消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统及应用技术方案

本发明专利技术提供一种消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统及应用，属于测量液体折射率及液相扩散系数的光学测量器件或装置，它包括对称月牙形柱面胶合，其空腔可注入液体、形成液芯的前组透镜，以及用于限制成像系统球差的双胶合后组透镜。本发明专利技术当液芯柱透镜中注入折射率为1.3300～1.5300的不同液体时，透镜的焦距f可实现101.458 mm～54.176 mm的连续平滑变化，且在整个变焦范围内，透镜的球差始终小于12μm，接近衍射极限，成像质量高，测量液体折射率的准确度优于10

【技术实现步骤摘要】
消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统及应用
本专利技术属于测量液体折射率和二元液相扩散系数的柱透镜光学系统和应用。
技术介绍
液体折射率和液相扩散系数是了解物质的光学性能、纯度、浓度、色散、传质过程等性质的重要参数，准确测量这两个参数需要分辨能力和成像质量良好的变焦透镜。球差是影响单色光照射下液体变焦透镜测量以上参数的主要因素，为了校正球差的干扰，提出本专利技术之前，我们采用通过配曲的方法消除球差(孙丽存,普小云,孟伟东等,中国专利技术专利ZL201310412166.X[P]；LicunSun,ChaoDu,QiangLietal.,Asymmetricliquid-corecylindricallensusedtomeasureliquiddiffusioncoefficient[J],“AppliedOptics”，2016,55(8)，2011-2017)，但该柱透镜消球差仅限于某一特定焦距值，一旦偏离该焦距，球差迅速增大。为解决这一问题，后设计了消球差双液芯柱透镜(WeidongMeng，YanXia，FangxiSongetal.,Doubleliquid-corecylindricallensutilizedtomeasureliquiddiffusioncoeddicient[J],“OpticsExpress”，2017,25(5)，5626-5640)，该方法通过改变后方液芯的折射率选择消球差的焦距值。但单次操作获得的消球差仍然只能限于某一特定焦距值，针对另一特定焦距值消球差必须更换后方液芯中注入的液体，操作手续繁琐，而应用于测量液相扩散系数时，不同液体薄层对应的成像质量差别较大，限制着液相扩散系数的准确度。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术旨在设计一种在整个变焦范围内都具有良好消球差效果且结构简单、操作方便、精确测量液体折射率及液相扩散系数的连续变焦液芯柱透镜。本专利技术通过以下方式实现：(一)消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统包括：由两片对称的月牙形柱透镜胶合而成的前组透镜，该组透镜中间所形成的柱形空腔中可注入待测折射率的液体或待测液相扩散系数的液体，形成液芯；以及后组透镜，该组透镜是一个双胶合柱透镜，优化该组透镜的曲率半径、厚度及玻璃材质以消去前组透镜在改变液芯的折射率过程中变焦区间所产生的球差。进一步，所述消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜包括七个柱形光学曲面，设各柱面曲率半径分别为Ri(i＝1,2,…,7)，相邻柱面顶点间的间隔为di(i＝1,2,…,6)，各柱面物方空间折射率为ni(i＝1,2,…,7)，像方空间折射率为ni'(i＝1,2,…,7)，其中，ni'＝ni+1(i＝1,2,…,6)，则该柱透镜系统的后焦距fB由以下递推公式得到：fB＝s'7(1a)s1＝∞(1c)si+1＝si'-di(i＝1,2,L,6)(1d)(1b～1d)式中si、si'分别代表第i个柱面的物方截距及像方截距。