6）外部套设有防水橡胶套（7）。

5.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其变焦组件的外套管内填充的液体采用水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油。

6.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其透明弹性薄膜采用ETFE膜、聚二甲基硅氧烷、PTEF膜、TPU、乳胶薄膜或SYLGARD184制作的薄膜。

7.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：其变焦组件的内套管、外套管、密封环、进液嘴、密封螺钉以及控制组件的壳体、手柄采用金属、钢化玻璃、钢化陶瓷或强化塑料材质。

8.根据权利要求1所述的远程操控式液体连续变焦透镜，其特征是：设定控制组件挤压液体进入腔室的体积为V，变焦组件的通光口径为2r，则液体进入腔室的体积为V时，弹性薄膜弹起的最大高度为h，此时弹性薄膜形成的球缺体积就是V；设定液体的折射率为n，透镜焦距f′为

其中，

。