CN103076643A

CN103076643A - 一种液体连续变焦透镜

Info

Publication number: CN103076643A
Application number: CN2011103262197A
Authority: CN
Inventors: 赵存华; 高常留; 魏大岭; 崔东庆; 李聪聪
Original assignee: Luoyang Normal University
Current assignee: Luoyang Normal University
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN103076643B

Abstract

本发明公开一种液体连续变焦透镜，其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板和位于旋进装置下面的下盖板，上盖板、下盖板均采用透明材料；旋进装置由上部的内套管和下部的外套管连接组成，外套管内孔为上大下小的阶梯孔，阶梯孔台阶处设置有透明弹性薄膜，外套管下部内侧安装有密封压环，透明弹性薄膜由密封压环压紧在外套管上，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。本发明结构简单，体积小，质量小，光轴稳定，连续变焦，响应迅速，精确度高，操作方便，易于加工。

Description

一种液体连续变焦透镜

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，尤其是涉及一种液体连续变焦透镜。

背景技术

传统的透镜一般由玻璃或者塑料材质制作而成，通过镜片的半径、厚度、非球面参数等调节以校正像差，满足一定的需求。但是，随着科学技术以及生产、生活的进一步需要，变焦范围小、对驱动电机要求严格的传统透镜已濒临所能达到的尺寸极限，不能满足产业发展的需求，应用受到很大的限制。为了实现变焦透镜的微型化，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一种。液体透镜是由液体制成，模仿人眼晶状体的聚焦原理，通过控制液体发生形状变化从而引起折射率变化来实现聚焦和变焦。与传统的透镜相比，液体变焦透镜具有体积小、寿命长、成本低、能耗小、易操作、响应速度快等优点。液体变焦透镜在手机、数码相机、医学内窥镜、望远镜和显微镜等系统中具有广阔的应用前景。

液体透镜由液体腔室和弹性薄膜组成，由于液体具有流动性，利用机械外力挤压液体或者改变液体与液体腔室侧壁间的表面张力使液体的表面形状发生改变，液体表面的弹性薄膜的曲率半径会相应变化，从而形成可变焦的液体透镜。现有的液体变焦透镜主要分为两种，一种是机械驱动式液体透镜，另一种电湿润式液体透镜。机械驱动式液体透镜透镜结构复杂、不紧凑、控制精度和可靠性受到很大限制；电湿润式液体透镜制作复杂，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、操作方便、精度高的液体连续变焦透镜。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种液体连续变焦透镜，其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板和位于旋进装置下面的下盖板，上盖板、下盖板均采用透明材料；旋进装置由上部的内套管和下部的外套管连接组成，外套管内孔为上大下小的阶梯孔，阶梯孔台阶处设置有透明弹性薄膜，外套管下部内侧安装有密封压环，透明弹性薄膜由密封压环压紧在外套管上，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。

所述的液体连续变焦透镜，其上盖板通过胶水粘接在内套管中，下盖板通过胶水粘接在外套管底部。

所述的液体连续变焦透镜，其下盖板底部安装有压环。

所述的液体连续变焦透镜，其内套管下端呈半球形凸起。

一种液体连续变焦透镜，其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板和位于旋进装置下面的下盖板，上盖板、下盖板均采用透明材料，旋进装置由上部的内套管和下部的外套管连接组成，内套管下端面设置有透明弹性薄膜，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。

所述的液体连续变焦透镜，其上盖板通过胶水粘接在内套管上部，下盖板通过胶水粘接在外套管底部。

所述的液体连续变焦透镜，其上盖板、下盖板为光学玻璃或有机玻璃。

所述的液体连续变焦透镜，其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。

所述的液体连续变焦透镜，其内套管上部有一沿上套管径向外表面向外凸出的凸缘，凸缘上设有防滑纹。

所述的液体连续变焦透镜，其内套管、外套管、密封压环以及下盖板底部的压环采用金属、陶瓷或有机玻璃。

所述的液体连续变焦透镜，其液体采用水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油。

所述的液体连续变焦透镜，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SYLGARD 184制作的薄膜。