进一步，所述消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统的像方焦距f可由以下递推公式得到：ui+1＝ui'(2c)u1'＝u1+i1-i1'(2d)(2a～2e)式中D代表通光孔径直径大小，ui、ui'分别代表第i个柱面的物方孔径角及像方孔径角，i1、i1'分别代表第1个柱面的入射角及折射角。进一步，该消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜具有：所述柱透镜系统各光学曲面的曲率半径分别为：R1＝-R4＝45.0mm，R2＝-R3＝27.9mm，R5＝-23.2mm，R6＝-71.0mm，R7＝-29.1mm；所述柱透镜系统各光学曲面的相邻柱面顶点间的间隔为：d1＝4.0mm，d2＝6.0mm，d3＝4.0mm，d4＝1.0mm，d5＝8.0mm，d6＝8.0mm；设物方空间折射率为ni(i＝1,2,…,7)，像方空间折射率为ni'(i＝1,2,…,7)，则：所述柱透镜系统置于空气中，即n1＝n5(n'4)＝n'7＝1；所述前组柱透镜材料为K9玻璃，n2(n1')＝n4(n'3)＝1.5163；所述液芯折射率由注入的液体折射率决定，n3(n'2)＝n液；所述后组柱透镜为K9玻璃和F2玻璃构成的双胶合柱透镜，n6(n'5)＝1.5163，n7(n'6)＝1.62004；所述柱透镜的高度为h＝50.0mm，通光孔径直径为D＝19mm。进一步，所述的消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜是：设注入液芯中液体的折射率变化率为Δn，其引起透镜系统的后焦距变化率为ΔfB，后焦距的测量偏差为δf，该透镜系统测量液体折射率的准确度定义为：其中，为系统景深值的一半，b为观察系统的最小分辨尺寸，对于折射率在1.3300-1.5300之间的待测液体，其测量准确度始终优于10-5RIU。上面所称的观察系统是指整个测量系统中用于观察图像的装置，包括CCD和计算机。(二)应用消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜的方法该方法是：注入液体折射率为n液的待测液体于前组透镜液芯中，测量透镜系统的后焦距fB，根据(1a～1d)式fB与n液之间的一一对应关系，得到n液值；以及用瞬态图像测量沿柱透镜轴向分布的不同液体薄层的折射率，得到液相扩散系数；以上液体折射率和扩散图像成像球差均小于12μm，弥散斑均方根半径小于7μm。一般地，向前组透镜注入待测液体后成为会聚透镜，不同的待测液体有不同的液芯折射率，因此，前组透镜所会聚形成的焦距和球差不同，包括静态的液体折射率和液相扩散系数那种动态地采集液芯中梯度分布的各个薄层折射率的透镜系统焦距。本专利技术通过前组透镜光路后的双胶合透镜减小或消去球差，通过ZEMAX光学仿真软件追迹该具有液体变焦的双胶合透镜系统的光线得到：当液芯柱透镜中注入折射率为1.3300～1.5300的不同液体时，透镜的焦距f可实现101.458mm～54.176mm的连续平滑变化，且在整个变焦范围内，透镜的球差(SM)始终小于12μm，弥散斑均方根半径(RMS)始终小于7μm，接近衍射极限。与之前所设计的非对称液芯柱透镜和消球差双液芯柱透镜相比较，本专利技术提高了成像质量，具体表现是：(1)本专利技术柱透镜成像系统在整个变焦范围内的球差始终保持较小表1所示的是三种透镜系统不同的液芯折射率和不同的焦距处所对应的球差。其中，双液芯柱透镜的后液芯折射率分为n'＝1.4042和n'＝1.4300两种情况，n'＝1.4042一栏是论文中曾表述的消球差效果最好的情况，n'＝1.4300一栏作为对比。为了说明本专利技术的显著进步，我们进一步用图6反映球差对比曲线，图6与表1对应。表1三种液芯柱透镜成像系统在整个变焦范围内的球差对比续表1：从表1和图6可以看出，在整个变焦范围内，非对称液芯柱透镜及双液芯柱透镜虽然存在个别的点球差很小，但是当偏离某一特定的焦距值或液芯折射率值时，球差会迅速增大，而本专利技术双胶合液芯柱透镜则可以在整个变焦范围内始终保持较小的球差，其球差最大值(11.15μm)比双液芯柱透镜的球差最大值(分别为167.7μm和149.8μm)缩小了10倍以上，比非对称液芯柱透镜球差最大值(321.8μm)缩小近30倍，消球差效果显著。