基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统

本发明涉及变焦光学系统技术领域，尤指一种基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统。

背景技术：

可调焦透镜作为一种重要的光学元件，在光通信、光学成像及lab-on-a-chip等光学领域都有广泛的应用。随着光学技术的蓬勃发展，传统的固体变焦器件逐渐难以满足日益增加的微型化、集成化的现代光学技术发展的需求，因此液体变焦透镜成为近年来的研究热点。目前，国内外研制的液体变焦透镜主要包含3种类型：基于电润湿效应的可变焦透镜、基于聚合物分散液晶的可变焦透镜和充液型可变焦透镜。前两种方法都需要电压控制，且电润湿效应需要较高的驱动电压，工艺复杂，而液晶的通光率较差、光学失真较大。而充液型可变焦透镜具有调节方式多样、焦距变化大等优点。本发明通过在双胶合透镜中填充不同折射率的溶液，实现透镜系统焦距的连续平滑变化，属于第三种类型的液体变焦透镜。

球差的存在是影响单色光照射下液体变焦透镜成像质量的最重要的因素。mishra等人通过施加静电力将准球形光学界面重塑为非球面界面，达到消球差的目的，但其结构复杂、操作困难。fuh等人采用两层不同厚度的聚氯乙烯薄膜来补偿球差，虽然该方法调校范围较大，但球差校正效果有限。提出本发明之前，我们尝试通过配曲的方法校正液芯变焦透镜的球差(孙丽存,普小云,孟伟东等,中国发明专利zl201310412166.x[p]；licunsun,chaodu,qianglietal.,asymmetricliquid-corecylindricallensusedtomeasureliquiddiffusioncoefficient[j],“appliedoptics”，2016,55(8)，2011-2017)，但只能对某一特定焦距值起到好的消球差效果，一旦偏离该焦距，球差迅速增大。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明提供一种基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统来解决上述背景技术中提出的问题。该系统在整个变焦范围内都具有良好消球差效果且具有体积微小，操作方便，稳定性好等优点。具体如下：

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括埋入pdms基片的双胶合柱透镜及双凸柱透镜，所述双胶合柱透镜中注入液芯，所述双胶合柱透镜右侧的pdms基片内埋有双凸柱透镜，所述pdms基片左侧面粘贴宽度为2.80mm的光阑。

进一步的，所述pdms基片为一长方体，尺寸为13.2mm×6.0mm×2.0mm。

进一步的，所述的双胶合柱透镜管壁外半径r为3.00mm，内半径r为2.00mm，高度h为2.00mm，由h-lak3玻璃制成，所述双胶合柱透镜前壁与pdms基片前壁的间距为0mm。

进一步的，所述双凸柱透镜前后表面的曲率半径分别为r凸1＝15.70mm，r凸2＝-6.00mm，厚度为3.00mm，高度h为2.00mm，所述双凸柱透镜前表面与双胶合柱透镜后壁密接，所述双凸柱透镜后表面与pdms基片后壁的间距为0mm。

进一步的，所述双胶合柱透镜中注入不同浓度的溶液，形成液芯，耗液量约为25μl。

本发明具有以下有益效果：

1、当柱透镜系统液芯中注入不同折射率液体时，液体折射率n液由1.3330变化到1.5530，本发明所设计的透镜系统可以实现后焦距由50.882mm到5.857mm的连续变化，变倍比大于8；

2、在整个液体变焦范围内，透镜系统在焦平面上的弥散斑y方向均方根半径始终小于11.237μm。

3、本发明耗液量仅为25μl，整体尺寸小，便于集成。

附图说明

图1为本发明连续变焦微型液芯柱透镜系统的示意图；

图2为本发明用zemax光学设计软件模拟的平行光经过注入不同折射率溶液的透镜系统的光线追迹图；

图3为本发明透镜系统的后焦距fb随溶液折射率n液的变化曲线；

图4为本发明透镜系统焦平面上弥散斑的y方向均方根半径随透镜系统后焦距fb的变化曲线。

图中：图2(a)-2(e)分别为n液＝1.3330，1.3800，1.4300，1.4800，1.5530时的仿真图像，对应后焦距分别为fb＝50.882mm，27.066mm，16.378mm，10.639mm，5.857mm；

