發(fā)布時間：2020-08-27 12:32

【摘要】：隨著社會對光學(xué)儀器的要求不斷提高,傳統(tǒng)變焦透鏡難以滿足人們對于攝像頭微型化、響應(yīng)快速的需求。作為新型光學(xué)元件,液體透鏡彌補(bǔ)了傳統(tǒng)變焦透鏡的缺陷,它具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計小巧、驅(qū)動方式多樣、調(diào)焦便利等優(yōu)點。本文針對PDMS薄膜型可變焦液體透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其成像質(zhì)量進(jìn)行了深入的研究,主要完成以下工作:第一章,介紹PDMS薄膜型可變焦液體透鏡研究的選題背景和研究意義。重點介紹了三種類型液體透鏡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析各類液體透鏡存在的優(yōu)缺點,突出本課題研究的重要意義。并給出本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章,設(shè)計了一種新的薄膜型可變焦液體透鏡關(guān)鍵元件PDMS薄膜的制作工藝,這種方法可以有效的減小薄膜厚度以及剝離的難度。并且針對薄膜液體透鏡的密封性問題以及薄膜透鏡微型化結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出微小厚度的薄膜墊片,與現(xiàn)有的墊片相比,它的厚度更小更符合微型結(jié)構(gòu)的特點。設(shè)計制作的墊片不僅可以解決液體透鏡的光學(xué)液體的泄露問題還不影響整體微型化的結(jié)構(gòu)。第三章,利用萬能材料試驗機(jī)測得PDMS不同配比材料的應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系特性。由于材料具有超彈性特性,本文對PDMS材料建立超彈性模型,降低后文研究薄膜形變的影響因素復(fù)雜度。利用Abaqus有限元軟件系統(tǒng)地研究各因素對PDMS薄膜形變的影響,獲得PDMS薄膜在不同載荷下的表面形狀,并擬合出對應(yīng)的偶次項非球面方程。這對液體透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論支持。第四章,根據(jù)薄膜液體透鏡的變焦原理以及薄膜形變形狀,設(shè)計出薄膜透鏡的結(jié)構(gòu)圖。利用薄膜在不同載荷情況下表面的偶次項非球面方程設(shè)計出玻璃透鏡在像質(zhì)最優(yōu)時的具體參數(shù)。運用高斯光學(xué)理論計算出各個透鏡的焦距以及主面位置并對薄膜型液體透鏡光路系統(tǒng)簡化并分析。得出液體透鏡系統(tǒng)的焦距以及主面位置,并使用光學(xué)軟件對以上計算進(jìn)行驗證。理論計算結(jié)果與軟件仿真結(jié)果誤差較小,證明透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。第五章,利用ZEMAX軟件對本文設(shè)計的薄膜液體透鏡進(jìn)行仿真和分析,結(jié)果顯示單獨使用液體透鏡而沒有補(bǔ)償透鏡時它的像差很大,無法完成鏡頭成像的任務(wù)。緊接著對增加補(bǔ)償透鏡后的液體透鏡系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)仿真分析,結(jié)果顯示本文設(shè)計的液體透鏡系統(tǒng)的像差明顯減小。利用SolidWorks三維軟件對透鏡系統(tǒng)的零部件進(jìn)行設(shè)計,包括補(bǔ)償透鏡、容腔、驅(qū)動裝置等。第六章,為了檢驗該薄膜型液體透鏡系統(tǒng)在現(xiàn)實場景中的成像質(zhì)量,本文選擇必要的實驗裝置,搭建實驗系統(tǒng)平臺,對薄膜型液體透鏡的成像質(zhì)量情況進(jìn)行實驗。選擇不同的拍攝場景,分別拍攝室內(nèi)近景以及室外遠(yuǎn)景,實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的薄膜型液體透鏡系統(tǒng)拍攝出的圖像清晰度高沒有畸變,能夠滿足對拍攝像質(zhì)的需求。第七章,對全文進(jìn)行總結(jié),指出本文的主要研究結(jié)論以及創(chuàng)新點,并對下一步的工作提出了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74
【圖文】：

