一種變焦透鏡的研制及實用案例

張友華

（松陵第一中學，江蘇 蘇州 215200）

1 “旋進擠壓式變焦透鏡”所屬的技術領域和背景

長期以來，可變焦光學透鏡已廣泛地應用于各種場合，尤其是學校實驗教學，而變焦的實現，通常是在光路中加入一些較為復雜的組件.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手段，這就使得傳統變焦光學系統往往存在體積大，結構復雜，鏡頭易磨損，使用壽命較低等缺點，很難適應目前儀器結構發展的需求，難以滿足學校實驗教學的需要.在當前的中學物理光學教學中，尚沒有相關的變焦透鏡的器材配置的國家標準，形成我們實驗器材上的一個空白.為此，研制適應于中學物理光學教學用的變焦透鏡就變得非常必要和有意義.

“旋進擠壓式變焦透鏡”是針對一項教學實驗用光學變焦透鏡，具體是一種采用旋進擠壓的方式，使透明膠體或透明液體在腔體內的分布發生改變，從而實現變焦.

精密光學技術領域里實現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、基于介質上電潤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，主要是通過改變透明膠體或液體的折射率，通過使其產生梯度變化來實現連續變焦.這種微型透鏡易于實現陣列化，但焦距可調范圍較小，并且由于液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真.基于介質上電潤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濕介質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，從而實現變焦，該種透明膠體或液體可變焦透鏡具有響應時間短，變焦范圍廣，無機械可動部件，集成性能好等優點，但很難實現大口徑可變焦透鏡.以上兩種方式制作技術難度大.迄今為止，尚未見到將該上述兩項技術直接應用于教學實驗的報道.

目前，實現教學實驗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膠體或液體的體積，通過膠體或液體在腔體內的重新分布，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點，缺點在于對振動及重力的影響較為敏感，膠體或液體內容易混入氣泡，透鏡成像失真度大，制作技術及操作難度大.

2 “旋進擠壓式變焦透鏡”解決其技術問題所采用的技術方案

人眼具有極強的調節能力，其變焦是通過睫狀肌收縮與松弛，調節晶狀體的曲率變化實現的.據此提出的仿生學液體可變焦透鏡，可以不采用任何復雜的組件，具有變焦能力強，變焦平滑，體積小，質量輕，結構簡單，成本低廉，加工容易等特點，可被大量使用于一些新型傳感器及系統中，用來調節像質，提高放大率等，在信息技術、工業生產、醫療衛生、軍事國防以及空間技術等方面具有很好的應用前景.

為了克服現有的變焦透鏡成像失真度大，制作技術及操作難度大的不足，“旋進擠壓式變焦透鏡”提供一種旋進擠壓式變焦方式，該旋進擠壓式變焦透鏡結構簡單合理，操作簡便，成像失真度小.

“旋進擠壓式變焦透鏡”為一腔體結構，其外管（內螺紋管）內放置固定一層透明光學玻璃平板，內管（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，利用內管（外螺紋管）在外管（內螺紋管）通過螺紋的旋進擠壓，在保證腔體內透明膠體或透明液體體積不變的條件下，通過透明膠體或透明液體在腔體內的重新分布，改變腔體內可變形薄膜的曲率半徑，從而實現透鏡變焦.

“旋進擠壓式變焦透鏡”在教學中的有益效果是利于開展科學探究性實驗，結構簡單合理，便于操作，成像失真度小；同時“旋進擠壓式變焦透鏡”在制作上選取材容易（主要部分腔體可采用PVC排水擰緊管等），有利于教學實驗的制作利用，實驗的拓展性強.

3 “旋進擠壓式變焦透鏡”附圖說明

按照上述原理，我們進行了旋進擠壓式變焦透鏡的加工設計，設計中旋進擠壓式變焦透鏡主要腔體材料選取是身邊最為常見的PVC水管的擰緊管（也可用注塑技術進行加工），成本極為低廉，選取了目前常見的有機透明薄膜材料—— 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、加工性能好等優點.液體選擇了水（n＝1.3333）和水晶蠟（n＝1.5148），制作的3種規格的液體可變焦透鏡有效口徑D1＝45mm，D2＝35mm，D3＝28mm，旋進擠壓式變焦透鏡設計制作完成后的實物如圖1所示.

圖1

圖2

圖2是本實用新型“旋進擠壓式變焦透鏡”全剖面結構剖視圖.

4 “旋進擠壓式變焦透鏡”具體實施方式

“旋進擠壓式變焦透鏡”采用旋進擠壓的方式，使透明膠體或透明液體在PVC管中腔體內的分布發生改變，從而實現變焦，應用時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生變化，實現透鏡焦距的變化.當旋動內管時，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，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.

下面通過實例對“旋進擠壓式變焦透鏡”作進一步描述.

例1：讓平行光透過旋進擠壓式變焦透鏡，可觀察到此變焦透鏡對光線的會聚作用.

例2：讓平行光透過旋進擠壓式變焦透鏡，透鏡前置一光屏，調節光屏位置直至光屏上呈現一個最小最亮的光點，即為透鏡的焦點，測出焦距.

例3：讓平行光透過旋進擠壓式變焦透鏡.旋進內管改變焦距，如前述方法進行變焦焦點確認和焦距測量.

例4：旋進擠壓式變焦透鏡管口一側置一點燃的蠟燭，另一側置一光屏，通過調節蠟燭、光屏的位置，觀察透鏡成像情況.

例5：旋進擠壓式變焦透鏡管口一側置一點燃的蠟燭，另一側置一光屏，觀察透鏡成像情況.本例可實驗凸透鏡成像、通過變焦進行近視眼遠視眼的模擬實驗以及視力缺陷的調節實驗.

例6：旋進擠壓式變焦透鏡可調整相機系統離焦.將液體透鏡加在該普通定焦照相系統的前端，由于單個元件表面曲率變化會引起系統像差及離焦量發生變化，通過系統像差平衡設計及控制液體透鏡表面曲率半徑，可有效調整系統離焦量.

自制創新教具“旋進擠壓式變焦透鏡”并不限于上述實施方式，由于“旋進擠壓式變焦透鏡”結構簡單合理，實驗效果明顯，選材容易，易于規模生產，教學實驗需求量大.