薄膜厚度與孔徑對(duì)液體透鏡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響研究

付健，楊偉杰

（廣東省外語(yǔ)藝術(shù)職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于液體的可變焦距透鏡因其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)系統(tǒng)，如照相機(jī)設(shè)備、投影儀設(shè)備以及電子顯微鏡等。液體透鏡作為一種新型的光學(xué)變焦技術(shù)，通過(guò)控制自身液體的形狀或折射率，避免對(duì)光學(xué)器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速焦平面變化。Oku 和Ishikawa 制作了一種具有液-液界面的液體透鏡樣機(jī)。樣機(jī)由壓電執(zhí)行器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其最大響應(yīng)時(shí)間達(dá)到2ms。Wang 研究了不同光圈尺寸的彈性體液體透鏡樣機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)光圈尺寸越小，液體透鏡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越高。目前，大多數(shù)液體透鏡的孔徑不超過(guò)30mm。Hongwen 報(bào)道了一種由光敏聚合物驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)液體透鏡，透鏡的孔徑為4mm。Lei Li 提出一種混合驅(qū)動(dòng)的液體透鏡，整個(gè)鏡頭孔徑設(shè)計(jì)為12mm。由于重力以及表面張力的影響，制造具有大口徑的液體透鏡仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于液體透鏡來(lái)說(shuō)，是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。綜合考慮液體透鏡的口徑尺寸和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如何最大限度地縮短響應(yīng)時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間）的同時(shí)維持較大的口徑尺寸，就顯得至關(guān)重要。因此，在本文中，我們研究了彈性薄膜厚度、液體透鏡口徑尺寸對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

1 基本原理（實(shí)驗(yàn)仿真）

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示。我們制作了具有不同厚度彈性薄膜以及不同口徑的液體填充可變焦距透鏡樣機(jī)。本文采用高速壓電堆疊致動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)液體透鏡并評(píng)估液體透鏡的動(dòng)態(tài)性能。壓電堆疊致動(dòng)器的直徑大于液體透鏡的口徑，通過(guò)撞擊可變形板來(lái)簡(jiǎn)直控制液體透鏡的形變曲率面（即透明的彈性薄膜）。

圖1 二環(huán)帶DOE 實(shí)現(xiàn)光學(xué)針的聚焦系統(tǒng)示意圖

圖1(b)展示的是測(cè)量可變焦距液體透鏡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并用不同厚度的彈性薄膜重新制作了不同口徑的樣機(jī)。本次實(shí)驗(yàn)選取的彈性薄膜厚度分別為0.5mm 和1.0mm。液體透鏡樣機(jī)的口徑分別為20mm，30mm 以及50mm。

圖2 展示的是示波器上顯示的測(cè)量信號(hào)。通道1 是指由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生并傳輸?shù)綁弘姸褩?zhí)行器的正弦波信號(hào)。通道2 是指壓電堆致動(dòng)器的實(shí)時(shí)位置。很明顯，壓電堆致動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)的位移會(huì)使可變形板產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變形，從而導(dǎo)致聚焦平面發(fā)生改變。光功率會(huì)隨著焦平面的改變而變化，這種調(diào)焦范圍變化的情況可以從具有通道3 的光電二極管模塊中檢測(cè)到。

圖2 彈性薄膜厚度為0.5 mm

實(shí)驗(yàn)中可以直接觀測(cè)到有源信號(hào)引起的彈性薄膜表面形變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，采用0.5mm 厚度的彈性薄膜，液體透鏡的口徑為20mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為20Hz；液體透鏡的口徑為30mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為11Hz；液體透鏡的口徑為50mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為9Hz，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，逐漸加大施加的正弦波信號(hào)頻率，來(lái)自光電二極管的反饋信號(hào)的幅度在達(dá)到閾值頻率后會(huì)明顯減小（如圖2（b）（d）（f）所示），這表明彈性薄膜表面的形變受到了抑制。同樣的方式，采用1.0mm 厚度的彈性薄膜，液體透鏡的口徑為20mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為25Hz；液體透鏡的口徑為30mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為15Hz；液體透鏡的口徑為50mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值頻率為9Hz，如圖3 所示。

圖3 彈性薄膜厚度為1.0 mm

2 結(jié)語(yǔ)

本文研究了彈性薄膜厚度、液體透鏡口徑尺寸對(duì)于液體透鏡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用0.5mm厚度的透明彈性薄膜，當(dāng)透鏡口徑為20mm 時(shí)，液體透鏡在20Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定；當(dāng)透鏡口徑為30mm 時(shí)，液體透鏡在11Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定；當(dāng)透鏡口徑為50mm 時(shí)，液體透鏡在9Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定。采用1.0mm 厚度的透明彈性薄膜，當(dāng)透鏡口徑為20mm 時(shí)，液體透鏡在25Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定；當(dāng)透鏡口徑為30mm 時(shí)，液體透鏡在15Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定；當(dāng)透鏡口徑為50mm 時(shí)，液體透鏡在9Hz 時(shí)響應(yīng)穩(wěn)定。本文的研究數(shù)據(jù)和結(jié)果可為大口徑液體透鏡的研制提供一定的指導(dǎo)意義。