付健，杨伟杰

（广东省外语艺术职业学院信息技术学院，广东 广州 510640）

基于液体的可变焦距透镜因其结构紧凑、响应速度快等特点，广泛应用于各类光学系统，如照相机设备、投影仪设备以及电子显微镜等。液体透镜作为一种新型的光学变焦技术，通过控制自身液体的形状或折射率，避免对光学器件进行动态控制，能够实现高速焦平面变化。Oku 和Ishikawa 制作了一种具有液-液界面的液体透镜样机。样机由压电执行器进行驱动，其最大响应时间达到2ms。Wang 研究了不同光圈尺寸的弹性体液体透镜样机的动态响应，发现光圈尺寸越小，液体透镜的动态响应越高。目前，大多数液体透镜的孔径不超过30mm。Hongwen 报道了一种由光敏聚合物驱动的自适应液体透镜，透镜的孔径为4mm。Lei Li 提出一种混合驱动的液体透镜，整个镜头孔径设计为12mm。由于重力以及表面张力的影响，制造具有大口径的液体透镜仍然是一项具有挑战性的任务。动态响应对于液体透镜来说，是重要的评价指标之一。综合考虑液体透镜的口径尺寸和动态响应，如何最大限度地缩短响应时间（稳定时间）的同时维持较大的口径尺寸，就显得至关重要。因此，在本文中，我们研究了弹性薄膜厚度、液体透镜口径尺寸对动态响应的影响。

1 基本原理（实验仿真）

本文的实验系统示意图如图1(a)所示。我们制作了具有不同厚度弹性薄膜以及不同口径的液体填充可变焦距透镜样机。本文采用高速压电堆叠致动器来驱动液体透镜并评估液体透镜的动态性能。压电堆叠致动器的直径大于液体透镜的口径，通过撞击可变形板来简直控制液体透镜的形变曲率面（即透明的弹性薄膜）。

图1 二环带DOE 实现光学针的聚焦系统示意图

图1(b)展示的是测量可变焦距液体透镜动态响应的实验装置，并用不同厚度的弹性薄膜重新制作了不同口径的样机。本次实验选取的弹性薄膜厚度分别为0.5mm 和1.0mm。液体透镜样机的口径分别为20mm，30mm 以及50mm。

图2 展示的是示波器上显示的测量信号。通道1 是指由函数发生器产生并传输到压电堆栈执行器的正弦波信号。通道2 是指压电堆致动器的实时位置。很明显，压电堆致动器所驱动的位移会使可变形板产生对应的变形，从而导致聚焦平面发生改变。光功率会随着焦平面的改变而变化，这种调焦范围变化的情况可以从具有通道3 的光电二极管模块中检测到。

图2 弹性薄膜厚度为0.5 mm

实验中可以直接观测到有源信号引起的弹性薄膜表面形变。实验数据表面，采用0.5mm 厚度的弹性薄膜，液体透镜的口径为20mm 时，对应的振动阈值频率为20Hz；液体透镜的口径为30mm 时，对应的振动阈值频率为11Hz；液体透镜的口径为50mm 时，对应的振动阈值频率为9Hz，如图2 所示。实验过程中，逐渐加大施加的正弦波信号频率，来自光电二极管的反馈信号的幅度在达到阈值频率后会明显减小（如图2（b）（d）（f）所示），这表明弹性薄膜表面的形变受到了抑制。同样的方式，采用1.0mm 厚度的弹性薄膜，液体透镜的口径为20mm 时，对应的振动阈值频率为25Hz；液体透镜的口径为30mm 时，对应的振动阈值频率为15Hz；液体透镜的口径为50mm 时，对应的振动阈值频率为9Hz，如图3 所示。

图3 弹性薄膜厚度为1.0 mm

2 结语

本文研究了弹性薄膜厚度、液体透镜口径尺寸对于液体透镜动态响应的影响。实验结果表明，采用0.5mm厚度的透明弹性薄膜，当透镜口径为20mm 时，液体透镜在20Hz 时响应稳定；当透镜口径为30mm 时，液体透镜在11Hz 时响应稳定；当透镜口径为50mm 时，液体透镜在9Hz 时响应稳定。采用1.0mm 厚度的透明弹性薄膜，当透镜口径为20mm 时，液体透镜在25Hz 时响应稳定；当透镜口径为30mm 时，液体透镜在15Hz 时响应稳定；当透镜口径为50mm 时，液体透镜在9Hz 时响应稳定。本文的研究数据和结果可为大口径液体透镜的研制提供一定的指导意义。