■張友華

實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果表明：旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡由旋進(jìn)擠壓方式控制透明膠體或透明液體表面曲率發(fā)生變化使透鏡焦距變化、焦距變化量與設(shè)計(jì)預(yù)期相吻合；將該液體透鏡置于普通定焦數(shù)碼相機(jī)前，能調(diào)整系統(tǒng)離焦量，實(shí)現(xiàn)變焦拍攝，并得到了較好的成像效果。

旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡是筆者研制的一種基于仿生學(xué)思路，當(dāng)PVC管中腔體內(nèi)的透明膠體或透明液體經(jīng)擠壓后凸起而成為凸透鏡的一種設(shè)計(jì)，利用旋進(jìn)擠壓的方式改變透明膠體或透明液體的凸起程度，也就是凸透鏡的曲率發(fā)生改變，從而使凸透鏡的焦距發(fā)生變化。該透鏡具有變焦能力強(qiáng)、變焦平滑、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制作容易等特點(diǎn)，在現(xiàn)代光學(xué)儀器和學(xué)校物理教學(xué)中有廣泛的應(yīng)用前景。

1 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡項(xiàng)目的背景和改進(jìn)的基本思路

長期以來，可變焦光學(xué)透鏡已廣泛地應(yīng)用于各種場合，尤其是學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而變焦的實(shí)現(xiàn)，通常是在光路中加入一些較為復(fù)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(shù)手段，這就使得傳統(tǒng)變焦光學(xué)系統(tǒng)往往存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鏡頭易磨損、使用壽命較低等缺點(diǎn)，很難適應(yīng)目前儀器結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求，難以滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

人眼具有極強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，其變焦是通過睫狀肌收縮與松弛，調(diào)節(jié)晶狀體的曲率變化實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，據(jù)此提出的仿生學(xué)液體可變焦透鏡，可以不采用任何復(fù)雜的組件，具有變焦能力強(qiáng)、變焦平滑、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、加工容易等特點(diǎn)，可被大量使用于一些新型傳感器及系統(tǒng)中，用來調(diào)節(jié)像質(zhì)，提高放大率等，在信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事國防以及空間技術(shù)等方面具有很好的應(yīng)用前景。

2 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的分類

實(shí)現(xiàn)液體可變焦通常有3種方法，分別為：基于液體折射率變化的可變焦透鏡，基于介質(zhì)上電潤濕流體接觸角變化的可變焦透鏡，基于填充液體表面曲率變化的可變焦透鏡。

基于液體折射率變化的可變焦透鏡，主要是通過改變液體的折射率，通過使其產(chǎn)生梯度變化來實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦，例如液晶微變焦透鏡，通過改變施加的電壓調(diào)節(jié)液晶折射率，從而實(shí)現(xiàn)對透鏡焦距的控制。這種微型透鏡易于實(shí)現(xiàn)陣列化，但焦距可調(diào)范圍較小，并且由于液晶在電場中的非均勻性會(huì)造成較大的光學(xué)失真。

基于介質(zhì)上電潤濕流體接觸角變化的可變焦透鏡，主要是將2種互不相溶的液體注入一個(gè)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(zhì)與絕緣層間的接觸角，繼而改變2種液體界面的表面曲率，從而實(shí)現(xiàn)變焦，該種液體可變焦透鏡具有響應(yīng)時(shí)間短、變焦范圍廣、無機(jī)械可動(dòng)部件、集成性能好等優(yōu)點(diǎn)，但很難實(shí)現(xiàn)大口徑可變焦透鏡。

基于填充液體表面曲率變化的可變焦透鏡，采用機(jī)械方式對腔體內(nèi)液體加壓，通過液體在腔體內(nèi)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。該種方法具有驅(qū)動(dòng)功耗小、易于制造、透鏡口徑大小靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其可以通過合理選擇不同折射率液體，實(shí)現(xiàn)大的變焦范圍，具有很大優(yōu)勢。缺點(diǎn)在于口徑大時(shí)，對振動(dòng)及重力的影響較為敏感，制作技術(shù)難度大。

