充液型可调焦液态透镜

　　0　引　言

　　透镜是照相机、投影仪、望远镜等光学系统的重要器件。传统的光学透镜由玻璃、树脂等透明固体物质制成,若要实现变焦,需由两个或两个以上的透镜组成光学系统,通过调节其相对位置以实现变焦。这样的变焦系统存在镜片数目多、体积大、变焦速度慢和容易磨损等弊端,难以实现变焦系统的微型化。因此,研制焦距可调的微透镜具有重要的技术价值和应用前景。目前可用于生产的变焦透镜技术,比较典型的如荷兰皇家飞利浦电子发布的可变焦液体镜头系统FluidFocus,法国Varioptic公司推出的Arctic320和Arctic416两款液体透镜。

　　根据工作原理以及透镜结构的不同,目前实现液体透镜的方式大致可分为四大类:1)通过液泵装置注入或抽吸透镜内的液体,从而改变弹性薄膜曲率半径,达到变焦的目的[1]; 2)基于电湿效应(EWOD)的双液体透镜,通过调节外加电压改变透镜腔体内两种液体间界面的面形,从而改变透镜的焦距[2];3)基于聚合物分散液晶(PDLC)的透镜,利

　　用聚合物分散液晶材料的电控折变性质来实现变焦[3,4];4)利用热梯度改变透镜焦距的晶体调焦技术[5]。其中,采用机械方法对腔体内液体加压,通过液体在腔体内的重新分布,改变腔体表面透明弹性薄膜的曲率半径,从而实现变焦的此类透镜,具有驱动功耗小,易于制造,透镜口径大小灵活等优点,尤其可以通过合理选择不同折射率液体,实现大的变焦范围,具有很大优势。缺点在于口径大时,对振动和重力的影响较为敏感[6]。本文将对此类透镜进行研究。

　　1　可调焦液态透镜的设计

　　本文设计的变焦透镜结构如图1(a)所示。腔体上表面的透明弹性薄膜和下表面的光学平板玻璃将一定体积的液体封装在圆柱形空腔内。空腔的一侧有一小孔,可供液体流通。当液体经小孔注入空腔时,弹性薄膜向腔外膨胀,形成凸透镜,如图1(b)所示;当液体经小孔抽出空腔时,弹性薄膜向腔内膨胀,形成凹透镜,如图1(c)所示。

　　在本实验中,弹性薄膜选用热硫化硅胶薄膜(HTV),厚度为0.1mm。圆柱形空腔的底面直径为40.00mm,高为8mm。液体选取了折射率为n=1.3333的纯水和n=1.4750的甘油。注入纯水的透镜称为“水透镜”,注入甘油的透镜称为“油透镜”。

　　当硅胶薄膜向腔外凸出形成凸透镜时,液态透镜可近似当作一个“球缺”。图2表示凸透镜的截面图,设透镜的曲率半径为R,透镜孔径的半径为r,球缺的高度为H。

　　球缺的体积V可用积分的方法求出[7]

　　由于本实验中透镜厚度比其球面曲率半径小得多,可将透镜按空气中的薄透镜模型考虑。对于薄透镜,曲率半径f与透镜材料折射率n的关系是f