CN109459851B - 一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自适应光学器件领域，具体公开了一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，包括以下步骤：(1)优化非等厚膜结构的面型；(2)优化非等厚膜结构的中心膜厚：利用液体透镜对该非等厚膜造成的不同程度的形变调整焦距，仿真得到与一个中心膜厚相对应的非等厚膜在目标焦距变化范围内的一系列球差值；基于不同中心膜厚下的一系列球差值，获得优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；(3)构建非等厚膜结构，从而得到动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。本发明通过对设计方法的整体流程设置、关键面型及膜厚参数的优化方式等进行改进，可以合理设计非等厚膜的初始面型以及上下两底面的中心膜间距，动态的实现对液体透镜球差的校正功能。

Description

一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法

技术领域

本发明属于自适应光学器件领域，更具体地，涉及一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，该设计方法可得到新型的、适用于动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。

背景技术

液体透镜作为一种自适应光学器件，由于其无需调节机械位移就能实现变焦的功能，得到了研究人员的广泛关注。

液体透镜可以通过两种不相溶的液体之间形成液—液曲面，从而具有折射光的功能；而另外的一种方法是通过使用液体与PDMS膜的组合，根据注入液体量的不同来实现膜的变形，从而实现折射透镜的效果。由于液体透镜具有变焦的功能，无需很多组合透镜，可以应用于医学诊断与科学研究中如：医用的内窥镜，显微镜，相机。

在成像光学中，成像质量显得尤为重要，由于单透镜本身存在一定的像差，尤其是其中球差的部分，传统固体光学透镜往往通过多个透镜的组合来实现整体像差的校正。而液体透镜在变焦的过程中相当于一个单透镜，如何通过对液体透镜的结构设计来实现其像差的校正显得十分关键。

现有的文献中，有许多关于液体透镜像差校正的报道，如文献《Tunable liquid-filled lens integrated with aspherical surface for spherical aberrationcompensation》中，制作一个沟槽，上面覆盖PDMS膜，下底面设计一个固体非球面的轮廓，通过注入液体，使得PDMS膜发生形变，实现焦距的变化，而下底面的非球面固体轮廓可以对特定焦距的球差进行校正，从而实现了对液体透镜的静态校正过程。它相当于使整体的球差曲线进行平移，对于校正点附近的焦距范围有所减小，但是其它部分也会引入较大球差，所以不能实现动态的校正过程。

也有文献想通过研究非等厚膜边缘与中心处厚度之间的关系来找到最佳的非球面面型，如文献《Spherical aberration free liquid-filled tunable lens withvariable thickness membrane》中利用PDMS非等厚膜，通过确定初始的压强与中心膜厚和边缘膜厚，优化其膜厚表达式的其余参数，从而找到一个初始的非球面作为初始面型结构。但是其初始面型是根据形变的理论去选取，而且初始面型的光学性能不一定很好，并且不能明确的知道优化焦距，另外它对于液体与非等厚膜的折射率也需要比较好的匹配，要求更为苛刻，忽略了下底面形变的影响。

再比如文献《Surface profiling of an aspherical liquid lens with avaried thickness membrane》使用的是非等厚膜来对来实现一个对球差进行校正的液体透镜，通过研究上表面为不同曲率半径的球面与下底面组合来寻找相对较好的校正效果。由于其非等厚膜的上表面是球面的结构，所以其校正的效果相对提升不高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其中通过对设计方法的整体流程设置、关键面型及膜厚参数的优化方式等进行改进，将一种新型的非等厚膜设计方案与液体透镜结合，合理设计非等厚膜的初始面型以及上下两底面的中心膜间距，可以通过加压使得膜变形，动态的实现对液体透镜球差的校正功能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)优化非等厚膜结构的面型：位于液体透镜上方的非等厚膜包括平面状的底面以及向外凸出或向内凹陷设置的上表面，该非等厚膜由透明介质材料组成；在所述液体透镜对该非等厚膜不造成形变的情况下，根据目标焦距值优化该非等厚膜的上表面形状，该非等厚膜的上表面形状即为优化后的非等厚膜结构的面型；

(2)优化非等厚膜结构的中心膜厚：保持所述非等厚膜上表面形状的设置不变，利用所述液体透镜对该非等厚膜造成的不同程度的形变调整焦距，仿真得到考虑非等厚膜上表面和底面形状均受形变影响条件下与一个中心膜厚相对应的非等厚膜在目标焦距变化范围内的一系列球差值；当这一系列球差值均满足预先设定的条件时，则记此时的中心膜厚为优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；否则继续调整所述非等厚膜结构的中心膜厚的大小重复该步骤(2)直到获得优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；

