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大变焦比的Alvarez变焦透镜及感兴趣区域扫描成像系统


2022-07-06 201

传统的变焦透镜通常由多个固定焦距的透镜组成,通过齿轮等机械装置轴向移动透镜间的相对位置实现变焦功能。由于存在多个固体透镜以及机械运动,而且这些透镜必须沿着精确移动轨迹运动,导致变焦系统结构复杂、体积大、速度慢、成本高等,为此,人们对简单、轻便、紧凑以及大变焦比的新型变焦透镜需求急速上升。

近日,北京理工大学郝群教授和程阳副研究员提出了一种基于介电弹性体驱动的大变焦比的Alvarez变焦透镜,并利用此透镜构建了兼顾大变焦和感兴趣区域扫描的成像系统,突破了变焦透镜变焦比小、体积大的限制。该系统结构简单且易于操作,有望在医疗、显微、消费电子和科研等领域。该成果以"Ultra-wide varifocal imaging with selectable region of interest capacity using Alvarez lenses actuated by a dielectric elastomer,"为题发表在国际顶级学术期刊 Photonic Research上。

 

与传统变焦透镜的工作原理不同,Alvarez透镜利用垂直于光轴移动实现变焦的将大大缩短其在光轴方向上的尺寸,十分有利于紧凑小型化设计。Alvarez变焦透镜由两片面形完全相同且位置按中心对称排布的自由曲面透镜组成。每个透镜包括一个平面和一个三次多项式自由曲面。Alvarez变焦透镜的工作原理如 1所示, 1 (a)为初始状态,两个透镜完全对齐,整体作用等效于平行平板。当两个透镜垂直于光轴相对移动到 1 (b)的状态时,此时两个透镜凸面部分相对,整体作用等效于凸透镜;当两个透镜垂直于光轴相对移动 1 (c)的状态时,此时两个透镜凹面部分相对,整体作用等效于凹透镜。因此,通过改变两个透镜相对移动的位移大小和方向,可实现对Alvarez变焦透镜光焦度灵活调节。

1 (a)Alvarez变焦的两个透镜相互对齐(等效平行平板)。(b)两个透镜凸面部分相对(等效凸透镜)。(c)两个透镜凹面部分相对(等效凹透镜)

传统驱动Alvarez透镜多采用液晶弹性体、MEMS、压电陶瓷等方式,驱动位移仅有几十到两百微米,变焦范围有限,变焦比约在1.6´左右。因此,如何获得更大的驱动位移,以实现更大的变焦比,亟需研究新型的Alvarez透镜驱动方式。

介电弹性体是一种电场型电活性聚合物,其尺寸和形状在电场的激励下将发生显著改变。如 2所示,在介电弹性体两个表面覆盖有柔性电极,当在介电弹性体的上下表面电极施加外界电场,材料内部电荷重新排布,介电弹性体将发生厚度的减小和面积的扩大:接近同一电极的材料表面形成相互排斥的同性电荷,使材料在宏观上表现为横向膨胀,面积增加,同时,在材料纵向方向形成相互吸引的异性电荷,使材料在宏观上表现为纵向压缩,厚度方向减小。当撤销外加电场后会立刻恢复到原来的形状或体积,这个过程伴随着应力和应变的产生,从而将电能转化为机械能。介电弹性体具有结构简单、超大变形(380)、输出应力大、响应速度快高、轻质量、极强的环境适应性、低价格、易于加工、疲劳寿命高等特点,非常适合作为实现Alvarez变焦透镜新型驱动方式。

 

2 介电弹性体的驱动原理

为了更好的观察目标,除了需要对目标变焦成像外,当待成像目标偏离视场中央时,由于人眼的观察习惯以及视场中央的高分辨率特点,还需要将感兴趣区域置于成像视场中央。传统方法采用机械式移动样本,实现感兴趣区域调节,该方法速度慢,精度差,效率低,难以满足目前快速高精度感兴趣区域扫描的要求。

本文提出了一种基于介电弹性体驱动的Alvarez变焦透镜(变焦组件单元)及感兴趣区域扫描器件(扫描组件单元),如 3所示。对于变焦组件单元,初始状态时,Alvarez透镜的第一透镜和第二透镜两个曲面对齐,此时Alvarez透镜的焦距为无穷。当在某处柔性电极上施加高压驱动电压时,此处的介电弹性体在水平方向上的膨胀,进而驱动Alvarez透镜发生垂直于光轴的移动,从而实现焦距的变化。对于扫描组件单元,设计了四象限介电弹性体驱动的二维扫描模型,介电弹性体的外围区域分为四个象限,每个象限的上下表面涂有柔性电极。四个铜带用于连接四个象限的上表面,另外四个铜带用于连接四个象限的下表面。四个象限之间留有足够的间隙,用于防止象限之间有电气连接。当在某个象限的柔性电极上施加电压时,该区域的介电弹性体内部产生麦克斯韦力,导致该区域的介电弹性体厚度减小和面积膨胀,带动变焦组件单元发生移动,实现对感兴趣区域的扫描

 

3基于介电弹性体驱动的大变焦比Alvarez变焦组件单元及感兴趣区域扫描单元

实现结果表明,本文研制的变焦组件单元变焦范围为凸透镜5.94~181mm,凹透镜-181~-5.94mm,变焦比(最长焦距/最短焦距可达30.5倍,如 4所示,变焦上升响应时间和下降响应时间分别为160 ms295 ms。通过对四象限驱动器施加不同的电压,扫描组件单元可带到变焦组件单元在不同二维方向移动,赋予变焦组件单元的感兴趣区域扫描成像能力。实验结果扫描组件单元的扫描范围为±17.57°基于该器件搭建了成像系统,实验结果表明该系统的成像分辨率约为181 lp/mm

 

4 (a)介电弹性体驱动的阿尔瓦雷斯透镜移动位移。(b)变焦组件单元实测焦距和理论焦距。

 

5 感兴趣区域扫描变焦成像及成像分辨率测试图  

论文信息:

该研究成果以Ultra-wide varifocal imaging with selectable region of interest capacity using Alvarez lenses actuated by a dielectric elastomer”为题在线发表在Photonic Research。北京理工大学郝群教授为第一作者,博士生陈传训为第二作者,程阳副研究员为通信作者。

大变焦比的Alvarez变焦透镜及感兴趣区域扫描成像系统 2022-07-06

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