CN108603950B

CN108603950B - 具有液体透镜的消色差光学系统

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Publication number: CN108603950B
Application number: CN201680078705.2A
Authority: CN
Inventors: 卫文杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-10-09
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2036-10-09
Also published as: CN108603950A; US20190025575A1; US10962771B2; WO2017124778A1

Abstract

采用一种或多种液体(130、230、340、350)参与校正色差的透镜系统(100、200、300、400、500)。所述液体(130、230、340、350)是天然的或具有手动调节的物理性质。所述液体(130、230、340、350)被填充在腔室(430、540、550)中，所述腔室由框架和框架的顶表面上的盖子(150、250、370、450、570)以及框架的底表面上的基座(140、240、360、440、560)形成。

Description

具有液体透镜的消色差光学系统

技术领域

本发明涉及利用透镜元件中的液体的消色差光学系统，更具体地涉及校正色差的透镜系统。

背景技术

与光学系统相关的常见物理问题或现象是色差(chromatic aberration)。色差是色散(dispersion)引起的物理现象，其中透镜不能将所有颜色或不同波长的光聚焦到同一会聚点(convergence point)。这是因为透镜对不同波长的光具有不同的折射率。校正色差的透镜系统被称为“色彩校正”或消色差透镜系统。消色差透镜系统将不同颜色或波长的光线带到系统的光轴上的共同焦点。因此，它可以提升光学系统的最终图像质量。

现时，几乎所有消色差透镜系统都使用昂贵的特殊特性光学玻璃或晶体。然而，由玻璃或晶体制成的透镜成本高昂并难以制造，并且可能需要单独的特殊研磨(grinding)和抛光(polishing)过程。

无论是在性能还是在生产过程的角度来看，都期望有更好的用于校正色差的光学系统。

附图说明

图1示出了根据示例性实施例的液体透镜系统的结构图。

图2示出了根据示例性实施例的校正色差的液体透镜系统的结构图。

图3示出了根据另一示例性实施例的校正色差的液体透镜系统的结构图。

图4示出了根据示例性实施例的校正色差的液体透镜系统的结构图。

图5示出了根据另一示例性实施例的校正色差的液体透镜系统的结构图。

发明内容

一个示例性实施例是一种液体透镜系统，其包括由透明固体材料形成的框架，并且包括填充有液体的内部腔室、形成在框架的顶表面上的盖子，以及形成在框架的底表面上的基座，使得框架、盖子和基座形成填充有液体的内部腔室。

本文讨论了其他示例性实施例。

具体实施方式

示例性实施例包括具有固体透镜元件和液体透镜元件的液体透镜系统，其良好地校正色差。具有特殊特性的光学玻璃和/或晶体依赖于铸造过程之后的单独研磨以实现所需的精确曲率，与其成本相比，用作透镜元件的液体的成本相对较低。此外，由于可能降低透镜系统的最终质量的缺陷，例如污物、杂质，灰尘和气泡，固体透镜具有高成本、复杂过程和低产量。透镜越大，越难找到零缺陷材料样本来制造透镜。在化学反应性和制造方面没有出现那些重大问题的液体容易用作色彩校正光学系统中的透镜元件。此外，可以通过混合不同的液体或将可溶的透明物质溶解成液体来微调液体的光学特性，例如液体的折射率。

描述了具有透明的固体透镜元件和液体透镜元件的透镜系统的示例性实施例。液体透镜由填充在腔室中的液体形成，所述腔室由框架的壁以及底罩子和顶罩子一起形成，所述底罩子和顶罩子分别形成或彼此一体地形成，并包括防水的密封部件。液体透镜的形状由所述壁的曲率限定，所述壁也用作固体透镜。

固体透镜由透明材料或物质制成，例如塑料或玻璃，但不仅限于塑料或玻璃。塑料通常比同尺寸的玻璃轻得多。此外，在某些情况下，由于塑料可以通过注塑(injectionmolding)制造而不需要单独的光学研磨和抛光过程，所以使用塑料来制造是有优势的。此外，与玻璃相比，塑料不易破碎。

在一个示例性实施例中，框架或壁由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成，而液体由白醋形成。框架的壁用作固体透镜，而填充在腔室内的液体溶液用作液体透镜。固体透镜和液体透镜彼此共同作用以形成光轴，并且将离散波长的可见光聚焦到系统的光轴上的焦点上。固体透镜补偿由液体透镜引起的色差，使得透镜系统在486.1nm至656.3nm的波长范围内是消色差的。

