CN110187418B - 液膜透镜组合变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，属于变焦光学系统技术领域。本发明主要由多个液膜透镜组合而成，还包括用于固定多个液膜透镜的镜筒、用于控制液膜透镜液体注入的液体注入控制系统和成像清晰度分析系统。根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正。液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。

Description

液膜透镜组合变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种液膜透镜组合变焦光学系统，属于变焦光学系统技术领域。
背景技术
传统变焦光学系统可以分为两类。一类由固体透镜组成，通过改变固体透镜间的相对位置，实现变焦和像面补偿。另一类由固体透镜和液体透镜组成，通过改变液体透镜的焦距实现变焦。由于固体透镜和液体透镜受加工工艺和变焦方法的限制，一方面使得固体透镜和液体透镜必须保留一定的厚度以满足加工和变焦要求，导致透镜体积和厚度无法减小；另一方面两类变焦方法都需要复杂的变焦控制结构，导致变焦光学系统的体积和制造成本增大。
发明内容
本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统要解决的技术问题是：通过控制注入单个液膜透镜中的微量液体的体积，利用液体自身表面张力的作用，实现液膜透镜表面的弯曲变形，进而实现单个液膜透镜变焦；通过多个液膜透镜组合实现大范围组合变焦和像差补偿，并能够实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。由于本发明采用液膜透镜，具有体积小、重量轻、成本低、变焦速度快和变焦精度高等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，主要由多个液膜透镜组合而成，还包括用于固定多个液膜透镜的镜筒、用于控制液膜透镜液体注入的液体注入控制系统和成像清晰度分析系统。根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正。液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。
作为优选，通过改变注入的液体种类进一步增加变焦调节和像差校正手段，根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求，确定液膜透镜数量、位置组合排布及液体种类，进而实现大范围组合变焦和像差补偿，并实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。
所述的单个液膜透镜主要由前透镜腔、平板玻璃和后透镜腔组成。通过液体通道向前透镜腔中注入或抽出液体，通过控制前透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力作用实现液膜透镜前液面变形。通过液体通道向后透镜腔中注入或抽出液体，通过控制后透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力实现液膜透镜后液面变形。通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制液膜透镜前、后液面变形，通过控制液膜透镜前、后液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制液膜透镜前、后液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
本发明还公开基于所述液膜透镜实现的液膜透镜组合变焦光学系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：单个液膜透镜中，通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制液膜透镜前液面、后液面变形，控制液膜透镜前液面、后液面变形调节方法如下：
步骤1：建立液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程。
液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程，如公式(1)所示，
Figure GDA0002609979820000021
其中，x是液面上点的横坐标，z是液面上点的纵坐标，R是原点处曲率半径，γ是液体表面张力系数，ρ是液体密度，g是重力加速度。液体体积大于腔体体积时，取+；液体体积小于腔体体积时，取-号。
步骤2：建立注入液体体积方程。
液体体积如公式(2)所示，
Figure GDA0002609979820000022
其中,V是液体体积,h1是液体表面的矢高。液体体积大于腔体体积时，取“+”；液体体积小于腔体体积时，取“-”号。
步骤3：根据步骤1建立的液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和步骤二建立的注入液体体积方程，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系。
将公式(1)和(2)联合，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系。
步骤4：利用步骤3得到的液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系，根据偶次非球面面型表达式对纵坐标z与横坐标x的对应关系进行拟合，得到液面变形偶次非球面解。
使用偶次非球面对液面变形的轮廓进行拟合，通过拟合结果得到透镜焦距。偶次非球面面型表达式如公式(3)所示，
Figure GDA0002609979820000023
其中，c为顶点曲率，k为圆锥曲面常数，Am为非球面系数。
步骤5：根据步骤1至4建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
