基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统技术方案

本实用新型专利技术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

【技术实现步骤摘要】
基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统
本技术属于变焦光学系统，具体涉及消球差连续变焦液芯柱透镜系统。
技术介绍
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年技术人所在团队用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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术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)本技术是基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统该柱透镜系统包括：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密接，所述毛细管中注入不同浓度的丙三醇水溶液，形成液芯。进一步，所述的连续变焦微型液芯柱透镜系统是：所述PDMS基片为一长方体，尺寸为5.0mm×2.0mm×2.0mm；所述PDMS基片左侧面狭缝光阑宽度为0.7mm；所述的毛细管管壁外半径R为1.00mm，内半径r为0.70mm，高度h为2.0mm，由K9玻璃制成，毛细管前壁与PDMS前壁的间距为0.3mm；所述双凸柱透镜由F2玻璃制成，前后表面的曲率半径分别为R凸1＝1.40mm，R凸2＝-1.10mm，厚度为1.1mm，高度h为2.0mm，双凸柱透镜前表面与毛细管后壁密接，后表面与PDMS后壁的间距为1.6mm；所述毛细管中注入的丙三醇水溶液耗液量为3μL。进一步，所述的连续变焦微型液芯柱透镜系统是：当丙三醇水溶液的浓度为0～1时，对应折射率为1.3330～1.4730，透镜系统的焦距f可实现8.928mm～2.675mm的连续平滑变化，变倍比大于3。进一步，所述的连续变焦微型液芯柱透镜系统是：在整个变焦范围内，所述系统焦平面上的弥散斑均方根半径尺寸终小于5μm；当焦距在3.118mm～8.928mm区间时，峰谷波前差小于λ/4，成像质量接近衍射极限。(二)本技术柱透镜系统的消球差变焦能力及质量根据高斯光学可推导出该透镜系统的焦距f递推公式：S2＝∞(1c)si+1＝s′i-di(i＝2，3，…，7)(1d)ui+1＝u′i(i＝2，3，…，7)(1f)u′2＝u2+i2-i′2(1g)(1a～1h)式中D代表通光孔径直径大小，si、s′i分别代表第i个柱面的物方截距及像方截距，ui、u′i分别代表第i个光学曲面的物方孔径角及像方孔径角，i2、i′2分别代表第2个光学曲面的入射角及折射角。当在毛细管中注入不同浓度的丙三醇水溶液，形成液芯时，该液芯折射率n液与丙三醇溶液的浓度C液一一对应，n液＝g(C液)。根据(1a～1h)式，透镜系统的焦距f与n液＝n4之间也一一对应，即焦距f与浓度C液为复合函数。因此，改变注入毛细管的丙三醇水溶液的浓度，可以实现透镜系统在消球差条件下焦距连续变化，表现为以下能力：(1)本技术之透镜系统的变焦能力纯水的折射率为1.3330，丙三醇的折射率为1.4730，丙三醇与水可以以任意比例互溶，因此，丙三醇水溶液的折射率可以在1.3330～1.4730之间连续变化，根据(1a～1h)式，透镜系统的焦距可以在8.928mm～2.675mm之间连续平滑变化。表1所示的是透镜系统不同的液芯折射率n液所对应的焦距f，图10与表1对应，反映了透镜系统的变焦能力。表1透镜系统焦距与液芯折射率的对应关系(2)本技术之透镜系统的成像质量分析为说明本透镜系统的成像质量，我们用ZEMAX软件进行仿真，得出透镜系统在不同的液芯折射率和不同的焦距处所对应的焦平面弥散斑均方根半径(RMS)以及峰谷波前像差值(MWA)，并由公式1.22λ*f/D计算得到相对应的艾里斑半径尺寸，如表2和图11、图12曲线所列。表2、图11、图12均表明，当n液由1.3330变化到1.4730，透镜系统焦距f由8.928mm连续变化到2.675mm时，在整个变焦范围内，成像系统在焦平面上的弥散斑均方根半径(RMS)尺寸始终小于5.0μm；当焦距f在3.000mm～8.928mm区间时，成像系统在焦平面上的弥散斑均方根半径(RMS)小于其对应的艾里斑半径；当焦距f在3.118mm～8.928mm区间时，峰谷波前像差(MWA)小于λ/4，成像质量接近衍射极限。表2和图11、图12表明本技术所设计的基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统在大于90％的变焦范围内，透镜系统的成像质量接近衍射极限。表2透镜系统焦距在整个变焦范围内的RMS值以及MWA值比较之前相关文献，由于本技术所设计的柱透镜系统所具有的技术特征使其产生了以下积极效果：1.埋入PDMS基片的只是单一的毛细管，没有双凸柱透镜和狭缝光阑，而本系统将两者同时埋入PDMS基片中，双凸柱透镜和狭缝光阑加强了柱透镜系统的聚光能力；2.使用通透率较高、液体折射率较低、无毒性、常用的丙三醇水溶液，当柱透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于PDMS基片的消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统，包括：/nA）一个微型PDMS基片；/n其特征是：/nB）一个粘贴在所述PDMS基片左侧面的狭缝光阑；/nC）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/n所述毛细管的后壁与双凸柱透镜的前表面紧密接触，/n所述毛细管中注入不同浓度的丙三醇水溶液，形成液芯。/n

【技术特征摘要】
1.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；
其特征是：
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。


2.根据权利要求1所述的微型液芯柱透镜系统，其特征是：
所述PDMS基片为一长方体，尺寸为5.0mm×2.0mm×2.0mm；
所述PDMS基片左侧面狭缝光阑宽度为0.7mm；
所述的毛细管管壁外半径R为1.00mm，内半径r为0.70mm，高度h为2.0mm，由K9玻璃制成，毛细管前壁与PDMS前壁的间距为0.3mm；
所述双凸柱透镜由F2玻璃制成，前后表面的曲率半径分别为R凸1=1.40mm，R凸2=-1.10mm，厚度为1.1mm，高度h为2.0mm，双凸柱透镜前...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽存，盛树武，王远方舟，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：新型
国别省市：云南;53