可调焦液态透镜的研制

可调焦液态透镜的研制

0变通镜显微镜是相机、投影、望远镜等光学系统的重要设备。传统的光学透镜由玻璃、树脂等透明固体物质制成,若要实现变焦,需由两个或两个以上的透镜组成光学系统,通过调节其相对位置以实现变焦。这样的变焦系统存在镜片数目多、体积大、变焦速度慢和容易磨损等弊端,难以实现变焦系统的微型化。因此,研制焦距可调的微透镜具有重要的技术价值和应用前景。目前可用于生产的变焦透镜技术,比较典型的如荷兰皇家飞利浦电子发布的可变焦液体镜头系统FluidFocus,法国Varioptic公司推出的Arctic320和Arctic416两款液体透镜。根据工作原理以及透镜结构的不同,目前实现液体透镜的方式大致可分为四大类:1)通过液泵装置注入或抽吸透镜内的液体,从而改变弹性薄膜曲率半径,达到变焦的目的;2)基于电湿效应(EWOD)的双液体透镜,通过调节外加电压改变透镜腔体内两种液体间界面的面形,从而改变透镜的焦距;3)基于聚合物分散液晶(PDLC)的透镜,利用聚合物分散液晶材料的电控折变性质来实现变焦;4)利用热梯度改变透镜焦距的晶体调焦技术。其中,采用机械方法对腔体内液体加压,通过液体在腔体内的重新分布,改变腔体表面透明弹性薄膜的曲率半径,从而实现变焦的此类透镜,具有驱动功耗小,易于制造,透镜口径大小灵活等优点,尤其可以通过合理选择不同折射率液体,实现大的变焦范围,具有很大优势。缺点在于口径大时,对振动和重力的影响较为敏感。本文将对此类透镜进行研究。1单通道镜本文设计的变焦透镜结构如图1(a)所示。腔体上表面的透明弹性薄膜和下表面的光学平板玻璃将一定体积的液体封装在圆柱形空腔内。空腔的一侧有一小孔,可供液体流通。当液体经小孔注入空腔时,弹性薄膜向腔外膨胀,形成凸透镜,如图1(b)所示;当液体经小孔抽出空腔时,弹性薄膜向腔内膨胀,形成凹透镜,如图1(c)所示。在本实验中,弹性薄膜选用热硫化硅胶薄膜(HTV),厚度为0.1mm。圆柱形空腔的底面直径为40.00mm,高为8mm。液体选取了折射率为n=1.3333的纯水和n=1.4750的甘油。注入纯水的透镜称为“水透镜”,注入甘油的透镜称为“油透镜”。当硅胶薄膜向腔外凸出形成凸透镜时,液态透镜可近似当作一个“球缺”。图2表示凸透镜的截面图,设透镜的曲率半径为R,透镜孔径的半径为r,球缺的高度为H。球缺的体积V可用积分的方法求出V=R∫R-Ηπx2(y)dy=πR∫R-Η(R2-y2)dy=πR2y|RR-Η-πy33|RR-Η=πR2[R-(R-Η)]-π3[R3-(R-Η)3]=πΗ2(R-Η3)(1)V=∫R−HRπx2(y)dy=π∫R−HR(R2−y2)dy=πR2y∣∣∣R−HR−πy33∣∣∣R−HR=πR2[R−(R−H)]−π3[R3−(R−H)3]=πH2(R−H3)(1)根据图2的几何关系得出Η=R-√R2-r2H=R−R2−r2−−−−−−√,代入式(1),得透镜体积计算公式为V=π(R-√R2-r2)2(R-R-√R2-r23)(2)V=π(R−R2−r2−−−−−−√)2(R−R−R2−r2√3)(2)由于本实验中透镜厚度比其球面曲率半径小得多,可将透镜按空气中的薄透镜模型考虑。对于薄透镜,曲率半径f与透镜材料折射率n的关系是f=Rn-1f=Rn−1,代入式(2),得V=π[f(n-1)-√f2(n-1)2-r2]2×[f(n-1)-f(n-1)-√f2(n-1)2-r23](3)V=π[f(n−1)−f2(n−1)2−r2−−−−−−−−−−−−√]2×[f(n−1)−f(n−1)−f2(n−1)2−r2√3](3)将透镜孔径的半径r=20.00mm,纯水的折射率n水=1.3333,甘油的折射率n油=1.4750代入式(3),得水透镜体积与焦距关系的表达式为V=π[0.3333f-√0.1111f2-400]2×[0.3333f-0.3333f-√0.1111f2-4003](4)V=π[0.3333f−0.1111f2−400−−−−−−−−−−−−√]2×[0.3333f−0.3333f−0.1111f2−400√3](4)油透镜体积与焦距关系的表达式为V=π[0.4750f-√0.2256f2-400]2×[0.4750f-0.4750f-√0.2256f2-4003](5)2建立可调焦汁液透镜为说明可调焦液态透镜的成像效果,在一焦距固定的光学系统中引入液态透镜,并使用光学设计程序ZEMAX中的spotdiagram(点图),对改进前后的光学系统成像质量进行分析对比。