CN106772719A - 一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统。该系统包括辅助透镜组、液体透镜I、液体透镜II、液体透镜III、前端半透半反镜、后端半透半反镜、前端反射镜、后端反射镜、照相通道液体光阑、望远通道液体光阑和光电成像器件。该系统分两条光路，可切换为大视场照相模式和小视场望远模式，从而实现超大变焦范围。

Description

一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统

技术领域

本发明涉及一种变焦成像系统，更具体地说，本发明涉及一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统。

背景技术

变焦成像系统逐渐发展并成为人类不可或缺的光学成像系统，它在军事、娱乐、科研、教学、医疗、工业生产等诸多领域都发挥着重要的作用。传统的变焦成像系统都是基于机械移动式实现焦距的改变，例如单反相机，但机械移动式的变焦不利于设备小型化，同时成本也较高。因此，无机械移动的变焦系统逐渐获得关注。其中基于液体透镜的变焦成像系统可以利用电压的变化实现焦距的改变，因此，无需机械移动可实现变焦系统的小型化和轻量化。但是，由于液体透镜的光焦度较小，所以变焦能力不足，目前的成像系统很难实现较大范围的光学变焦。例如，以三个液体透镜组成的变焦成像系统为例，例如文章“Ultrathin zoom telescopic objective (Optics Express, Vol. 24, No. 16,pp18674-18684, 2016 )，该系统变焦范围在~48mm到~65mm，也就是说光学变焦仅~1.41×。这会大大限制变焦光学系统的使用范围。

发明内容

本发明提出一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统。如附图1所示，该系统包括：辅助透镜组、液体透镜I、液体透镜II、液体透镜III、前端半透半反镜、后端半透半反镜、前端反射镜、后端反射镜、照相通道液体光阑、望远通道液体光阑和光电成像器件。

入射光进入本发明系统后由前端半透半反镜、后端半透半反镜和前端反射镜、后端反射镜分为两条光通路，形成两种主要的工作模式：大视场照相模式和小视场望远模式。

当对液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III分别加不同的电压，同时关闭望远通道液体光阑遮挡光线，打开照相通道液体光阑通过光线，这时光电成像器件采集到直线通道的光线，形成大视场照相模式，如附图2所示。由该通道形成的成像光路具有较短的焦距，视场较大，因此可以作为普通的照相机使用。在该模式下，液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III也具有一定的变焦能力，能够实现较小范围内的光学变焦功能，并能校正像差。

当改变液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III的电压，同时关闭照相通道液体光阑遮挡光线，打开望远通道液体光阑通过光线，这时光电成像器件采集到经过数次反射折叠光路后的光线，这时形成小视场望远模式，如附图3所示。由该通道形成的成像光路具有较长的焦距，视场较小，放大倍率也比较大，因此可以作为望远镜使用。在该模式下，液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III也具有一定的变焦能力，在长焦范围内能够实现一定范围内的光学变焦功能，也能校正像差。

这样，本发明可以工作于两种模式，每种模式都具有一定的变焦和校正像差的能力，两种模式结合起来将获得较大的光学变焦范围。

优选地，辅助透镜组的材质是玻璃、光学晶体或者塑料材质，透镜数量≥1个。

优选地，液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III的驱动方式是电湿润驱动、介电力驱动或者机械力驱动。

优选地，液体透镜使用的数量大于≥2个，优选地为3个。

优选地，照相通道液体光阑和望远通道液体光阑的驱动方式是电湿润驱动、介电力驱动或者机械力驱动。

优选地，前端反射镜和后端反射镜的镀膜是金属膜或者多层介质膜。

优选地，前端半透半反镜和后端半透半反镜的镀膜是多层介质膜。

优选地，光电成像器件是CCD（电荷耦合器件）或者CMOS（互补金属氧化物半导体）。

附图说明

附图1为本发明一种液体透镜的超大变焦范围的成像系统。

附图2为本发明大视场照相模式光路示意图。

附图3为本发明小视场望远模式光路示意图。

附图4为实施例中大视场照相模式Zemax仿真成像图。

附图5为实施例中小视场望远模式Zemax仿真成像图。

上述各附图中的图示标号为：

1辅助透镜组，2液体透镜I，3液体透镜II，4液体透镜III，5前端半透半反镜，6后端半透半反镜，7前端反射镜，8后端反射镜，9照相通道液体光阑，10望远通道液体光阑，11 光电成像器件。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的一个实施例为：本实施例中辅助透镜组采用2个无色透明的玻璃透镜，液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III均采用电湿润驱动的液体透镜，其口径D为4mm，组成液体透镜的填充液体为NaCl溶液，其折射率为1.33，阿贝数为55.8，在20-70V驱动电压下，其变焦范围为（-∞， -66mm）∪（32mm，+∞）；照相通道液体光阑和望远通道液体光阑也均采用电湿润驱动的液体光阑，组成液体光阑的填充液体为墨汁混合NaCl溶液，液体光阑的孔径变化范围为0—4mm；前端反射镜和后端反射镜采用镀银反射膜，反射率为95%；前端半透半反镜和后端半透半反镜为多层介质膜，反射率为50%，透射率为50%。

本实施例中对液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III分别施加外加电压28V、36V和52V时，同时给照相通道液体光阑施加70V电压，望远通道液体光阑不加电压，系统工作于大视场照相模式，这时可以获得较大视场。经过Zemax软件模拟，其成像情况如图4所示，可以看到较大范围景物，但细节地方（如虚线框内）由于放大倍率不够而不太清楚。在这种模式下变化电压可以得到焦距变化范围为28mm—58mm。而对液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III分别施加外加电压41V、23V和27V时，同时给照相通道液体光阑施加0V电压，望远通道液体光阑施加70V电压，系统工作于小视场望远模式，这时可以获得较小的视场，但物体的放大率得到提高，可以更清楚地看到物体的细节。经过Zemax软件模拟，其成像情况如图5所示，可以看到放大倍率较大的物体，虚线框内细节物体通过光学放大变得更加清楚。在这种模式下变化电压可以得到焦距变化范围为56mm—83mm。

本发明提供的成像系统具有以下优点：第一，变焦范围大。本发明所述的系统变焦范围可达文献（Ultrathin zoom telescopic objective (Optics Express, Vol. 24,No. 16, pp18674-18684, 2016）所述的变焦范围的3倍以上。第二，无机械移动装置。本发明和传统的变焦镜头比起来最大的优点之一就是没有机械移动装置，系统可由电压直接驱动完成所有的功能，因此可以实现小型化和低成本化。第三，响应速度快。本结构基于电湿润和库仑力的原理，均可使响应时间达到毫秒级别。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，包括：辅助透镜组、液体透镜I、液体透镜II、液体透镜III、前端半透半反镜、后端半透半反镜、前端反射镜、后端反射镜、照相通道液体光阑、望远通道液体光阑和光电成像器件。

2.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，液体透镜I、液体透镜II和液体透镜III的驱动方式是电湿润驱动、介电力驱动或者机械力驱动。

3.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，辅助透镜组中透镜的材质是玻璃、光学晶体或者塑料材质，透镜数量≥1个。

4.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，液体光阑I和液体光阑II的驱动方式是电湿润驱动、介电力驱动或者机械力驱动。

5.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，反射镜I和反射镜II的镀膜是金属膜或者多层介质膜。

6.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，半透半反镜I和半透半反镜II的镀膜是多层介质膜。

7.根据权利要求1所述的基于液体透镜的超大变焦范围的成像系统，其特征在于，光电成像器件是CCD（电荷耦合元件）或者CMOS（互补金属氧化物半导体）。