本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，属于光学透镜技术领域。本发明主要由前透镜、平板玻璃和后透镜组成。前透镜包括前透镜腔、前液体注入控制器、前液体通道和前液体。后透镜包括后透镜腔、后液体注入控制器和后液体通道和后液体。通过控制前透镜腔中前液体的体积，利用前液体自身表面张力作用实现前透镜中前液面变形。通过控制后透镜腔中后液体的体积，并利用后液体自身表面张力实现后透镜中后液面变形。通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制前透镜、后透镜液面变形，通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜变焦。本发明具有体积小、重量轻、成本低、变焦速度快和变焦精度高等优点。
1.基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，其特征在于：主要由前透镜(1)、平板玻璃(2)和后透镜(3)组成；所述前透镜包括前透镜腔(4)、前液体注入控制器(5)、前液体通道(6)和微量的前液体(7)；所述后透镜包括后透镜腔(8)、后液体注入控制器(9)和后液体通道(10)和微量的后液体(11)；通过前液体通道(6)向前透镜腔(4)中注入或抽出前液体(7)，通过控制前透镜腔(4)中前液体(7)的体积，并利用前液体(7)自身表面张力作用实现前透镜(1)中前液面(12)变形；通过后液体通道(10)向后透镜腔(8)中注入或抽出后液体(11)，通过控制后透镜腔(8)中后液体(11)的体积，并利用后液体(11)自身表面张力实现后透镜(3)中后液面(13)变形；通过控制前透镜腔(4)、后透镜腔(8)中液面变形进而实现控制前透镜(1)、后透镜(3)液面变形，通过控制前透镜(1)、后透镜(3)液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现液膜透镜变焦。
2.如权利要求1所述的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，其特征在于：通过控制前透镜腔(4)、后透镜腔(8)中液面变形进而实现控制前透镜(1)、后透镜(3)液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
3.如权利要求1或2所述的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，其特征在于：
通过控制前透镜腔(4)、后透镜腔(8)中液面变形进而实现控制前透镜(1)、后透镜(3)液面变形，控制前透镜(1)、后透镜(3)液面变形调节方法如下，步骤一：建立液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程；
液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程，如公式(1)所示,
其中，x是液面上点的横坐标，z是液面上点的纵坐标，R是原点处曲率半径，γ是液体表面张力系数，ρ是液体密度，g是重力加速度；液体体积大于腔体体积时，取+；液体体积小于腔体体积时，取-号；
其中,V是液体体积,h1是液体表面的失高；D是前透镜腔和后透镜腔的腔体内径，h是前透镜腔和后透镜腔的腔体厚度；液体体积大于腔体体积时，取“+”；液体体积小于腔体体积时，取“-”号；
步骤三：根据步骤一建立的液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和步骤二建立的注入液体体积方程，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系；
将公式(1)和(2)联合，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系；
步骤四：利用步骤三得到的液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系，根据偶次非球面面型表达式对纵坐标z与横坐标x的对应关系进行拟合，得到液面变形偶次非球面解；
使用偶次非球面对液面变形的轮廓进行拟合，通过拟合结果得到透镜焦距；偶次非球面面型表达式如公式(3)所示；
其中，c为顶点曲率，k为圆锥曲面常数，Am为非球面系数；
步骤五：根据步骤一至四建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦；
联立公式(1)、(2)、(3)建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
4.如权利要求1或2所述的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，其特征在于：
基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，属于光学透镜技术领域。
背景技术
[0002] 传统固体材料光学系统，采用改变透镜间距的方式实现变焦，但该变焦方法需要凸轮机构进行变焦轨迹控制，其实现相对复杂，且体积和重量大，同时由于机械配合存在间隙等因素导致变焦结果存在误差。同时，液体变焦透镜由于加工工艺和变焦实现方式的限制，其透镜腔体仍需要保留一定的厚度以满足加工和变焦的需求。所以采用液体透镜难以进一步减小透镜体积。同时，液体透镜通常制造工艺复杂，成本较高。
发明内容
[0003] 为克服传统固体透镜和液体透镜结构复杂、成本较高、变焦过程存在误差等缺点。本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜要解决的技术问题为：通过控制注入液膜透镜中的微量液体的体积，利用液体自身表面张力的作用，实现液膜透镜表面的弯曲变形，进而实现超薄液膜透镜变焦，具有体积小、重量轻、成本低、变焦速度快和变焦精度高等优点。
[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005] 本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，主要由前透镜、平板玻璃和后透镜组成。所述前透镜包括前透镜腔、前液体注入控制器、前液体通道和前液体。所述后透镜包括后透镜腔、后液体注入控制器和后液体通道和后液体。通过前液体通道向前透镜腔中注入或抽出前液体，通过控制前透镜腔中前液体的体积，并利用前液体自身表面张力作用实现前透镜中前液面变形。通过后液体通道向后透镜腔中注入或抽出后液体，通过控制后透镜腔中后液体的体积，并利用后液体自身表面张力实现后透镜中后液面变形。通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制前透镜、后透镜液面变形，通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现液膜透镜变焦。
[0006] 通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制前透镜、后透镜液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
[0007] 通过控制前透镜腔、后透镜腔中液面变形进而实现控制前透镜、后透镜液面变形，控制前透镜、后透镜液面变形调节方法如下：
[0008] 步骤一：建立液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程。
[0009] 液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程，如公式(1)所示,[0010]
[0011] 其中，x是液面上点的横坐标，z是液面上点的纵坐标，R是原点处曲率半径，γ是液体表面张力系数，ρ是液体密度，g是重力加速度。液体体积大于腔体体积时，取+；液体体积小于腔体体积时，取-号。
[0012] 步骤二：建立注入液体体积方程。
[0013] 液体体积如公式(2)所示
[0014]
[0015] 其中,V是液体体积,h1是液体表面的失高。液体体积大于腔体体积时，取“+”；液体体积小于腔体体积时，取“-”号。
[0016] 步骤三：根据步骤一建立的液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和步骤二建立的注入液体体积方程，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系。
