CN1776463A - 一种流体镜头及其变焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种流体镜头是利用薄膜(2)、(4)在压力作用下的变形的原理，通过存储囊(7)、连接通道(8)充、放流体介质(1)来改变薄膜(2)、(4)表面的弯曲程度，即改变薄膜表面的凸、凹状曲面的曲率半径，来改变镜头的焦距。镜头之间有串联、并联、嵌入联接、混合联接方式。本发明的流体镜头和以前的各种镜头相比，原理新颖、不易破碎、重量轻、成本较低、制造容易，还可以构造复杂结构实现特殊功能和特殊场合的应用，具有广阔的应用前景。本发明提出了不同于传统镜头产品的一种新型结构和原理的镜头，可广泛应用于照像器材或摄影设备，特别是一次性相机和复杂结构镜头场合。

Description

一种流体镜头及其变焦装置

                                技术领域

本发明涉及一种照像器材或摄影设备的镜头及其变焦装置，特别是一种流体镜头及其变焦装置。

                                背景技术

镜头广泛应用于日常生活、工业现场、军事领域等许多场合，照像器材或摄影设备中都离不开镜头，镜头的性能往往决定了整个相关设备的使用性能。

目前的镜头普遍是玻璃或树脂材料打磨、抛光或压制而成的，已经形成了一整套完整而成熟的加工工艺和设计方法。但此类镜头存在结构单一、重量大、体积大、易碎、特种场合使用受限制等问题，在原有工艺和原理的基础上也是难以解决的。另外，传统的玻璃镜头的变焦装置有一系列的电动、机械和相应控制装置，结构和控制方法也较复杂，成本也较高。

近期，荷兰皇家飞利浦(Philips)公司在2004年的德国汉诺威举办的CeBIT展会上展出了可变焦液体镜头系统“FluidFocus”。该专利产品提出了一种手机的液体镜头，这种镜头在两组镜片间加入了具有导电性能的水溶液和绝缘的硅酮油，这些材料封装在圆筒型容器中。由于容器内侧除底部外均涂有防水薄膜，水溶液会呈圆顶型聚集在容器中心部分，水溶液和硅酮油之间就会形成凸状曲面。利用涂层的防水性随着通电而减弱的特性，改变施加电场的强度后，就会由凸透镜顺利地变成凹透镜，能够起到改变球状曲率的凸透镜作用。在容器侧面设置加电的电极，凸状曲面能够随着施加电压变化而变化。

该发明产品从原理上不同于传统的玻璃和树脂的镜头原理，可以做到较轻、可调焦，使用直流电压调节焦距，耗电量较小，耐用性较高。

但是，此发明需要一套电控装置和控制方法，液体需要较好的密封条件，较传统的玻璃镜头结构复杂、成本增加，特别是在较低温度时可能会有结冰等温度适应性问题。

本发明提出了不同于以上产品的一种新型结构和原理的镜头。

本发明的一种流体镜头是利用薄膜在压力作用下的变形的原理，通过充、放流体来改变薄膜表面的弯曲程度，即薄膜表面的凸、凹状曲面的曲率半径，来改变镜头的焦距。

本发明的流体镜头和以前的各种镜头相比，原理新颖、重量轻、成本较低、制造容易，能够克服目前大多数低成本图像系统存在的定焦缺点，还可以构造复杂结构实现特殊功能和特殊场合的应用，具有广阔的应用前景。

                                发明内容

本发明的目的是提供一种流体镜头，它通过在薄膜层间充、放流体介质形成薄膜表面的凸凹形状，实现镜头的功能。它与现有的镜头相比具有重量轻、不易破碎、制造容易、成本低、可调焦等特点，并且能够构成复杂结构的组合镜头应用于特殊场合。

本发明的一种流体镜头，是在弹性薄膜之间充、放流体介质后，弹性薄膜变形，其表面形成凸或凹的曲面。

改变弹性薄膜之间的充、放的流体介质的量，弹性薄膜表面的曲面的曲率半径发生变化。

镜头之间有串联、并联、嵌入联接、混合联接方式。

本发明中的弹性薄膜是一种透明的介质膜。

本发明中的弹性薄膜是一种在气体或液体等流体压力作用下，可以产生变形的薄膜材料制成的，可以是塑料、橡胶等高分子材料，类似于制造气球的橡胶制品的功能，也可以是实现弹性变形功能的其他材料。该弹性薄膜可以是单层的或多层的结构，薄膜至少为两层的结构，各层的薄膜厚度、材质可以按要求设计和选取。若薄膜是均匀结构的，其弹性变形也将是均匀的。