在一个示例性实施例中，液体透镜系统包括两个液体透镜和三个固体透镜。固体透镜用作容纳液体的壁。每个壁从在系统光轴的中心到其边缘具有均匀厚度。这示例中的固体透镜并没有光学功能。

固体透镜或壁的布置和曲率限定了液体透镜的形状。在一个示例性实施例中，第一液体透镜呈凹形，并且由白矿油形成。第二液体透镜呈凸形，并且由白醋形成。第一液体透镜和第二液体透镜彼此共同作用以形成光轴和补偿色差，并且将穿过液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到所述光轴上的焦点上。例如，液体透镜系统在670mm的焦距下对于波长为486.1nm和656.3nm的可见光是消色差的。

图1示出了根据示例性实施例的液体透镜系统100的结构。所述液体透镜系统包括第一固体透镜110、第二固体透镜120和填充在两者之间的透明液体130。基座140和盖子150以及两个固体透镜和多个密封部件一起形成用于内部填充液体的密封容器。液体允许由第一固体透镜110和第二固体透镜120的曲率限定的形状的变化。第一固体透镜和第二固体透镜从中心到其边缘具有均匀厚度。

作为示例，液体透镜系统的焦距取决于内部填充的液体的折射率和固体透镜的曲率。为了满足可变透镜的要求，内部填充的液体是可替换的。基于焦距要求，选择不同类型的液体(例如糖溶液或盐溶液或两者的组合)来填充由固体透镜形成的密封容器的内部。

图2示出了根据示例性实施例的校正色差的液体透镜系统200的结构。液体透镜系统包括第一固体透镜210、第二固体透镜220和填充在两者之间的透明液体230。基座240和盖子250彼此一体地形成。基座和盖子以及密封部件和两个固体透镜一起形成密封容器，以让液体填充到内部。液体允许由第一固体透镜和第二固体透镜的内表面的曲率限定的形状的变化。第一固体透镜和第二固体透镜从中心到其边缘都具有不均匀的厚度。例如，厚度在中心较薄而在边缘较厚。仔细设计透镜的曲率、固体透镜从中心到边缘的厚度变化以及透镜的折射率，以校正色差。

作为示例，第一固体透镜和第二固体透镜与液体共同作用以形成光轴并平衡色差。这种消色差的液体透镜系统整体上能够将穿过液体透镜系统的离散波长的不同颜色的可见光聚焦到同一平面的同一焦点上。

图3示出了根据另一示例性实施例的校正色差的液体透镜系统300的结构。液体透镜系统包括：第一固体透镜310、第二固体透镜320、第三固体透镜330、填充在第一固体透镜和第二固体透镜之间以形成第一液体透镜的第一透明液体340，以及填充在第二固体透镜和第三固体透镜之间以形成第二液体透镜的第二透明液体350。分开形成或与固体透镜一体地形成的基座360和盖子370形成密封容器以容纳液体。

液体允许由第一固体透镜、第二固体透镜和第三固体透镜的曲率限定的形状的变化。在一个示例性实施例中，第一液体透镜呈凸形，而第二液体透镜呈凹形。

作为示例，固体透镜310和320在形状和尺寸上相同，具有相同的曲率半径，并且从在光轴的中心到在盖子和基座的边缘具有均匀厚度。固体透镜310和320的这种布置易于生产，并且不论就曲率还是材料而言，也不限于相同的透镜。固体透镜330从中心到边缘具有均匀厚度，并具有不一定与固体透镜310或320相同的预定尺寸。精心设计液体组合的选择、固体透镜的曲率和液体透镜的折射率，以校正色差。

图4示出了根据示例性实施例的校正色差的液体透镜系统400的结构图。液体透镜系统包括框架，所述框架包括第一壁或固体透镜410和第二壁或固体透镜420。顶罩子或盖子450在框架的顶表面上形成。底罩子或基座440在框架的底表面上形成。基座和盖子彼此一体地形成，使得框架、盖子和基座形成具有密封部件的内部腔室430。所述腔室填充有接触第一壁和第二壁、基座和盖子的液体。所述液体用作液体透镜，允许由第一壁和第二壁或固体透镜的内表面的曲率限定的形状的变化。

在一个示例性实施例中，第一固体透镜和第二固体透镜从在液体透镜系统光轴的中心到在顶罩子或底罩子的边缘具有不均匀的厚度。固体透镜的中心沿光轴的厚度为2mm，固体透镜边缘的厚度为2.77mm。第一固体透镜和第二固体透镜的直径例如是94mm。