图4中点线图代表rmsspotysize随透镜系统后焦距fb的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供的一种基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括埋入pdms基片4的双胶合柱透镜1及双凸柱透镜2，双胶合柱透镜1中注入液芯5，双胶合柱透镜1右侧的pdms基片4内埋有双凸柱透镜2，pdms基片4左侧面粘贴宽度为2.80mm的光阑3；

pdms基片4为一长方体，尺寸为13.2mm×6.0mm×2.0mm；双胶合柱透镜1管壁外半径r为3.00mm，内半径r为2.00mm，高度h为2.00mm，由h-lak3玻璃制成，双胶合柱透镜1前壁与pdms基片4前壁的间距为0mm；双凸柱透镜2前后表面的曲率半径分别为r凸1＝15.70mm，r凸2＝-6.00mm，厚度为3.00mm，高度h为2.00mm，双凸柱透镜2前表面与双胶合柱透镜1后壁密接，双凸柱透镜2后表面与pdms基片4后壁的间距为0mm；

双胶合柱透镜1中注入不同浓度的溶液，形成液芯5，耗液量约为25μl。当溶液的折射率分别纯水(1.3330)、酒精(1.3610)、乙二醇(1.4320)、三甘醇(1.4570)、丙三醇(1.4730)、硝基苯(1.5530)时，透镜系统的后焦距fb可实现50.882mm～5.857mm的连续变化，变倍比大于8。

整个变焦范围内，系统焦平面上的弥散斑y方向均方根半径尺寸小于11.237μm。

(一)基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的变焦方法

该方法是：

在双胶合透镜中注入不同折射率的溶液，形成液芯。液芯折射率n液与溶液的种类存在一一对应关系。根据(1a～1d)式，透镜系统的后焦距fb与n液之间存在一一对应关系。因此，通过改变注入双胶合透镜的溶液的种类，可以实现透镜系统后焦距的改变。

1.基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的变焦能力

由于纯水(1.3330)、酒精(1.3610)、乙二醇(1.4320)、三甘醇(1.4570)、丙三醇(1.4730)、硝基苯(1.5530)的折射率不同，因此溶液的折射率可以在1.3330～1.5530之间连续变化，根据(1a～1d)式，透镜系统的焦距可以在50.882mm～5.857mm之间连续变化。表1所示的是透镜系统不同的液芯折射率n液所对应的焦距fb，图3与表1对应，反应透镜系统的变焦能力。

表1透镜系统后焦距与液芯折射率的对应关系

2.基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的成像质量分析

为说明本发明透镜系统的成像质量，我们用zemax软件进行仿真，得出透镜系统在不同的液芯折射率和不同的焦距处所对应的焦平面弥散斑y方向均方根半径(rmsspotysize)，如表2和图4所列。表2、图4均表明，当n液由1.3330变化到1.5530，透镜系统后焦距fb由50.882mm连续变化到5.857mm时，在整个变焦范围内，成像系统在焦平面上的弥散斑y方向均方根半径(rmsspotysize)尺寸始终小于11.237μm；表2和图4表明本发明所设计的基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统变焦范围内，透镜系统的成像质量良好。

表2透镜系统后焦距在整个变焦范围内的rmsspotysize值

(二)本发明透镜系统的物理结构及参数

如图1所示，本发明透镜系统由埋入pdms基片的双胶合柱透镜及双凸柱透镜构成：双胶合柱透镜管壁由h-lak3玻璃制成，包括四个柱形光学曲面，中间的圆柱形空腔中可注入液体，形成液芯；双凸柱透镜由h-laf50b玻璃制成，包括两个柱形光学曲面，用以削弱透镜系统的球差；pdms基片为一长方体基片，包括前后两个平面起到折光作用；pdms基片前壁粘贴一宽度为2.8mm的狭缝光阑。

