一种可更换液体光学介质的变焦透镜及变焦方法与流程

1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种可更换液体光学介质的变焦透镜及变焦方法。


背景技术：

2.透镜作为一种基础的光学元件，已经在科研、工业、军事和生活等领域中得到了非常广泛的应用，如，光学研究、天体观测、显微镜、通讯、摄影等。对于具有特定折射率(n)的固体光学材料，如，玻璃和聚合物等，制备的透镜，其焦距为固定值。在透镜的使用过程中物与透镜之间的距离(物距)改变，会引起像与透镜之间距离(像距)的相应变动，为了利用透镜得到清晰的图像，需要调整透像距，使得到清晰的图像。利用多个不同折射率的透镜组成的透镜组系统焦距的改变也需要复杂精细的透镜见距离的调整。
3.空间及位置受限的透镜只能探测有限像距处的物理参量，其有效观测范围具有极大的限制性。依靠透镜组中多个不同焦距的透镜间距的调整改变焦距则较为复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可更换液体光学介质的变焦透镜及变焦方法，该变焦透镜结构简单，操作方便，造价低，可以有效地增强使用该透镜设备的观测和调焦范围。
5.实现本发明目的的技术方案：
6.一种可更换液体光学介质的变焦透镜，所述变焦透镜包括：透镜外壳、光学介质、介质进/排液阀门组和空气排出阀门，透镜外壳内为空心腔体，在透镜外壳的下方边缘安装介质进/排液阀门组，在透镜外壳的上边缘安装空气排出阀门，空心腔体内充满光学介质。
7.所述变焦透镜还包括压力传感器，压力传感器安装在透镜外壳的下方边缘。
8.所述光学介质包括液体光学介质或气体光学介质。
9.所述透镜外壳的内表面喷涂光学亲水基材料。
10.所述光学介质注入的透镜空心腔体的速度为小于等于1分钟注满透镜空心腔体。
11.与介质进/排液阀门组相连的介质容器为恒温容器。
12.所述透镜外壳上方的压力传感器和透镜外壳下方的介质进/排液阀门组联合反馈，当压力传感器的压力值达到额定压力后，介质进/排液阀门组停止注入液体介质。
13.一种可更换液体光学介质的变焦透镜的变焦方法，所述方法包括以下步骤：
14.步骤1、采用有机溶剂对透镜空心腔体进行浸泡式清洗，然后从介质进/排液阀门组相空心腔体中通入干燥空气，并从空气排出阀门排出；
15.步骤2、当打开介质进/排液阀门组中的指定的某个进液阀门之后，将从阀门中缓慢向空心腔体中注入光学介质，空心腔体中的空气将从透镜上方的空气排出阀门溢出；
16.步骤3、当空心腔体中被充满光学介质之后，透镜上方的空气排出阀门4关闭；
17.步骤4、在透镜外壳下方的压力传感器上探测光学介质的压强，探测的光学介质的压强达到了设定的压力之后，介质进/排液阀门组关闭；
18.步骤5、当透镜空心腔体中充满折射率为ni的光学介质后，光学介质会依赖空心腔体内表面的形状而形成两边曲率半径分别为ρ1和ρ2固定几何形状的液体透镜。
19.所述步骤1中进行浸泡式清洗的有机溶剂为丙酮。
20.所述步骤1中通入干燥空气流速为20倍空腔体积/分钟，时间为1分钟。
21.本发明的有益技术效果在于：
22.1、本发明的一种可更换液体光学介质的变焦透镜通过单片透镜更换气体/液体光学介质，达到改变透镜焦距的目的，改变了传统地依靠多个(三个甚至三个以上)具有不同焦距的透镜组成的透镜组的空间位置改变来进行焦距改变的变焦方式，极大地简化了光学设备，降低了复杂光学仪器/系统的基本透镜单元的使用数量、复杂程度、重量和制造成本等
23.2、本发明的一种可更换液体光学介质的变焦透镜在精密且复杂的光学仪器应用该透镜，可以避免基本光学透镜单元的更换等繁琐的操作，节省了大量的人力和时间成本，并避免了拆装和更换等操作对精密仪器的伤害等。
24.3、本发明的一种可更换液体光学介质的变焦透镜结构简单，操作方便，造价低。扩大了透镜的探测范围，可以有效地增强使用该透镜设备的观测和调焦范围。
附图说明
25.图1为空腔透镜原理示意图；
26.图2为凸透镜关键几何参数示意图；
27.图3为凹透镜关键几何参数示意图；
28.图4为注入了不同液体光学介质的凸透镜对平行光的汇聚作用效果图；
29.图5为注入了不同液体光学介质的凹透镜对平行光的汇聚作用效果图。
30.图中：1、透镜外壳；2、光学介质；3、介质进/排液阀门组；4、空气排出阀门；5、压力传感器；6、透镜外表面i；7、透镜外表面ii。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
32.如图1所示，本发明提供的一种可更换液体光学介质的变焦透镜，变焦透镜由两个球面组合成的具有透镜形状但空心的腔体，即，空心透镜，包括：透镜外壳1、光学介质2、介质进/排液阀门组3、空气排出阀门4、压力传感器5，
