[发明专利]基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统

说明书

本发明涉及一种变焦光学系统，具体涉及一种基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，由埋入微型PDMS基片的毛细管及双凸柱透镜组成。当毛细管中注入折射率为1.3330～1.4730的不同浓度的丙三醇水溶液时，该光学系统的焦距f可实现8.928 mm～2.675 mm的连续平滑变化，且在整个变焦范围内光学系统在焦平面上的弥散斑均方根半径尺寸始终小于5.0μm；当焦距在8.928 mm～3.118 mm区间时，峰谷波前像差小于λ/4，成像质量接近衍射极限。该柱透镜系统体积小，操作方便，稳定性好，成像质量高。

技术领域

本发明属于变焦光学系统，具体涉及消球差连续变焦液芯柱透镜系统。

背景技术

固体变焦器件逐渐难以适应微型化、集成化光通信、光学成像及Lab-On-a-Chip等光学器件的需求，充液型可变焦透镜具有调节方式多样、焦距变化大等优点，成为近年来的研究热点。考虑透镜成像质量，除了透镜系统变焦范围之外，球差是影响单色光照射下液体变焦透镜成像质量的重要因素。为达到消球差的目的，Mishra等人通过施加静电力重塑准球形光学界面为非球面界面，需要额外增加电动势，其结构复杂、操作困难。Fuh等人采用两层不同厚度的聚氯乙烯薄膜来补偿球差，该方法调校范围较大，但球差校正效果有限。

PDMS是聚二甲基硅氧烷(英文全称polydimethylsiloxane)，是一种透明的有机聚合物材料，包括主剂与硬化剂，可以制造出固态的透明的PDMS基片。为了提供作为光学成像元件的“芯片上的实验室”，2013年发明人所在团队用PDMS作为基片制作了可变焦微型柱透镜，并以此发表了“基于PDMS基片的可变焦柱透镜”(中国光学，第6卷，第3期，p368-369，2013年3月)。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成，通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.4518～1.5502时，柱透镜焦距可由21.369mm减小到3.362mm，变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图，该图与ZEMAX光学设计软件摸拟成像过程的结果相符，用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式，焦距的计算结果与实验和模拟结果吻合，为“芯片上的实验室”提供了一种重要的光学成像元件。但是，该柱透镜在于实现变焦功能，没有将消球差纳入设计内容，影响了单色光照射下液体变焦透镜成像质量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的是提供一种基于PDMS基片纳入毛细管和双凸透镜结构紧凑及填充于毛细管的液体折射率较小的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，该系统能够达到透镜系统焦距的连续平滑变化，且在整个变焦范围内具有良好的消球差效果。

上述目的通过以下方式实现：

(一)基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统

该基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括：

A)一个微型PDMS基片；

B)一个粘贴在所述PDMS基片左侧面的狭缝光阑；

C)沿狭缝光阑右侧依次埋入PDMS基片的毛细管及双凸柱透镜，以及

所述毛细管的后壁与双凸柱透镜的前表面紧密接触，

所述毛细管中注入不同浓度的丙三醇水溶液，形成液芯；于此，丙三醇溶液的浓度C_液与液芯折射率n_液(n_液＝n₄)一一对应，n_液与透镜系统的焦距f也一一对应，C_液与焦距f为入射映射的复合函数，以实现消球差连续变焦，该透镜系统的焦距f递推公式：