一种变焦透镜的研制及实用案例

张友华

（松陵第一中学，江苏 苏州 215200）

1 “旋进挤压式变焦透镜”所属的技术领域和背景

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要.在当前的中学物理光学教学中，尚没有相关的变焦透镜的器材配置的国家标准，形成我们实验器材上的一个空白.为此，研制适应于中学物理光学教学用的变焦透镜就变得非常必要和有意义.

“旋进挤压式变焦透镜”是针对一项教学实验用光学变焦透镜，具体是一种采用旋进挤压的方式，使透明胶体或透明液体在腔体内的分布发生改变，从而实现变焦.

精密光学技术领域里实现透明胶体或液体可变焦通常有2种方法，分别为基于透明胶体或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.基于透明胶体或液体折射率变化的可变焦透镜，主要是通过改变透明胶体或液体的折射率，通过使其产生梯度变化来实现连续变焦.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，主要是将两种互不相溶的透明胶体或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，继而改变两种透明胶体或液体界面的表面曲率，从而实现变焦，该种透明胶体或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.以上两种方式制作技术难度大.迄今为止，尚未见到将该上述两项技术直接应用于教学实验的报道.

目前，实现教学实验用透明胶体或透明液体可变焦通常的方法是，基于填充透明胶体或液体表面曲率变化的可变焦透镜，采用腔体外注射的方式改变腔体内胶体或液体的体积，通过胶体或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.该种方法具有易于制造，透镜口径大小灵活等优点，缺点在于对振动及重力的影响较为敏感，胶体或液体内容易混入气泡，透镜成像失真度大，制作技术及操作难度大.

2 “旋进挤压式变焦透镜”解决其技术问题所采用的技术方案

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.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.

为了克服现有的变焦透镜成像失真度大，制作技术及操作难度大的不足，“旋进挤压式变焦透镜”提供一种旋进挤压式变焦方式，该旋进挤压式变焦透镜结构简单合理，操作简便，成像失真度小.

“旋进挤压式变焦透镜”为一腔体结构，其外管（内螺纹管）内放置固定一层透明光学玻璃平板，内管（外螺纹管）上表面固定一层透明薄膜.

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，利用内管（外螺纹管）在外管（内螺纹管）通过螺纹的旋进挤压，在保证腔体内透明胶体或透明液体体积不变的条件下，通过透明胶体或透明液体在腔体内的重新分布，改变腔体内可变形薄膜的曲率半径，从而实现透镜变焦.

“旋进挤压式变焦透镜”在教学中的有益效果是利于开展科学探究性实验，结构简单合理，便于操作，成像失真度小；同时“旋进挤压式变焦透镜”在制作上选取材容易（主要部分腔体可采用PVC排水拧紧管等），有利于教学实验的制作利用，实验的拓展性强.

3 “旋进挤压式变焦透镜”附图说明

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3种规格的液体可变焦透镜有效口径D1＝45mm，D2＝35mm，D3＝28mm，旋进挤压式变焦透镜设计制作完成后的实物如图1所示.

图1

图2

图2是本实用新型“旋进挤压式变焦透镜”全剖面结构剖视图.

4 “旋进挤压式变焦透镜”具体实施方式

“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，应用时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.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，

式中R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.

下面通过实例对“旋进挤压式变焦透镜”作进一步描述.

例1：让平行光透过旋进挤压式变焦透镜，可观察到此变焦透镜对光线的会聚作用.

例2：让平行光透过旋进挤压式变焦透镜，透镜前置一光屏，调节光屏位置直至光屏上呈现一个最小最亮的光点，即为透镜的焦点，测出焦距.

例3：让平行光透过旋进挤压式变焦透镜.旋进内管改变焦距，如前述方法进行变焦焦点确认和焦距测量.

例4：旋进挤压式变焦透镜管口一侧置一点燃的蜡烛，另一侧置一光屏，通过调节蜡烛、光屏的位置，观察透镜成像情况.

例5：旋进挤压式变焦透镜管口一侧置一点燃的蜡烛，另一侧置一光屏，观察透镜成像情况.本例可实验凸透镜成像、通过变焦进行近视眼远视眼的模拟实验以及视力缺陷的调节实验.

例6：旋进挤压式变焦透镜可调整相机系统离焦.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.

自制创新教具“旋进挤压式变焦透镜”并不限于上述实施方式，由于“旋进挤压式变焦透镜”结构简单合理，实验效果明显，选材容易，易于规模生产，教学实验需求量大.