CN111854635B - 一种基于液体透镜的非球面检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液体透镜的非球面检测方法，该方法主要是根据液体透镜的特性实现了自变焦的功能，又由非球面的补偿原理，可以相应的设计出由液体透镜进行补偿的补偿镜，在检测过程中完全补偿非球面的法线像差，产生与理想非球面一致波前，进而可以分析非球面的面形误差信息。对于多种曲率的非球面可以实现等同检测，同时对于补偿镜的补偿范围也相应的进行了提高，因此减轻了检测流程的复杂度，加快了检测速度，降低了检测成本。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于液体透镜的非球面检测方法，它是基于液体透镜的自主变焦实现了待测非球面的测量，该方法拓宽了非球面的测量，提高了补偿镜的进一步范围，同时降低了检测的成本。
背景技术
目前在检测待测非球面时，通常是单个测量并搭建不同的检测平台，然而补偿范围有限，同时检测成本也十分昂贵，因此提出了液体透镜的自主变焦，这种液体透镜主要通过改变光学液体的折射率从而使得液体折射率发生梯度变化来实现变焦的功能。且液体透镜无需组合较多透镜，较为方便，并对生物医疗、军事感知、智能机器人等领域带都带来了较为深刻的影响。
发明内容
本发明的目的是在于光学检测领域里针对不同的待测非球面，实行降低工程难度，降低检测成本。提出了基于液体透镜的光学检测方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于液体透镜的非球面检测方法，该方法利用的检测装置包括激光干涉仪9，液体透镜补偿镜10，ITO电极层4，绝缘层8，输入电压6，场镜11和待测非球面12，所述的激光干涉仪9打出一束光，经过在电压微控下液体透镜可实现自主的变焦，而同时液体透镜也作为补偿镜，再由发出的光束经过场镜11最后入射到待测非球面12上，液体透镜补偿镜10是由绝缘液体1和导电液体5在输入电压6的控制调节下两种液体形成了一种可变焦距的透镜，同时疏水介电层2可以直接与液体进行接触，不会产生任何形变。且上基板3位于疏水介电层2和ITO电极层4之间，起到了连接作用，由于输入电压6改变，在绝缘液体1与导电液体5之间会产生大量的电荷7也就发生转移，也就形成不同的透镜界面；又由激光干涉仪9发出的光，进入到补偿镜10和场镜11后再入射到待测非球面后，最后由透镜组得到波前理想形状，进而分析非球面的面形误差，因此可通过改变相应的电压，使透镜的界面发生相应的变化能够自主变焦，进而可放置不同的待测非球面使之进行相应的检测。
进一步地，该液体透镜是基于液体器件的自主变焦，它是一种通过改变焦距的新型光学元件，大多数液体透镜是利用了在导电液体和绝缘层之间的外加电压，通过改变电压的输入大小，使导电液体与绝缘液体形成的透镜界面发生挤压，进而改变了焦距。
进一步地，该液体透镜是基于液体器件的自主变焦，设计原则如下：
(1)该液体透镜包括上基板，顶部ITO电极层，疏水介电层，导电液体，绝缘液体，底部ITO电极层，下基板；其中上下基板上可直接镀上ITO电极层，疏水层可直接与导电液体和绝缘液体进行相接触；
(2)在选取导电液体与绝缘液体时，应分别置于不同的容器内；同时，我们应该考虑，在进行检测待测非球面时，液体透镜的形成因素是否受到不同密度的导电液体和绝缘液体的影响，对于液体透镜的形成是由导电液体与绝缘液体不相溶促使透镜内部稳定，最终才能达到变焦功能；
(3)由于导电液体和绝缘液体在液体透镜中实现的功能相当于透镜，对于选取液体材料时，需要考虑整个材料的折射率和透光率，即可根据不同的折射率材料进行选取，最终选择合适的待测非球面进行相关检测。
进一步地，基于液体透镜的自主变焦的非球面测量，是在对电压进行调节的情况下，实现对焦距的控制，相应的实现了对待测非球面快速转换。
进一步地，基于液体透镜的补偿镜的补偿范围也相应的进行了提升。
