一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法

1.本发明属于自适应光学器件领域，更具体地，涉及一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，通过对液体透镜的面形和中心膜厚的优化，从而得到动态校正液体透镜像差的非等厚弹性膜结构，并利用电磁驱动的方式实现了对液体透镜高度集成的双向大范围变焦控制。


背景技术：

2.传统的变焦光学系统是通过改变透镜组之间的距离实现变焦，依赖于精密机械结构的配合，而液体透镜作为一种自适应光学器件，其无需调节机械位移就能够实现焦距的变化，得到了广泛的研究和应用。
3.在中国专利cn109459851a中提出通过对初始焦距和中心膜厚的优化得到校正液体透镜球差的初始结构，该设计对于球差有非常显著的校正效果，但该初始结构的优化没有考虑其他像差的影响，其驱动方式依靠外部注液装置实现变焦，这不利于整个器件结构的紧凑化，并且该结构在初始状态下具有一定大小的初始焦距从而限制了焦距的变化范围。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，旨在解决液体透镜在大焦距范围内难以实现高质量双向变焦的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，能够动态校正液体透镜的各种初级像差，并利用高度集成的电磁驱动方式实现了大范围的双向变焦，液体透镜由非等厚弹性膜结构、透明衬底以及液体腔组成，并由电磁驱动装置封装，非等厚弹性膜的设计包括以下步骤：
6.(1)优化非等厚弹性膜结构的面形：位于液体透镜上方的非等厚弹性膜包括向下突出设置的底面以及平面状的顶面，该非等厚弹性膜由透明介质材料组成；将底面和顶面翻转形成的平凸结构的焦距定义为pc初始焦距，在所述非等厚弹性膜未产生形变的情况下，根据目标pc初始焦距范围优化该非等厚弹性膜的底面形状，该非等厚弹性膜的底面形状以及平面状的顶面即为优化后的非等厚弹性膜结构的面形；
7.(2)优化非等厚弹性膜结构的中心膜厚：在目标pc初始焦距范围内，利用所述非等厚弹性膜受力变形产生的不同程度的形变实现液体透镜焦距的改变，仿真得到不同中心膜厚的非等厚弹性膜在目标焦距变化范围内的像差曲线；通过预设的评价标准评估像差曲线，确定优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚；
8.(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚弹性膜结构的面形、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚，通过挤压或拉伸电磁驱动圆环从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形构建非等厚弹性膜结构，从而得到电磁驱动双向变焦液体透镜。
9.优选地，所述液体透镜的填充液体与非等厚弹性膜的折射率匹配。由于填充液体与非等厚弹性膜折射率匹配，光线出射端为平面，无论底面的面形轮廓如何，其初始焦距均为无穷远，但不同的底面面形轮廓，其像差性能不同。
10.有益效果：液体透镜中填充的液体与非等厚弹性膜的折射率相同，并且出射面初始面形为平面使得液体透镜在初始状态下的焦距为无穷远，随着驱动力的增加，液体透镜的焦距的绝对值逐渐减小，在长焦状态只需很小的力就可以实现很大的焦距变化，使得变焦范围很大。
11.优选地，步骤(2)中预设的评价标准为：
12.通过绘制各个初级像差以及光斑大小随焦距变化的关系曲线评估各个像差的大小，综合考虑液体透镜的像差性能、驱动性能以及对抗重力稳定性筛选出中心膜厚。优选地，步骤(3)中的电磁驱动分为动圈式和动铁式，动圈式是将线圈与液体透镜连接在一起在磁场中移动，动铁式是将磁铁与液体透镜连接在一起在磁场中移动，通过控制流过线圈的电流大小，在永磁铁产生的磁场中产生不同大小的洛伦兹力，以驱动液体透镜上方的非等厚弹性膜产生不同程度的变形，实现焦距调节功能；通过控制线圈电流的方向改变液体透镜的受力方向，从而实现双向变焦。在动圈式中，线圈位于液体透镜的电磁驱动圆环上，磁铁位于线圈外部并与其同轴心固定；在动铁式中，磁铁位于液体透镜的电磁驱动圆环上，线圈位于磁铁外部并与其同轴心固定。
13.有益效果：通过挤压(拉伸)设计的电磁驱动圆环从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形，使得整个驱动结构非常紧凑，并利用高度集成的电磁驱动方式，通过控制流过线圈的电流大小，在永磁铁产生的磁场中产生不同大小的洛伦兹力驱动液体透镜产生不同方向、不同程度的变形，从而实现了大范围的双向变焦。