本发明中产生压力的流体介质可以是气体或液体等流体物质，气体可以是空气，或者其他种类的气体，液体可以是水或其它单质、混合物等液态物质，或者是胶体物质。本发明中的“充”流体指的是向弹性薄膜之间填充或灌入流体，本发明中的“放”流体指的是从弹性薄膜之间放出或抽吸流体。

本发明中的流体镜头的凸透镜镜头的基本结构，就是在至少两层弹性薄膜之间充满一定量的流体介质，弹性薄膜包裹了流体介质后表面成一定的曲率半径的凸透镜表面，这样就可以制成凸透镜的镜头。

本发明中的流体镜头的凹透镜镜头的基本结构，就是在至少两层弹性薄膜之间加装一节不易变形的较硬的中空的圆柱状物体，中空圆柱状物体的两端被弹性薄膜分别包裹密封住，当从灌满了流体介质的中空圆柱状物体中抽走一定量的流体介质后，中空圆柱状物体的两端的弹性薄膜就会被向中空圆柱状物体的园柱内吸进去，形成两端弹性薄膜的凹曲面，这样就可以制成凹透镜的镜头。

本发明的流体镜头还可以实现变焦镜头的功能。

增设一个存储囊，让本发明中的流体介质充满在薄膜层之间和存储囊中，流体介质在薄膜层之间的空间和存储囊之间能够相互流动，进行流体介质的交换和流动。

存储囊是一个能够存储一定量的流体介质，其容积大小可变化的的囊式结构的密闭容器，但存储囊与薄膜层之间的空间是通过连接通道连通的，薄膜层之间的空间和存储囊构成了整体的封闭空间结构。

当迫使存储囊内部的空间变小，部分流体介质将被挤出存储囊，通过连接通道流入薄膜层之间的空间，薄膜表面的凸出来的部分的曲率半径将随流入的流体介质的增加而变小，流体镜头的凸透镜镜头的焦距将变短；反之，当迫使存储囊内部的空间变大，部分流体介质将被吸入存储囊，薄膜层之间的空间的流体介质也将通过连接通道流出，薄膜表面的凸出来的部分的曲率半径将随流出的流体介质的增加而变大，流体镜头的凸透镜镜头的焦距将变长。这就是本发明的流体镜头的变焦的基本原理。

本发明的一种充气或充液的流体镜头是给薄膜之间进行充气或充液来改变薄膜表面形状的，从而改变薄膜表面的曲面的曲率半径，达到聚焦和变焦功能。

上述单个镜头能够实现常规镜头的基本功能，实现了基本的聚焦、变焦，可以用于照相、摄像等成像器材上。由于流体介质的用量可以很少，所以本发明的流体镜头的重量、体积都可以做得很小，特别是充气的流体镜头更是将这一优点充分发挥出来。

为了实现镜头的特殊功能，还可以借助于光学薄膜制备技术在薄膜表面用物理或化学方法涂敷或镀一层或多层其它的光学薄膜，能改变其反射、折射、光谱或偏振等光学性质。

本发明的流体镜头，通过镜头之间的联接结构、大小、表面曲率的不同组合，可以构成复杂结构的镜头，实现其他镜头难以实现的特殊功能。

本发明的流体镜头之间有串联、并联、嵌入式联接、混合联接方式。

本发明的流体镜头之间的串联，是指镜头的相对位置是沿轴线方向按一定的间隔分布的，各镜头相互独立。

本发明的流体镜头之间的并联，是指镜头按平面分布的，各镜头相互独立。

本发明的流体镜头之间的嵌入式联接，是指镜头相互交叉，一个镜头的局部或整体嵌入到另一个镜头之中，各镜头不是相互独立的。

本发明的流体镜头之间的混合联接方式，是指镜头的联接方式为串联、并联、嵌入式联接的组合方式。

通过上述的流体镜头之间的不同联接方式后形成的新的流体镜头将能够形成新的功能，能够在一些复杂场合有特殊的应用。

                                附图说明

图1为单个流体镜头的凸透镜镜头结构示意图；

图2为流体镜头变焦装置的结构示意图；

图3为单个流体镜头的凹透镜镜头结构示意图；

图4为流体镜头串联的结构示意图；

图5为流体镜头并联的结构示意图；

图6为流体镜头嵌入式联接的结构示意图；

图7为流体镜头混合联接的结构示意图。

                              具体实施例

如图1所示为单个流体镜头的凸透镜镜头结构示意图，图中的薄膜2和薄膜4之间为流体介质1，连接面3、连接面5为上下两层薄膜的结合部，且结合部不能泄漏流体介质。流体介质可以为气体、液体、胶体等流动物质。

