一種變焦透鏡的研制及實(shí)用案例

張友華

（松陵第一中學(xué)，江蘇 蘇州 215200）

1 “旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”所屬的技術(shù)領(lǐng)域和背景

長(zhǎng)期以來(lái)，可變焦光學(xué)透鏡已廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，尤其是學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而變焦的實(shí)現(xiàn)，通常是在光路中加入一些較為復(fù)雜的組件.因此，要使鏡頭具有大的變焦能力，就必須有足夠的空間和較高的技術(shù)手段，這就使得傳統(tǒng)變焦光學(xué)系統(tǒng)往往存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鏡頭易磨損，使用壽命較低等缺點(diǎn)，很難適應(yīng)目前儀器結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求，難以滿(mǎn)足學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要.在當(dāng)前的中學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中，尚沒(méi)有相關(guān)的變焦透鏡的器材配置的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，形成我們實(shí)驗(yàn)器材上的一個(gè)空白.為此，研制適應(yīng)于中學(xué)物理光學(xué)教學(xué)用的變焦透鏡就變得非常必要和有意義.

“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”是針對(duì)一項(xiàng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)用光學(xué)變焦透鏡，具體是一種采用旋進(jìn)擠壓的方式，使透明膠體或透明液體在腔體內(nèi)的分布發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)變焦.

精密光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)透明膠體或液體可變焦通常有2種方法，分別為基于透明膠體或液體折射率變化的可變焦透鏡、基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕流體接觸角變化的可變焦透鏡.基于透明膠體或液體折射率變化的可變焦透鏡，主要是通過(guò)改變透明膠體或液體的折射率，通過(guò)使其產(chǎn)生梯度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦.這種微型透鏡易于實(shí)現(xiàn)陣列化，但焦距可調(diào)范圍較小，并且由于液晶在電場(chǎng)中的非均勻性會(huì)造成較大的光學(xué)失真.基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕流體接觸角變化的可變焦透鏡，主要是將兩種互不相溶的透明膠體或液體注入一個(gè)透明腔體，其中一種為電活性液體，一種為絕緣體，利用外加電壓改變電潤(rùn)濕介質(zhì)與絕緣層間的接觸角，繼而改變兩種透明膠體或液體界面的表面曲率，從而實(shí)現(xiàn)變焦，該種透明膠體或液體可變焦透鏡具有響應(yīng)時(shí)間短，變焦范圍廣，無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，集成性能好等優(yōu)點(diǎn)，但很難實(shí)現(xiàn)大口徑可變焦透鏡.以上兩種方式制作技術(shù)難度大.迄今為止，尚未見(jiàn)到將該上述兩項(xiàng)技術(shù)直接應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道.

目前，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)用透明膠體或透明液體可變焦通常的方法是，基于填充透明膠體或液體表面曲率變化的可變焦透鏡，采用腔體外注射的方式改變腔體內(nèi)膠體或液體的體積，通過(guò)膠體或液體在腔體內(nèi)的重新分布，改變腔體表面透明可變形薄膜的曲率半徑，從而改變透鏡焦距.該種方法具有易于制造，透鏡口徑大小靈活等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于對(duì)振動(dòng)及重力的影響較為敏感，膠體或液體內(nèi)容易混入氣泡，透鏡成像失真度大，制作技術(shù)及操作難度大.

2 “旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案

人眼具有極強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，其變焦是通過(guò)睫狀肌收縮與松弛，調(diào)節(jié)晶狀體的曲率變化實(shí)現(xiàn)的.據(jù)此提出的仿生學(xué)液體可變焦透鏡，可以不采用任何復(fù)雜的組件，具有變焦能力強(qiáng)，變焦平滑，體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，加工容易等特點(diǎn)，可被大量使用于一些新型傳感器及系統(tǒng)中，用來(lái)調(diào)節(jié)像質(zhì)，提高放大率等，在信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事國(guó)防以及空間技術(shù)等方面具有很好的應(yīng)用前景.

為了克服現(xiàn)有的變焦透鏡成像失真度大，制作技術(shù)及操作難度大的不足，“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”提供一種旋進(jìn)擠壓式變焦方式，該旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，操作簡(jiǎn)便，成像失真度小.

“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”為一腔體結(jié)構(gòu)，其外管（內(nèi)螺紋管）內(nèi)放置固定一層透明光學(xué)玻璃平板，內(nèi)管（外螺紋管）上表面固定一層透明薄膜.

