CN101685171A - 机械驱动型折衍混合变焦液体透镜 - Google Patents

Abstract

一种机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，包括基板框架，还包括周边嵌于基板框架内侧的环状凹槽内、与基板框架密封连接的基板以及透明弹性膜，基板为衍射面基板，基板与透明弹性膜构成的密封腔体内填充有填充液，密封腔体与控制活塞的腔体相连通。本发明解决了背景技术中普通液体透镜没有设计自由度，无法在单片液体透镜上进行像差优化的技术问题。本发明以液体透镜的平面基底直接作为衍射光学面，在不增加液体透镜的重量与体积、不影响液体透镜结构及稳定性的条件下为液体透镜提供像差校正的设计自由度，根据不同的成像及变焦要求，可以合理设计不同的衍射面参数，根据需要对液体透镜进行像质优化设计，提高单个液体透镜的成像质量。

Description

机械驱动型折衍混合变焦液体透镜

技术领域

本发明涉及一种液体可变焦透镜，具体涉及一种机械驱动型折衍混合变焦液体透镜。

背景技术

液体可变焦透镜在国际上是一种新型的依据仿生学原理提出的光学元件，主要有利用电润湿流体接触角变化的可变焦透镜和基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜，它们具有宽的可调谐范围、变焦能力强、变焦平滑、成本低廉、加工容易等特点，具有很好的应用前景。

普通液体透镜，无论是利用电润湿流体接触角变化的可变焦透镜还是基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜，根据像差方程，所需的光焦度一旦确定，透镜的表面曲率或两种互不相溶液体间界面曲率就随之确定。因此，在所需光焦度确定的情况下，一个单独的液体透镜本身并不具备校正像差的自由度，这使得透镜在成像过程中不能清晰成像。液体透镜应用于变焦系统的设计时，由于液体透镜本身不能校正像差，如果要求系统清晰成像，会使系统复杂，镜片数目增多，不利于变焦系统的微型化、灵巧化。

参见如图1，现有普通机械驱动型液体透镜，主要由基底玻璃板111、填充液体112、透明弹性薄膜113、框架114、空腔体116以及活塞115构成。其一般采用步进电机或气压、液压等驱动活塞115运动，使空腔体116内的填充液体112体积分布发生变化，引起透明弹性薄膜113表面的曲率半径R变化，从而使机械驱动型液体透镜的焦距f变化。焦距f的变化满足下列方程组：

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{f^{\′}}=\frac{n-1}{R};$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{(R-\sqrt{R^2-{r_0}^2})}^2[2R+\sqrt{R^2-{r_0}^2}];$

其中，Φ是液体透镜的光焦度，f是液体透镜的焦距，n是空腔体116内填充液体112的折射率，R是透明弹性薄膜113表面的曲率半径，r₀是液体透镜有效通光口径的半径，ΔV是活塞115运动引起体积的变化量。对应于一定的光焦度Φ，由于机械驱动型液体透镜的一个表面基底玻璃板111是平面，另一个表面透明弹性薄膜113的曲率半径R必须一定，这样才能实现所需的光焦度Φ，因此在光学设计中用于像质优化的自由度为零。

近年，对于该类元件的研究多集中在成像原理验证以及透镜结构及稳定性方面，对于透镜成像质量的提高与完善尚未见研究报导。

目前，Philip公司、三星公司、朗讯科技有限公司等对液体透镜的设计研究技术进展较快，一些研究机构如福罗里达中心大学等对机械驱动型的液体透镜也开展了研究，主要包括液体透镜的结构形式、填充液体、控制方式等。但是，作为单个可变焦元件，如何校正液体透镜的像差、提高透镜成像质量、使得在重量与体积最小的情况下获得优质成像质量方面的技术研究迄今未见有报导。国内的上海理工大学、清华大学等近年来也开展了液体透镜方面的研究，但大多都是针对液体透镜的成像机理及制作工艺方面的研究，也未见关于提高单个液体透镜成像质量的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，其解决了背景技术中普通液体透镜没有设计自由度，无法在单片液体透镜上进行像差优化的技术问题。