对于“曲率半径”的定义，经典的数学教科书都有对三维曲面的曲率半径详细的注释。

如图1中的上下两层薄膜2、4之间灌充流体介质1后，薄膜表面就会产生相应的向外的变形。由于薄膜2、4可产生弹性变形，流体介质1的量越多，变形也越大，变形后的薄膜2、4表面的曲率半径就越小，镜头就越凸，镜头的焦距就越短。

图2中的上下两层薄膜2、4之间增加了一节中空的园柱体6，薄膜2、4与园柱体6紧密连接，使得中间的流体介质1不会泄漏出去。减少园柱体6内的流体介质1的量，即抽吸出去一部分流体介质1，在园柱体6内的空间就会形成负压，有弹性的两层薄膜2、4就会被向园柱体6腔内吸入，在薄膜2、4的表面就会生成凹陷，形成凹面，从而可构成单个流体镜头的凹透镜镜头。

由于薄膜2、4可产生弹性变形，流体介质1的量越少，薄膜2、4表面的变形也会越大，薄膜2、4表面就会越凹，凹表面的曲率半径就越小，镜头的焦距就越短。

根据上述凸、凹透镜的形成的原理，可以增加一个控制装置来控制流体镜头中的介质的量，进而控制透镜的焦距，实现流体镜头的变焦功能。

对于凸透镜而言：

如图3中的存储囊7为内部存储的流体通过连接通道8与薄膜2、4的薄膜层之间相通，薄膜层之间的空间和存储囊7构成了整体的封闭空间结构。当迫使存储囊7内部的空间变小，部分流体介质将被挤出存储囊7，通过连接通道8流入薄膜层之间的空间，薄膜2、4表面的凸出来的部分的曲率半径将随流入的流体介质量的增加而变小，流体镜头的凸透镜镜头的焦距将变短；反之，当迫使存储囊7内部的空间变大，部分流体介质将被吸入存储囊7，薄膜2、4层之间的空间的流体介质也将通过连接通道8流出，薄膜2、4表面的凸出来的部分的曲率半径将随流出的流体介质的增加而变大，流体镜头的凸透镜镜头的焦距将变长。

图3只是画出了凸透镜的变焦装置示意图，对于凹透镜而言，也同样可以增加存储囊7、连接通道8来实现焦距的变化。

总之，在上述的流体镜头和相应的变焦装置中，通过控制存储囊7中的流体介质1的多少，就可以控制透镜焦距的长短。而存储囊中7的流体介质1的控制可直接或间接进行挤压或拉伸存储囊7的壳体即可，或者设计其他机械结构也可方便实现。

图4为流体镜头的串联结构，各单个流体镜头的轴线朝一个方向或平行(一般是轴线重合的)，镜头的对称线平行。传统结构的望远镜、显微镜一般多采用此种结构。

图5为流体镜头的并联结构，各单个流体镜头9、10等的轴线朝一个方向，对称线分布在一个平面或与同一个曲面11相切。

图6为流体镜头的嵌入联接方式的结构，单个流体镜头12、13的镜头体相互嵌入到对方的镜头体内部，相互包含对方的镜头的一部分或全部。

图7为流体镜头的混合联接方式，单个流体镜头14、15、16并联或嵌入在一起，同时又和其他流体镜头总体串联在一起，构成混合联接方式。

以上各种连接方式下，添加存储囊7和连接通道8后的流体镜头也都可以单独或同时实现变焦。

Claims (3)

1.一种流体镜头，其特征在于：在弹性薄膜之间充、放流体介质后，弹性薄膜变形，其表面形成凸或凹曲面。

2.根据权利要求1的一种流体镜头，其特征在于：改变弹性薄膜之间的充、放的流体介质的量，弹性薄膜表面的曲面的曲率发生变化。

3.一种流体镜头，其特征还在于：镜头之间有串联、并联、嵌入联接、混合联接方式。

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