[发明专利]一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非球面液体透镜的设计和制作方法，具体涉及一种利用非均匀薄膜设计和制作非球面液体透镜的方法，属于薄膜制作技术领域。

背景技术

在自然界中，我们可以很容易找到光学透镜和液体之间的联系。动物的眼睛，无论是复合眼还是单眼，大多以液体做为成像的介质。有趣的是，尽管在人造光学系统中，人们大多采用移动透镜组之间的距离的办法调节光焦度，大自然却选择改变透镜表面曲率半径的方法改变焦距。这种通过透镜表面形貌变化而改变光焦度的方法简单而有效，可以获得人造光学系统难以比拟的调节幅度。比如年轻人眼可以获得14屈光度的调节范围，而一些水鸟具有高达50屈光度的调节能。这种有效而经济的调节方法在小型化光学器件和电子设备，如便携式笔记本、移动电话、眼镜、内窥镜、人工晶状体等中有广泛的应用价值，从而得到越来越多的业界和学术界的关注。

压力控制的液体透镜(US8665527B2；US8605361B2)是指液体密封在一层有弹性的透明薄膜里，当施加压力改变时，透明薄膜的曲率半径改变。透镜光焦度取决于透镜曲率半径和光学液体的光学折射率。弹性薄膜用于密封光学液体。基于液体透镜腔内与环境的压力差，弹性薄膜发生形变，形成需要的曲率半径。

利用人眼的睫状肌控制晶体囊形貌，人们设计并研究了可变焦的液体人工晶状体(US6836374B2)。例如专利公开号为US20110118834A1的液体人工晶状体为飞碟状的双凸透镜。它由薄膜、光学液体和支撑环组成。前后两个圆形薄膜彼此粘合，并与支撑环的上下表面粘合。两个圆形薄膜的连接处定义为赤道。液体人工晶体赤道的直径为12mm，比囊袋赤道的直径略大。因此当置于囊袋中时，径向压力可以固定人工晶体。

尽管人们常用曲率描述透镜的形状，但是仿真分析和实验结果均显示，均匀薄膜包裹的液体透镜并不是球面。实际透镜的表面形貌随压力变化如图1所示。

为准确的描述透镜表面，可引入圆锥曲线方程(conicfunction)：

z=cr21+1-(k+1)c2r2---(4.16)]]>

式中c是透镜顶点处的曲率；

r是到透镜中心的距离；

k是圆锥常数(conicconstant)。

圆锥曲线方程可以用于描述椭圆、双曲线、抛物线等，表1给出了圆锥常数和所描述曲线性质的关系。对于液体透镜而言，不同的曲线形状具有一些不同的光学和机械性质。就机械角度来说，当k>0时，需要更多的液体产生与球面镜相同的曲率。当k<0时，需要相对较少的液体产生同样的曲率。因此圆锥常数的符号决定了液体人工晶状体需要更多或者更少的形变来获得同样曲率的变化量。更为重要地，从光学角度来看，圆锥常数的符号决定了透镜的几何像差。因此圆锥常数在设计光学系统时具有控制或抵消像差，优化光学性能的重要作用。而这个作用对于像人眼这样有较大像差的光学系统尤为重要。

表1圆锥常数意义表

用圆锥曲线方程拟合均匀薄膜包裹的透镜形变表面，得到如图4所示为薄膜内外压力差与圆锥常数的关系。由图可知，圆锥常数并不是一个恒定值，其值随透镜薄膜内外压差的变化而变化。当内外压差较小时，圆锥常数变化较快；随着内外压差的增大，圆锥常数的变化量减小，并逐渐趋近于0.5。

在光学系统设计中，圆锥常数大于零的透镜常常引入较大的像差，成像质量不佳。为此，如何控制和优化液体透镜的圆锥常数是液体透镜应用于实际工业领域的关键技术之一。

发明内容