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电润湿透镜重复变焦精度指标及其优化方法

黄鹏 杨晓营 陈彬 宋跃

黄鹏, 杨晓营, 陈彬, 宋跃. 电润湿透镜重复变焦精度指标及其优化方法[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 868-877. doi: 10.37188/CO.2022-0209
引用本文: 黄鹏, 杨晓营, 陈彬, 宋跃. 电润湿透镜重复变焦精度指标及其优化方法[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 868-877. doi: 10.37188/CO.2022-0209
HUANG Peng, YANG Xiao-ying, CHEN Bin, SONG Yue. Repeated zoom accuracy index of an electrowetting lens and its optimization method[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 868-877. doi: 10.37188/CO.2022-0209
Citation: HUANG Peng, YANG Xiao-ying, CHEN Bin, SONG Yue. Repeated zoom accuracy index of an electrowetting lens and its optimization method[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 868-877. doi: 10.37188/CO.2022-0209

电润湿透镜重复变焦精度指标及其优化方法

doi: 10.37188/CO.2022-0209
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 72001054);广西科技计划项目(No. AB22035041)
详细信息
    作者简介:

    黄 鹏(1981—),男,湖南衡阳人,博士,副教授,2016年于浙江大学获得博士学位,主要从事机器视觉及新型光学器件方面的研究。E-mail:hp1981hp@sina.com.cn

    杨晓营(1998—),男,广西南宁人,硕士研究生,2020年于桂林理工大学获得学士学位,主要从事新型光学器件方面的研究。E-mail:2225886523@qq.com

    陈 彬(1997—),男,广西博白人,硕士研究生,2021年于桂林理工大学获得学士学位,主要从事新型光学器件方面的研究。E-mail:2085406797@qq.com

    宋 跃(1999—),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,2022年于淮阴工学院获得学士学位,现就读于桂林理工大学,主要从事新型光学器件、机器视觉方面的研究。E-mail:1028296135@qq.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Repeated zoom accuracy index of an electrowetting lens and its optimization method

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 72001054); Guangxi Science and Technology Program (No. AB22035041)
More Information
  • 摘要:

    借鉴玻璃透镜的研究方法,提出了一种基于统计数据的液体透镜重复变焦精度指标,用于描述其变焦稳定性,并给出了液体透镜设计参数优化及材料优选的实验方法。首先,通过初步实验研究与分析,得到影响液体透镜重复变焦精度的主要影响因素——极性溶液体积、锥度、非极性溶液粘度;其次,以重复变焦精度和变焦范围作为评价指标,发现重复变焦精度与电压的关系不具有单调性,存在先升后降的现象。在此基础上,运用极差分析与综合平衡法,得到各因素的不同影响程度及最优参数组合,采用正交实验法优化设计参数。最后,实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,优化后的液体透镜,在150 V电压处,重复变焦精度为0.2 m−1;在0~230 V电压范围内,变焦范围为−15.2~5.85 m−1。结果表明本文所提出的方法基本满足液体透镜变焦稳定可靠、精度高、变焦范围大等要求。

     

  • 图 1  介质上电润湿示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of electrowetting on the medium

    图 2  介电润湿双液体变焦透镜截面图

    Figure 2.  Cross section of a dielectric wetting double liquid zoom lens

    图 3  从主液滴产生的卫星液滴

    Figure 3.  Satellite droplets generated from the primary droplet

    图 4  双液体透镜的变焦迟滞曲线

    Figure 4.  Zoom hysteresis curve of a double liquid lens

    图 5  双液体变焦实验装置

    Figure 5.  Double liquid zoom experimental setup

    图 6  焦度随电压的变化关系图

    Figure 6.  Diagram of focal power as a function of voltage

    图 7  正交实验组重复变焦精度曲线

    Figure 7.  Repeated zoom accuracy curves of orthogonal experiment

    图 8  重复变焦精度随电压变化曲线

    Figure 8.  Repeated zoom accuracy curves as a function of voltage

    表  1  透镜零件尺寸表

    Table  1.   Part size of the lens

    底径
    a (mm)
    顶径
    b (mm)
    高度
    H(mm)
    锥度
    α(°)
    46414.04
    826.57
    1036.87
    4669.46
    68
    810
    46.14415.00
    7.226
    8.298
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    表  2  三因素三水平取值表

