[发明专利]基于三层液体结构的非球面透镜的面型分析方法

说明书

本发明提出了一种基于三层液体结构的非球面透镜的面型分析方法，包括步骤一，建立出三层液体结构的非球面透镜结构模型；步骤二，对非球面透镜结构模型在外加电压时液体界面面型的变化情况进行仿真；步骤三，通过仿真软件将模型仿真中得到的面型数值拟合成非球面的面型函数，获得相应的非球面系数；步骤四，改变外加电压，将不同电压下的非球面系数与电压的对应关系拟合成函数，并将非球面系数与外加电压的对应关系绘制成曲线图。本发明基于三层液体透镜结构的建立，通过将面型拟合成非球面函数，统计多组不同电压下的各个非球面系数的数值拟合成函数，并绘制成曲线图，通过曲线图来实现对非球面面型的具体分析。

技术领域

本发明涉及一种适用于液体透镜的非球面面型分析方法，具体的说是一种基于三层液体结构的非球面透镜的面型分析方法，属于光学技术领域。

背景技术

随着光学技术的发展，变焦透镜系统的应用范围越来越大，复杂的应用场合使得传统的固体透镜越来越难以适应，液体透镜由于其可调焦，不局限于球面镜，对制作工艺要求低等诸多优点而得到广泛应用，液体透镜是将液体作为透镜通过改变液体的曲率来改变焦距。现在较为成熟的液体透镜是利用介质上电润湿（EWOD）原理的可变焦光透镜，通过外加电压改变液滴的形状，进而改变其焦距，该新技术可以使拍照手机在不需配备机械部件的情况下实现自动对焦和变焦，更多的，该技术也可以用在相机，医用内窥镜等光学系统中。

现有的液体透镜面型多用球面拟合，这种面型不仅会因为球差而降低成像效果，而且要求透镜两侧液体之间的密度差必须相近，采用非球面面型将避免以上的问题。把非球面透镜引进光学系统中，能够有效地代替复杂透镜系统中的若干透镜组合，从而实现简化系统结构和提高系统成像质量的目的。然而在实际过程中，由于非球面的面型较为复杂，很难像固体球面透镜一样通过几个少量的参数就可以直观的了解透镜的结构，另外在设计非球面透镜的时候，外加电压也没有调节的依据，也无法详细的了解到外加电压对液体透镜的厚度、通光直径等参量的变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三层液体结构的非球面透镜的面型分析方法。统计非球面系数与外加电压的对应关系，将其拟合成曲线的面型分析法。这种分析法可以从曲线图中直观的反映出当电压变化时非球面系数的变化情况。当液体透镜结构确定的情况下，为实现某种非球面面型需外加多少电压提供选择依据。

为达到以上目的，本发明提供一种基于三层液体透镜结构的非球面镜的面型分析法，包括以下步骤：

步骤一，建立出三层液体结构的非球面透镜结构模型；

步骤二，预先设置外加电压，对非球面透镜结构模型在外加电压时液体界面面型的变化情况进行仿真；

步骤三，通过Matlab将模型仿真中得到的面型数值拟合成非球面的面型函数，获得相应的非球面系数。

步骤四，改变外加电压，将不同电压下的非球面系数与电压的对应关系拟合成函数，并将非球面系数与外加电压的对应关系绘制成曲线图。

作为本发明的进一步技术方案，所述步骤一中的非球面透镜结构模型，使用圆柱型玻璃管，并在其内分别充装导电液体及绝缘液体，所述圆柱型玻璃管外侧壁及底面镀有导电层，所述圆柱型玻璃管内壁涂覆有疏水电介质层，通过改变外加电压来改变导电液体与绝缘液体之间的界面面型。

进一步地，所述导电液体与绝缘液体互不相溶且密度各异。

进一步地，所述步骤二具体为先对非球面透镜结构模型使用拉普拉斯公式运算，得到非球面面型与密度差的二阶偏微分方程，再对所得二阶偏微分方程进行数学计算，得出非球面面型的数值解。

进一步地，所述数学计算为采用Runge-Kutta算法对非球面面型和密度差的二阶偏微分方程进行计算。

进一步地，所述步骤四中的曲线图，是将外加电压作为自变量，将非球面面型公式的各个系数作为因变量，用平滑的曲线绘制而成的。