液體鏡頭變焦的基本原理是從人眼自動調(diào)焦功能而得。人類之所以能夠很容逡逑易看清不同遠(yuǎn)近的物體，是因為人眼中的睫狀肌改變了晶狀體的曲率，從而改變逡逑人視覺系統(tǒng)的焦距，如圖１．１所示為人眼左眼模型［４４。液體鏡頭參考人眼改變焦逡逑距的原理，利用某種控制方法來改變鏡頭對光線的折射能力，實現(xiàn)變焦功能。逡逑液體鏡頭可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)的不足，完成其難以實現(xiàn)的功能，推逡逑動變焦系統(tǒng)在微型化發(fā)展。液體透鏡將會對生物醫(yī)療、軍事感知、智能機(jī)器人等逡逑領(lǐng)域帶來較為深刻的影響［Ｍ］。因此開展液體透鏡技術(shù)以及其在徽型變焦距系統(tǒng)逡逑１逡逑

邐ｒ＞．邋一．邋？逡逑圖１．２液晶透鏡結(jié)構(gòu)示意圖和折射率變化曲線逡逑２０１７年Ｌｉｕ邋ＨＬ，邋Ｓｈｉ邋Ｙ和Ｌｉａｎｇ邋Ｌ等人［１２】設(shè)計了液體熱ＧＲＩＮ透鏡，它是逡逑通過利用液體之間的熱傳導(dǎo)制備而成。該透鏡的上層是梯形區(qū)域，三種不同溫度逡逑的苯甲醇之間的熱傳導(dǎo)可以在液體間建立ＧＲＩＮ輪廓，在下層形成具有補(bǔ)償液體逡逑的菱形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)的橫向上形成穩(wěn)定二次項拋物線折射率。這種透鏡的焦距逡逑范圍為４３０邋ｔｉｍ到５００ｕｍ。響應(yīng)時間約為２０ｍｓ。該透鏡可用于工作距離在２８０逡逑ｕ邋ｍ范圍內(nèi)對人胚腎細(xì)胞進(jìn)行觀察。這種液體ＧＲＩＮ透鏡的相當(dāng)高質(zhì)量也可以應(yīng)逡逑用在高質(zhì)量光學(xué)成像，檢測以及電池處理。逡逑３逡逑

邐／邐７邋Ｍ邋ｎ逡逑＾邋Ｗ邋Ｈ邐＇、NB邋１１逡逑圖１．４可切換液體微透鏡陣列逡逑２０１２年荷蘭特溫特大學(xué)的Ｍｕｒａｄｅｆ１８］等人設(shè)計了邋一個高速變焦徵透鏡陣列。逡逑該透鏡陣列采用１００個微透鏡進(jìn)行高速同步變焦，共用電極同時驅(qū)動所有的徵透逡逑鏡，該設(shè)計可以減小制造偏差提高成像穩(wěn)定性。透鏡陣列變焦頻率可以達(dá)到１ｋＨｚ，逡逑響應(yīng)時間為３ｍｓ。下圖１．５為該微透鏡陣列。逡逑＊邋１逡逑，．．－？？？邋．？邋邐－＼0逡逑ｍｇｍｗｓ？Ｍ邐＼ｍｔａｍｍｍｍ４邐ｆｃｅｅ？ｗｗ＝？？＜？￡邐？￣ｆｅｅｉＭＷ８＾？？ｗ？？ｗａ＾邐逡逑■邋＇．』？邋ｔ邋＇邐錢逡逑圖１．５電潤濕高速變焦液體徵透鏡陣列逡逑在國內(nèi)，２００８年四川大學(xué)的宋世軍等人基于電驅(qū)動變焦納米液晶透鏡進(jìn)行逡逑了邋３Ｄ立體顯示器的應(yīng)用研究［１９］。響應(yīng)頻率達(dá)到５０Ｈｚ，能夠?qū)崿F(xiàn)無閃爍顯示。逡逑該液晶透鏡具有透明性好，響應(yīng)速度快等的優(yōu)點。逡逑２０１０年蘭州化物所研究了將電潤濕離子液體介質(zhì)用于微流體、液體光學(xué)等逡逑諸多領(lǐng)域的主要特性［２（）］。并且設(shè)計了電潤濕離子液體變焦透鏡。該液體透鏡變焦逡逑最小值為３ｍｍ，響應(yīng)時間小于１００ｍｓ、可以在一２０？１５０°Ｃ

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號：2806107