联立公式(1)、(2)、(3)建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
步骤二：根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正。液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。
还包括步骤三：根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求，确定液膜透镜数量、位置组合排布及液体种类，进而实现大范围组合变焦和像差补偿，并实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。
有益效果：
1、本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。
2、本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，通过使用多个液膜透镜组合进行变焦光学系统设计，能够减小变焦光学系统的总长，增大变焦光学系统变焦能力，降低变焦光学系统制造成本。
3、本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，液膜透镜通过控制注入液体腔中的微量液体的体积，利用液体自身表面张力的作用，实现液体表面的弯曲变形，由于液膜透镜借助表面张力作用产生液面变形，无需施加外力，因此能够极大地降低透镜加工难度、减小透镜体积、降低成本。
4、本发明公开的液膜透镜组合变焦光学系统，通过改变注入的液体种类进一步增加变焦调节和像差校正手段，使变焦光学系统具有更大的应用灵活性。
5、本发明公开的一种液膜透镜组合变焦光学系统，单个液膜透镜中，通过液体通道向前、后透镜腔中注入或抽出液体，通过控制前、后透镜腔中液体的体积，实现透镜前、后液面变形，通过控制透镜前、后液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
6、本发明公开的一种液膜透镜组合变焦光学系统，建立单个液膜透镜变焦调节方法，基于液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和注入液体体积方程建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦，此外，根据有益效果1中的方法实现大范围组合变焦和像差补偿，并实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。
附图说明
图1为单个液膜透镜结构图；
图2为液膜透镜组合变焦光学系统结构图；
图3为本发明实施例中液膜透镜组合变焦光学系统焦距f’＝∞时的光路图；
图4为本发明实施例中液膜透镜组合变焦光学系统焦距f’＝5.653时的光路图
图5为本发明实施例中液膜透镜组合变焦光学系统焦距f’＝13.763时的光路图
图6为本发明实施例中液膜透镜组合变焦光学系统焦距f’＝104.136时的光路图
图7为本发明实施例中液膜透镜组合变焦光学系统焦距f’＝671.234时的成光路图
其中：1-前透镜腔、2-平板玻璃、3-后透镜腔、4-第一液膜透镜、5-第二液膜透镜、6-第三液膜透镜、7-镜筒、8-液体注入控制系统、9-成像清晰度分析系统、10-第一液膜透镜前液面、11-第一液膜透镜后液面、12-第二液膜透镜前液面、13-第二液膜透镜后液面、14-第三液膜透镜前液面、15-第三液膜透镜后液面。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的液膜透镜主要由前透镜腔1、平板玻璃2和后透镜腔3组成。液膜透镜腔体内径D＝6mm，腔体厚度h＝1mm，液体材料为水，平板玻璃2的材料为K9玻璃，平板玻璃厚度为0.15mm。通过液体通道向前透镜腔中注入或抽出液体，通过控制前透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力作用实现透镜前液面变形。通过液体通道向后透镜腔中注入或抽出液体，通过控制后透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力实现透镜后液面变形。通过控制前透镜腔1、后透镜腔3中液面变形进而实现控制透镜前、后液面变形，通过控制透镜前、后液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
通过控制前透镜腔1、后透镜腔3中液面变形进而实现控制透镜前、后液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
如图2所示，本实施例公开基于所述液膜透镜实现的液膜透镜组合变焦光学系统，由第一液膜透镜4、第二液膜透镜5、第三液膜透镜6、镜筒7、液体注入控制系统8和成像清晰度分析系统9组成。第一液膜透镜4包含前液面10和后液面11，第二液膜透镜5包含前液面12和后液面13，第三液膜透镜6包含前液面14和后液面15。根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正。
液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统9，通过成像清晰度分析系统9对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统8进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。
本实施例所公开的液膜透镜组合变焦光学系统能够实现变焦范围5.653mm～∞；F#＝f’/D＝1.13～∞；镜筒长度16.45mm。
采用上述结构的实施例的具体结构数据如表1所示。
表1液膜透镜组合变焦光学系统的结构数据表
Figure GDA0002609979820000051
通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面产生如表1结构1的曲率，此时，液膜透镜组合变焦光学系统的焦距为f’＝∞，其光路图如图3所示。