第一固体透镜和第二固体透镜中的每一个具有与液体接触的内表面和暴露于空气的外表面。内表面的曲率限定了液体透镜的形状。在一个示例性实施例中，由第一固体透镜和第二固体透镜形成的腔室在光轴宽度为8.88mm，在边缘宽度为2mm。第一壁和第二壁的内表面的曲率半径为323.2mm，而第一壁和第二壁的外表面的曲率半径为415.9mm。

在一个示例性实施例中，腔室内填充的液体是在589.3nm的波长下折射率为1.3495的白醋。第一壁和第二壁由所填充的液体不透过的透明固体材料形成，例如在589.3nm波长下折射率为1.4860的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

作为示例，分别用作第一固体透镜、第二固体透镜和液体透镜的第一壁、第二壁和液体彼此共同作用以形成光轴并补偿色差。液体透镜系统将穿过液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到所述光轴上的焦点上。例如，液体透镜系统在670mm的焦距下对于波长为486.1nm和656.3nm的可见光是消色差的。

图5示出了根据另一示例性实施例的校正色差的液体透镜系统500的结构。所述液体透镜系统包括框架，所述框架包括第一壁510、第二壁520和第三壁530。第二壁设置在第一壁和第三壁之间。顶罩子或盖子550形成在框架的顶表面上。底罩子或基座540形成在框架的底表面上。在一个示例中，盖子和基座一体地形成为圆柱管状。第一壁、第二壁、盖子和基座形成填充有第一液体作为第一液体透镜的第一腔室540。第二壁、第三壁、盖子和基座形成填充有第二液体作为第二液体透镜的第二腔室550。液体透镜的形状由壁的曲率限定。

在一个示例性实施例中，第一壁和第二壁具有相同的尺寸，具有从在液体透镜系统光轴的中心到其自身边缘的均匀厚度，但是它们具有不同的曲率。例如，沿光轴方向的壁的厚度为1mm。例如，壁的直径或高度为94mm。

壁的布置和曲率限定了液体透镜的形状。在一个示例性实施例中，第一液体透镜呈凹形，在光轴厚度为1mm，并且在顶表面和底表面厚度为3.49mm。第一壁的曲率半径为726.2mm，并且第二壁的曲率半径为277.5mm。在一个示例中，第一液体透镜由在589.3nm的波长下折射率为1.461的白矿油形成。

在另一示例性实施例中，第二液体透镜呈凸形，在光轴厚度为10.02mm，并且在其边缘厚度为2mm。第二壁和第三壁的曲率半径为277.5mm。但是，这种相同的布置只是为了便于生产，而不一定是相同的。在一个示例中，第二液体透镜由在589.3nm的波长下折射率为1.3495的白醋形成。

在一个示例性实施例中，第一壁、第二壁和第三壁由所填充的液体不透过的透明固体材料形成，例如在589.3nm的波长下折射率为1.486的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

作为示例，第一液体透镜和第二液体透镜彼此共同作用以形成光轴并补偿色差。液体透镜系统将穿过液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到所述光轴上的焦点上。例如，液体透镜系统在670mm的焦距下对于波长为486.1nm和656.3nm的可见光是消色差的。

在一个示例性实施例中，液体透镜系统基于管形边框(对应于本文讨论的基座和盖子)组装，其具有相应的肩部，用于将固体透镜保持在合适的位置。系统使用不透水硅酮(silicone)密封，或使用相应的合适密封环和保持套环压配。例如，在每个液体填充腔室中的边框上有两个孔，用于将液体填充到腔室中以及从腔室中排出空气。填充过程结束后，这两个孔用硅酮或胶水密封。

尽管描述涉及特定实施例，但是本领域技术人员将清楚，示例性实施例包括这些具体细节的变化。因此，本发明不应被解释为限于在此阐述的实施例。

例如，根据用户的偏好，结合在光学系统中的透镜的数量可以是灵活的。此外，液体的光学特性可以或不可以手动调节。液体可以是天然的或人造的。例如，可以使用水、油、糖或盐溶液或全部的组合，以及其他有机或无机溶液作为液体。固体透镜材料可以选自玻璃、塑料和/或其他透明材料。

又例如，液体透镜系统涉及利用至少一种液体作为具有消色差功能(即校正由单个透镜产生的色差)的透镜元件。消色差功能是通过液体与固体的组合、液体与液体的组合和/或液体与其他材料的组合而获得的。