14.优选地，步骤(1)中，所述根据目标焦距优化该非等厚弹性膜的底面形状具体是利用光线追迹方法，例如zemax软件进行优化的。步骤(2)中，所述仿真具体是基于有限元仿真方法进行的，例如comsol多物理场仿真软件。
15.优选地，所述底面为多项式，例如偶次非球面。
16.有益效果：液体透镜初始结构的选取综合考虑了在大焦距范围内各种像差的影响，使其在大范围变焦过程中均保持着优异的成像性能。
17.优选地，步骤(2)中的所述目标焦距变化范围依据不同应用需求灵活选取，例如∞至
±
15mm。
18.优选地，非等厚弹性膜为对工作波段表现出良好光学透过率且具有优异机械弹性的聚合物，如pdms。
19.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果。
20.1.本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜，通过薄膜布置为凸平结构，且填充液体与薄膜折射率相同，使得液体透镜的初始焦距为无穷远。
21.2.本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜，通过对液体透镜的面形和中心膜厚的优化，得到综合优化各种像差的初始结构。
22.3.本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜，通过控制流过线圈的电流的大小和方向，实现对液体透镜的双向大范围变焦。
附图说明
23.图1为本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜的结构示意图；
24.图2为本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜的非等厚弹性膜优化设计方法的流程示意图；
25.图3为本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜的非等厚液体透镜仿真流程示意图；
26.图4为本发明提供的电磁驱动双向变焦液体透镜在pc初始焦距30mm下不同膜厚的像差曲线，(a)为球差曲线，(b)为彗差曲线，(c)为像散曲线，(d)为场曲曲线，(e)为畸变曲线，(f)为色差曲线，(g)为0
°
视场rms光斑半径曲线，(h)为20
°
视场rms光斑半径曲线；
27.图5为四组结构像差曲线对比，(a)为球差曲线，(b)为彗差曲线，(c)为像散曲线，(d)为场曲曲线，(e)为畸变曲线，(f)为色差曲线，(g)为0
°
视场rms光斑半径曲线，(h)为20
°
视场rms光斑半径曲线为；
28.图6为四组结构在重力影响下像差曲线对比，(a)为球差曲线，(b)为彗差曲线，(c)为像散曲线，(d)为场曲曲线，(e)为畸变曲线，(f)为色差曲线，(g)为0
°
视场rms光斑半径曲线，(h)为20
°
视场rms光斑半径曲线；
29.图7为动圈式电磁驱动的结构示意图；
30.图8为动铁式电磁驱动的结构示意图；
31.图9为电磁驱动液体透镜电流
‑
焦距图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
33.液体透镜的结构由非等厚弹性膜结构、透明衬底以及液体腔组成，并由电磁驱动装置封装，如图1所示。非等厚弹性膜的设计包括以下步骤：
34.(1)优化非等厚弹性膜结构的面形：位于液体透镜上方的非等厚弹性膜包括向下突出设置的底面以及平面状的顶面，该非等厚弹性膜由透明介质材料组成；将底面和顶面翻转形成的平凸结构的焦距定义为pc初始焦距，在所述非等厚弹性膜未产生形变的情况下，根据目标pc初始焦距范围优化该非等厚弹性膜的底面形状，该非等厚弹性膜的底面形状以及平面状的顶面即为优化后的非等厚弹性膜结构的面形；
35.(2)优化非等厚弹性膜结构的中心膜厚：在目标pc初始焦距范围内，利用所述非等厚弹性膜受力变形产生的不同程度的形变实现液体透镜焦距的改变，仿真得到不同中心膜厚的非等厚弹性膜在目标焦距变化范围内的像差曲线；通过预设的评价标准评估像差曲线，确定优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚；
36.(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚弹性膜结构的面形、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚，通过挤压或拉伸电磁驱动圆环从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形构建非等厚弹性膜结构，从而得到电磁驱动双向变焦液体透镜。
