本發(fā)明涉及一種變焦成像系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于液體透鏡的超大變焦范圍的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

變焦成像系統(tǒng)逐漸發(fā)展并成為人類不可或缺的光學(xué)成像系統(tǒng)，它在軍事、娛樂(lè)、科研、教學(xué)、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的變焦成像系統(tǒng)都是基于機(jī)械移動(dòng)式實(shí)現(xiàn)焦距的改變，例如單反相機(jī)，但機(jī)械移動(dòng)式的變焦不利于設(shè)備小型化，同時(shí)成本也較高。因此，無(wú)機(jī)械移動(dòng)的變焦系統(tǒng)逐漸獲得關(guān)注。其中基于液體透鏡的變焦成像系統(tǒng)可以利用電壓的變化實(shí)現(xiàn)焦距的改變，因此，無(wú)需機(jī)械移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)變焦系統(tǒng)的小型化和輕量化。但是，由于液體透鏡的光焦度較小，所以變焦能力不足，目前的成像系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)較大范圍的光學(xué)變焦。例如，以三個(gè)液體透鏡組成的變焦成像系統(tǒng)為例，例如文章“Ultrathin zoom telescopic objective (Optics Express, Vol. 24, No. 16, pp18674-18684, 2016 )，該系統(tǒng)變焦范圍在~48mm到~65mm，也就是說(shuō)光學(xué)變焦僅~1.41×。這會(huì)大大限制變焦光學(xué)系統(tǒng)的使用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于液體透鏡的超大變焦范圍的成像系統(tǒng)。如附圖1所示，該系統(tǒng)包括：輔助透鏡組、液體透鏡I、液體透鏡II、液體透鏡III、前端半透半反鏡、后端半透半反鏡、前端反射鏡、后端反射鏡、照相通道液體光闌、望遠(yuǎn)通道液體光闌和光電成像器件。

入射光進(jìn)入本發(fā)明系統(tǒng)后由前端半透半反鏡、后端半透半反鏡和前端反射鏡、后端反射鏡分為兩條光通路，形成兩種主要的工作模式：大視場(chǎng)照相模式和小視場(chǎng)望遠(yuǎn)模式。

當(dāng)對(duì)液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III分別加不同的電壓，同時(shí)關(guān)閉望遠(yuǎn)通道液體光闌遮擋光線，打開(kāi)照相通道液體光闌通過(guò)光線，這時(shí)光電成像器件采集到直線通道的光線，形成大視場(chǎng)照相模式，如附圖2所示。由該通道形成的成像光路具有較短的焦距，視場(chǎng)較大，因此可以作為普通的照相機(jī)使用。在該模式下，液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III也具有一定的變焦能力，能夠?qū)崿F(xiàn)較小范圍內(nèi)的光學(xué)變焦功能，并能校正像差。

當(dāng)改變液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III的電壓，同時(shí)關(guān)閉照相通道液體光闌遮擋光線，打開(kāi)望遠(yuǎn)通道液體光闌通過(guò)光線，這時(shí)光電成像器件采集到經(jīng)過(guò)數(shù)次反射折疊光路后的光線，這時(shí)形成小視場(chǎng)望遠(yuǎn)模式，如附圖3所示。由該通道形成的成像光路具有較長(zhǎng)的焦距，視場(chǎng)較小，放大倍率也比較大，因此可以作為望遠(yuǎn)鏡使用。在該模式下，液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III也具有一定的變焦能力，在長(zhǎng)焦范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的光學(xué)變焦功能，也能校正像差。

這樣，本發(fā)明可以工作于兩種模式，每種模式都具有一定的變焦和校正像差的能力，兩種模式結(jié)合起來(lái)將獲得較大的光學(xué)變焦范圍。

優(yōu)選地，輔助透鏡組的材質(zhì)是玻璃、光學(xué)晶體或者塑料材質(zhì)，透鏡數(shù)量≥1個(gè)。

優(yōu)選地，液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III的驅(qū)動(dòng)方式是電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)、介電力驅(qū)動(dòng)或者機(jī)械力驅(qū)動(dòng)。

優(yōu)選地，液體透鏡使用的數(shù)量大于≥2個(gè)，優(yōu)選地為3個(gè)。

優(yōu)選地，照相通道液體光闌和望遠(yuǎn)通道液體光闌的驅(qū)動(dòng)方式是電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)、介電力驅(qū)動(dòng)或者機(jī)械力驅(qū)動(dòng)。