所述的液体连续变焦透镜，设定上套管外径为b，内径为r, 上套管向下推进高度为h，上套管向下推进高度为h使液体边缘被压缩，液体的中央部分凸起成球缺状，球缺高度为d，液体折射率为n，空气折射率为n₀，透镜焦距为f′，透镜焦距f′与液体体积变化关系为：

Figure 2011103262197100002DEST_PATH_IMAGE001

其中，

Figure 2011103262197100002DEST_PATH_IMAGE002

。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该液体连续变焦透镜，其通过上套管上下旋进，挤压或抽取下腔室内液体，在液体总体积不变的情况下，通过液体顶起或收缩使透明弹性薄膜表面凸起或塌陷形成不同曲率半径，以改变液体透镜焦距，实现连续变焦；结构简单，体积小，质量小，光轴稳定，连续变焦，响应迅速，精确度高，操作方便，易于加工，成本低廉，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。

附图说明

图1是本发明液体连续变焦透镜实施例之一的结构示意图；

图2a是图1中的透镜第一种状态的焦距变化示意图；

图2b是图1中的透镜第二种状态的焦距变化示意图；

图3是图1中的透镜的焦距计算示意图；

图4是本发明液体连续变焦透镜实施例之二的结构示意图；

图中：1－上盖板；2－外套管；3－压环；4－内套管；5－弹性薄膜；6－密封压环；7－液体；8－下盖板。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1、2a、2b所示，为本发明的一种结构形式，该液体连续变焦透镜，其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板1和位于旋进装置下面的下盖板8，上盖板、下盖板均采用光学玻璃或有机玻璃透明材料；旋进装置由上部的内套管4和下部的外套管2连接组成，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，外套管内孔为上大下小的阶梯孔，阶梯孔台阶处设置有透明弹性薄膜5，外套管2下部内侧安装有密封压环6，透明弹性薄膜5由密封压环6压紧在外套管2上，透明弹性薄膜5、外套管2与下盖板8之间形成一腔室，腔室内填充有液体7；上盖板通过胶水粘接在内套管中，下盖板通过胶水粘接在外套管底部，下盖板8底部安装有压环3。由于透明弹性薄膜由密封压环压紧在外套管上，下盖板由压环压紧在外套管上，因此，整个液体连续变焦透镜防水严密，装配简单方便，可操作性强。

上述的内套管下端呈半球形凸起，防止内套管下端与透明弹性薄膜接触时损伤薄膜。

上述的内套管上部有一沿上套管径向外表面向外凸出的凸缘，凸缘上设有防滑纹，便于使用者手动操作。

上述的内套管的下端里侧可留有缝隙，以免挤压着透明弹性薄膜，使之损伤。

所述的液体连续变焦透镜，其内套管4、外套管2、密封压环6以及下盖板8底部的压环3采用金属、陶瓷或有机玻璃。

所述的液体连续变焦透镜，其透明弹性薄膜5采用ETFE膜、聚二甲基硅氧烷、PTEF膜、TPU、乳胶薄膜或SYLGARD 184制作的薄膜。

下面结合图2a、2b详细说明本发明液体连续变焦透镜的焦距变化。

如图2a所示，当上套管在没有向下旋进，挤压腔室内液体时，整个液面保持平面，此时透镜的焦距为无限大。

如图2b所示，当上套管向下旋进，挤压腔室内液体时，上套管的下端半球形凸起挤压透明弹性薄膜，占据透镜边缘的液体体积，挤压边缘的液体向中心流动，从而鼓起弹性薄膜，使之有一定的曲率半径，此时，透镜相当于一个凸透镜，焦距发生了变化。

如图3所示，所述的液体连续变焦透镜，设定上套管外径为b，内径为r, 液体折射率为n，空气折射率为n₀＝1，透镜焦距为f；透镜的焦距无限远状态时，液体表面与透明弹性薄膜呈水平状态，入射光线和出射光线平行；旋转内套管使之向下推进，推进高度为h，液体边缘被压缩体积为