(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚膜结构的面型、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚膜结构的中心膜厚构建非等厚膜结构，从而得到动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。

按照本发明的另一方面，提供了一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)优化非等厚膜结构的面型：位于液体透镜上方的非等厚膜包括平面状的底面以及向外凸出或向内凹陷设置的上表面，该非等厚膜由透明介质材料组成；在所述液体透镜对该非等厚膜不造成形变的情况下，根据目标焦距值优化该非等厚膜的上表面形状，该非等厚膜的上表面形状即为优化后的非等厚膜结构的面型；

(2)优化非等厚膜结构的中心膜厚：保持所述非等厚膜上表面形状的设置不变，利用所述液体透镜对该非等厚膜造成的不同程度的形变调整焦距，仿真得到考虑非等厚膜上表面和底面形状均受形变影响条件下与一个中心膜厚相对应的非等厚膜在目标焦距变化范围内的一系列球差值并以此绘制球差随焦距变化的关系曲线；调整所述非等厚膜结构的中心膜厚的大小，当该曲线对应的均值及标准差均达到最小值时，或者当该曲线与代表焦距的横坐标之间所包含的面积达到最小值时，记此时的中心膜厚为优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；

(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚膜结构的面型、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚膜结构的中心膜厚构建非等厚膜结构，从而得到动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述根据目标焦距优化该非等厚膜的上表面形状具体是利用Zemax软件进行优化的。

作为本发明的进一步优选，所述非等厚膜具体为非等厚的PDMS薄膜，或者为非等厚的硅胶薄膜。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述上表面为非球面。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述仿真具体是基于Comsol多物理场仿真软件。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的所述目标焦距变化范围涵盖了所述步骤(1)中所述目标焦距值；优选的，所述目标焦距变化范围是以所述目标焦距值为中心向大焦距值方向和小焦距值方向同时扩展得到的。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，在非等厚膜的初始面型的选取中，本专利使用现有技术中的手段(如Zemax软件等)先对所需焦距处的球差进行优化，得到初始的面型参数，使得初始面型轮廓的获取更为简单和明确，然后再通过例如Comsol多物理场等手段仿真结构形变，优化中心膜厚，从而实现其动态校正球差的效果。

并且，在非等厚膜液体透镜动态校正球差的过程中，本专利的初始面型是上表面是一个非球面与下表面是一个平面的组合，无需对注入液体与非等厚膜折射率进行匹配，对于液体的选择更加的宽泛，降低了成本也更具有普适性。

另外，在非等厚膜的光学仿真中，本专利考虑了非等厚膜上下两个面形变后的组合，更加精确的描述了非等厚膜对于动态校正球差的过程，考虑到了由于液体与膜折射率不一致时的上下两个面型的参数变化以及膜厚对于膜形变的影响。

传统优化方法，在非等厚膜的球差优化过程中，需要较严格匹配液体折射率，并且仅考虑了一个面型形变的影响。另外，传统方法可以对某一固定焦距处优化球差，但是其它焦距处可能反而增大了其球差；而本发明中的设计方法可以实现优化很宽泛的焦距(即对应于目标焦距变化范围)，并且由于本发明可以优化得到最佳动态校正球差(此时，目标焦距变化范围内球差值的绝对值的均值与标准差均最小)，这一最佳动态校正球差往往不会使其它不在范围内的焦距的球差增大，从而使整个焦距范围下的球差都得到了优化。

本发明中非等厚膜动态校正液体透镜球差的方法，具体可以是一种由Zemax优化某一焦距处的球差来获得非等厚膜初始面型的方法，再通过Comsol仿真膜的形变，实现液体透镜焦距变化，优化中心膜厚，利用该方法设计的非等厚膜可以实现动态校正液体透镜球差。并且，该方法是一种无需考虑折射率匹配的非等厚膜液体透镜的方法。初始面型为优化后的非球面，研究了不同初始面型(由于非等厚膜包括平面状的底面以及向外凸出或向内凹陷设置的上表面，因此初始面型一般是指未发生形变时的上表面)以及不同膜厚(即不同中心膜厚；非等厚膜结构的中心膜厚，当非等厚膜上表面向外凸出时即为非等厚膜结构上表面上的最高点距离底面平面的距离，当非等厚膜上表面向内凹陷即为非等厚膜结构上表面上的最低点距离底面平面的距离)对于形变与光学性能的影响，对于液体与膜折射率不一致时也有很好的效果，考虑了膜上下两个表面形变后参数的变化，优化得到的结构更具有普适性。本发明在优化非等厚膜结构的面型时，初始得到一个优化焦距处的非球面，对于优化后的初始上表面，改变中心膜厚对该焦距下的球差几乎没有影响，中心膜厚只是影响形变后对应的焦距下的球差变化。本发明能够以无形变情况下的初始优化焦距为中心，确保液体透镜球差在该中心向大焦距值方向和小焦距值方向同时扩展得到的一个很宽的焦距范围内都能得到很大的校正。