優(yōu)選地，前端反射鏡和后端反射鏡的鍍膜是金屬膜或者多層介質(zhì)膜。

優(yōu)選地，前端半透半反鏡和后端半透半反鏡的鍍膜是多層介質(zhì)膜。

優(yōu)選地，光電成像器件是CCD（電荷耦合器件）或者CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明一種液體透鏡的超大變焦范圍的成像系統(tǒng)。

附圖2為本發(fā)明大視場(chǎng)照相模式光路示意圖。

附圖3為本發(fā)明小視場(chǎng)望遠(yuǎn)模式光路示意圖。

附圖4為實(shí)施例中大視場(chǎng)照相模式Zemax仿真成像圖。

附圖5為實(shí)施例中小視場(chǎng)望遠(yuǎn)模式Zemax仿真成像圖。

上述各附圖中的圖示標(biāo)號(hào)為：

1輔助透鏡組，2液體透鏡I，3液體透鏡II，4液體透鏡III，5前端半透半反鏡，6后端半透半反鏡，7前端反射鏡，8后端反射鏡，9照相通道液體光闌，10望遠(yuǎn)通道液體光闌，11 光電成像器件。

應(yīng)該理解上述附圖只是示意性的，并沒(méi)有按比例繪制。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的一種基于液體透鏡的超大變焦范圍的成像系統(tǒng)的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為：本實(shí)施例中輔助透鏡組采用2個(gè)無(wú)色透明的玻璃透鏡，液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III均采用電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)的液體透鏡，其口徑D為4mm，組成液體透鏡的填充液體為NaCl溶液，其折射率為1.33，阿貝數(shù)為55.8，在20-70V驅(qū)動(dòng)電壓下，其變焦范圍為（-∞， -66mm）∪（32mm，+∞）；照相通道液體光闌和望遠(yuǎn)通道液體光闌也均采用電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)的液體光闌，組成液體光闌的填充液體為墨汁混合NaCl溶液，液體光闌的孔徑變化范圍為0—4mm；前端反射鏡和后端反射鏡采用鍍銀反射膜，反射率為95%；前端半透半反鏡和后端半透半反鏡為多層介質(zhì)膜，反射率為50%，透射率為50%。

本實(shí)施例中對(duì)液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III分別施加外加電壓28V、36V和52V時(shí)，同時(shí)給照相通道液體光闌施加70V電壓，望遠(yuǎn)通道液體光闌不加電壓，系統(tǒng)工作于大視場(chǎng)照相模式，這時(shí)可以獲得較大視場(chǎng)。經(jīng)過(guò)Zemax軟件模擬，其成像情況如圖4所示，可以看到較大范圍景物，但細(xì)節(jié)地方（如虛線框內(nèi)）由于放大倍率不夠而不太清楚。在這種模式下變化電壓可以得到焦距變化范圍為28mm—58mm。而對(duì)液體透鏡I、液體透鏡II和液體透鏡III分別施加外加電壓41V、23V和27V時(shí)，同時(shí)給照相通道液體光闌施加0V電壓，望遠(yuǎn)通道液體光闌施加70V電壓，系統(tǒng)工作于小視場(chǎng)望遠(yuǎn)模式，這時(shí)可以獲得較小的視場(chǎng)，但物體的放大率得到提高，可以更清楚地看到物體的細(xì)節(jié)。經(jīng)過(guò)Zemax軟件模擬，其成像情況如圖5所示，可以看到放大倍率較大的物體，虛線框內(nèi)細(xì)節(jié)物體通過(guò)光學(xué)放大變得更加清楚。在這種模式下變化電壓可以得到焦距變化范圍為56mm—83mm。

本發(fā)明提供的成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，變焦范圍大。本發(fā)明所述的系統(tǒng)變焦范圍可達(dá)文獻(xiàn)（Ultrathin zoom telescopic objective (Optics Express, Vol. 24, No. 16, pp18674-18684, 2016）所述的變焦范圍的3倍以上。第二，無(wú)機(jī)械移動(dòng)裝置。本發(fā)明和傳統(tǒng)的變焦鏡頭比起來(lái)最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是沒(méi)有機(jī)械移動(dòng)裝置，系統(tǒng)可由電壓直接驅(qū)動(dòng)完成所有的功能，因此可以實(shí)現(xiàn)小型化和低成本化。第三，響應(yīng)速度快。本結(jié)構(gòu)基于電濕潤(rùn)和庫(kù)侖力的原理，均可使響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)別。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。