3 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡基本原理

旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡采用旋進(jìn)擠壓的方式，使透明膠體或透明液體在PVC管中腔體內(nèi)的分布發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)變焦，腔體結(jié)構(gòu)其外管（內(nèi)縲紋管）下表面為一層透明光學(xué)玻璃平板如圖2所示，內(nèi)管（外縲紋管）上表面固定有一層透明彈性薄膜如圖3所示，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(jìn)擠壓，在保證液體體使積不變的條件下，使得透鏡表面曲率半徑發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)透鏡焦距的變化如圖4所示。

當(dāng)旋動(dòng)內(nèi)管時(shí)，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(guān)系：?=1/f=n-1/R。R是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(qiáng)。

4 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

按照上述原理，我們進(jìn)行了旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的加工設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中旋進(jìn)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(shù)進(jìn)行加工），成本極為低廉，選取了目前常見的有機(jī)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(yōu)點(diǎn)。液體選擇了水（N＝1.3333）和水晶蠟（N＝1.5148），制作的三種規(guī)格的液體可變焦透透鏡有效通光口徑D1＝45 mm，D2＝35 mm，D3＝28 mm，旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡設(shè)計(jì)制作完成后的實(shí)物如圖5所示。

對制作的旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡進(jìn)行了教學(xué)用測試實(shí)驗(yàn)，旋進(jìn)擠壓時(shí)透鏡的焦距發(fā)生變化，實(shí)際測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期符合得很好，具有很強(qiáng)的變焦能力，圖6是物理光學(xué)教學(xué)用測試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)圖。

為了更進(jìn)一步地說明液旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的變焦成像效果，我們以調(diào)整相機(jī)系統(tǒng)離焦為例。以普通定焦數(shù)碼相機(jī)常用的三片式結(jié)構(gòu)為例，該系統(tǒng)有效焦距f=6 mm，當(dāng)物距從無窮遠(yuǎn)到750 mm成像時(shí)最佳像面位置會(huì)發(fā)生偏移即離焦，從而造成像的清晰度下降。通常只能通過減小系統(tǒng)相對孔徑來提高景深，將液體透鏡加在該普通定焦照相系統(tǒng)的前端，由于單個(gè)元件表面曲率變化會(huì)引起系統(tǒng)像差及離焦量發(fā)生變化，通過系統(tǒng)像差平衡設(shè)計(jì)及控制液體透鏡表面曲率半徑，可有效調(diào)整系統(tǒng)離焦量。

5 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn)

旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的創(chuàng)新點(diǎn)在于旋進(jìn)擠壓簡便，易于制造，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)精巧，變焦范圍大，變焦平滑，透鏡口徑大小靈活，成像質(zhì)量良好。

6 旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡的使用情況和進(jìn)一步完善的設(shè)想

目前經(jīng)過推介，旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡已在全國和省內(nèi)部分學(xué)校內(nèi)使用，經(jīng)過教學(xué)實(shí)際的檢驗(yàn)和江蘇省、蘇州市、吳江市相關(guān)專家的研討，一致認(rèn)為，能滿足于現(xiàn)有學(xué)校物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)效果好，能完成所涉的中學(xué)物理光學(xué)變焦實(shí)驗(yàn)，功能性強(qiáng)、拓展性強(qiáng)。由于設(shè)計(jì)上經(jīng)過精心而細(xì)仔的考慮，在自制細(xì)節(jié)上體現(xiàn)了“以人為本”“以教師為本”的思想，使教師在使用這套器材操作時(shí)，得以使優(yōu)良的教態(tài)和形象的確立，簡練、從容、灑脫，有較高的開發(fā)價(jià)值，推廣前景看好。

7 結(jié)論

利用該種方法制作的旋進(jìn)擠壓式變焦透鏡具有取材容易、易于制造、結(jié)構(gòu)小巧、變焦范圍大、透鏡口徑大小靈活、成像質(zhì)量良好、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，極易在教學(xué)中推廣使用。在信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事國防以及空間技術(shù)等方面都具有很好的應(yīng)用前景。