附图说明

图1为非等厚膜液体透镜结构示意图，即，液体透镜的系统结构示意图。

图2为非等厚膜液体透镜动态校正球差流程图，即，非等厚PDMS膜动态校正球差的流程图。

图3为几种不同类型的非等厚膜结构示意图，即，不同中心膜厚、不同初始面型的膜的结构示意图。

图4为非等厚膜与等厚膜它们的Zernike系数随焦距(单位：mm)变化关系的仿真对比图。

图5为不同中心处膜厚对比图，即，初始面型相同、不同中心膜厚的非等厚膜它们的Zernike系数随焦距(单位：mm)变化关系的仿真对比图。

图6为不同优化焦距初始面型对比图，即，相同中心膜厚、不同初始面型的非等厚膜它们的Zernike系数随焦距(单位：mm)变化关系的仿真对比图。

具体实施方式

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未构成冲突就可以相互组合。

下面以非等厚膜材料为PDMS材料为例，对本发明进行详细介绍。

实例1

概括来说，本发明提出了一种新型的非等厚膜设计方案与液体透镜结合，合理设计非等厚膜的初始面型以及上下两底面的中心膜间距，可以通过加压使得膜变形，动态的实现对液体透镜球差的校正功能。

该结构可以分为两个部分。如图1所示，上部分是非等厚PDMS薄膜结构，下部分是填充液体的腔。如图2所示，非等厚膜液体透镜动态校正球差的过程，其中该初始面型的选取是根据初始球差优化焦距处的面型确定的。

通过改变腔内注入液体的量，使PDMS薄膜发生凸起或凹陷，进而改变了薄膜的面型，从而改变了液体透镜的焦距，再结合非等厚膜的初始面型以及膜厚的选择，使得面型变化后，其对应焦距的球差得到很大的改善，从而实现液体透镜的球差动态校正效果。

接下来介绍实施例1。如图2所示，整个研究的流程图。非等厚膜结构的上表面是一个非球面，优化焦距在60mm处；下表面是一个平面。该实例中，非等厚膜的材料为PDMS，中心处的厚度为0.35mm，折射率为1.40，阿贝系数为50，膜的口径为直径6mm；液体透镜中填充的液体为去离子水，折射率为1.33，阿贝系数为65，厚度为1mm。

通过注入液体量的不同使得PDMS非等厚膜发生形变，观察其焦距与球差之间的关系，与相同参数情况下等厚膜对比，最终的仿真结果如图4所示，可以看到本发明所设计的非等厚膜的球差在整个工作焦距范围内都得到了相应的校正与改善，实现了球差的动态校正。

实例2

实例2的结构如图3所示。非等厚膜上表面是非球面，优化焦距在60mm处，下表面是平面。该实例中，非等厚膜的材料为PDMS，中心处的厚度分别为0.35mm和0.4mm，折射率为1.40，阿贝系数为50，膜的口径为直径6mm；液体透镜中填充的液体为去离子水，折射率为1.33，阿贝系数为65，厚度为1mm。

通过注入液体量的不同使得PDMS非等厚膜发生形变，观察其焦距与球差之间的关系，对比相同初始面型情况下，不同中心厚度对球差的影响效果，最终的仿真结果如图5所示，可以看到本发明所设计的不同中心厚度的非等厚膜对球差的校正效果不同，从而可以合理的设计非等厚膜的中心厚度来找到最佳的动态校正球差的效果。

利用本发明中的设计方法，可以找到在焦距变化范围内球差分布的均值、标准差同时最小时的中心膜厚取值(当然，这个焦距范围是具体应用时感兴趣的焦距范围，甚至可以是应用时需要使用到的焦距范围)，此时即可得到最佳的动态校正球差的效果；当然，最佳的动态校正球差也可以是根据焦距变化范围内球差随焦距变化的关系曲线，当该曲线与代表焦距的横坐标之间所包含的面积达到最小值时对应的情形。另外，上述关系曲线可以是利用基于最小二乘法的曲线拟合得到的。