[0017] 将公式(1)和(2)联合，得到液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系。
[0018] 步骤四：利用步骤三得到的液面上任一点纵坐标z与横坐标x的对应关系，根据偶次非球面面型表达式对纵坐标z与横坐标x的对应关系进行拟合，得到液面变形偶次非球面解。
[0019] 使用偶次非球面对液面变形的轮廓进行拟合，通过拟合结果得到透镜焦距。偶次非球面面型表达式如公式(3)所示。
[0020]
[0021] 其中，c为顶点曲率，k为圆锥曲面常数，Am为非球面系数。
[0022] 步骤五：根据步骤一至四建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
[0023] 联立公式(1)、(2)、(3)建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
[0024] 作为优选，通过改变注入的液体种类进一步增加变焦调节手段。
[0025] 有益效果：
[0026] 1、本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，通过液体通道向前、后透镜腔中注入或抽出液体，通过控制前、后透镜腔中液体的体积，实现透镜前、后液面变形，通过控制透镜前、后液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
[0027] 2、本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，液膜透镜通过控制注入液体腔中的微量液体的体积，利用液体自身表面张力的作用，实现液体表面的弯曲变形，由于液膜透镜借助表面张力作用产生液面变形，无需施加外力，因此能够极大地降低透镜加工难度、减小透镜体积、降低成本。
[0028] 3、本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，基于液滴表面受重力和表面张力作用产生变形的微分方程和注入液体体积方程建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型，即通过控制前透镜、后透镜液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
[0029] 4、本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，液膜透镜所形成的液膜表面仅依赖表面张力作用产生变形，其不受外界因素的干扰，能够实现高变焦精度。
[0030] 5、本发明公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，通过改变注入的液体种类进一步增加变焦调节手段，使变焦光学系统具有更大的应用灵活性。
附图说明
[0031] 图1为本发明实施例的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜图；
[0032] 图2为本发明实施例中液滴受力变形图，图2a为前透镜中液滴受力变形图，图2b为后透镜中液滴受力变形图。
[0033] 图3为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝-98.5405时的成像光路图；
[0034] 图4为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝-17.4534时的成像光路图
[0035] 图5为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝-5.3664时的成像光路图
[0036] 图6为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝6.2737时的成像光路图
[0037] 图7为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝17.4534时的成像光路图
[0038] 图8为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝20.2597时的成像光路图
[0039] 图9为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝4574.19时的成像光路图
[0040] 图10为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝6015.64时的成像光路图
[0041] 图11为本发明实施例中基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距f’＝∞时的成像光路图。
[0042] 其中：1-前透镜、2-平板玻璃、3-后透镜、4-前透镜腔、5-前液体注入控制器、6-前液体通道、7-前液体、8-后透镜腔、9-后液体注入控制器、10-后液体通道、11-后液体、12-前液面、13-后液面。
具体实施方式
[0043] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的就似乎方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 如图1所示，本实施例公开的基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜，主要由前透镜1、平板玻璃2和后透镜3组成。所述前透镜包括前透镜腔4、前液体注入控制器5、前液体通道6和前液体7。所述后透镜包括后透镜腔8、后液体注入控制器9和后液体通道10和后液体11。通过前液体通道6向前透镜腔4中注入或抽出前液体7，通过控制前透镜腔4中前液体7的体积，并利用前液体7自身表面张力作用实现前透镜1中前液面12变形。通过后液体通道10向后透镜腔8中注入或抽出后液体11，通过控制后透镜腔8中后液体11的体积，并利用后液体11自身表面张力实现后透镜3中后液面13变形。通过控制前透镜腔4、后透镜腔8中液面变形进而实现控制前透镜1、后透镜3液面变形，通过控制前透镜1、后透镜3液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现单个液膜透镜变焦。
[0045] 本实施例中，前透镜腔4和后透镜腔8的腔体内径D＝5mm，腔体厚度h＝1mm；前液体7和后液体11的液体材料为水，水的表面张力γ＝72mN/m,水密度ρ＝1g/ml，水的折射率n＝
1.333；平板玻璃2为K9玻璃，厚度为0.15mm。
[0046] 联立公式(1)、(2)、(3)建立液体体积V与偶次非球面面型的关系，计算得到前透镜1和后透镜3在不同液体注入量下，前液面12和后液面13非球面变形如表1所示。通过改变注入液体体积V，调节液体表面偶次非球面面型。
[0047] 表1基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜非球面拟合结果
[0048] (a)前液面
[0049]
[0050]
[0051] (b)后液面
[0052]
[0053] 通过控制前透镜1、后透镜3液面变形组合，实现液膜透镜焦距改变，进而实现液膜透镜变焦。
[0054] 设定物距为l＝50mm，物高2y＝10mm。使用ZEMAX软件仿真得到在不同液体注入量下，基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜焦距和放大倍率如表2所示。
[0055] 基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜在不同焦距下的光路，如图3-图11所示。通过控制前透镜腔4、后透镜腔7中液面变形进而实现控制前透镜1、后透镜2液面变形，所述液面变形包括液面的凹、凸变形，根据单个液膜透镜变焦需求，液膜透镜能够实现双凹、双凸、平凸、平凹、凹凸透镜形式，从而使液膜透镜在正、负透镜间进行变化，具有更大的焦距变化范围。
[0056] 表2基于液体表面张力效应的超薄液膜变焦透镜光学参数
[0057]
[0058] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
