一种光热耦合变焦气透镜系统的制作方法

本发明属于微光学技术领域，涉及一种光热耦合变焦气透镜，尤其是涉及一种气体连续变焦透镜。

背景技术：

传统的透镜一般由塑料或玻璃制成，通过改变镜片的材料、半径、厚度等调节焦距。但是随着科技的发展，在处理高功率激光束，如激光焊接时，一种安全的做法便是利用气体透镜。气体透镜作为一种新型的变焦透镜，与传统变焦透镜不同，它只需一个透镜就能实现大范围的调焦，大大节约空间，对小型、微型仪器的制造设计提供极大便利性。

中国专利文献CN102890299A于2013年1月23日公开了超声速气动透镜，该装置包括：折射率调节装置，用于将具有不同折射率的气体介质混合得到所需折射率的气体介质；以及透镜喷管，该喷管与折射率调节装置连接，位于折射率调节装置的下游，用于将调节装置混合得到的气体介质形成所需的气动透镜。由于该装置有以下缺点，无法实现变焦功能：

1、使用不同折射率的混合气体，容易因为混合不均匀导致气体透镜有较大光学误差

2、由于混合气体的折射率变化范围有限导致该气透镜焦距不能大幅度调控

所以我们利用水温加热空气，通过改变气体透镜内部的温度场，改变其折射率，实现变焦的功能。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种操作便捷，结构简单，连续变焦的气体透镜。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种光热耦合变焦气透镜，其包括变折射率气体空腔、复合加热系统、温控传感系统。透镜外围轮廓由两种不同曲率半径的玻璃球壳面组成。两球壳一体化贴合，形成空腔，并被内部的环形玻璃壁分割成两块区域：控温液通道和变折射率气体空腔。控温液通道在气体空腔外围，内部装有电热丝，并连通导线在球壳外连向连续调压器和电源。在通向两球壳外有注水口，注水口处有防沸滤网。同时气体空腔边缘置有温度传感器。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，玻璃球壳面的曲率半径在200-400cm之间。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，透镜的制作可采用普通光学玻璃，具有一定刚度，而且热膨胀性很小，不会对球透镜的性质产生显著影响。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，电热丝采用镍铬丝，安装在透镜的控温液体通道内，使其与玻璃材质共同形成复合加热系统。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，在变折射率气体空腔内，其气体可采用空气、或其它较为稳定的惰性气体气体。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，在通向两球壳外有注水口，注水口处有金属制防沸滤网。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，在注水口处配有带小孔的软塞。其中软塞将为液通道提供密闭性，同时小孔平衡气压防止变形。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，因为液体通道所含液体质量较低，该透镜正常工作时取较高水温(高于40摄氏度)。

所述的光热耦合变焦气透镜系统的额定电压为220V。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，在透镜内部气体空腔边缘置有温度传感器，配合透镜外部的调压器，组成温控传感系统。

所述的光热耦合变焦气透镜系统，温度传感器用胶粘在气体空腔内壁处。

由于采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该光热耦合变焦气透镜，因为可连续变焦，将大大提高设备的灵活性、适应性。作为一种新型的变焦透镜，与传统变焦透镜不同，它只需一个透镜就能实现大范围的调焦，大大节约空间，对小型、微型仪器的制造设计提供极大便利性；精确度高，操作方便，易于加工，成本低廉，可广泛地应用于数码摄像头，监控系统，激光焊接等领域。

