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1、华中科技大学 硕士学位论文 液体变焦透镜研究 姓名：时明 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：竺子民 20080531 I 摘 要 本论文介绍了液体变焦透镜的发展历程，应用领域以及目前取得的一些研究成果。 分析研究了浸润现象与接触角等相关知识，介绍了光学传递函数的计算方法，用频谱 对比的方法测量了透镜的调制传递函数（MTF） ，并与理论结果进行了对比分析；利用 图像处理的方法获取了所构建的液体变焦透镜的表面轮廓，分析了重力作用对液体透 镜成像质量的影响。 完成的主要工作有： (1) 组建简易的液体变焦透镜模型， 并对其变焦性能进行测试。 构建了直径为 6mm 的基于压力感应的液体
2、变焦透镜，利用构建的液体变焦透镜对不同距离上的目标物进 行成像来测试其变焦能力。 (2) 利用图像处理的方法获取了液体变焦透镜的轮廓；利用数学软件 Matlab 对获 取的轮廓数据进行多项式拟合；分析了液体体积与轮廓之间的变化关系；利用光学软 件 ZEMAX 对获取的液滴轮廓进行了光学特性分析。 (3) 研究了基于频谱对比测量调制传递函数的方法。从调制传递函数（MTF）的定 义出发，分别对物、像光强分布进行傅立叶变换，计算频率分量的对比度（调制度） ， 通过对比度之比来获取被测系统的调制传递函数。 取得的主要成果有： (1) 利用图片处理的方法获取了液滴的轮廓图。 (2) 提出频谱对比与图像处
3、理相结合的方法来测量透镜的光学传递函数。 (3) 提出重力作用对液体变焦透镜成像质量的影响。 关键词： 关键词：液体变焦透镜 非球面透镜 轮廓测量 图像处理 光学传递函数 调制传递函数 II ABSTRACT This paper introduced the Variable-focus liquid lens development, application and the current research results, analyzed contact angle, introduced measurements of OTF, measured MTF with the metho
4、d of spectrum contrast, obtained the contour of the liquid lens with the method of image processing, analyzed the effect of gravity on the imaging quality of the liquid lens. The main contents are as follows: (1) Setting up a simple variable-focus liquid lens and testing its ability. Setting up a ki
5、nds of variable-focus liquid lens whose radii is 6mm. Test its ability by taking pictures with the lens. (2) Obtained the contour of the liquid lens with the method of image processing, fitted the contour with polynomial, analyzed the relation between liquid volume and contour changes, investigated
6、optical properties of the liquid lens with optical software ZEMAX. (3) Investigated the measurement of MTF based on spectrum contrast. Calculated the contrast of frequency components by respectively taking Fourier Transform of the object and image light intensity, obtained MTF of the system by calcu
7、lating the contrast. The key achievements are as follows: (1) Getting the counter of lens by image processing. (2) Proposed a new method of OPT measurement. (3) Analyzed the effect of gravity on the variable-focus liquid. Key words：variable-focus liquid lens aspherical lens contour measurement image
8、 processing Optical Transfer Function (OTF) Modulate Transfer Function (MTF) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部
