CN113267887A - 一种柔性变焦透镜及变焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性变焦透镜及变焦方法，透镜支架的上下两端分别设有上压紧板和下压紧板，透镜支架整体中空呈圆柱状腔室，上压紧板和下压紧板上均预留有与透镜支架腔室对应的通孔；透镜支架与上压紧板之间设有透明弹性膜，透明支架与下压紧板之间设有透明底板；透镜支架的中空腔室、透明弹性膜和透明压板三者形成密封腔，通过透镜支架的进液口和出液口向该密封腔内充液或吸液，透明弹性模则相应的凸起或者凹下，光线透过通孔、透明弹性膜和液体形成柔性变焦透镜。本发明能够自动向透镜内部注液/吸液，根据需要调节透镜的状态（凸透镜/凹透镜）及焦距参数，还能解决现有变焦透镜内部液体挥发或内部汽包析出问题。

Description

一种柔性变焦透镜及变焦方法

技术领域

本发明属涉及光学透像技术，具体涉及一种柔性变焦透镜及变焦方法。

背景技术

变焦透镜广泛应用于光学成像、光通信、机器视觉、三维显示等领域。

传统的变焦系统是通过移动透镜相对光电传感器的位置来实现变焦，存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对自动化、智能化、微型化光学变焦系统的要求。

近年来，柔性变焦透镜已引起国内外学者的广泛关注，柔性变焦透镜通常由透明弹性薄膜和透明流体介质等组成，无需机械移动即能实现焦距的调节，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，可望克服传统光学系统所面临的困难。柔性变焦透镜依据变焦驱动机制可分为力致变形驱动变焦透镜和电致变形驱动变焦透镜。

力致变形驱动变焦即是驱动源通过中间传动环节(如丝杆、流体等) 将驱动力作用于液体透镜使透镜薄膜变形从而实现变焦，可划分为基于机械-力式驱动的变焦透镜、基于流体压力驱动的变焦透镜以及基于电磁力作用的变焦透镜等。

机械-力驱动的柔性变焦透镜变焦范围大，但结构不够紧凑，稳定性较差，适合于对结构和控制精度要求不高的场合。

流体压力驱动的变焦透镜结构紧凑，但存在液体泄漏等问题。

电磁驱动变焦透镜响应非常快，变焦范围大，功耗低，易于控制，适合于控制精度要求高的场合。

目前，温度对系统稳定性的影响可以通过温度传感器反馈得以改善，但是液体挥发、重力效应对液体透镜的光学性能和稳定性影响有待进一步的研究。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种柔性变焦透镜及变焦方法。

技术方案：本发明的一种柔性变焦透镜，包括透镜支架，所述透镜支架的上下两端分别设有上压紧板和下压紧板，透镜支架整体中空呈圆柱状腔室，上压紧板和下压紧板上均预留有与透镜支架腔室对应的通孔；透镜支架与上压紧板之间设有透明弹性膜，透明支架与下压紧板之间设有透明底板；透镜支架的中空腔室、透明弹性膜和透明压板三者形成密封腔，通过透镜支架的进液口和出液口向该密封腔内充液或吸液，透明弹性模则相应的凸起或者凹下，光线透过通孔、透明弹性膜和液体形成柔性变焦透镜。

其中，上压紧板、下压紧板和柔性变焦透镜的密封腔同心同轴，使得整个透镜更将精巧且变焦精度高；柔性变焦透镜内的液体采用水溶液或者透明光学油均可，不同的液体的折射率不同，则形成不同球面透镜，实现光线的汇聚（凸透镜）或发散。

为了实现自动调焦以及保证调焦精度，所述进液口通过进液管与储液器连通，进液管上设有三通阀；通过三通阀、注射泵和储液器实现向柔性变焦透镜内充液/吸液使透明弹性膜鼓起/凹陷，以形成凸透镜/凹透镜。

进一步地，在通电状态下，三通阀COM口连接至注射泵，三通阀NO口连通至储液器，三通阀NC口连通至柔性变焦透镜进液口；在断电状态下三通阀COM口与三通阀NO口连通。

进一步地，所述出液口通过进出液管与储液器连通，出液管上设有二通阀。

为便于精准控制进出液速度以及调焦精度，所述进液口和出液口的直径为0.2mm~10mm。

进一步地，所述透镜支架的上端端面上通过开槽固定有上密封圈，上密封圈介于透明支架上端面和透明弹性膜之间，上密封圈的内径大于上压紧板通孔的孔径，通过上密封圈和上压紧板实现柔性变焦透镜内液体的密封性。