37.非等厚弹性膜结构的通光区域布置为凸平结构，液体腔中填充的液体其折射率与非等厚弹性膜折射率匹配，通过这种设计使得液体透镜在初始状态下的焦距为无穷远，近似为一个平行平板，极大地提高了变焦范围。非等厚弹性膜结构设计了驱动圆环，通过挤压或者拉伸驱动圆环，从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形，使得整个驱动结构非常紧凑，线圈(或磁铁)通过非等厚弹性膜液体粘到驱动圆环上，通过控制线圈电流的大小和方向就可以驱动液体透镜产生不同方向不同程度的变形从而产生双向的焦距变化。
38.本发明采用pc初始焦距和薄膜中心膜厚两个变量来对液体透镜中的非等厚弹性膜初始结构进行表征。具体优化方法如图2所示，本发明对平凸结构薄膜在其初始焦距下的面形进行优化，将其翻转为凸平薄膜作为液体透镜的结构，本发明将该平凸结构状态下的初始焦距定义为pc初始焦距。将液体透镜pc初始焦距设为pc初始焦距1，对非球面进行像差优化，就可以得到在此pc初始焦距下的最佳非球面面形方程。然后设定薄膜的中心厚度为膜厚1，随后进行仿真得到各像差与焦距的关系曲线。保持非球面的初始焦距不变，再接着选取不同的薄膜厚度，分别进行仿真，通过对比不同薄膜厚度的像差曲线，得到该初始焦距下液体透镜像差随着薄膜厚度的变化趋势。接着选取多个pc初始焦距，重复上述更改中心膜厚提取像差的过程，可以得到不同pc初始焦距值在不同中心膜厚下的像差数据。对所有的像差数据进行对比，综合考虑液体透镜的像差性能、驱动性能以及对抗重力稳定性能，选取一组最佳的初始结构。
39.具体的仿真流程如图3所示。第一步，通过zemax优化出液体透镜薄膜的初始结构。通过给定的变焦范围(如∞至
±
15mm)，来选取一适当的pc初始焦距，通过zemax软件，设定好所需要优化的像差选项，就可以优化出平凸结构非球面的高阶项系数，将其翻转为凸平结构。再选定一适当的中心膜厚，就可以将液体透镜薄膜的初始结构确定下来。第二步，通过comsol仿真出薄膜的变形过程。当确定下液体透镜的各项参数后，就可以在comsol中建立对应的液体透镜结构模型，仿真出驱动圆环在不同的压力下薄膜的形变过程，并导出不同形变下的面形数据。第三步，通过matlab软件编写脚本，将第二步导出的面形数据进行拟合，从而得到不同驱动压强下，薄膜变形后的非球面面形方程。第四步，再通过matlab与zemax动态数据传输技术，将拟合后的非球面面形一一代入至zemax中进行光学仿真，再将各种像差数据动态的提取到matlab当中，以便后续进行对比分析。
40.实施例以pc初始焦距为30mm的液体透镜结构为例，展示不同中心膜厚的像差数据的提取过程，选取0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm共4组中心膜厚数据，按照上述的仿真流程，可以得到pc初始焦距为30mm的液体透镜在这4组中心膜厚下的像差数据如图4中的(a)
‑
(h)所示。可以看到通过更改中心膜厚的方法对像散、畸变以及色差的校正效果是非常有限的，因为这些像差很难通过单透镜进行校正，而对于球差、彗差、场曲以及光斑半径其校正效果非常明显。
41.改变pc初始焦距，重复上述仿真流程，可以得到液体透镜在不同pc初始焦距不同中心膜厚下的像差数据，通过对比所有结构的仿真数据，本发明筛选出了四组像差性能较为优异的初始结构，分别为pc初始焦距25mm中心膜厚0.48mm组合、pc初始焦距30mm中心膜厚0.4mm组合、pc初始焦距35mm中心膜厚0.35mm组合、pc初始焦距35mm中心膜厚0.3mm组合，不同的透镜薄膜初始结构都有着各自的优缺点，作为对比本发明添加了两组等厚膜结构，
绘制这些结构的各个初级像差曲线如图5中的(a)
‑
(h)所示。在本发明的设计需求中，液体透镜结构不仅仅需要在整个变焦范围内拥有良好的光学质量，还期望此结构所需要的驱动力能够尽可能的小，并且受重力的影响能够尽可能的小。当变焦至15mm时，四种结构所需要的驱动力大小如表1所示，在考虑重力影响下液体透镜的各个像差随焦距的变化曲线如图6所示，最终结合四种结构的像差性能、驱动性能以及对抗重力稳定性能三个方面综合考量，本发明选取了初始结构为pc初始焦距30mm中心膜厚0.4mm的凸平膜结构作为液体透镜薄膜的最终设计方案。
42.表1
43.薄膜结构驱动力大小/n25
‑
0.480.263930
‑
0.40.1470335
‑
0.350.1206435
‑
0.30.10556
44.根据优化后的初始结构制备出完整的液体透镜，用电磁驱动装置装配成一个整体，其可分为动圈式与动铁式两种类型，如图7和图8所示，通过实验测量出在不同线圈电流驱动下液体透镜的焦距值，并与仿真的结果进行对比，如图9所示。
45.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。