CN113670582A - 一种基于液体透镜的面型检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液体透镜的面型检测方法，它主要是根据液体透镜的特性实现了自变焦的功能，在检测过程中改变电压，通过观察CCD接收到的从待测面反射的光信号的强度，当光强度达到极值即透镜焦距刚好在待测面的一个检测点上，以此时的电压反解液体透镜此时的焦距，从而得到待测面上一个被测点和液体透镜的相对位置，接着平移待测面，然后重复上述步骤，则会得到一个新的相对位置信息，最后根据需要得到一系列待测面上点的位置信息，分析得到待测面的面型。对于多种曲率的面型可以实现等同检测，因此结构紧凑，变焦快，响应快，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

一种基于液体透镜的面型检测方法

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面型检测方法，它是基于液体透镜的自主变焦实现待测面型的检测，该方法具有变焦快，结构紧凑，响应快以及成本低的优点。

背景技术

目前在检测待测面型时，通常使用三坐标测量仪或者干涉仪等设备测量，尤其是检测非球面面型时，还需要对单个检测搭建不同的检测平台，其检测成本很高，因此提出了应用液体透镜的自主变焦特性来检测面型的方法，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或者改变液体透镜液体界面形状的方法实现变焦。液体透镜无需组合较多透镜，较为方便，并对生物医疗，智能机器人等领域带都带来了较为深刻的影响。

发明内容

本发明是在光学检测领域里针对不同的待测面型，为了降低工程难度，降低检测成本，提出了基于液体透镜的光学检测方法。

本发明提出以下技术方案：

一种基于液体透镜的面型检测方法，所述液体透镜10布置在面型检测光路中，所述液体透镜10包括电压源6，所述面型检测光路包括待测面9，所述液体透镜10，CCD11，分束镜12，准直镜13，扩束镜14，激光器15，所述方法包括以下步骤：

1)所述激光器15发出一束光，先经过扩束镜14后再通过准直镜13，然后通过分束镜12，从该分束镜12透射的光通过所述液体透镜10后照射在待测面9上，被待测面9反射的光通过液体透镜10后再经分束镜12反射部分光至CCD11，该部分光被CCD11接收；

2)改变所述液体透镜10的焦距，同时检测从CCD11接收到的光信号强度，当光强度达到极值即液体透镜的焦距刚好在待测面9的一个检测点上，以此时的电压反解液体透镜10此时的焦距，从而得到待测面9上一个被测点和液体透镜10的相对位置；其中，通过改变所述电压源的输出电压大小改变所述液体透镜(10)的焦距；

3)平移待测面，并执行上述步骤2)，直至得到待测面9上一系列点的位置信息；

4)基于所述一系列点的位置信息，通过分析得到待测面9的面型。

其中，所述液体透镜还包括绝缘液体1，疏水介电层2，基板3，ITO电极层4，导电液体5，电压源6，绝缘层8，所述电压源6用于在所述导电液体5和绝缘层8之间施加外加电压，通过改变所述外加电压的大小，使导电液体5与绝缘液体1形成的透镜界面发生挤压，进而改变了所述液体透镜10的焦距。

其中，所述绝缘液体1和导电液体5分别置于不同的容器内。

其中，基于液体材料的折射率和透光率选择用于所述绝缘液体1和导电液体5的材料。

其中，采用加盐的水溶液作为导电液体5，通过加入不同浓度盐水调节导电液体5的导电性以及控制液体透镜10的可操作温度范围。

其中，所述液体透镜10为填充液晶材料的液体镜头时，通过改变施加在液晶上的电压大小来调节液晶折射率，从而改变所述液体透镜10的焦距。

液体透镜10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或者通过改变液体折射率来改变焦距的新型光学元件。液体透镜10为新型变焦透镜，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。对于填充液晶材料的液体镜头，当电场应用于透镜时，液晶分子会改变方向，导致通过透镜的光线重新聚焦，通过调节电场和液晶分子的方向，可以塑造光束，通过改变施加在液晶上的电压，从而来调节液晶折射率，从而实现液体透镜的变焦。

以通过改变导电液体与绝缘液体间的界面的形状来改变焦距的液体透镜为例加以说明。根据液体透镜是基于液体器件的自主变焦，本发明中的液体透镜可包括基板，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；其中基板上可直接镀上ITO电极层，疏水层可直接与液体进行相接触。

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，在进行检测待测面型时，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面型的材料。

选择在基板上镀上ITO电极层，同时加电压于导电液体与绝缘层之间，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(Lippman-Young)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。反之面型所需电压就不能太高。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了基于液体透镜的面型检测方法，由液体透镜的自主变焦原理，对待测面型都有很好的通用性，节省了检测时间，提高了检测精度，降低了检测的成本。

附图说明

附图1为基于液体透镜的自变焦原理示意图。

附图2为基于液体透镜的变焦过程示意图。

附图3为基于液体透镜面型检测系统的检测示意图。

附图4为基于液体透镜面型检测原理示意图。

上述附图中的图示标号为：

1绝缘液体，2疏水介电层，3基板，4ITO电极层，5导电液体，6电压源，7电荷，8绝缘层，9待测面，10液体透镜，11CCD，12分束镜，13准直镜，14扩束镜，15激光器。

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面型检测方法，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。