实例3

实例3的结构如图3所示。非等厚膜的上表面是一个非球面，而其面型分别选择为优化焦距在60mm和70mm焦距处，下表面均是平面。该实例中，非等厚膜的材料为PDMS，中心处厚度为0.35mm，折射率为1.40，阿贝系数为50，膜的口径为直径6mm；液体透镜中填充的液体为去离子水，折射率为1.33，阿贝系数为65，厚度为1mm。

通过在Zemax仿真软件中优化得到不同优化焦距处的初始面型，通过注入液体量的不同实现非等厚膜的变形，观察其焦距与球差之间的关系，对比相同中心厚度，不同初始面型对球差的影响，最终的仿真结果如图6所示，可以看到本发明所设计的不同初始非球面面型的非等厚膜对球差的校正效果不同，从而可以合理的设计非等厚膜的优化初始面型来找到最佳的动态校正球差的效果。

除了图2中所指出的Zemax优化面型外，本发明也可以采用其他现有技术中的手段进行优化面型；Comsol多物理场仿真也相似，还可以采用其他仿真手段，只要能够同时考虑液体压力对非等厚膜上表面和底面的形变影响即可。另外，本发明上述实施例中所采用的Zemax软件具体为Zemax 2005，Comsol软件具体为Comsol 5.3。

另外，非等厚膜除了采用PDMS材料外，还可以采用其他透明介质材料，尤其是透明聚合物，如硅胶等。

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。

Claims (7)

1.一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)优化非等厚膜结构的面型：位于液体透镜上方的非等厚膜包括平面状的底面以及向外凸出或向内凹陷设置的上表面，该非等厚膜由透明介质材料组成；在所述液体透镜对该非等厚膜不造成形变的情况下，根据目标焦距值优化该非等厚膜的上表面形状，该非等厚膜的上表面形状即为优化后的非等厚膜结构的面型；

(2)优化非等厚膜结构的中心膜厚：保持所述非等厚膜上表面形状的设置不变，利用所述液体透镜对该非等厚膜造成的不同程度的形变调整焦距，仿真得到考虑非等厚膜上表面和底面形状均受形变影响条件下与一个中心膜厚相对应的非等厚膜在目标焦距变化范围内的一系列球差值；当这一系列球差值均满足预先设定的条件时，则记此时的中心膜厚为优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；否则继续调整所述非等厚膜结构的中心膜厚的大小重复该步骤(2)直到获得优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；

(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚膜结构的面型、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚膜结构的中心膜厚构建非等厚膜结构，从而得到动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。

2.一种动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)优化非等厚膜结构的面型：位于液体透镜上方的非等厚膜包括平面状的底面以及向外凸出或向内凹陷设置的上表面，该非等厚膜由透明介质材料组成；在所述液体透镜对该非等厚膜不造成形变的情况下，根据目标焦距值优化该非等厚膜的上表面形状，该非等厚膜的上表面形状即为优化后的非等厚膜结构的面型；

(2)优化非等厚膜结构的中心膜厚：保持所述非等厚膜上表面形状的设置不变，利用所述液体透镜对该非等厚膜造成的不同程度的形变调整焦距，仿真得到考虑非等厚膜上表面和底面形状均受形变影响条件下与一个中心膜厚相对应的非等厚膜在目标焦距变化范围内的一系列球差值并以此绘制球差随焦距变化的关系曲线；调整所述非等厚膜结构的中心膜厚的大小，当该曲线对应的均值及标准差均达到最小值时，或者当该曲线与代表焦距的横坐标之间所包含的面积达到最小值时，记此时的中心膜厚为优化后的非等厚膜结构的中心膜厚；

(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚膜结构的面型、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚膜结构的中心膜厚构建非等厚膜结构，从而得到动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构。

3.如权利要求1或2所述动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述根据目标焦距优化该非等厚膜的上表面形状具体是利用Zemax软件进行优化的。

4.如权利要求1或2所述动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，所述非等厚膜具体为非等厚的PDMS薄膜，或者为非等厚的硅胶薄膜。

5.如权利要求1或2所述动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述上表面为非球面。

6.如权利要求1或2所述动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述仿真具体是基于Comsol多物理场仿真软件。

7.如权利要求1或2所述动态校正液体透镜球差的非等厚膜结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的所述目标焦距变化范围涵盖了所述步骤(1)中所述目标焦距值；所述目标焦距变化范围是以所述目标焦距值为中心向大焦距值方向和小焦距值方向同时扩展得到的。

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