[發明專利]一種動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構的設計方法

有效

• 申請號: 201811370682.X
• 申請日: 2018-11-17
• 公開（公告）號: CN109459851B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 余洪斌;張欣峰;李琦;李威;馮楚桓;蘇欣;熊晗;曾揚艦;周航;范甜甜;邵健;朱業錦;石樊
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/12;G02B3/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明屬于自適應光學器件領域，具體公開了一種動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構的設計方法，包括以下步驟：(1)優化非等厚膜結構的面型；(2)優化非等厚膜結構的中心膜厚：利用液體透鏡對該非等厚膜造成的不同程度的形變調整焦距，仿真得到與一個中心膜厚相對應的非等厚膜在目標焦距變化范圍內的一系列球差值；基于不同中心膜厚下的一系列球差值，獲得優化后的非等厚膜結構的中心膜厚；(3)構建非等厚膜結構，從而得到動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構。本發明通過對設計方法的整體流程設置、關鍵面型及膜厚參數的優化方式等進行改進，可以合理設計非等厚膜的初始面型以及上下兩底面的中心膜間距，動態的實現對液體透鏡球差的校正功能。

技術領域

本發明屬于自適應光學器件領域，更具體地，涉及一種動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構的設計方法，該設計方法可得到新型的、適用于動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構。

背景技術

液體透鏡作為一種自適應光學器件，由于其無需調節機械位移就能實現變焦的功能，得到了研究人員的廣泛關注。

液體透鏡可以通過兩種不相溶的液體之間形成液—液曲面，從而具有折射光的功能；而另外的一種方法是通過使用液體與PDMS膜的組合，根據注入液體量的不同來實現膜的變形，從而實現折射透鏡的效果。由于液體透鏡具有變焦的功能，無需很多組合透鏡，可以應用于醫學診斷與科學研究中如：醫用的內窺鏡，顯微鏡，相機。

在成像光學中，成像質量顯得尤為重要，由于單透鏡本身存在一定的像差，尤其是其中球差的部分，傳統固體光學透鏡往往通過多個透鏡的組合來實現整體像差的校正。而液體透鏡在變焦的過程中相當于一個單透鏡，如何通過對液體透鏡的結構設計來實現其像差的校正顯得十分關鍵。

現有的文獻中，有許多關于液體透鏡像差校正的報道，如文獻《Tunable liquid-filled lens integrated with aspherical surface for spherical aberrationcompensation》中，制作一個溝槽，上面覆蓋PDMS膜，下底面設計一個固體非球面的輪廓，通過注入液體，使得PDMS膜發生形變，實現焦距的變化，而下底面的非球面固體輪廓可以對特定焦距的球差進行校正，從而實現了對液體透鏡的靜態校正過程。它相當于使整體的球差曲線進行平移，對于校正點附近的焦距范圍有所減小，但是其它部分也會引入較大球差，所以不能實現動態的校正過程。

也有文獻想通過研究非等厚膜邊緣與中心處厚度之間的關系來找到最佳的非球面面型，如文獻《Spherical aberration free liquid-filled tunable lens withvariable thickness membrane》中利用PDMS非等厚膜，通過確定初始的壓強與中心膜厚和邊緣膜厚，優化其膜厚表達式的其余參數，從而找到一個初始的非球面作為初始面型結構。但是其初始面型是根據形變的理論去選取，而且初始面型的光學性能不一定很好，并且不能明確的知道優化焦距，另外它對于液體與非等厚膜的折射率也需要比較好的匹配，要求更為苛刻，忽略了下底面形變的影響。

再比如文獻《Surface profiling of an aspherical liquid lens with avaried thickness membrane》使用的是非等厚膜來對來實現一個對球差進行校正的液體透鏡，通過研究上表面為不同曲率半徑的球面與下底面組合來尋找相對較好的校正效果。由于其非等厚膜的上表面是球面的結構，所以其校正的效果相對提升不高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種動態校正液體透鏡球差的非等厚膜結構的設計方法，其中通過對設計方法的整體流程設置、關鍵面型及膜厚參數的優化方式等進行改進，將一種新型的非等厚膜設計方案與液體透鏡結合，合理設計非等厚膜的初始面型以及上下兩底面的中心膜間距，可以通過加壓使得膜變形，動態的實現對液體透鏡球差的校正功能。