液态变焦透镜的仿真与实验研究

发布时间：2020-06-20 13:45

【摘要】：液态变焦透镜是一种可调谐光学器件,由于其无需机械移动,响应时间短、结构紧凑,低功耗等特点在机器视觉、医学、显示、军工等领域有着广泛的应用前景。本论文对液态变焦透镜进行了理论与实验研究,利用TechWiz LCD 3D软件对液晶透镜进行仿真,制备了液晶透镜、介电泳力透镜和电润湿透镜,并搭建显微测量系统和光束分析系统,对透镜的变焦范围、汇聚能力、稳定性、响应时间、分辨率等参数进行测量。本论文的主要工作:1.提出梯形凸起电极液晶变焦透镜,使用TechWiz LCD 3D软件对液晶透镜进行仿真,对比了传统平面电极液晶变焦透镜与梯形凸起电极液晶变焦透镜的性能,详细分析了液晶盒厚、电极高度、电极梯角、电极宽度与间距比例对液晶透镜驱动电压的影响。制备了菱形交叉电极液晶变焦透镜,实验结果表明当电压在0 V~40 V变化时,液晶透镜的焦距变化在+∞~28.73 mm之间,上升时间为126ms,下降时间为95 ms,光斑稳定性误差为3.2%,分辨率为18.76 lp/mm。2.制作了介电泳力液态变焦透镜,根据其变焦原理与结构特性,分析了成像液滴在介电泳力和表面张力的共同作用下接触角的变化;搭建显微光路测量系统和光束分析系统对透镜进行性能测试,实验结果表明当电压在0 V~200 V变化时,介电泳力透镜的焦距变化范围为95.92 mm~18.57 mm,上升时间为580 ms,下降时间为380 ms,光斑稳定性误差为3.3%,分辨率为30.64 lp/mm。3.制作了电润湿液态变焦透镜,分析了在静电力作用下,成像液滴面型对透镜焦距的影响。在实验上对电润湿液态变焦透镜进行性能测试,当电压在0 V~200V变化时,透镜的焦距变化范围为79.23 mm~15.35 mm,上升时间为450 ms,下降时间为320 ms,光斑稳定性误差为2.3%,分辨率为25.16 lp/mm。对比分析了制作的变焦透镜和商用透镜的光学参数、结构性能、优缺点及应用领域。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

润湿液,透镜

镜的国内外研究现状国科学家 Stephen·Gray 使用水滴建立显微镜，由于体积很小，表面曲率受重力影响可忽略不计滑的半球性，所以通过水滴透镜的成像质量很好率是不同的。1936 年，AleksandrFroumkine 利用改变水滴与金属基底的接触角。1940 年，俄亥试图仿照眼睛的构造，制作仿生透镜。他发现眼以他尝试通过改变两个弹性薄膜之间的液体体积绕着成像部位的薄膜扭曲弹性张力太小，以至于哈佛大学的 Gorman[17]，利用电润湿技术制作出电板代替金属板，由于电控变焦的方便性、可动态改变形状来补偿大气的影响，可以应用于自透镜各部分的光轴与通光孔径的中心无法重合，

变焦透镜,液态

法国格勒诺布尔第一大学的 Bruno Berge 和 Jerome Peseux[18]，介质上的电润湿原理，改进了 Gorman 的设计，在透镜的内表面覆盖了透明与绝缘薄膜（如图 1-2 所示）。他们发现利用液-液界面，可以增加电润湿变镜光轴的稳定性，他们采用 Na2SO4溶液和硅油双液体，其中硅油作为液滴溶液作为填充液体。通过调节电压来改变两液体的接触角，从而改变焦距。证明当电压由 0V 变为 200V 的过程中，两液体的接触角从 30°变为 100°。20T. Krupenkin[19]等，将液态透镜的控制电极分为 4 个部分，通过控制 4 个电电位差，不仅可以使透镜焦距沿轴向调节，还可以实现焦点在空间小范围内可调，但是这种结构设计的缺点是光轴无法实现精确定位。2005 年 B.Berg出将接地电极改为梯度结构，将双液体更换为水与非极性油，其介电层材料对二甲苯，厚度为 5μm，提高了液滴的可控性，透镜在 30V 便有屈光度改在 60V 时改变较明显。

【参考文献】