旋进挤压式变焦透镜项目设计研究报告

■张友华

实验检测结果表明：旋进挤压式变焦透镜由旋进挤压方式控制透明胶体或透明液体表面曲率发生变化使透镜焦距变化、焦距变化量与设计预期相吻合；将该液体透镜置于普通定焦数码相机前，能调整系统离焦量，实现变焦拍摄，并得到了较好的成像效果。

旋进挤压式变焦透镜是笔者研制的一种基于仿生学思路，当PVC管中腔体内的透明胶体或透明液体经挤压后凸起而成为凸透镜的一种设计，利用旋进挤压的方式改变透明胶体或透明液体的凸起程度，也就是凸透镜的曲率发生改变，从而使凸透镜的焦距发生变化。该透镜具有变焦能力强、变焦平滑、质量小、结构简单、成本低廉、制作容易等特点，在现代光学仪器和学校物理教学中有广泛的应用前景。

1 旋进挤压式变焦透镜项目的背景和改进的基本思路

长期以来，可变焦光学透镜已广泛地应用于各种场合，尤其是学校实验教学，而变焦的实现，通常是在光路中加入一些较为复杂的组件。因此，要使镜头具有大的变焦能力，就必须有足够的空间和较高的技术手段，这就使得传统变焦光学系统往往存在体积大、结构复杂、镜头易磨损、使用寿命较低等缺点，很难适应目前仪器结构发展的需求，难以满足学校实验教学的需求。

人眼具有极强的调节能力，其变焦是通过睫状肌收缩与松弛，调节晶状体的曲率变化实现的，如图1所示，据此提出的仿生学液体可变焦透镜，可以不采用任何复杂的组件，具有变焦能力强、变焦平滑、体积小、质量轻、结构简单、成本低廉、加工容易等特点，可被大量使用于一些新型传感器及系统中，用来调节像质，提高放大率等，在信息技术、工业生产、医疗卫生、军事国防以及空间技术等方面具有很好的应用前景。

2 旋进挤压式变焦透镜的分类

实现液体可变焦通常有3种方法，分别为：基于液体折射率变化的可变焦透镜，基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜，基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜。

基于液体折射率变化的可变焦透镜，主要是通过改变液体的折射率，通过使其产生梯度变化来实现连续变焦，例如液晶微变焦透镜，通过改变施加的电压调节液晶折射率，从而实现对透镜焦距的控制。这种微型透镜易于实现阵列化，但焦距可调范围较小，并且由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。

基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜，主要是将2种互不相溶的液体注入一个透明腔体，其中一种为电活性液体，一种为绝缘体，利用外加电压改变电润湿介质与绝缘层间的接触角，继而改变2种液体界面的表面曲率，从而实现变焦，该种液体可变焦透镜具有响应时间短、变焦范围广、无机械可动部件、集成性能好等优点，但很难实现大口径可变焦透镜。

基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜，采用机械方式对腔体内液体加压，通过液体在腔体内的重新分布，改变腔体表面透明可变形薄膜的曲率半径，从而改变透镜焦距。该种方法具有驱动功耗小、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，对振动及重力的影响较为敏感，制作技术难度大。

3 旋进挤压式变焦透镜基本原理

旋进挤压式变焦透镜采用旋进挤压的方式，使透明胶体或透明液体在PVC管中腔体内的分布发生改变，从而实现变焦，腔体结构其外管（内缧纹管）下表面为一层透明光学玻璃平板如图2所示，内管（外缧纹管）上表面固定有一层透明弹性薄膜如图3所示，将具有一定折射率的适量的透明胶体或透明液体充入腔体，利用旋进挤压，在保证液体体使积不变的条件下，使得透镜表面曲率半径发生变化，实现透镜焦距的变化如图4所示。

当旋动内管时，若将透镜按空气中的薄透镜模型考虑，曲率半径与透镜光焦度有如下关系：Ø=1/f=n-1/R。R是是透镜上表面的曲率半径，f是透镜的焦距，n为所选液体的折射率，由上式可见，所选液体的折射率越大，在曲率半径改变相同的情况下，透镜的光焦度越大，折光能力越强。

4 旋进挤压式变焦透镜实验与结果

按照上述原理，我们进行了旋进挤压式变焦透镜的加工设计，设计中旋进挤压式变焦透镜主要腔体材料选取是身边最为常见的PVC水管的拧紧管（也可用注塑技术进行加工），成本极为低廉，选取了目前常见的有机透明薄膜材料——热塑性聚氨酯弹性体（可用避孕套薄膜），该材料具有硬度范围宽、弹性好耐磨、耐油、透明、加工性能好等优点。液体选择了水（N＝1.3333）和水晶蜡（N＝1.5148），制作的三种规格的液体可变焦透透镜有效通光口径D1＝45 mm，D2＝35 mm，D3＝28 mm，旋进挤压式变焦透镜设计制作完成后的实物如图5所示。

对制作的旋进挤压式变焦透镜进行了教学用测试实验，旋进挤压时透镜的焦距发生变化，实际测试实验的结果与设计预期符合得很好，具有很强的变焦能力，图6是物理光学教学用测试实验的设计图。

为了更进一步地说明液旋进挤压式变焦透镜的变焦成像效果，我们以调整相机系统离焦为例。以普通定焦数码相机常用的三片式结构为例，该系统有效焦距f=6 mm，当物距从无穷远到750 mm成像时最佳像面位置会发生偏移即离焦，从而造成像的清晰度下降。通常只能通过减小系统相对孔径来提高景深，将液体透镜加在该普通定焦照相系统的前端，由于单个元件表面曲率变化会引起系统像差及离焦量发生变化，通过系统像差平衡设计及控制液体透镜表面曲率半径，可有效调整系统离焦量。

5 旋进挤压式变焦透镜创新点或改进点

旋进挤压式变焦透镜的创新点在于旋进挤压简便，易于制造，结构简单，设计精巧，变焦范围大，变焦平滑，透镜口径大小灵活，成像质量良好。

6 旋进挤压式变焦透镜的使用情况和进一步完善的设想

目前经过推介，旋进挤压式变焦透镜已在全国和省内部分学校内使用，经过教学实际的检验和江苏省、苏州市、吴江市相关专家的研讨，一致认为，能满足于现有学校物理光学实验教学，实验效果好，能完成所涉的中学物理光学变焦实验，功能性强、拓展性强。由于设计上经过精心而细仔的考虑，在自制细节上体现了“以人为本”“以教师为本”的思想，使教师在使用这套器材操作时，得以使优良的教态和形象的确立，简练、从容、洒脱，有较高的开发价值，推广前景看好。

7 结论

利用该种方法制作的旋进挤压式变焦透镜具有取材容易、易于制造、结构小巧、变焦范围大、透镜口径大小灵活、成像质量良好、操作简便等优点，极易在教学中推广使用。在信息技术、工业生产、医疗卫生、军事国防以及空间技术等方面都具有很好的应用前景。