[发明专利]一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法

说明书

本发明公开了一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，属于自适应光学器件领域。通过对液体透镜的面形和中心膜厚的优化，从而得到动态校正液体透镜像差的非等厚弹性膜结构，非等厚弹性膜布置为凸平结构，填充液体与非等厚弹性膜折射率匹配使得液体透镜的初始焦距为无穷远从而极大地提高变焦范围，通过挤压或者拉伸设计的驱动圆环从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形，使得整个驱动结构非常紧凑，并利用高度集成的电磁驱动方式，通过控制流过线圈的电流的方向和大小，在永磁铁产生的磁场中产生不同方向和大小的洛伦兹力驱动液体透镜产生不同方向、不同程度的变形，从而实现了大范围的双向变焦。

技术领域

本发明属于自适应光学器件领域，更具体地，涉及一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，通过对液体透镜的面形和中心膜厚的优化，从而得到动态校正液体透镜像差的非等厚弹性膜结构，并利用电磁驱动的方式实现了对液体透镜高度集成的双向大范围变焦控制。

背景技术

传统的变焦光学系统是通过改变透镜组之间的距离实现变焦，依赖于精密机械结构的配合，而液体透镜作为一种自适应光学器件，其无需调节机械位移就能够实现焦距的变化，得到了广泛的研究和应用。

在中国专利CN109459851A中提出通过对初始焦距和中心膜厚的优化得到校正液体透镜球差的初始结构，该设计对于球差有非常显著的校正效果，但该初始结构的优化没有考虑其他像差的影响，其驱动方式依靠外部注液装置实现变焦，这不利于整个器件结构的紧凑化，并且该结构在初始状态下具有一定大小的初始焦距从而限制了焦距的变化范围。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，旨在解决液体透镜在大焦距范围内难以实现高质量双向变焦的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电磁驱动双向变焦液体透镜的设计方法，能够动态校正液体透镜的各种初级像差，并利用高度集成的电磁驱动方式实现了大范围的双向变焦，液体透镜由非等厚弹性膜结构、透明衬底以及液体腔组成，并由电磁驱动装置封装，非等厚弹性膜的设计包括以下步骤：

(1)优化非等厚弹性膜结构的面形：位于液体透镜上方的非等厚弹性膜包括向下突出设置的底面以及平面状的顶面，该非等厚弹性膜由透明介质材料组成；将底面和顶面翻转形成的平凸结构的焦距定义为PC初始焦距，在所述非等厚弹性膜未产生形变的情况下，根据目标PC初始焦距范围优化该非等厚弹性膜的底面形状，该非等厚弹性膜的底面形状以及平面状的顶面即为优化后的非等厚弹性膜结构的面形；

(2)优化非等厚弹性膜结构的中心膜厚：在目标PC初始焦距范围内，利用所述非等厚弹性膜受力变形产生的不同程度的形变实现液体透镜焦距的改变，仿真得到不同中心膜厚的非等厚弹性膜在目标焦距变化范围内的像差曲线；通过预设的评价标准评估像差曲线，确定优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚；

(3)按所述步骤(1)得到的所述优化后的非等厚弹性膜结构的面形、所述步骤(2)得到的优化后的非等厚弹性膜结构的中心膜厚，通过挤压或拉伸电磁驱动圆环从而带动圆环中间通光区域的非等厚弹性膜产生变形构建非等厚弹性膜结构，从而得到电磁驱动双向变焦液体透镜。

优选地，所述液体透镜的填充液体与非等厚弹性膜的折射率匹配。由于填充液体与非等厚弹性膜折射率匹配，光线出射端为平面，无论底面的面形轮廓如何，其初始焦距均为无穷远，但不同的底面面形轮廓，其像差性能不同。

有益效果：液体透镜中填充的液体与非等厚弹性膜的折射率相同，并且出射面初始面形为平面使得液体透镜在初始状态下的焦距为无穷远，随着驱动力的增加，液体透镜的焦距的绝对值逐渐减小，在长焦状态只需很小的力就可以实现很大的焦距变化，使得变焦范围很大。

优选地，步骤(2)中预设的评价标准为：