进一步地，所述透镜支架的下端端面上通过开槽固定有下密封圈，下密封圈介于透明支架下端面和透明底板之间，下密封圈的中径大于下压紧板通孔的孔径，通过下密封圈和下压紧板实现柔性变焦透镜内液体的密封性。

其中，上压紧板和下压紧板与透镜支架之间通过若干锁紧螺钉固定，各锁紧螺钉均匀分布，增强透明弹性膜、透明压板与透镜支架的密封。

进一步地，所述透明弹性膜采用透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。其中该透明弹性膜呈矩形状，该透明弹性膜厚度均匀且整个膜的弹性系数一致性，弹性张力远大于重力，这样能够保证最终柔性变焦透镜的精度。

进一步地，所述透明底板采用透明玻璃、透明石英材料、透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。如果采用透明玻璃或透明石英材料，最终形成平凸或/平凹柔性变焦透镜，如果采用透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜或者透明PTFE膜，则最终构造柔性双凸变焦透镜或柔性双凹变焦透镜。

本发明还公开一种柔性变焦透镜的变焦方法，包括以下步骤：

（1）安装柔性变焦透镜、储液器、注射泵，然后向柔性变焦透镜内注入液体（例如透明水溶液或者光学油）；

（2）进行凸透镜和凹透镜调焦；

其中，所述凸透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭出液口；三通阀上电，实现注射泵与进液口连通；注射泵向柔性变焦透镜注入液体（如水溶液），则透明弹性膜鼓起形成凸球冠状，然后不断注入液体（如水溶液），曲率半径逐渐变大；当调节到所属焦距时，关闭三通阀；

其中，所述凹透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭柔性变焦透镜的出液口；三通阀上电，实现注射泵与进液口连通；注射泵泵从柔性变焦透镜内回吸液体（如水溶液），则透明弹性膜塌陷形成凹球冠状，不断吸入液体（如水溶液），曲率半径会逐渐变大；当调节到所需焦距时，关闭三通阀。

进一步地，为便于精准控制注射泵以及柔性变焦透镜的调焦，需要得到本发明柔性变焦密封腔内的注入液体体积与柔性变焦透镜的曲率（焦距）的关系，具体如下：

假设密封腔内直径为D，密封腔高度为H；在密封腔内充满液体且透镜弹性膜为水平状态时，关闭二通阀后继续注入液体（如水溶液）体积V，则透明弹性膜凸起形成一个半径为R的球冠，球冠高度为h，则此时注射体积V与球冠直径R的关系为：

；

接着，结合薄透镜焦距公式，得到平凸透镜的焦距F满足：

；

n为液体（如水溶液）的折射率，得到注入体积V与焦距F的关系为：

；

若注射泵的直径为d，则得到注射泵行程L与焦距F的关系为：

。

有益效果：本发明通过、储液器、注射泵、透镜支架以及透明弹性膜等，构造一种力致变形驱动变焦透镜，在每次使用前可以自动完成透镜内部液体注射，并根据需要调节透镜的状态（凸透镜/凹透镜）及焦距参数，还能解决现有变焦透镜内部液体挥发或内部汽包析出问题。本发明能够广泛应用于光学成像、光通信、机器视觉、三维显示等领域。

附图说明

图1为本发明中柔性变焦透镜结构示意图；

图2为本发明柔性变焦透镜示意图；

图3为本发明柔性变焦透镜的爆炸视图；

图4为本发明的整体示意图；

图5为实施例中最终凸透镜效果图；

图6为实施例中最终凹透镜效果图；

图7为实施例中的调焦示意图；

图8为实施例中透镜焦距与注射泵行程关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1至图3所示，本发明的一种柔性变焦透镜，包括透镜支架11，透镜支架11的上下两端分别设有上压紧板12和下压紧板13，透镜支架11整体中空呈圆柱状腔室，上压紧板12和下压紧板13上均预留有与透镜支架11腔室对应的通孔；透镜支架11与上压紧板12之间设有透明弹性膜14，透明支架11与下压紧板13之间设有透明底板15；透镜支架11的中空腔室、透明弹性膜14和透明压板三者形成密封腔111，通过透镜支架11的进液口19和出液口18向该密封腔111内充液或吸液，透明弹性模则相应的凸起或者凹下，光线透过通孔、透明弹性膜14和液体形成柔性变焦透镜。其中，柔性变焦透镜内的液体采用水溶液或者透明光学油均可，不同的液体的折射率不同，则形成不同球面透镜，实现光线的汇聚（凸透镜）或发散。