本发明的原理在于：本发明提出的方法：液体变焦透镜是一种通过改变导电液体与绝缘液体间的界面的形状以改变焦距的新型光学元件。液体透镜就是这种新型变焦透镜，大多数液体透镜是利用了在导电液体和绝缘层之间的外加电压，通过改变电压的输入大小，使导电液体与绝缘液体形成的透镜界面发生挤压，进而改变了焦距。
根据液体透镜是基于液体器件的自主变焦，包括上基板，顶部ITO电极层，疏水介电层，导电液体，绝缘液体，底部ITO电极层，下基板；其中上下基板上可直接镀上ITO电极层，疏水层可直接与液体进行相接触。
优选地，在选取导电液体与绝缘液体时，应分别置于不同的容器内；同时，我们应该考虑，在进行检测待测非球面时，液体透镜的形成因素是否受到不同密度的导电液体和绝缘液体的影响。显然，对于液体透镜的形成是由导电液体与绝缘液体不相溶促使透镜内部稳定，最终才能达到变焦功能。
由于导电液体和绝缘液体在液体透镜中实现的功能相当于透镜，所以我们这里选取液体材料时，也要考虑到整个液体材料的折射率和透光率，可根据不同的折射率材料进行选取，最终选择合适我们的待测非球面进行使用的材料。
作为本发明进一步的优选，选择在上基板上镀上ITO电极层，同时加电压于导电液体与绝缘电极层之间，通过改变外界输入电压的大小，进而使电容器上的输入电压发生变化，以至于使导电液体与绝缘液体界面的电荷的发生改变。
优选地，由液体透镜界面的电荷发生改变，促使液体表面与绝缘层底板材料的接触面积发生了变化。由于，在整个密闭的环境里，导电液体与绝缘液体的总量没有发生改变，然而在电压的作用下，溶液底部发生了扩散，进而产生挤压的现象，最终使之焦距发生了改变。
优选地，我们采用的导电液体通常为加盐的水溶液，我们可以通过加入不同浓度盐水调节导电液体的导电性，同时也能进行控制透镜的可操作温度范围。
同时在容器内是有三个接触面的表面张力进行控制透镜面形状，它们分别是导电液体、绝缘液体和电极层的相互接触面。它们本身的自带张力和依靠电荷的涌动和挤压产生新的张力，使透镜面的形状发生了改变。
其中，由接触面形成的润湿角，这里是表示在导电液体与绝缘液体形成的角度θ。当角度θ发生了变化，即表示的表面张力也发生变化。
优选地，由角度θ表达可以由电润湿效应的变焦机制可以归结为杨-李普曼(Lippman-Young)方程：
其中，θ0是在未加电压是的初始角度，ε为基底介质的介电常数，ε0为真空介电常数，γ表示为导电液体和绝缘液体这两种液体界面上的界面张力，d表示为基底涂覆的绝缘层的厚度，V表示为施加在导电液体与底部电极层之间的电压。
优选地，由杨-李普曼方程可知，我们可以改变外部电压的大小，使导电液体与底部电极上产生大量的异种电荷，电荷在此条件产生了静电吸引力，使之有了排挤的作用，这也是达到了改变导电液体与绝缘液体的接触面形状，从而达到了自动调焦的效果。
优选地，由电润湿相应的机理，通过控制改变输入电压大小以此改变润湿角度，进而使液体面型也发生改变。如若在焦距相同的情况下，则球面的双液体透镜需要更大的润湿角，因此球面的双液体透镜需要更高的电压才能进行驱动。反之非球面所需电压就不能太高。
优选地，我们这里在检测非球面采用的是基于液体透镜的补偿镜，此补偿镜进行提升了补偿范围，因此可通过完全补偿非球面的法线像差，产生与理想非球面形状一致的波前，最终可以由分析待测非球面经过叠加产生的干涉条纹，进而得到的非球面的面形误差信息，从而可以进一步指导检测的结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以快速的实现不同曲率半径的非球面的检测，不用多次更换补偿镜，只需改变电压即可。减少了检测时间，降低了检测成本。
(2)本发明液体透镜补偿镜相比于Offner补偿镜和Dall零位补偿镜等更为通用的用于补偿各种待测非球面，且补偿范围也有了提升。
(3)本发明常用的检测方法对于补偿镜的要求较高，且加工精度要求也十分严格，检测系统的装调也是极为苛刻。液体透镜补偿镜要求简单，制作容易，便于操作。
附图说明
图1为基于液体透镜的自变焦原理图；
图2为基于液体透镜的变焦过程示意图；
图3为基于液体透镜补偿镜的非球面检测示意图。
