【摘 要】
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相比于定焦透镜,变焦透镜具有更强的灵活性及适应性,广泛应用于现代微光学系统、光通信系统、航空航天和军事行动等领域。随着光学技术的飞速发展,通过改变透镜组的相对位置实现变焦功能的传统机械变焦镜头已逐渐不能满足现代光学系统对镜头微型化、集成化日益增长的需求。而液态透镜具有结构紧凑、易集成、无机械磨损、控制灵活等优点,成为近些年的研究热点。然而,相比于常用的轴对称球面透镜,对于在光束整形领域不可或缺的柱
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相比于定焦透镜,变焦透镜具有更强的灵活性及适应性,广泛应用于现代微光学系统、光通信系统、航空航天和军事行动等领域。随着光学技术的飞速发展,通过改变透镜组的相对位置实现变焦功能的传统机械变焦镜头已逐渐不能满足现代光学系统对镜头微型化、集成化日益增长的需求。而液态透镜具有结构紧凑、易集成、无机械磨损、控制灵活等优点,成为近些年的研究热点。然而,相比于常用的轴对称球面透镜,对于在光束整形领域不可或缺的柱透镜却研究较少。本文设计并加工制作了一种基于PDMS基片的充液式微型连续变焦柱透镜系统,实现了较大的变倍比及较高的成像质量,并将其用以测量液体折射率。主要研究工作如下:1.提出了一种将对称空芯柱透镜、双凸柱透镜依次埋入PDMS基片形成连续变焦柱透镜系统的设计方案:在变焦系统的空芯区域注入不同折射率的液体可以实现柱透镜系统的连续变焦功能;柱透镜曲率半径、厚度和材料的合理设计用以消除系统在整个变焦范围内的像差,保障成像质量;方形PDMS基片提高系统的便携性、抗环境干扰能力,并使得变焦系统更加便于安装与调试。2.综合考虑变焦系统的变倍比、成像质量以及将其用以测量液体折射率时的分辨能力,利用ZEMAX光学软件对系统结构仿真并优化,确定柱透镜系统的各项参数。当柱透镜成像系统液芯中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时,可实现系统后焦距fb由52.292mm到4.972mm连续平滑变化。在整个变焦范围内,透镜系统的弥散斑均方根Y方向半径始终小于5μm。3.分析了柱透镜变焦系统的元件制造公差和组装公差,以此为指导加工了对称柱透镜及双凸柱透镜,并自主完成了基于PDMS的微型液芯柱透镜系统的组装及光路搭建。利用该光学系统完成了常见液体的折射率测量,对于折射率小于1.5530的液体,其折射率测量准确度优于0.0002RIU;对于折射率在1.3330到折射率1.4312的液体,其折射率测量准确度优于0.0001RIU,优于阿贝折射仪。
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