9、门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 液体透镜、微透镜以及微透镜阵列已经在光学测试设备、光通信和光信息处理 等领域有了广泛的应用。近年来随着光学成像设备的微小型化，采用机械齿轮传动 装置达到变焦目的的传统变焦透镜已经很难满足要求。液体变焦透镜可以通过改变 液体的表面形
10、状，形成不同的曲率面达到变焦的目的，而不必采用透镜组合的方式 进行变焦，因此更易于实现微小型化。随着液体变焦透镜研究的不断深入，液体变 焦透镜必将有更广泛的应用。 1.1 液体变焦透镜的典型应用 液体变焦透镜在手机摄像头、DVD 镜头中的应用。 图 1-1 液体变焦透镜摄像头手机 图 1-1 是新加坡材料工程研究所设计制造的采用了液体变焦透镜的新型手机。 传统的变焦系统是通过移动透镜相对光电传感器的位置来实现变焦，很容易受到外 力的损伤而出现故障，并且传统变焦系统的响应时间较长。液体变焦透镜系统不需 要任何的机械传动装置，系统也不易受到外力损伤。由于液体变焦透镜是通过改变 液体的形状来实现变焦
11、，其响应时间只有几个毫秒。采用液体透镜的手机变焦系统 2 其性能较传统变焦系统有了很大的提高1。 此外，液体微透镜阵列在光学神经网络、提高 CCD 探测效率、线扫描等技术中 都发挥着重要作用。 1.2 液体变焦透镜的研究状况 目前国际上研制的液体变焦透镜模型主要有以下几种：（1） 充液型变焦透镜23， 它通过改变注入腔体内液体的体积来改变腔体顶面薄膜的曲率，从而达到调节焦距 的目的。 （2）基于液晶的微变焦透镜4 5，它将透镜置于液晶氛围中，通过改变施加 的电压来调节液晶的折射率，从而实现对透镜焦距的控制。 （3）基于介质电润湿的 流体变焦透镜67，它利用外加电压来调节液面的曲率，进而改变透镜
12、的焦距。 以上几种模型各有优点也各有不足。充液型变焦透镜结构简单，价格低廉但这 种透镜需要一个额外的泵来提供压力以改变液体顶面薄膜的曲率，如果压力过大会 给弹性薄膜造成毁灭性的破坏。基于液晶的变焦透镜，此种透镜易于实现阵列化， 但是由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。基于介质上电润湿的流 体变焦透镜，结构小巧，折射率变化范围大8，但这种变焦透镜所采用的材料价格昂 贵，实验装置复杂9。 图1-2是加利福尼亚大学Ki-Hun Jeong， Gang L. Liu等设计的充液型变焦透镜的 工作示意图10。 图1-2 充液型液体微透镜 该装置的表面有一层透明的弹性薄膜，介质液体通过微细导管
13、注入空腔内，通 过改变液体的注入量的大小使表面的弹性薄膜产生不同的曲率，达到变焦的目的， 当然我们也可以通过注入不同折射率的液体介质达到变焦的目的。从上图我们可以 微导管 超薄弹性膜 变焦透镜 双凸型 新月型 3 清楚的看到该液体变焦透镜装置可以实现的两种透镜模式：双凸透镜和凸新月型薄 透镜。这种结构的变焦透镜可以分成两部分：液体变焦透镜液体腔室和薄膜组 成；固定焦距的负透镜基底部分构成。在该装置中，我们可以通过控制负透镜 以及变焦透镜的曲率使像差达到最小。 图1-3是弗洛里达中心大学的Hongwen Ren， Shin-Tson Wu设计的液体变焦透镜 装置11。 图1-3 充液型液体变焦透
14、镜 此装置用两块透明的平行平板作为构架，两块平板上各钻一孔，并分别用弹性 橡胶和弹性透明薄膜封住两孔，然后用环氧胶将两平板封装构成一个腔室，如上图 所示，其中弹性橡胶位于平板外侧而弹性透明薄膜则位于腔室内侧。在腔室中注入 液体介质然后通过挤压弹性橡胶产生压力使弹性薄膜产生变形形成曲面达到变焦的 目的。该装置结构简单易于操作，但它只能实现一种透镜模式平凸透镜。 国内也有不少大学及研究机构开始了这方面的研究，图1-4是我国上海大学研制 的基于介质上电润湿的流体变焦透镜双液体透镜的结构示意图12。 图1-4 电湿型液体变焦透镜 弹 性 橡 胶 弹 性 薄 膜 (a) 上 层 板 (b) 下 层 板
15、液 体 (b) (c) 4 为了便于观察，透镜被画成水平放置而实际中该透镜是垂直放置的。在圆柱腔 内注入有两种不相融的液体介质，其中一种是导体，折射率是 1 n ,另一种是绝缘体， 折射率为 2 n 。液体1与液体2有着相同的密度，因此二者的分界面能够保持完美的球 面。在圆柱腔的内表面涂有透明的电极材料和憎水涂层，电压U加在导电液体和电极 之间，不同的电压使两液体界面形成不同的曲率，达到变焦的目的13。 清华大学也有这方面的研究，下图是清华大学微电子研究所康明、吴建刚等人 提出的锥形管结构的液体变焦透镜原理图，它也属于基于介质上电润湿的流体变焦 透镜的一种14。 图1-5 锥形管结构液体变焦透
16、镜原理图 如图1-5所示，去离子水液滴处于一个玻璃锥型管中，控制电极由玻璃基板上溅 射的ITO透明导电薄膜组成。 为防止液滴和控制电极之间直接接触并获得良好的击穿 特性，在ITO透明电极上涂了一层聚酰亚胺涂层作为介质层。玻璃锥管内壁以及下极 板表面都覆盖了一层薄的Teflon薄膜作为疏水层， 来增加液体固体表面之间的初始 接触角。当控制电极和液滴之间施加一定的电压时，施加的电压降低了固体液体 间的表面张力，因此液滴与下极板间的接触角也变小，位于玻璃锥管下的液滴体积 变大，锥管内的液体体积变小，玻璃管倾斜的内壁能将体积的变化转化为液滴表面 曲率的变化，从而实现液体透镜焦距的调节。这种透镜不仅能够改变透镜的焦距而 且能够小范围的调节透镜的位置。 1.3 本课题的主要研究内容及论文结构 研究内容： 液体变焦透镜的设计制造已成为近年来光学领域研究的热点，液体变焦透镜成 5 本低廉，表面光洁度高，但液体透镜也存在很大的成像
