可調焦液態(tài)透鏡的研制

0變通鏡顯微鏡是相機、投影、望遠鏡等光學系統(tǒng)的重要設備。傳統(tǒng)的光學透鏡由玻璃、樹脂等透明固體物質制成,若要實現變焦,需由兩個或兩個以上的透鏡組成光學系統(tǒng),通過調節(jié)其相對位置以實現變焦。這樣的變焦系統(tǒng)存在鏡片數目多、體積大、變焦速度慢和容易磨損等弊端,難以實現變焦系統(tǒng)的微型化。因此,研制焦距可調的微透鏡具有重要的技術價值和應用前景。目前可用于生產的變焦透鏡技術,比較典型的如荷蘭皇家飛利浦電子發(fā)布的可變焦液體鏡頭系統(tǒng)FluidFocus,法國Varioptic公司推出的Arctic320和Arctic416兩款液體透鏡。根據工作原理以及透鏡結構的不同,目前實現液體透鏡的方式大致可分為四大類:1)通過液泵裝置注入或抽吸透鏡內的液體,從而改變彈性薄膜曲率半徑,達到變焦的目的;2)基于電濕效應(EWOD)的雙液體透鏡,通過調節(jié)外加電壓改變透鏡腔體內兩種液體間界面的面形,從而改變透鏡的焦距;3)基于聚合物分散液晶(PDLC)的透鏡,利用聚合物分散液晶材料的電控折變性質來實現變焦;4)利用熱梯度改變透鏡焦距的晶體調焦技術。其中,采用機械方法對腔體內液體加壓,通過液體在腔體內的重新分布,改變腔體表面透明彈性薄膜的曲率半徑,從而實現變焦的此類透鏡,具有驅動功耗小,易于制造,透鏡口徑大小靈活等優(yōu)點,尤其可以通過合理選擇不同折射率液體,實現大的變焦范圍,具有很大優(yōu)勢。缺點在于口徑大時,對振動和重力的影響較為敏感。本文將對此類透鏡進行研究。1單通道鏡本文設計的變焦透鏡結構如圖1(a)所示。腔體上表面的透明彈性薄膜和下表面的光學平板玻璃將一定體積的液體封裝在圓柱形空腔內?？涨坏囊粋扔幸恍】?可供液體流通。當液體經小孔注入空腔時,彈性薄膜向腔外膨脹,形成凸透鏡,如圖1(b)所示;當液體經小孔抽出空腔時,彈性薄膜向腔內膨脹,形成凹透鏡,如圖1(c)所示。在本實驗中,彈性薄膜選用熱硫化硅膠薄膜(HTV),厚度為0.1mm。圓柱形空腔的底面直徑為40.00mm,高為8mm。液體選取了折射率為n=1.3333的純水和n=1.4750的甘油。注入純水的透鏡稱為“水透鏡”,注入甘油的透鏡稱為“油透鏡”。當硅膠薄膜向腔外凸出形成凸透鏡時,液態(tài)透鏡可近似當作一個“球缺”。圖2表示凸透鏡的截面圖,設透鏡的曲率半徑為R,透鏡孔徑的半徑為r,球缺的高度為H。球缺的體積V可用積分的方法求出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)根據圖2的幾何關系得出Η=R-√R2-r2H=R?R2?r2??????√,代入式(1),得透鏡體積計算公式為V=π(R-√R2-r2)2(R-R-√R2-r23)(2)V=π(R?R2?r2??????√)2(R?R?R2?r2√3)(2)由于本實驗中透鏡厚度比其球面曲率半徑小得多,可將透鏡按空氣中的薄透鏡模型考慮。對于薄透鏡,曲率半徑f與透鏡材料折射率n的關系是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)將透鏡孔徑的半徑r=20.00mm,純水的折射率n水=1.3333,甘油的折射率n油=1.4750代入式(3),得水透鏡體積與焦距關系的表達式為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)油透鏡體積與焦距關系的表達式為V=π[0.4750f-√0.2256f2-400]2×[0.4750f-0.4750f-√0.2256f2-4003](5)2建立可調焦汁液透鏡為說明可調焦液態(tài)透鏡的成像效果,在一焦距固定的光學系統(tǒng)中引入液態(tài)透鏡,并使用光學設計程序ZEMAX中的spotdiagram(點圖),對改進前后的光學系統(tǒng)成像質量進行分析對比。