本发明的设计方案如下：

一种机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，包括基板框架214，还包括周边嵌于基板框架214内侧的环状凹槽216内、与基板框架214密封连接的基板211及透明弹性膜213，所述的基板211与透明弹性膜213构成的密封腔体217内填充有填充液212，所述的密封腔体217与控制活塞215的腔体相连通；其特殊之处在于：所述的基板211为衍射面基板。

以上所述的衍射面基板基底可采用玻璃材料基板或光学塑料基板等。

以上所述密封腔体217内的填充液212是与透明弹性膜213互不相溶且不发生化学反应的透明液体。

以上所述密封腔体217内的填充液212可采用水或油等。

本发明具有如下优点：

1.增加了液体透镜的设计自由度，使得单片液体透镜可实现消色差、球差。

2.本发明以液体透镜的平面基底直接作为衍射光学面，在不增加液体透镜的重量与体积、不影响液体透镜结构及稳定性的条件下为液体透镜提供像差校正的设计自由度，根据不同的成像及变焦要求，可以合理设计不同的衍射面参数，根据需要对液体透镜进行像质优化设计，提高单个液体透镜的成像质量。

3.本发明将衍射光学元件直接集成于液体透镜基底，使液体透镜可以应用于微型、灵巧化变焦距系统设计中，具有成像质量好、体积小、重量轻、制造简单、易于控制的特点。

4.采用本发明可使变焦光学系统具有更小的体积与重量，使得单纯采用一片或两片折衍混合式液体透镜实现完善成像的变焦系统成为可能。

5.可更广泛地扩展到各种对成像质量有较高要求，同时又对系统尺寸有严格要求的系统中，可确保系统的微型化。

附图说明

图1为现有普通机械驱动型液体透镜的结构示意图。

图2为本发明折衍混合机械驱动型液体透镜的系统结构示意图。

图3为现有普通机械驱动型液体透镜在短焦距下的调制传递函数(MTF)曲线示意图。

图4为本发明折衍混合机械驱动型液体透镜在短焦距下的调制传递函数(MTF)曲线示意图。

图5为现有普通机械驱动型液体透镜在长焦距下的调制传递函数(MTF)曲线示意图。

图6为本发明折衍混合机械驱动型液体透镜在长焦距下的调制传递函数(MTF)曲线示意图。

图7为普通机械驱动型液体透镜在不同波长下焦距变化的示意图。

图8为本发明折衍混合机械驱动型液体透镜在不同波长下焦距变化的示意图。

附图图面说明：111-基底玻璃板，112-填充液体，113-透明弹性薄膜，114-框架，115-活塞；116-空腔体；211-基板，212-填充液，213-透明弹性膜，214-基板框架，215-控制活塞，216-凹槽，217-密封腔体。

具体实施方式

本发明将现有普通液体透镜中的普通平面玻璃基底设计为衍射光学元件即衍射面基板，通过采用衍射光学元件加入了衍射光学面，引入了二元面的相位函数：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(A_1{y}^2+A_2{y}^4+...)$

二元相位函数的引入，使液体透镜的赛得像差和数的构成变为如下形式：

$S_I=\frac{y^4}{4}\left\{{{\mathrm{\φ}}_r}^3\right[{\left(\frac{n}{n-1}\right)}^2+\frac{n+2}{n{(n-1)}^2}+\frac{4(n+1)}{n_1(n-1)}{C}_r+\frac{3n_1+2}{n_1}{C_r}^2]+{{\mathrm{\φ}}_d}^3[(1+3{C_d}^2)-32\mathrm{m\λ}{A}_2]\}$

$S_{\mathrm{II}}=-y^{2}H\left\{\frac{{{\mathrm{\φ}}_r}^2}{2}\right[\frac{n+1}{n(n-1)}+\frac{2n+1}{n}{C}_r]+{\mathrm{\φ}}_d{C}_d\}$