33.透镜外壳1内为空心腔体，在透镜外壳1的下方边缘分别安装介质进/排液阀门组3和压力传感器5，在透镜外壳1的上边缘安装空气排出阀门4，空心腔体内充满光学介质2。光学介质2包括液体光学介质或气体光学介质。
34.透镜外壳1的内表面喷涂光学亲水基材料；光学介质2注入的透镜空心腔体的速度为小于等于1分钟注满透镜空心腔体；避免光学介质2注入后在透镜外壳1内表面产生气泡。
35.与介质进/排液阀门组3相连的介质容器为恒温容器；透镜外壳1上方的压力传感器5和透镜外壳1下方的介质进/排液阀门组3联合反馈，当压力传感器5的压力值达到额定压力后，介质进/排液阀门组3停止注入液体介质。
36.为了得到不同焦距f的透镜，可以向透镜空腔中填充具有不同折射率的液体光学
介质，如表1所示，从折射率n＝1.329的水到n＝1.741的二碘甲烷。
37.表1常见液体光学介质折射率表
38.俗称介质化学式折射率甲醇ch3oh1.3290水h2o1.3330乙醚c2h5oc2h51.3538丙醇c3h7oh1.3593乙醇c2h5oh1.3618煤油——1.4460三氯甲烷chcl31.4467四氯化碳ccl41.4607松节油——1.4721甘油c3h8o31.4730橄榄油——1.4763液体石蜡——1.4800苯c6h61.5012杉木油——1.5150二硫化碳cs21.6276二碘甲烷ch2i21.7410
39.对于直径为d、透镜外壳厚度为w。两侧的曲率半径分别为ρ1和ρ2的球面围成的空心腔体厚度为h且光学材料折射率为n的透镜，其焦距为一定值，即，
40.f＝f(n，ρ1，ρ1，h，w）
41.当透镜的几何参数固定之后，其焦距f只与制备透镜的光学介质的折射率n有关，即，f＝f(n)。对于被折射率为ni的液体光学介质充满后制备的透镜，其焦距(fi)为：
42.fi＝f(ni)
43.通过改变具有不同折射率ni的液体介质，可以得到具有不同焦距fi的液体透镜，其原理图和透镜结果如图1-3所示。
44.图2-3中，透镜外壳i的球面原心o1，透镜外壳i的曲率半径ρ1，透镜外壳ii的球面原心o2，透镜外壳ii的曲率半径ρ2，透镜外壳的厚度w，透镜的直径d，透镜液体介质部分的厚度h。
45.如图4-5所示，以使用厚度w＝1mm的厚的k9玻璃制成的两侧曲率半径ρ1＝80/-80mm，ρ2＝-80/80mm的空芯腔体厚度h＝6mm的凸透镜/凹透镜为例，当折射率n分别为1.329，1.501和1.741的甲醇、苯和二氯甲烷等光学介质注入形成的凸透镜/凹透镜的焦距f分别为122.95/-120.25mm，81.16/-78.50mm和55.16/-52.84mm。
46.采用本发明提供的一种可更换液体光学介质的变焦透镜进行透镜调焦的具体步骤如下：
47.为了保证前一次不与本次注入的液体光学介质混合，甚至发生化学反应，进而影响透镜的性能。需要在透镜中的前一种液体介质完全排出后，再注入丙酮，对透镜空腔进行5分钟的浸泡式清洗，清洗完毕将丙酮排出后，再从介质进/排液阀门组3的空气阀门中通入
流速为20倍空腔体积/分钟的干燥空气1分钟，并从透镜上方的空气排出阀门4排出，使丙酮彻底挥发。最终使透镜空腔达到较高的洁净度和干燥度。
48.当打开介质进/排液阀门组3中的指定的某个进液阀门之后，将从阀门中缓慢向空心腔体中注入光学介质2，空心腔体中的空气将从透镜上方的空气排出阀门4溢出。当空心腔体中被充满光学介质2之后，透镜上方的空气排出阀门4关闭。在透镜外壳1下方的压力传感器5上探测光学介质2的压强，探测的光学介质2的压强达到了设定的压力之后，介质进/排液阀门组3关闭。当透镜空心腔体中充满折射率为ni的光学介质2后，光学介质2会依赖空心腔体内表面的形状而形成两边曲率半径分别为ρ1和ρ2固定几何形状的液体透镜。
49.为了避免液体介质注入后在透镜内表面产生气泡需采取的措施有：(1)透镜的内表面喷涂光学亲水基材料；(2)通过丙酮浸泡式清洗以及干燥空气通风挥发的方式保持液体介质注入前透镜内表面的洁净度；(3)液体介质注入的透镜空腔的速度保持在小于等于(≤)1分钟注满透镜空降。
50.为了最小限度地减小环境因素对透镜性能产生的影响，如：液体介质充满透镜空腔之后要保证其温度和压力与前一种介质相同。透镜在尽量在恒温的环境下使用，并且与阀门组相连的液体介质容器为恒温容器；透镜上方的液体压力传感器和透镜下方的液体阀门组联合反馈，当压力传感器的压力值达到额定压力后，阀门组停止注入液体介质。
51.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。