附图说明

图1是双凸透镜示意图；

图2是图1透镜1-1剖面图；

图3是图1透镜2-2剖面图；

图4为透镜的外部连接示意图；

图5为电热丝单位面积发热量为400W时温度场；

图6为电热丝单位面积发热量为550W时温度场；

图7为电热丝单位面积发热量为700W时温度场；

图8为定容条件下气体空腔内温度-折射率变化曲线；

图9为定容条件下气体空腔内温度-焦距变化曲线；

图中1—变折射率气体空腔；2—控温液通道；3—环形玻璃壁；4—玻璃球壳面；5—电热丝；6—注水口；7—连续调压器；8—电源；9—温度传感器。

具体实施方式

下面通过附图和实例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施方式1变焦气透镜结构

如图1、2、3所示，为光热耦合变焦气透镜的结构示意图，其包括两种曲率相同或不同的玻璃球壳面、变折射率气体空腔、复合加热系统、温控传感系统；其特征是：透镜外围轮廓由两种不同曲率的玻璃球壳面组成(4)。两球壳一体化贴合，形成空腔(1、2)，并被内部的环形玻璃壁(3)分割成两块区域：控温液通道(2)和变折射率气体空腔(1)。控温液通道(2)在气体空腔(1)外围，内部装有电热丝(5)，在通向两球壳外有注水口，(6)注水口处有防沸滤网(6处未标出)。上述主体透镜的电热丝连通导线在球壳外连向连续调压器(7)和电源(8)，以获得不同的加热功率，另外气体空腔边缘装有温度传感器(9)。使用时只需将该装置的电源连通，根据温度-焦距曲线，调节变焦变压器直至得到所需焦距为止。因此整个气体变焦透镜装配简单，可操作性强。

所述的光热耦合变焦气透镜系统的额定电压为220V。

所述的光热耦合变焦气透镜，两种曲率半径(200-400cm)相同或不同的普通光学玻璃(P系列)

所述的光热耦合变焦气透镜，透镜的制作可采用普通光学玻璃，具有一定刚度，而且热膨胀性很小，不会对球透镜的性质产生显著影响。

所述的光热耦合变焦气透镜，电热丝采用镍铬丝(0Cr21Al6Nb)等，安装在透镜的控温液体通道内，使其与玻璃材质共同形成复合加热系统。

所述的光热耦合变焦气透镜，在变折射率气体空腔内，其气体可采用空气、或其它较为稳定的气体(N2，He)。

实施方式2工作原理

下面结合图5、6、7来源说明变焦气透镜工作原理。

前球壳曲率半径为r₁，后球壳曲率半径为r₂，材料折射率为n,则其焦距有计算公式如下：

光在空气中折射率公式：

(a)第一式是标准干燥空气在标况下(t＝15℃,P＝760torr)的公式。表示这种状态下的空气折射率,e是光在真空中的波数,单位是μm^-1。

(b)第二式中(n-1)_tp是标准干燥空气在温度t(以℃表示),气压P(以torr为单位表示)时的折射率。

(c)第三式表示水蒸汽分压力为f的潮湿空气和总压力相同的干燥空气的折射率之差。

饱和水蒸汽分压力近似计算公式

在密闭容器内，由理想气体状态方程得：

PV＝υRT(4)

其中P是容器内的压强，V是容器体积，υ为容器内气体物质的量，R为一固定的已知常量，T为热力学温度。

傅立叶定理的热传导方程：

上面dt是时间段，k是热传导系数。是温度场梯度方向面积的投影，u(x,y,z,t)是t时刻在空间点(x,y,z)的温度。

为了模拟出密闭容器内部的温度、压强分布，该发明使用计算流体力学的方法。以Fluent软件为基本计算工具进行模拟，图5、6、7是电热丝单位面积发热量为400W,550W,700W对应的气体空腔的横向对称面温度场的计算结果。

结果指出，在当前设计的的模型中，气体空腔中的温度场非常均匀(最大温度差值小于1K)，并可视为与热源温度相等。接下来发现其对折射率的均匀性影响也很小。再利用公式(4)即得该气体空腔中的气压值。

上述均匀温度场的基础上，温度根据中公式(2)、(3)、(4)，导出了本发明中温度-折射率变化曲线如图8所示。

温度在(40，90)区间内，气体空腔内的折射率有非常显著的变化。并且由温度场的均匀性可得到其折射率的均匀性。

联系图8中的温度-折射率变化曲线，将其与公式(1)结合，导出本发明在不同温度下的焦距。如图9所示，此时球壳的曲率半径为200mm。

由图9可以看出在一定的温度区间内，该气透镜的焦距将会随温度发生大范围的改变。只需利用温度传感器结合该设计中的加热系统，即可控制该装置的焦距。上述形式均落入本发明的保护范围之内。