图中的图示标号为：1为绝缘液体，2为疏水介电层，3为上基板，4为ITO电极层，5为导电液体，6为输入电压，7为电荷，8为绝缘层，9为激光干涉仪，10为液体透镜补偿镜，11为场镜，12为待测非球面。
具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于液体透镜的非球面的检测方法，即将进一步对此进行描述。同时也指出，此处实施的例子仅仅是起到解释发明作用，不能将此进行相关限制，若在该领域进行进一步的修改或者调整，仍然属于在本发明的保护范围内。
非球面检测方法通常有零位检测和非零位检测，而零位检测通常通过设计辅助镜或者补偿器来完全补偿非球面的理论形状的法线像差，进而可以使我们探测得到的面形误差，便于分析被测球面的面形信息。而零位检测方法通常由无像差点法，CGH等组成。我们这里采用零位补偿镜原理，对我们前面的液体透镜设计后并进行相应的加工成我们检测进行采用的补偿镜，此补偿镜采用的是折射式结构，同时材料的折射率和均匀性都应得到保证。
本发明提出了基于液体透镜的非球面检测方法，由液体透镜的自主变焦原理，对待测非球面都有很好的通用性，也能更好的提升了补偿的范围，节省了检测时间，提高了检测精度，降低了检测的成本。
该方法大致分为两部分，一部分如图1所示，即为液体变焦透镜示意图，我们采用的是通过控制电压的变化，即可在上基板3上镀上ITO电极层4，电压加于导电液体5与绝缘电极层之间，通过改变外界输入电压6的大小，使电容器上输入电压6发生变化，进而对产生的电荷7也发生相应的变化，同时也会引起绝缘液体1，导电液体5形成的透镜面发生不断的变化，也会形成的相应张力。
同时由于外部电压的改变，促使了电容器的两极板上正负电荷发生变化，自然也会使电容器极板上的表面积将随着电荷发生显著变化，如图2所示。进而会很容易发现较多的异性电荷分布在绝缘层8两侧，这也是电容器极板表面积发生变化的原因。由于电压带动电荷的作用，促使了在绝缘液体1与电极层之间相互吸引的静电力也会变强，在静电力的作用下显然也会产生相互挤压效果。
同时，在挤压的作用下，显然会导致导电液体5与绝缘液体1这两种液体互相接触的界面形状发生变化，从而引起液体透镜的曲率半径也发生了改变，最终也使透镜焦距发生变化，这就是基于液体透镜的变焦机理。
我们常用的检测方法有非零位检测，因而常用消球差透镜组来消除球差，该检测方法是通过优化设计透镜的面形和材料，选择两个或者多个球面透镜进行组合来减小球差，提高成像的质量。
然而本发明采用的是基于液体透镜的补偿镜，采用了并非消球差透镜组，这是因为在实际工程中多透镜的组合不仅会使加工成本昂贵，装调过程也是比较繁琐，而且使本身的光学系统利用率也会降低。
然而本发明采用的零位检测的液体透镜补偿镜法，它的优势也是相当明显，不仅体积小，也不用我们去复杂的装调，且液体透镜补偿镜10的补偿范围也有了显著的提升，同时对很多待测非球面都有很好通用性，因此检测成本就得到有效的降低。
故我们应使液体透镜作为相应的补偿镜，如图3所示，从激光干涉仪9打出的光，经过液体补偿镜使点光源成像到被测非球面的顶点曲率中心，光线再次通过场镜11，场镜11再把液体透镜补偿镜10成像到待测非球面上，此时我们可以由这透镜组将入射的非球面波前转为待测非球面12的理想形状，这就很好进行分析非球面的面形误差。
由此两部分的结合，我们可以对非球面的检测实现快速不同测量，扩展了补偿器的补偿范围，提高检测精度，降低了检测成本，同时对非球面的检测也提供了创新方法。
基于电压操作可控液体透镜的补偿透镜制作方法，可利用液体表面张力形成的补偿液体透镜，且透镜的表面光洁，也能一次成形，工艺简单、成本也低。我们在通过输入相应的电压改变透镜的焦距，因此可以应用在非球面的实时检测技术上，实时检测非球面的面形误差即检测得到的干涉条纹，并根据检测结果来调整相应的液体透镜的焦距，进一步来指导检测结果。
Claims (2)