將具有一定折射率的適量的透明膠體或透明液體充入腔體，利用內(nèi)管（外螺紋管）在外管（內(nèi)螺紋管）通過(guò)螺紋的旋進(jìn)擠壓，在保證腔體內(nèi)透明膠體或透明液體體積不變的條件下，通過(guò)透明膠體或透明液體在腔體內(nèi)的重新分布，改變腔體內(nèi)可變形薄膜的曲率半徑，從而實(shí)現(xiàn)透鏡變焦.

“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”在教學(xué)中的有益效果是利于開(kāi)展科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，便于操作，成像失真度小；同時(shí)“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”在制作上選取材容易（主要部分腔體可采用PVC排水?dāng)Q緊管等），有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的制作利用，實(shí)驗(yàn)的拓展性強(qiáng).

3 “旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”附圖說(shuō)明

按照上述原理，我們進(jìn)行了旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的加工設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡主要腔體材料選取是身邊最為常見(jiàn)的PVC水管的擰緊管（也可用注塑技術(shù)進(jìn)行加工），成本極為低廉，選取了目前常見(jiàn)的有機(jī)透明薄膜材料—— 熱塑性聚氨酯彈性體（可用避孕套薄膜），該材料具有硬度范圍寬、彈性好、耐磨、耐油、透明、加工性能好等優(yōu)點(diǎn).液體選擇了水（n＝1.3333）和水晶蠟（n＝1.5148），制作的3種規(guī)格的液體可變焦透鏡有效口徑D1＝45mm，D2＝35mm，D3＝28mm，旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡設(shè)計(jì)制作完成后的實(shí)物如圖1所示.

圖1

圖2

圖2是本實(shí)用新型“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”全剖面結(jié)構(gòu)剖視圖.

4 “旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”具體實(shí)施方式

“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”采用旋進(jìn)擠壓的方式，使透明膠體或透明液體在PVC管中腔體內(nèi)的分布發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)變焦，應(yīng)用時(shí)將具有一定折射率的適量的透明膠體或透明液體充入腔體，利用旋進(jìn)擠壓，在保證液體體積不變的條件下，使得透鏡表面曲率半徑發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)透鏡焦距的變化.當(dāng)旋動(dòng)內(nèi)管時(shí)，若將透鏡按空氣中的薄透鏡模型考慮，曲率半徑與透鏡光焦度有如下關(guān)系，

式中R是透鏡上表面的曲率半徑，f是透鏡的焦距，n為所選液體的折射率，由上式可見(jiàn)，所選液體的折射率越大，在曲率半徑改變相同的情況下，透鏡的光焦度越大，折光能力越強(qiáng).

下面通過(guò)實(shí)例對(duì)“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”作進(jìn)一步描述.

例1：讓平行光透過(guò)旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡，可觀察到此變焦透鏡對(duì)光線(xiàn)的會(huì)聚作用.

例2：讓平行光透過(guò)旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡，透鏡前置一光屏，調(diào)節(jié)光屏位置直至光屏上呈現(xiàn)一個(gè)最小最亮的光點(diǎn)，即為透鏡的焦點(diǎn)，測(cè)出焦距.

例3：讓平行光透過(guò)旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡.旋進(jìn)內(nèi)管改變焦距，如前述方法進(jìn)行變焦焦點(diǎn)確認(rèn)和焦距測(cè)量.

例4：旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡管口一側(cè)置一點(diǎn)燃的蠟燭，另一側(cè)置一光屏，通過(guò)調(diào)節(jié)蠟燭、光屏的位置，觀察透鏡成像情況.

例5：旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡管口一側(cè)置一點(diǎn)燃的蠟燭，另一側(cè)置一光屏，觀察透鏡成像情況.本例可實(shí)驗(yàn)凸透鏡成像、通過(guò)變焦進(jìn)行近視眼遠(yuǎn)視眼的模擬實(shí)驗(yàn)以及視力缺陷的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn).

例6：旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡可調(diào)整相機(jī)系統(tǒng)離焦.將液體透鏡加在該普通定焦照相系統(tǒng)的前端，由于單個(gè)元件表面曲率變化會(huì)引起系統(tǒng)像差及離焦量發(fā)生變化，通過(guò)系統(tǒng)像差平衡設(shè)計(jì)及控制液體透鏡表面曲率半徑，可有效調(diào)整系統(tǒng)離焦量.

自制創(chuàng)新教具“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”并不限于上述實(shí)施方式，由于“旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，實(shí)驗(yàn)效果明顯，選材容易，易于規(guī)模生產(chǎn)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求量大.