通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面产生如表1结构2的曲率，此时，液膜透镜组合变焦光学系统的焦距为f’＝5.653，其光路图如图4所示。
通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面产生如表1结构3的曲率，此时，液膜透镜组合变焦光学系统的焦距为f’＝13.763，其光路图如图5所示。
通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面产生如表1结构4的曲率，此时，液膜透镜组合变焦光学系统的焦距为f’＝104.136，其光路图如图6所示。
通过液体注入控制系统8控制每个液膜透镜液面产生如表1结构5的曲率，此时，液膜透镜组合变焦光学系统的焦距为f’＝671.234，其光路图如图7所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.液膜透镜组合变焦光学系统，其特征在于：主要由多个液膜透镜组合而成，还包括用于固定多个液膜透镜的镜筒、用于控制液膜透镜液体注入的液体注入控制系统和成像清晰度分析系统；根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正；液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿；
所述的单个液膜透镜主要由前透镜腔(1)、平板玻璃(2)和后透镜腔(3)组成；通过液体通道向前透镜腔中注入或抽出液体，通过控制前透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力作用实现液膜透镜前液面变形；通过液体通道向后透镜腔中注入或抽出液体，通过控制后透镜腔中液体的体积，并利用液体自身表面张力实现液膜透镜后液面变形；通过控制前透镜腔(1)、后透镜腔(3)中液面变形进而实现控制液膜透镜前、后液面变形，通过控制液膜透镜前、后液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
2.如权利要求1所述的液膜透镜组合变焦光学系统，其特征在于：通过改变注入的液体种类进一步增加变焦调节和像差校正手段，根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求，确定液膜透镜数量、位置组合排布及液体种类，进而实现大范围组合变焦和像差补偿，并实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。
3.如权利要求2所述的液膜透镜组合变焦光学系统，其特征在于：通过控制前透镜腔(1)、后透镜腔(3)中液面变形进而实现控制液膜透镜前、后液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
4.如权利要求3所述的液膜透镜组合变焦光学系统，其特征在于：工作方法包括如下步骤，
步骤一：单个液膜透镜中，通过控制前透镜腔(1)、后透镜腔(3)中液面变形进而实现控制液膜透镜前液面、后液面变形，控制液膜透镜前液面、后液面变形调节方法如下：
步骤1：建立液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程；
液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程，如公式(1)所示，
Figure FDA0002609979810000011
其中，x是液面上点的横坐标，z是液面上点的纵坐标，R是原点处曲率半径，γ是液体表面张力系数，ρ是液体密度，g是重力加速度；液体体积大于腔体体积时，取+；液体体积小于腔体体积时，取-号；
步骤2：建立注入液体体积方程；
液体体积如公式(2)所示，
Figure FDA0002609979810000021
其中,D为液膜透镜腔体内径，h为腔体厚度，V是液体体积,h1是液体表面的矢高；液体体积大于腔体体积时，取“+”；液体体积小于腔体体积时，取“-”号；
步骤3：根据步骤1建立的液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和步骤2建立的注入液体体积方程，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系；
将公式(1)和(2)联合，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系；
步骤4：利用步骤3得到的液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系，根据偶次非球面面型表达式对纵坐标z与横坐标x的对应关系进行拟合，得到液面变形偶次非球面解；
使用偶次非球面对液面变形的轮廓进行拟合，通过拟合结果得到透镜焦距；偶次非球面面型表达式如公式(3)所示，
Figure FDA0002609979810000022
其中，c为顶点曲率，k为圆锥曲面常数，Am为非球面系数；
步骤5：根据步骤1至4建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦；
联立公式(1)、(2)、(3)建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦；
步骤二：根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求确定液膜透镜数量和组合排布，通过液体注入控制系统控制每个液膜透镜表面变形，分别实现单个液膜透镜变焦，通过多个液膜透镜变焦组合实现大范围变焦和像差校正；液膜透镜组合变焦光学系统成像输出至成像清晰度分析系统，通过成像清晰度分析系统对成像结果进行清晰度分析，根据清晰度分析结果对液体注入控制系统进行反馈控制，实现液膜透镜组合变焦光学系统自动变焦及像差补偿。
5.如权利要求4所述的液膜透镜组合变焦光学系统，其特征在于：还包括步骤三，根据变焦范围、镜头后焦距位置和像差补偿要求，确定液膜透镜数量、位置组合排布及液体种类，进而实现大范围组合变焦和像差补偿，并实现液膜透镜组合变焦光学系统变焦后像面位置补偿。
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