    Table  2.   Table of three factors and three levels

    水平因素
    A(ul)B(°)C(mPa.s)
    14014.04100
    25026.57350
    36037.87500
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    表  3  正交实验结果

    Table  3.   Orthogonal experiment results

    序号实验因素实验结果
    A(ul)B(°)C(mPa·s)X(m−1)Y(m−1)
    14014.0410015.6751.0960
    24026.5735015.7201.0188
    34037.8750016.4050.1252
    45014.0435020.9400.4160
    55026.5750012.9900.9975
    65037.8710015.2350.6485
    76014.0450021.0400.2000
    86026.5710012.2201.2202
    96037.8735011.2500.1814
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    表  4  变焦精度极差分析结果

    Table  4.   Range analysis results of zoom accuracy

    水平因素
    ABC
    k10.7470.5710.988
    k20.6871.0790.539
    k30.5340.3180.441
    R0.2130.7600.547
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    表  5  变焦范围极差分析表

    Table  5.   Range analysis for zoom accuracy

    水平因素
    ABC
    k115.93319.21814.377
    k216.38813.64315.970
    k314.83714.29716.812
    R1.5525.5752.435
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  • [1] KUIPER S, HENDRIKS B H W. Variable-focus liquid lens for miniature cameras[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(7): 1128-1130. doi: 10.1063/1.1779954
    [2] BERGE B, PESEUX J. Variable focal lens controlled by an external voltage: an application of electrowetting[J]. The European Physical Journal E, 2000, 3(2): 159-163. doi: 10.1007/s101890070029
    [3] 黄翔, 林四英, 谷丹丹, 等. 液体变焦镜头的研究进展[J]. 中国光学,2019,12(6):1179-1194. doi: 10.3788/co.20191206.1179

    HUANG X, LIN S Y, GU D D, et al. Review on progress of variable-focus liquid lens[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1179-1194. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191206.1179
    [4] 崔建国, 王润诗, 袁伟, 等. 液体透镜研究现状与展望[J]. 重庆理工大学学报(自然科学),2016,30(11):105-110.

    CUI J G, WANG R SH, YUAN W, et al. Research status and prospects of liquid lens[J]. Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2016, 30(11): 105-110. (in Chinese)
    [5] ZHAO P P, ATAMAN Ç, ZAPPE H. A miniaturized camera objective with 2X optical zoom[J]. Proceedings of SPIE, 2018, 10545: 1054508.
    [6] 王琼华, 袁荣英, 刘超. 基于电润湿液体透镜的显微成像技术[J]. 北京航空航天大学学报,2022,48(9):1774-1781.

    WANG Q H, YUAN R Y, LIU CH. Microscopic imaging technology with electrowetting liquid lens[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(9): 1774-1781. (in Chinese)
    [7] WANG L H, XU H J, TABATA S, et al. . High-speed focal tracking projection based on liquid lens[C]. SIGGRAPH '20: ACM SIGGRAPH 2020 Emerging Technologies, ACM, 2020: 15.
    [8] 苏树钊, 姜海明, 夏宏燕, 等. 电控梯度折射率液晶透镜研究进展[J]. 液晶与显示,2022,37(3):310-341. doi: 10.37188/CJLCD.2021-0278

    SU SH ZH, JIANG H M, XIA H Y, et al. Research progress of electronically controlled gradient refractive index liquid crystal lens[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2022, 37(3): 310-341. (in Chinese) doi: 10.37188/CJLCD.2021-0278
    [9] 李中杨, 马国鹭, 曾国英, 等. 交流作用下液滴在派瑞林薄膜表面的润湿特性研究[J]. 真空科学与技术学报,2019,39(8):672-677. doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2019.08.09

    LI ZH Y, MA G L, ZENG G Y, et al. AC electrowetting of NaCl droplet on parylene surface: a theoretical and experimental study[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2019, 39(8): 672-677. (in Chinese) doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2019.08.09
    [10] 王大振, 彭润玲, 陈家璧, 等. 双液体变焦透镜变焦迟滞现象的研究[J]. 光学学报,2011,31(6):94-98.