S_III＝H²(φ_r+φ_d)＝H²φ

$S_{\mathrm{IV}}=H^2\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_r}{n}\right)$

S_V＝0

其中，S_I-S_V是透镜的五个像差和数，分别反映球差、彗差、像散、场曲和畸变的大小。φ_r是填充液所构成透镜形状所承担的光焦度；φ_d是衍射光学面所承担的光焦度；y是边缘光线与透镜交点到光轴的距离；n是填充液的折射率；H是拉氏不变量；C_r、C_d分别是填充液所构成透镜形状和衍射面的共轭系数，由光线经过填充液所构成透镜形状或衍射面时入射和出射的孔径角决定；m为对应的衍射级次(不特别指明通常m＝1)；λ为对应波长；A₂是二元面相位函数中的四次项系数，即四阶非球面系数。

在机械驱动型液体透镜系统中加入衍射光学面的设计后，其赛得像差和数中出现了一个四阶非球面系数A₂。该非球面系数使液体透镜系统具有了一个设计自由度，从而使单个液体透镜能够实现像差优化设计。四阶非球面系数可用于液体透镜的球差校正。同时由于衍射面的负色散特性还可能实现机械驱动型液体透镜的消色差。

本发明将衍射光学元件直接集成于液体透镜基底，即将衍射光学面作为液体透镜的一个主要结构组成部分，该方法可以在不改变液体透镜重量、尺寸、稳定性条件下为液体透镜提供像差校正的设计自由度，从而可根据需要对液体透镜进行像质优化设计，提高液体透镜成像质量。本发明使得单纯采用一片或两片折衍混合式液体透镜实现完善成像的变焦系统成为可能。根据不同的成像及变焦要求，可以合理设计不同的衍射面参数。

图2具体为本发明采用折衍混合机械驱动型液体透镜的系统结构示意图，基板框架214内侧具有一环状凹槽216，基板211以及透明弹性膜213的周边嵌于环状凹槽216内、并与基板框架214密封连接。透明弹性膜213采用光学透明的弹性薄膜，要求与填充液212互不相溶且不发生化学反应。基板211与透明弹性膜213构成的密封腔体217内填充有填充液212，填充液212一般采用水、油等与透明弹性膜213互不相溶且不发生化学反应的透明液体。密封腔体217与控制活塞215的腔体相连通。基板211为衍射面基板，衍射面基板为衍射光学元件，具体可采用玻璃材料基板或其它光学材料基板，如：光学塑料等。本发明的衍射面基板可以部分消除折衍混合机械驱动型液体透镜的球差与初级色差，使得折衍混合机械驱动型液体透镜在像面上获得更加完善的图像。

本发明折衍混合液体透镜的焦距变化与普通液体透镜焦距变化过程中调制传递函数(MTF)的对比参见图3、4、5、6。可见加入衍射面后，系统在不同焦距下的调制传递函数(MTF)都明显提高，成像质量被优化。

本发明折衍混合液体透镜的焦距变化与普通液体透镜焦距变化过程中色差的对比参见图7、8。可见加入衍射面后，系统焦距变化曲线在三条波长下重合较好，系统色差明显降低。

Claims (4)

1.一种机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，包括基板框架(214)，还包括周边嵌于基板框架(214)内侧的环状凹槽(216)内、与基板框架(214)密封连接的基板(211)及透明弹性膜(213)，所述的基板(211)与透明弹性膜(213)构成的密封腔体(217)内填充有填充液(212)，所述的密封腔体(217)与控制活塞(215)的腔体相连通；其特征在于：所述的基板(211)为衍射面基板。

2.根据权利要求1所述的机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，其特征在于：所述的衍射面基板基底为玻璃材料基板或光学塑料基板。

3.根据权利要求1或2所述的机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，其特征在于：所述密封腔体(217)内的填充液(212)是与透明弹性膜(213)互不相溶且不发生化学反应的透明液体。

4.根据权利要求3所述的机械驱动型折衍混合变焦液体透镜，其特征在于：所述密封腔体(217)内的填充液(212)为水或油。

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