涉及在这些液体透镜中的液体成分可以是天然的，或者可以是手动微调或调节的，例如通过混合多于一种溶液或将一种或多种透明物质溶解成特定液体。

如本文所用，“色差”是由色散引起的物理现象，其中透镜不能将不同波长的光聚焦到同一会聚点或焦点。

如本文所用，“消色差光学系统”是限制色差的影响的系统。

Claims

1.一种液体透镜系统，包括：

由透明固体材料形成的框架，所述框架包括第一壁和第二壁；

形成在所述框架的顶表面上的盖子；和

形成在所述框架的底表面上的基座，使得所述框架、所述盖子和所述基座形成填充有液体的腔室，在每个液体填充腔室中的边框上有两个可密封的孔；

其中所述第一壁和所述第二壁具有从中心到其边缘的均匀厚度，所述第一壁和所述第二壁具有曲率；

其中所述盖子和所述基座一体地形成为圆柱管状，和

其中所述腔室中的液体形成液体透镜，以将穿过液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到光轴上的焦点上。

2.根据权利要求1所述的液体透镜系统，其中所述液体是在589.3nm的波长下具有1.3495的折射率的白醋。

3.根据权利要求1所述的液体透镜系统，其中所述腔室在所述光轴宽度为8.88mm，并且在所述顶表面和所述底表面宽度为2mm。

4.根据权利要求1所述的液体透镜系统，其中所述液体是天然的或者通过混合两种或更多种透明液体或者将一种或更多种物质添加到溶液而手动形成。

5.一种液体透镜系统，包括：

由透明固体材料形成的框架，所述框架包括第一壁、第二壁和第三壁，所述第二壁设置在所述第一壁和所述第三壁之间；

形成在所述框架的顶表面上的盖子；

基座，所述基座形成在所述框架的底表面上并具有密封部件；

第一腔室，所述第一腔室由所述第一壁、所述第二壁、所述盖子和所述基座形成并且填充有第一液体；和

第二腔室，所述第二腔室由所述第二壁、所述第三壁、所述盖子和所述基座形成并且填充有第二液体，

在每个腔室中的边框上有两个可密封的孔；

其中所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁、所述第一液体和所述第二液体彼此共同作用以形成光轴，并且将穿过所述液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到所述光轴上的焦点上，

其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁具有均匀厚度，和

其中所述第一壁的曲率半径不同于所述第二壁和第三壁的曲率半径。

6.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第一液体是在589.3nm的波长下具有1.461的折射率的白矿油。

7.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第二液体是在589.3nm的波长下具有1.3495的折射率的白醋。

8.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第一壁的曲率半径为726.2mm，并且所述第二壁和第三壁的曲率半径为277.5mm。

9.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁具有1mm的均匀厚度。

10.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第一腔室在所述光轴宽度为1mm，并且在所述顶表面和底表面宽度为3.49mm。

11.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述第二腔室在所述光轴宽度为10.02mm，并且在所述顶表面和底表面宽度为2mm。

12.根据权利要求5所述的液体透镜系统，其中所述腔室中的所述第一液体形成第一液体透镜，并且所述腔室中的所述第二液体形成第二液体透镜，所述第一液体透镜补偿所述第二液体透镜的色差。

13.一种校正色差的液体透镜系统，包括：

第一液体透镜，所述第一液体透镜由夹在第一壁和第二壁之间的第一透明液体形成；

第二液体透镜，所述第二液体透镜由夹在所述第二壁和第三壁之间的第二透明液体形成并补偿所述第一液体透镜的色差；

形成在所述第一液体透镜和第二液体透镜的顶端上的罩子；和

形成在所述第一液体透镜和第二液体透镜的底端上的基座，

其中所述第一液体和所述第二液体彼此共同作用以形成光轴，并且将穿过所述液体透镜系统的离散波长的可见光聚焦到所述光轴上的焦点上，

其中所述第一透明液体和所述第二透明液体具有彼此不同的折射率以相互补偿色差，在每个液体透镜的边框上有两个可密封的孔；和

14.根据权利要求13所述的液体透镜系统，其中所述第一透明液体和所述第二透明液体是天然的或者通过混合两种或更多种透明液体或者将一种或更多种物质添加到液体而手动形成，使得所述第一透明液体和所述第二透明液体具有彼此不同的折射率以相互补偿色差。

15.根据权利要求13所述的液体透镜系统，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁由所述第一透明液体和所述第二透明液体不透过的透明固体材料形成。

16.根据权利要求13所述的液体透镜系统，其中所述罩子接触所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁、所述第一透明液体和所述第二透明液体的顶表面。

17.根据权利要求13所述的液体透镜系统，在670mm的焦距下对于波长为468.1nm和656.3nm的可见光是消色差的。

18.根据权利要求13所述的液体透镜系统，在486.1nm至656.3nm的波长范围内是消色差的。