对于实际的光学系统,一系列物方的点通过光学系统后,将会在IMA面(Imagineplane,即成像平面)上成像为一个弥散斑。弥散斑越小,表示光学系统的像差越小,成像质量越好。图3为该焦距固定的光学系统。组成该原始系统的三面透镜焦距固定,相对位置保持不变。当物距为无穷大时,原始的光学系统在IMA面上的成像为图4(a)所示。图4(a)的弥散斑(从左往右排列)分别表示0°,20°和10°视场成像的点列图。由图4(a)得,该系统在这三个视场下都获得了较好的成像质量。在原始光学系统中,将光线(从左向右传播)经过的第一面透镜替换成油透镜,IMA面上的成像为图4(b)所示。图4(b)的弥散斑(从左往右排列)分别表示0°,20°和10°视场成像的点列图。由图4(b)得,改进后的系统在这三个视场下同样能获得较好的成像质量。当物距为1000mm时,原始的光学系统在IMA面上的成像为图5(a)所示。图5(a)的弥散斑(从左往右排列)分别表示0°,20°和10°视场成像的点列图。由图5(a)得,当物距变化时,该系统的像差明显变大,成像质量明显下降。将原始光学系统中,光线经过的第一面透镜替换成油透镜,IMA面上的成像为图5(b)所示。图5(b)的弥散斑(从左往右排列)分别表示0°,20°和10°视场成像的点列图。由图5(b)得,改进后的系统在物距变化后仍能保持较好的成像质量。由图4和图5可得,在光学系统中引入可调焦液态透镜的好处是:焦距固定的光学系统,只有在物距无穷大时,才能获得较好的成像质量;而改进后的光学系统,在不同的物距下也能保持较好的成像质量。为直观说明液态透镜的成像效果,选用一物体进行拍摄。图6为物体原图像。保持物体与相机的距离一定,在相机镜头前方固定位置加入变焦液态透镜进行成像效果拍摄,如图7和图8所示。图7和图8表明,在液体体积变化相同的情况下,作为介质的液体的折射率越大,液态透镜的变焦效果越明显。3实验中的透镜距离3.1被测透镜的焦距实验采用共轭法确定液态透镜在不同体积下的焦距,如图9所示。物屏与像屏之间的距离L(L必须大于所测透镜的四倍焦距)保持不变。将被测透镜放置在像屏与物屏之间,移动透镜使物体成像。实验中发现凸透镜有两个位置(二者相距为d)能够使物成像于屏上,其中一个像是放大倒立的实像,另一个是缩小倒立的实像。只要测得L和d,被测透镜的焦距就可以用下式表示f=L2-d24L(6)此方法避免了由于透镜的中心位置难以确定而在测量物距、像距中引入误差。故测得的焦距比较准确。3.2测距的测量条件表1为水透镜的测量数据,表2为油透镜的测量数据。两类透镜的最大像最小像位置分别测量四组数据。表中的Dmax与Dmin分别表示最大像与最小像位置刻度的平均值。表中的d表示最大最小像的距离,由公式d=|Dmax-Dmin|得出。表中的f表示透镜的焦距,由式(6)得出。物体和光屏的距离L=100.00cm保持不变。3.3油透镜和水透镜对制作的液态可变焦透镜进行测试。液体体积变化与透镜焦距的函数关系如图10所示。图10(a)和图10(b)中的平滑曲线是用MATLAB计算得到的透镜模型。图10(a)中的圆点是水透镜的实际测量结果,图10(b)中的星点是油透镜的实际测量结果。由图10可以看出实际测量的结果与模型基本吻合,说明透镜具有较好的变焦能力。水透镜和油透镜的实际测量结果对比如图11所示。由图11可得出,液体介质的折射率越大,液体透镜的调焦能力越好。4用可调焦溶液透镜作为张射线的材料本文设计并实现了一种充液型的可调焦液态透镜。该透镜易于制作,结构小巧,成本低廉,且具有较好的成像效果,在一定液体体积变化范围内符合薄透镜成像的规律,在医疗、工业、通讯、国防、科学研究等方面都具有很好的应用前景。本文制作的透镜成