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1、双液体变焦透镜像差的测量研究作者简介：徐元韬(1984),男，上海市人，硕士研究生，主要从事光电精密检测技术方面的研究。摘要：近几年，双液体变焦透镜在其结构、变焦性能和实际应用中已有了长足的发展，国内也开始自主研发设计双液体变焦透镜。在测量法国Varioptic公司的双液体变焦透镜样品焦距的基础上，利用ZYGo干涉仪以及设计相关的光路，测定了透镜样品的像差，了解样品的像差特性。根据实验可得，ArCtiC320型双液体变焦透镜在0V、20V、50V和60V时的Zernike多项式系数较小，残余均方根(rootmeansquare,RMS)反应出整个变焦透镜初级像差较小，成像效果较好，为我国研究双
2、液体变焦透镜提供参考和比较。关键词：液体透镜；像差；干涉仪中图分类号：。435.2文献标识码：Adoi：10.3969j.issn.1005引言电湿效应1是一种物理化学现象，它通过在固体-液体界面加一定的外部电压来增加液体对固体的湿润程度，从而改变液体和固体的接触角，导致液体界面形状的变化，从而改变了液滴的焦距。基于电湿效应的液体变焦透镜2具有体积小、价格低、响应速度快、寿命长、成像质量好、无噪音、价格低等特点，受到了光学界的广泛关注3。最早的液体透镜模型可以追溯到17世纪，当时史蒂芬格雷用液滴作为透镜制作了显微镜。他在平板上钻孔以固定液滴，通过改变钻头直径的大小，改变液滴的曲率半径，从而控制
3、变焦透镜的放大倍率。1875年，利普曼研究了电毛细现象，解释了通电后电解质溶液中水银液滴表面形状的变化。1936年，弗罗姆凯恩将同样的思想应用于电湿现象，说明了在电解质与金属接触面上的电荷是如何改变它们之间接触角的。20世纪末，戈曼等人将液体置于透明电极之上，通过外加电压，改变了液滴表面形状，第一次实现了基于电湿效应的变焦液体透镜4。到了21世纪，科学家对变焦液体透镜的结构作进一步的研究和优化，其中，以PhiIiPS和VariOPtiC公司研制出的双液体透镜为代表。双液体透镜在结构、性能、和实用性方面，较单液体透镜，都有很大的改进5。然而，由于其通光孔径小，镜头像差难以测量，本文将利用立式焦距
4、仪对法国Varioptic的Arctic320型双液体变焦透镜进行焦距测定，并在ZYGO干涉仪的基础上设置相关的光路进行像差测量，为以后液体变焦透镜的成像研究提供像差参考，为提高我国液体变焦透镜的性能打基础。IZYGO干涉仪测像差原理本实验测量像差的干涉仪为美国ZYGO公司生产的GPIXP/D型干涉仪，它是斐索型干涉仪，其光源是632.8nm的低功率氢筑激光管，光束扩展成101.6mm直径出射。图1为测量双液体变焦透镜像差的原理图。为平行光，球面透射元件出射光为汇聚光，其作用是将激光器发出的激光进行分束。光源发出的光线经透射元件后，一部分反射作为参考光，另一部分透射之后通过被测的双液体变焦透镜
5、，并以平行光到达参考平面（在实验中即为平面镜），被测光经平面镜按原光路反射回干涉仪,与参考光发生干涉，由干涉仪的CCD接收。通过MetroPro软件对干涉图进行分析，可测出双液体变焦透镜样品的像差。实验中选取的透镜驱动电压值分别是0V、20V、50V、60V,由于在40V的时候焦距超出立式焦距仪范围，故选取50V作为测量点。其电压与焦距对应值如表1所示。由测试结果可知，双液体变焦透镜在未加电压时为负透镜，加电后，焦距呈非线性增长，直到无穷大，此时液体透镜为平面镜，继续增加电压，液体透镜变为正透镜,并且其焦距不断减小，直至60V最大电压。3像差测量与结果分析像差测量光路图如图5所示，其中1是标准
6、透射元件的焦距，f2是被测液体透镜的焦距，d为两透镜间的距离，搭建的实验光路装置如图6所示。在测量时,先打开ZYGO干涉仪和配套的MetroPro软件，装上球面标准透射元件，先进行标准透射元件的校正，使透射元件与干涉仪保持准直，接着调整装有被测液体透镜的夹具，根据所得焦距进行光路调整，使被测双液体变焦透镜的焦点与标准透射元件的焦点重合，然后加上反射平面，在MetroPro软件中看到清晰的干涉条纹，然后由MetroPro软件计算出被测双液体变焦透镜的Zernike多项式系数，得到像差数据。然后改变电压，调整标准透射元件和被测液体透镜之间的距离，即图5中的d,以保证光线通过被测液体透镜之后为平行光
7、到达反射平面镜，继续使用ZYGO干涉仪的软件MetroPro测出Zernike多项式系数。4结论基于干涉仪测量双液体变焦透镜像差的方法是一种非常实用的方法，本文首先选用法国Varioptic公司Arctic320型透镜作为样品，外加导电环引出透镜的两个电极，利用实验室的立式焦距仪测量了双液体变焦透镜在不同外加电压下的焦距，测量结果表明在O60V外加电压的驱动下透镜的焦距从负透镜经由平行平板变为正透镜。其次，在ZYGO干涉测量仪的基础上组建了测量双液体变焦透镜像差的干涉光路，得到系统的Zemiike多项式系数，该结果反应出双液体变焦透镜样品的像差是非常小的，为今后双液体变焦透镜的研发提供参考。参考文献：1绳金侠，彭润玲，陈家璧.电湿效应双液体变焦透镜性能的分析J.光学仪器，2007,29(4)：23-26.2辛企明.液体透镜的发展趋势J.光学仪器，2010,32(6)：70-78.3康明，岳瑞峰，吴建刚，等.基于ETVOD的锥形管状结构液体变焦透镜J.传感技术学报,2006,19(5)：1768-1770.4熊渊琳，彭润玲，陈家璧，等.液体密度对双液体透镜性能的影响J.光学仪器,2008,30(4)：24-27.5祝澄，彭润玲，陈家璧.基于电湿效应的双液体透镜J.大学物理，2007,26(6)：57-62.