    WANG D ZH, PENG R L, CHEN J B, et al. Variable-focus hysteresis of double-liquid variable-focus lens[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(6): 94-98. (in Chinese)
    [11] SONG X M, ZHANG H X, LI D Y, et al. Electrowetting lens with large aperture and focal length tunability[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 16318. doi: 10.1038/s41598-020-73260-4
    [12] ZHAO P P, LI Y, ZAPPE H. Accelerated electrowetting-based tunable fluidic lenses[J]. Optics Express, 2021, 29(10): 15733-15746. doi: 10.1364/OE.423460
    [13] 徐荣青, 孔梅梅, 张宏超, 等. 减少电润湿液体透镜变焦时间的实验研究[J]. 光学学报,2020,40(13):1322003. doi: 10.3788/AOS202040.1322003

    XU R Q, KONG M M, ZHANG H CH, et al. Experimental research on reducing zoom time of electrowetting liquid lenses[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(13): 1322003. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS202040.1322003
    [14] SONG X M, ZHANG H X, ZHANG Z L, et al. Design and characteristics of a Maxwell force-driven liquid lens[J]. Optics Express, 2021, 29(6): 8323-8332. doi: 10.1364/OE.418630
    [15] LIM W Y, SUPEKAR O D, ZOHRABI M, et al. Liquid combination with high refractive index contrast and fast scanning speeds for electrowetting adaptive optics[J]. Langmuir, 2018, 34(48): 14511-14518. doi: 10.1021/acs.langmuir.8b02849
    [16] 刘政, 周俊荣, 何灵, 等. 采用正交实验和综合评价法的机床立柱优化设计[J]. 机械工程师,2022(2):69-72,75. doi: 10.3969/j.issn.1002-2333.2022.2.jxgcs202202023

    LIU ZH, ZHOU J R, HE L, et al. Optimization design of machine tool column using orthogonal experiment and fuzzy comprehensive evaluation method[J]. Mechanical Engineer, 2022(2): 69-72,75. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1002-2333.2022.2.jxgcs202202023
    [17] 宋海润, 王晓蕾, 周树道, 等. 基于正交实验的七孔探针结构优化设计[J]. 传感器与微系统,2022,41(3):76-78,82.

    SONG H R, WANG X L, ZHOU SH D, et al. Structure optimization design of seven-hole probe based on orthogonal experiment[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2022, 41(3): 76-78,82. (in Chinese)
    [18] 王鑫, 赵悠然, 徐近博, 等. 基于电润湿效应驱动的液体菲涅尔透镜[J]. 液晶与显示,2022,37(8):942-947. doi: 10.37188/CJLCD.2022-0154

    WANG X, ZHAO Y R, XU J B, et al. Liquid Fresnel lens based on electrowetting effect drive[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2022, 37(8): 942-947. (in Chinese) doi: 10.37188/CJLCD.2022-0154
    [19] 郭媛媛, 蒋洪伟, 袁冬, 等. 电润湿显示材料与器件技术研究进展[J]. 液晶与显示,2022,37(8):925-941. doi: 10.37188/CJLCD.2022-0165

    GUO Y Y, JIANG H W, YUAN D, et al. Progress in electrowetting display materials and device technology[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2022, 37(8): 925-941. (in Chinese) doi: 10.37188/CJLCD.2022-0165
    [20] 任晓飞, 魏长智, 刘飞飞, 等. 介电润湿驱动的变焦液体透镜电动力学分析[J]. 哈尔滨工业大学学报,2019,51(10):61-67. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.201807068

    REN X F, WEI CH ZH, LIU F F, et al. Electrodynamic study of variable-focus liquid lens driven by electrowetting on dielectric[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2019, 51(10): 61-67. (in Chinese) doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.201807068
    [21] 唐彪, 赵青, 周敏, 等. 电润湿动力学描述及其非稳态研究进展[J]. 华南师范大学学报(自然科学版),2016,48(1):35-41.

    TANG B, ZHAO Q, ZHOU M, et al. Research progress in electrowetting dynamics and its instability[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2016, 48(1): 35-41. (in Chinese)
    [22] 宋秀萍. 液固组合透镜变焦范围的研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016.

    SONG X P. Study of the zoom of solid-liquid composite lens[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016. (in Chinese)
    [23] PENG R L, CHEN J B, ZHUANG S L. Electrowetting-actuated zoom lens with spherical-interface liquid lenses[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2008, 25(11): 2644-2650. doi: 10.1364/JOSAA.25.002644
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-10
  • 修回日期:  2022-11-11
  • 网络出版日期:  2023-02-08

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