本实施例中，透镜支架11整体呈长方体且其长度和宽度大于高度，该结构使得最终的柔性变焦透镜能够适应于多种场景。

如图4所示，为了实现自动调焦以及保证调焦精度，进液口19通过进液管与储液器2连通，进液管上设有三通阀；通过三通阀、注射泵3和储液器2实现向柔性变焦透镜内充液/吸液使透明弹性膜14鼓起/凹陷，以形成凸透镜/凹透镜。在通电状态下，三通阀COM口连接至注射泵3，三通阀NO口连通至储液器2，三通阀NC口连通至柔性变焦透镜进液口19；在断电状态下三通阀COM口与三通阀NO口连通。

本实施例的出液口18通过进出液管与储液器2连通，出液管上设有二通阀。该二通阀两个接口，在断电状态，两个接口不连通；在上电状态，两个接口处于连通，然后一端连接至出液口18，另一端连接至储液器2。

透镜支架11的上端端面上通过开槽固定有上密封圈16，上密封圈16的内径大于上压紧板12通孔的孔径，通过上密封圈16和上压紧板12实现柔性变焦透镜内液体的密封性。透镜支架11的下端端面上通过开槽固定有下密封圈17，下密封圈17的中径大于下压紧板13通孔的孔径，通过下密封圈17和下压紧板13实现柔性变焦透镜内液体的密封性。

其中，上压紧板12和下压紧板13与透镜支架11之间通过若干锁紧螺钉10固定，各锁紧螺钉10均匀分布，增强透明弹性膜14、透明压板与透镜支架11的密封。

本实施例中，为了提高柔性变焦透镜的折射率，透明弹性膜14采用透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。其中该透明弹性膜14呈矩形状，该透明弹性膜14厚度均匀且整个膜的弹性系数一致性，弹性张力远大于重力，这样能够保证最终柔性变焦透镜的精度。由于透明弹性膜14在受压的情况下会发生形变，形成球面透镜效果，因此透明弹性模的参数需要根据实际情况进行测试选型。

本实施例的透明底板15采用透明玻璃、透明石英材料、透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。如果采用透明玻璃或透明石英材料，最终形成平凸或/平凹柔性变焦透镜，如果采用透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜或者透明PTFE膜，则最终构造柔性双凸变焦透镜或柔性双凹变焦透镜。

透明弹性膜14和透明底板15既可以覆盖于上密封圈16和下密封圈17上，然后通过上压紧板12和下压紧板13固定，也可以通过上密封圈16和下密封圈17上固定于对应卡槽中，然后再通过压紧板和锁紧螺钉固定进而增强密封性。

上述实施例中的柔性变焦透镜的变焦方法，包括以下步骤：

（1）安装柔性变焦透镜、储液器2、注射泵3，然后向柔性变焦透镜内注入水溶液液体；

（2）进行凸透镜和凹透镜调焦；如图5和图6所示。

其中，凸透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭出液口18；三通阀上电，实现注射泵3与进液口19连通；注射泵3向柔性变焦透镜注入水溶液，则透明弹性膜14鼓起形成凸球冠状，然后不断注入水溶液，曲率半径逐渐变大；当调节到所属焦距时，关闭三通阀；

其中，凹透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭柔性变焦透镜的出液口18；三通阀上电，实现注射泵3与进液口19连通；注射泵3泵从柔性变焦透镜内回吸水溶液，则透明弹性膜14塌陷形成凹球冠状，不断吸入水溶液，曲率半径会逐渐变大；当调节到所需焦距时，关闭三通阀。

本实施例在关闭二通阀后，通过注射泵3注入的水溶液体积改变曲率，从而改变焦距，如图7所示，最终影响柔性变焦透镜密封腔111内注入体积与曲率（焦距）的时候注射泵3的注入体积。

假设密封腔内直径为D，在密封腔内充满液体且透镜弹性膜为水平状态时，关闭二通阀后继续注入水溶液体积V，则透明弹性膜凸起形成一个半径为R的球冠，球冠高度为h，则此时注射体积V与球冠直径R的关系为：

；

接着，结合薄透镜焦距公式，得到平凸透镜的焦距F满足：

；

n为水溶液的折射率，得到注入体积V与焦距F的关系为：

；

若注射泵的直径为d，则得到注射泵行程L与焦距F的关系为：

。

实施例1:

按照如下参数设置变焦透镜系统，

1）柔性变焦透镜的密封腔111直径D=20mm，密封腔111深度H为3mm，则透明弹性膜14水平状态下透镜密封腔111容积为0.943mL；

2）注射泵3选用容积5mL型号，直径d为10.3mm，行程60mm；

3）采用水溶液作为透镜介质，折射率n=1.3325。

则本实施例中的柔性变焦透镜的具体变焦方法为：

步骤一：确保三通阀关闭状态，注射泵3向下移动到最底端，吸满水溶液；

步骤二：三通阀打开，二通阀打开，注射泵3向上移动30mm，推出2.5mL水溶液，使其充满柔性变焦透镜的密封腔111；

步骤三：二通阀关闭，注射泵3继续移动，其移动距离L（即注射泵3的行程L）与焦距F的公式满足如下关系：

；

其对应关系曲线如图8所示，通过计算以及附图8能够及时知道当下柔性变焦透镜的焦距，然后决定是否需要继续吸液还是注液，使用十分便捷。

通过上述实施例可以看出，本发明的柔性变焦透镜结构精巧以及密封性能高，其变焦方法也精准易实现，可以广泛应用于光学成像、光通信、机器视觉、三维显示等领域。

Claims (10)

1.一种柔性变焦透镜，包括透镜支架，其特征在于：所述透镜支架的上下两端分别设有上压紧板和下压紧板，透镜支架整体中空呈圆柱状腔室，上压紧板和下压紧板上均预留有与透镜支架腔室对应的通孔；透镜支架与上压紧板之间设有透明弹性膜，透明支架与下压紧板之间设有透明底板；透镜支架的中空腔室、透明弹性膜和透明压板三者形成密封腔，通过透镜支架的进液口和出液口向该密封腔内充液或吸液，透明弹性模则相应的凸起或者凹下，光线透过通孔、透明弹性膜和液体形成柔性变焦透镜。

2.根据权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述进液口通过进液管与储液器连通，进液管上设有三通阀；通过三通阀、注射泵和储液器实现向柔性变焦透镜内充液/吸液使透明弹性膜鼓起/凹陷，以形成凸透镜/凹透镜。

3.根据权利要求2所述的柔性变焦透镜，其特征在于：在通电状态下，三通阀COM口连接至注射泵，三通阀NO口连通至储液器，三通阀NC口连通至柔性变焦透镜进液口；在断电状态下三通阀COM口与三通阀NO口连通。

4.权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述出液口通过进出液管与储液器连通，出液管上设有二通阀。

5.根据权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述透镜支架的上端端面上通过开槽固定有上密封圈，上密封圈介于透明支架上端面和透明弹性膜之间，上密封圈的内径大于上压紧板通孔的孔径，通过上密封圈和上压紧板实现柔性变焦透镜内液体的密封性。

6.根据权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述透镜支架的下端端面上通过开槽固定有下密封圈，下密封圈介于透明支架下端面和透明底板之间，下密封圈的中径大于下压紧板通孔的孔径，通过下密封圈和下压紧板实现柔性变焦透镜内液体的密封性。

7.根据权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述透明弹性膜采用透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的柔性变焦透镜，其特征在于：所述透明底板采用透明玻璃、透明石英材料、透明PDMS膜、透明PC膜、透明PP膜、透明PTFE膜中的任意一种。

9.一种基于权利要求1至8任意一项所述柔性变焦透镜的变焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）安装柔性变焦透镜、储液器、注射泵，然后向柔性变焦透镜的密封腔内注入液体；

（2）进行凸透镜和凹透镜调焦；

其中，所述凸透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭出液口；三通阀上电，实现注射泵与进液口连通；注射泵向柔性变焦透镜注入液体，则透明弹性膜鼓起形成凸球冠状，然后不断注入液体，曲率半径逐渐变大；当调节到所属焦距时，关闭三通阀；

其中，所述凹透镜调焦的具体内容为：二通阀断电，关闭柔性变焦透镜的出液口；三通阀上电，实现注射泵与进液口连通；注射泵泵从柔性变焦透镜内回吸液体，则透明弹性膜塌陷形成凹球冠状，不断吸入液体，曲率半径会逐渐变大；当调节到所需焦距时，关闭三通阀。

10.根据权利要求9所述柔性变焦透镜的变焦方法，其特征在于：所述柔性变焦密封腔内的注入液体体积与柔性变焦透镜的曲率的关系如下：

假设密封腔内直径为D，密封腔高度为H；在密封腔内充满液体且透镜弹性膜为水平状态时，关闭二通阀后继续注入液体体积V，则透明弹性膜凸起形成一个半径为R的球冠，则此时注射液体的体积V与球冠直径R的关系为：

；

接着，结合薄透镜焦距公式，得到平凸透镜的焦距F满足：

；

n为液体的折射率，得到注入体积V与焦距F的关系为：

；

若注射泵的直径为d，则得到注射泵行程L与焦距F的关系为：

。

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