发明透镜系统共包括8个光学曲面，其参数为：

八个光学曲面的曲率半径分别为r1＝r8＝∞，r2＝-r5＝r＝3.00mm，r3＝-r4＝r＝2.00mm，r6＝r凸1＝15.70mm，r7＝r凸2＝-6.00mm；

相邻光学曲面的间隔为d1＝d7＝0.0mm，d2＝d4＝3.1mm，d3＝4.0mm，d5＝0，d6＝3.0mm；pdms基片置于空气中，即n1＝n′8＝1；双胶合柱透镜及双凸柱透镜埋入pdms基片中，则n2(n′1)＝n6(n′5)＝n8(n′7)＝npdms＝1.4115；双胶合柱透镜材料为h-lak3玻璃，n3(n′2)＝n5(n′4)＝1.746934；液芯折射率由注入的溶液的种类决定，n4(n′3)＝n液；凸透镜材料为h-laf50b玻璃，则n7(n′6)＝1.772501；

pdms基片为一长方体，尺寸为13.2mm×6.0mm×2.0mm。第一、二、五、六、七、八光学曲面的半宽为h1＝3mm，第二、三个光学曲面的半宽为h2＝2.0mm。双胶合柱透镜及双凸柱透镜的高度均为h＝2.0mm，通光孔径直径由狭缝光阑得宽度决定，为d＝2.8mm。

(三)本发明透镜系统的变焦能力

根据高斯光学可推导出该透镜系统的后焦距fb递推公式：

fb＝s′8,(1a)

s1＝∞,(1c)

si+1＝s′i-di(i＝1,2,…,7),(1d)

(1a～1d)式中，si、s′i分别代表第i个柱面的物方截距及像方截距。由(1)式可以看出，通过改变双胶合柱透镜中的液芯折射率n液可以实现透镜系统后焦距的连续变化。

图2是用zemax光学设计软件模拟的平行光经过注入不同折射率溶液的透镜系统的光线追迹图。纯水(1.3330)、酒精(1.3610)、乙二醇(1.4320)、三甘醇(1.4570)、丙三醇(1.4730)、硝基苯(1.5530)的折射率不同，因此通过改变溶液的折射率，可以实现n液由1.3330到1.5530的变化。图2(a)-2(e)分别为n液＝1.3330，1.3800，1.4300，1.4800，1.5530时的仿真图像，对应后焦距分别为fb＝50.882mm，27.066mm，16.378mm，10.639mm，5.857mm。

图3是透镜系统的后焦距fb随溶液折射率n液的变化曲线。当透镜系统液芯中注入液体折射率n液由1.3330变化到1.5530时，可实现fb由50.882mm到5.857mm的连续变化，实现了大于8：1的变倍比，且整个后焦距变化过程平滑。图3直观的反映了本发明透镜系统的变焦能力。

(四)本发明透镜系统的成像质量分析

对于单色平行光照射的变焦透镜系统而言，球差是影响其成像质量的主要因素，合理设计双胶合柱透镜和双凸柱透镜各光学曲面曲率半径、厚度以及玻璃材质，可以限制透镜系统在整个变焦范围内的球差。下面结合图4详细说明本发明透镜系统的成像效果。

图4是透镜系统焦平面上弥散斑的y方向均方根半径(rmsspotysize)随透镜系统焦距fb的变化曲线。其中，点线图代表rmsspotysize随透镜系统焦距fb的变化曲线。透镜系统焦平面上弥散斑的y方向均方根半径(rmsspotysize)随系统焦距值得变化由zemax光学设计软件逐一进行光线追迹仿真得到。

图4直观的反映了，根据弥散斑半径尺寸，透镜系统变焦范围内保持较高的成像质量。

以上所基于pdms基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的结构形式及其用途均落入本发明的保护范围之内。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。