對于實際的光學系統(tǒng),一系列物方的點通過光學系統(tǒng)后,將會在IMA面(Imagineplane,即成像平面)上成像為一個彌散斑。彌散斑越小,表示光學系統(tǒng)的像差越小,成像質量越好。圖3為該焦距固定的光學系統(tǒng)。組成該原始系統(tǒng)的三面透鏡焦距固定,相對位置保持不變。當物距為無窮大時,原始的光學系統(tǒng)在IMA面上的成像為圖4(a)所示。圖4(a)的彌散斑(從左往右排列)分別表示0°,20°和10°視場成像的點列圖。由圖4(a)得,該系統(tǒng)在這三個視場下都獲得了較好的成像質量。在原始光學系統(tǒng)中,將光線(從左向右傳播)經過的第一面透鏡替換成油透鏡,IMA面上的成像為圖4(b)所示。圖4(b)的彌散斑(從左往右排列)分別表示0°,20°和10°視場成像的點列圖。由圖4(b)得,改進后的系統(tǒng)在這三個視場下同樣能獲得較好的成像質量。當物距為1000mm時,原始的光學系統(tǒng)在IMA面上的成像為圖5(a)所示。圖5(a)的彌散斑(從左往右排列)分別表示0°,20°和10°視場成像的點列圖。由圖5(a)得,當物距變化時,該系統(tǒng)的像差明顯變大,成像質量明顯下降。將原始光學系統(tǒng)中,光線經過的第一面透鏡替換成油透鏡,IMA面上的成像為圖5(b)所示。圖5(b)的彌散斑(從左往右排列)分別表示0°,20°和10°視場成像的點列圖。由圖5(b)得,改進后的系統(tǒng)在物距變化后仍能保持較好的成像質量。由圖4和圖5可得,在光學系統(tǒng)中引入可調焦液態(tài)透鏡的好處是:焦距固定的光學系統(tǒng),只有在物距無窮大時,才能獲得較好的成像質量;而改進后的光學系統(tǒng),在不同的物距下也能保持較好的成像質量。為直觀說明液態(tài)透鏡的成像效果,選用一物體進行拍攝。圖6為物體原圖像。保持物體與相機的距離一定,在相機鏡頭前方固定位置加入變焦液態(tài)透鏡進行成像效果拍攝,如圖7和圖8所示。圖7和圖8表明,在液體體積變化相同的情況下,作為介質的液體的折射率越大,液態(tài)透鏡的變焦效果越明顯。3實驗中的透鏡距離3.1被測透鏡的焦距實驗采用共軛法確定液態(tài)透鏡在不同體積下的焦距,如圖9所示。物屏與像屏之間的距離L(L必須大于所測透鏡的四倍焦距)保持不變。將被測透鏡放置在像屏與物屏之間,移動透鏡使物體成像。實驗中發(fā)現凸透鏡有兩個位置(二者相距為d)能夠使物成像于屏上,其中一個像是放大倒立的實像,另一個是縮小倒立的實像。只要測得L和d,被測透鏡的焦距就可以用下式表示f=L2-d24L(6)此方法避免了由于透鏡的中心位置難以確定而在測量物距、像距中引入誤差。故測得的焦距比較準確。3.2測距的測量條件表1為水透鏡的測量數據,表2為油透鏡的測量數據。兩類透鏡的最大像最小像位置分別測量四組數據。表中的Dmax與Dmin分別表示最大像與最小像位置刻度的平均值。表中的d表示最大最小像的距離,由公式d=|Dmax-Dmin|得出。表中的f表示透鏡的焦距,由式(6)得出。物體和光屏的距離L=100.00cm保持不變。3.3油透鏡和水透鏡對制作的液態(tài)可變焦透鏡進行測試。液體體積變化與透鏡焦距的函數關系如圖10所示。圖10(a)和圖10(b)中的平滑曲線是用MATLAB計算得到的透鏡模型。圖10(a)中的圓點是水透鏡的實際測量結果,圖10(b)中的星點是油透鏡的實際測量結果。由圖10可以看出實際測量的結果與模型基本吻合,說明透鏡具有較好的變焦能力。水透鏡和油透鏡的實際測量結果對比如圖11所示。由圖11可得出,液體介質的折射率越大,液體透鏡的調焦能力越好。4用可調焦溶液透鏡作為張射線的材料本文設計并實現了一種充液型的可調焦液態(tài)透鏡。該透鏡易于制作,結構小巧,成本低廉,且具有較好的成像效果,在一定液體體積變化范圍內符合薄透鏡成像的規(guī)律,在醫(yī)療、工業(yè)、通訊、國防、科學研究等方面都具有很好的應用前景。本文制作的透鏡成