旋進擠壓式變焦透鏡項目設計研究報告

■張友華

實驗檢測結果表明：旋進擠壓式變焦透鏡由旋進擠壓方式控制透明膠體或透明液體表面曲率發生變化使透鏡焦距變化、焦距變化量與設計預期相吻合；將該液體透鏡置于普通定焦數碼相機前，能調整系統離焦量，實現變焦拍攝，并得到了較好的成像效果。

旋進擠壓式變焦透鏡是筆者研制的一種基于仿生學思路，當PVC管中腔體內的透明膠體或透明液體經擠壓后凸起而成為凸透鏡的一種設計，利用旋進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生改變，從而使凸透鏡的焦距發生變化。該透鏡具有變焦能力強、變焦平滑、質量小、結構簡單、成本低廉、制作容易等特點，在現代光學儀器和學校物理教學中有廣泛的應用前景。

1 旋進擠壓式變焦透鏡項目的背景和改進的基本思路

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求。

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，如圖1所示，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。

2 旋進擠壓式變焦透鏡的分類

實現液體可變焦通常有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，通過使其產生梯度變化來實現連續變焦，例如液晶微變焦透鏡，通過改變施加的電壓調節液晶折射率，從而實現對透鏡焦距的控制。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2種互不相溶的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2種液體界面的表面曲率，從而實現變焦，該種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。

基于填充液體表面曲率變化的可變焦透鏡，采用機械方式對腔體內液體加壓，通過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。該種方法具有驅動功耗小、易于制造、透鏡口徑大小靈活等優點，尤其可以通過合理選擇不同折射率液體，實現大的變焦范圍，具有很大優勢。缺點在于口徑大時，對振動及重力的影響較為敏感，制作技術難度大。

3 旋進擠壓式變焦透鏡基本原理

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，腔體結構其外管（內縲紋管）下表面為一層透明光學玻璃平板如圖2所示，內管（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生變化，實現透鏡焦距的變化如圖4所示。

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：?=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。

4 旋進擠壓式變焦透鏡實驗與結果

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），制作的三種規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，旋進擠壓式變焦透鏡設計制作完成后的實物如圖5所示。

對制作的旋進擠壓式變焦透鏡進行了教學用測試實驗，旋進擠壓時透鏡的焦距發生變化，實際測試實驗的結果與設計預期符合得很好，具有很強的變焦能力，圖6是物理光學教學用測試實驗的設計圖。

為了更進一步地說明液旋進擠壓式變焦透鏡的變焦成像效果，我們以調整相機系統離焦為例。以普通定焦數碼相機常用的三片式結構為例，該系統有效焦距f=6 mm，當物距從無窮遠到750 mm成像時最佳像面位置會發生偏移即離焦，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。

5 旋進擠壓式變焦透鏡創新點或改進點

旋進擠壓式變焦透鏡的創新點在于旋進擠壓簡便，易于制造，結構簡單，設計精巧，變焦范圍大，變焦平滑，透鏡口徑大小靈活，成像質量良好。

6 旋進擠壓式變焦透鏡的使用情況和進一步完善的設想

目前經過推介，旋進擠壓式變焦透鏡已在全國和省內部分學校內使用，經過教學實際的檢驗和江蘇省、蘇州市、吳江市相關專家的研討，一致認為，能滿足于現有學校物理光學實驗教學，實驗效果好，能完成所涉的中學物理光學變焦實驗，功能性強、拓展性強。由于設計上經過精心而細仔的考慮，在自制細節上體現了“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，得以使優良的教態和形象的確立，簡練、從容、灑脫，有較高的開發價值，推廣前景看好。

7 結論

利用該種方法制作的旋進擠壓式變焦透鏡具有取材容易、易于制造、結構小巧、變焦范圍大、透鏡口徑大小靈活、成像質量良好、操作簡便等優點，極易在教學中推廣使用。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都具有很好的應用前景。