本发明提出了基于液体透镜的面型检测方法，由液体透镜的自主变焦原理，对待测面型都有很好的通用性，节省了检测时间，提高了检测精度，降低了检测的成本。

如图1-2所示，即液体变焦透镜示意图，该液体透镜10包括绝缘液体1，疏水介电层2，基板3，ITO电极层4，导电液体5，电压源6，绝缘层8。在基板3上镀上ITO电极层4，即可将电压源6输出电压加于导电液体5与ITO电极层4之间，通过控制电压源6输出电压的变化，即可使电容器上输入电压发生变化，进而使产生的电荷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7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10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10的变焦机理。

对于填充液晶材料的液体镜头，当电场应用于透镜时，液晶分子会改变方向，导致通过透镜的光线重新聚焦，通过调节电场和液晶分子的方向，可以塑造光束，通过改变施加在液晶上的电压，从而来调节液晶折射率，从而实现液体透镜的变焦。

目前在检测待测面型时，通常使用三坐标测量仪或者干涉仪等大型，昂贵的设备进行测量，尤其是检测非球面面型时，还需要对单个检测搭建不同的检测平台，其检测成本很高。然而本发明提出了应用液体透镜的自主变焦特性来检测面型的方法，它的优势很明显，不仅体积小，不需要进行复杂的装调，也不需要贵重的设备，同时对很多待测面型都有很好通用性，因此检测成本就得到有效的降低。

如图3所示，从激光器15打出的光，先经过扩束镜14扩束后再通过准直镜13准直，然后通过分束镜12，透射光通过液体透镜10后打在待测面9上，被待测面9反射的光通过液体透镜10后再经分束镜12反射部分光至CCD11，被CCD11接收。

如图4所示，检测待测面型时，先保持基于液体透镜10的自变焦检测系统和待测面9的相对位置不变，通过调节电压6改变焦距，同是观察CCD11接收光信号的强度，当光强为极值时，由此时的电压可以反解此时的焦距，这样可以得到待测面9上被测点和液体透镜10的距离。接着平移待测面，然后重复上述步骤，则会得到一个新的相对位置信息，最后根据需要得到一系列待测面9上点的位置信息，通过分析得到待测面9的面型。

由此，可以对面型的检测实现快速测量，降低了检测成本，同时对面型的检测也提供了创新方法。

基于电压操作可控液体透镜的检测面型方法，是利用液体表面张力形成液体透镜，且透镜的表面光洁，也能一次成形，工艺简单，成本也低。

通过输入相应的电压改变液体透镜液体界面的形状或者改变液体透镜液体折射率从而调节液体透镜的焦距，因此可以应用在面型的实时检测技术上，实时检测面型。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于液体透镜的面型检测方法，所述液体透镜布置在面型检测光路中，所述液体透镜包括电压源(6)，所述面型检测光路包括待测面(9)，所述液体透镜(10)，CCD(11)，分束镜(12)，准直镜(13)，扩束镜(14)，激光器(15)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)所述激光器(15)发出一束光，先经过扩束镜(14)后再通过准直镜(13)，然后通过分束镜(12)，从该分束镜(12)透射的光通过所述液体透镜(10)后照射在待测面(9)上，被待测面(9)反射的光通过液体透镜(10)后再经分束镜(12)反射部分光至CCD(11)，该部分光被CCD(11)接收；

2)改变所述液体透镜(10)的焦距，同时检测从CCD(11)接收到的光信号强度，当光强度达到极值即液体透镜(10)的焦距刚好在待测面(9)的一个检测点上，以此时的电压反解液体透镜(10)此时的焦距，从而得到待测面(9)上一个被测点和液体透镜(10)的相对位置；其中，通过改变所述电压源(6)的输出电压大小改变所述液体透镜(10)的焦距；

3)平移待测面，并执行上述步骤2)，直至得到待测面(9)上一系列点的位置信息；

4)基于所述一系列点的位置信息，通过分析得到待测面(9)的面型。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体透镜的面型检测方法，其特征在于：

所述液体透镜(10)还包括绝缘液体(1)，疏水介电层(2)，基板(3)，ITO电极层(4)，导电液体(5)，电压源(6)，绝缘层(8)，所述电压源(6)用于在所述导电液体(5)和绝缘层(8)之间施加外加电压，通过改变所述外加电压的大小，使导电液体(1)与绝缘液体形成的透镜界面发生挤压，进而改变了所述液体透镜(10)的焦距。

3.根据权利要求2所述的一种基于液体透镜的面型检测方法，其特征在于：

所述绝缘液体(1)和导电液体(5)分别置于不同的容器内。

4.根据权利要求2所述的一种基于液体透镜的面型检测方法，其特征在于：

基于液体材料的折射率和透光率选择用于所述绝缘液体(1)和导电液体(5)的材料。

5.根据权利要求2所述的一种基于液体透镜的面型检测方法，其特征在于：

采用加盐的水溶液作为导电液体(5)，通过加入不同浓度盐水调节导电液体的导电性以及控制液体透镜(10)的可操作温度范围。

6.根据权利要求1所述的一种基于液体透镜的面型检测方法，其特征在于：

所述液体透镜(10)为填充液晶材料的液体镜头时，通过改变施加在液晶上的电压大小来调节液晶折射率，从而改变所述液体透镜(10)的焦距。

Images