(2)本专利技术柱透镜成像系统的MTF值更接近衍射极限为进一步说明本专利技术双胶合液芯柱透镜的成像质量，我们用ZEMAX软件仿真得出几种柱透镜成像系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，包括：由两片对称的月牙形柱透镜胶合而成的前组透镜，该组透镜中间所形成的柱形空腔中可注入待测折射率的液体或待测液相扩散系数的液体，形成液芯；以及后组透镜，该组透镜是一个双胶合柱透镜，优化该组透镜的曲率半径、厚度及玻璃材质以消去前组透镜在改变液芯的折射率过程中变焦区间所产生的球差。

【技术特征摘要】
1.消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，包括：由两片对称的月牙形柱透镜胶合而成的前组透镜，该组透镜中间所形成的柱形空腔中可注入待测折射率的液体或待测液相扩散系数的液体，形成液芯；以及后组透镜，该组透镜是一个双胶合柱透镜，优化该组透镜的曲率半径、厚度及玻璃材质以消去前组透镜在改变液芯的折射率过程中变焦区间所产生的球差。2.根据权利要求1所述的消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，其特征是：所述透镜包括七个柱形光学曲面，设各柱面曲率半径分别为Ri(i＝1,2,…,7)，相邻柱面顶点间的间隔为di(i＝1,2,…,6)，各柱面物方空间折射率为ni(i＝1,2,…,7)，像方空间折射率为n′i(i＝1,2,…,7)，其中，n′i＝ni+1(i＝1,2,…,6)，则该柱透镜系统的后焦距fB由以下递推公式得到：fB＝s′7(1a)s1＝∞(1c)si+1＝s′i-di(i＝1，2，…，6)(1d)(1b～1d)式中si、s′i分别代表第i个柱面的物方截距及像方截距。3.根据权利要求1或2所述的消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，其特征是：该柱透镜系统像方焦距f可由以下递推公式得到：ui+1＝u′i(2c)u′1＝u1+i1-i′1(2d)(2a～2e)式中D代表通光孔径直径大小，ui、u′i分别代表第i个柱面的物方孔径角及像方孔径角，i1、i′1分别代表第1个柱面的入射角及折射角。4.根据权利要求1或2所述的消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，其特征是：所述柱透镜系统各光学曲面的曲率半径分别为：R1＝-R4＝45.0mm，R2＝-R3＝27.9mm，R5＝-23.2mm，R6＝-71.0mm，R7＝-29.1mm；所述柱透镜系统各光学曲面的相邻柱面顶点间的间隔为：d1＝4.0mm，d2＝6.0mm，d3＝4.0mm，d4＝1.0mm，d5＝8.0mm，d6＝8.0mm；设物方空间折射率为ni(i＝1,2,…,7)，像方空间折射率为n′i(i＝1,2,…,7)，则：所述柱透镜系统置于空气中，即n1＝n5(n′4)＝n′7＝1；所述前组柱透镜材料为K9玻璃，n2(n′1)＝n4(n′3)＝1.5163；所述液芯折射率由注入的液体折射率决定，n3(n′2)＝n液；所述后组柱透镜为K9玻璃和F2玻璃构成的双胶合柱透镜，n6(n′5)＝1.5163，n7(n′6)＝1.62004；所述柱透镜的高度为h＝50.0mm，通光孔径直径为D＝19mm。5.根据权利要求3所述的消球差连续变焦双胶合液芯柱透镜系统，其特征是：所述柱透镜系统各光学曲面的曲率半径分别为：R1＝-R4＝45.0mm，R2＝-R3＝27.9mm，R5＝-23.2mm，R6＝-71.0mm，R7＝-29.1mm；所述柱透...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽存，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南,53