1.一种基于液体透镜的非球面检测方法，其特征在于：该方法利用的检测装置包括激光干涉仪(9)，液体透镜补偿镜(10)，ITO电极层(4)，绝缘层(8)，输入电压(6)，场镜(11)和待测非球面(12)，所述的激光干涉仪(9)打出一束光，经过在电压微控下液体透镜可实现自主的变焦，而同时液体透镜也作为补偿镜，再由发出的光束经过场镜(11)最后入射到待测非球面(12)上，液体透镜补偿镜(10)是由绝缘液体(1)和导电液体(5)在输入电压(6)控制调节下两种液体形成了一种可变焦距的透镜，同时疏水介电层(2)可以直接与液体进行接触，不会产生任何形变，且上基板(3)位于疏水介电层(2)和ITO电极层(4)之间，起到了连接作用，由于输入电压(6)改变，在绝缘液体(1)与导电液体(5)之间会产生大量的电荷(7)也就发生转移，也就形成不同的透镜界面；又由激光干涉仪(9)发出的光，进入到补偿镜(10)和场镜(11)后再入射到待测非球面后，最后由透镜组得到波前理想形状，进而分析非球面的面形误差，可通过改变相应的电压，使透镜的界面发生相应的变化能够自主变焦，进而可放置不同的待测非球面使之进行相应的检测；
该液体透镜是基于液体器件的自主变焦，液体变焦透镜是一种通过改变导电液体与绝缘液体间的界面的形状以改变焦距的光学元件，液体透镜就是这种变焦透镜，液体透镜是利用了在导电液体和绝缘层之间的外加电压，通过改变电压的输入大小，使导电液体与绝缘液体形成的透镜界面发生挤压，进而改变了焦距；
在上基板上镀上ITO电极层，同时加电压于导电液体与绝缘电极层之间，通过改变外界输入电压的大小，进而使电容器上的输入电压发生变化，以至于使导电液体与绝缘液体界面的电荷的发生改变；
由液体透镜界面的电荷发生改变，促使液体表面与绝缘层底板材料的接触面积发生了变化，在整个密闭的环境里，导电液体与绝缘液体的总量没有发生改变，然而在电压的作用下，溶液底部发生了扩散，进而产生挤压的现象，最终使之焦距发生了改变；
采用的导电液体为加盐的水溶液，通过加入不同浓度盐水调节导电液体的导电性，同时也能进行控制透镜的可操作温度范围；
同时在容器内是有三个接触面的表面张力进行控制透镜面形状，它们分别是导电液体、绝缘液体和电极层的相互接触面，它们本身的自带张力和依靠电荷的涌动和挤压产生新的张力，使透镜面的形状发生了改变；
其中，由接触面形成的润湿角，这里是表示在导电液体与绝缘液体形成的角度θ，当角度θ发生了变化，即表示的表面张力也发生变化；
由角度θ表达由电润湿效应的变焦机制归结为杨-李普曼(Lippman-Young)方程：
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由杨-李普曼方程可知，可以改变外部电压的大小，使导电液体与底部电极上产生大量的异种电荷，电荷在此条件产生了静电吸引力，使之有了排挤的作用，这也是达到了改变导电液体与绝缘液体的接触面形状，从而达到了自动调焦的效果；
该液体透镜是基于液体器件的自主变焦，设计原则如下：
(1)该液体透镜包括上基板，顶部ITO电极层，疏水介电层，导电液体，绝缘液体，底部ITO电极层，下基板；其中上下基板上直接镀上ITO电极层，疏水层可直接与导电液体和绝缘液体进行相接触；
(2)在选取导电液体与绝缘液体时，应分别置于不同的容器内；同时，在进行检测待测非球面时，液体透镜的形成因素是否受到不同密度的导电液体和绝缘液体的影响，对于液体透镜的形成是由导电液体与绝缘液体不相溶促使透镜内部稳定，最终才能达到变焦功能；
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基于液体透镜的自主变焦的非球面测量，能够在控住电压的情况下，实现了焦距的控制，对于这种能够快速的实现了待测面与透镜的相应转换。
2.如权利要求1所述基于液体透镜的非球面检测方法，其特征在于，基于液体透镜的补偿镜的补偿范围也相应的进行了提升。
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- 2020-07-06 CN CN202010640723.3A patent/CN111854635B/zh active Active
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