Figure 2011103262197100002DEST_PATH_IMAGE004

（1）

由于液体边缘受力均匀，液体的中央部分凸起成球缺状，球缺高度d的体积V为

Figure 2011103262197100002DEST_PATH_IMAGE005

（2）

由公式（2）的第一个等式，为d的三次方程，可以求得

（3）

由公式（2）的第二个等式，可以求得球缺曲率半径R为

Figure 2011103262197100002DEST_PATH_IMAGE007

（4）

对一个平凸透镜，它的焦距f′为

（5）

其中R为凸面的曲率半径，n为透镜的折射率，上式假定透镜置于空气中。由（4）、（5）两公式可得到液体透镜的焦距f′随液体体积V变化关系为

（6）

将（1）、（3）公式代入（6）公式中可得，当上套管旋进高度为h 时，透镜的焦距f′为

其中

如图4所示，为本发明的另一种结构形式，该液体连续变焦透镜，其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板1和位于旋进装置下面的下盖板8，上盖板、下盖板均采用光学玻璃或有机玻璃透明材料；旋进装置由上部的内套管4和下部的外套管2连接组成，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4下端面设置有透明弹性薄膜5，透明弹性薄膜5、外套管2与下盖板8之间形成一腔室，腔室内填充有液体7；上盖板1通过胶水粘接在内套管4上部，下盖板8通过胶水粘接在外套管2底部；内套管上部有一沿内套管径向外表面向外凸出的凸缘，凸缘上设有防滑纹，便于使用者手动操作。

图4中所述透镜的焦距变化、焦距计算与上述图2a、2b、3中所述透镜的焦距变化、焦距计算相同。

图1中所述透镜的内套管、外套管、密封压环以及下盖板底部的压环、图4中所述透镜的内套管、外套管可以在金属、陶瓷或有机玻璃中选择。

上述的液体连续变焦透镜中，所述液体可以在水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油中选择。

上述的液体连续变焦透镜中，所述透明弹性薄膜可以在ETFE膜、聚二甲基硅氧烷、PTEF膜、TPU、乳胶薄膜或SYLGARD 184制作的薄膜中选择。

所述的液体连续变焦透镜，其旋进装置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

1.一种液体连续变焦透镜，其特征是：其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板（1）和位于旋进装置下面的下盖板（8），上盖板、下盖板均采用透明材料；旋进装置由上部的内套管（4）和下部的外套管（2）连接组成，外套管内孔为上大下小的阶梯孔，阶梯孔台阶处设置有透明弹性薄膜（5），外套管下部内侧安装有密封压环（6），透明弹性薄膜由密封压环压紧在外套管上，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（7）。

2.根据权利要求1所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其上盖板（1）通过胶水粘接在内套管（4）中，下盖板（8）通过胶水粘接在外套管（2）底部。

3.根据权利要求1所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其下盖板（8）底部安装有压环（3）。

4.一种液体连续变焦透镜，其特征是：其包括旋进装置、位于旋进装置上面的上盖板（1）和位于旋进装置下面的下盖板（8），上盖板、下盖板均采用透明材料，旋进装置由上部的内套管（4）和下部的外套管（2）连接组成，内套管下端面设置有透明弹性薄膜（5），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（7）。

5.根据权利要求4所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其上盖板（1）通过胶水粘接在内套管（4）上部，下盖板（8）通过胶水粘接在外套管（2）底部。

6.根据权利要求1或4所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其内套管（4）外壁上设有螺纹，外套管（2）内壁上设有螺纹，二者通过螺纹配合连接。

7.根据权利要求1或4所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其内套管上部有一沿上套管径向外表面向外凸出的凸缘，凸缘上设有防滑纹。

8.根据权利要求1或4所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其内套管、外套管、密封压环以及下盖板底部的压环采用金属、陶瓷或有机玻璃。

9.根据权利要求1或4所述的液体连续变焦透镜，其特征是：其液体采用水、四氯化碳、甘油、松节油或橄榄油。

10.根据权利要求1或4所述的液体连续变焦透镜，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SYLGARD 184制作的薄膜。