變焦液體透鏡響應時間測量系統的設計與實現

何鵬舉，謝 娜，郭振宇，王西玲，徐榮青

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

變焦液體透鏡響應時間測量系統的設計與實現

何鵬舉，謝 娜，郭振宇，王西玲，徐榮青

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

目前基于電潤濕變焦液體透鏡響應時間的測量普遍是通過高速拍攝液體透鏡的動態影像來完成的，但是該方法的操作十分復雜且重復測量誤差高。針對此問題，基于光束通過變焦液體透鏡后的空間分布隨焦距而變化的原理，設計并實現了一套自動測量響應時間的系統。該系統由He-Ne激光器、光電探測器、液體透鏡、函數發生器、示波器及PC機組成。He-Ne激光器發射激光通過液體透鏡，采用加載小孔光闌的光電探測器接受通過液體透鏡的光通量，并將光通量轉化成電信號，示波器獲取電信號的變化波形，再將該波形傳輸至PC機并通過軟件進行處理和分析得出當前驅動電壓所對應的響應時間。驗證測試結果表明，設計構建的系統在相同電壓下測得多組響應時間的重復誤差低于2%，不僅實現了自動測量，而且測量結果重復誤差低，測量過程操作簡單，反應靈敏，實用性強，具有較好的應用價值和較為寬廣的應用前景。

變焦液體透鏡；響應時間；MATLAB；測量控制

0 引 言

目前，基于電潤濕效應的變焦液體透鏡因響應時間短、控制簡單、成本低廉等優點使其在智能手機、攝像機、顯微鏡等眾多現代成像設備中有著廣泛的應用[1-2]。傳統上，可變焦距的光學系統是通過機械裝置驅動齒輪來控制變焦的，這種變焦系統響應時間延遲較大。為了改變這種傳統的變焦方式，國內外學者們提出了多種方案，如液壓式微透鏡[3]、基于液晶的微變焦透鏡[4]及基于電潤濕原理的液體透鏡[5-6]等。其中基于電潤濕效應的變焦液體透鏡是將兩種折射率不同且不相溶的液體封裝在透明容器中實現的,并通過外加電場改變液體的曲率來使焦距可變，并且響應時間縮短至毫秒級。但是，透鏡響應時間的縮短也意味著測量響應時間的儀器要有更高的時間靈敏度才能在極短時間內測量出透鏡焦距的變化情況。目前，國內外在液體透鏡變焦時間的測量上大都采用交流電信號作為驅動電壓，接著通過連接在電腦上的CCD對液體透鏡的變化情況錄像，再由軟件將錄像拆解成幀，最后通過計算幀的數量來計算液體透鏡變化所需要的時間。這種測量響應時間的方法對測量儀器的要求很高，并且該方法還需要對大量的拍攝結果進行分析和處理，導致測量效率低且誤差大。

針對這一問題，所采用的方法是利用光電探測器接受激光通過變焦液體透鏡后高斯光束的變化來反映透鏡的焦距變化[7]，設計并實現了一套可以自動測量電潤濕液體透鏡響應時間的測量系統。該系統由He-Ne激光器、光電探測器、液體透鏡、函數發生器、示波器及PC機組成。He-Ne激光器發射激光通過液體透鏡，采用加載小孔光闌的光電探測器獲取通過液體透鏡的光通量，并將光通量轉化成電信號，示波器獲取電信號的變化曲線，通過PC機上的軟件獲取示波器的波形并做處理和分析，得出當前驅動電壓所對應的響應時間。

1 系統硬件設計

系統硬件如圖1所示。PC機通過GPIB接口與函數發生器、數字示波器相連。函數發生器產生信號輸出,示波器進行數據采集，PC機作為該系統的控制中心。

圖1 硬件邏輯結構圖

基于電潤濕效應的液體透鏡在測量過程中一般采用交流電信號作為驅動電壓，因此焦距變化很快，要想測出焦距隨電壓變化的狀態，對進行測量的儀器要求很高。圖1中，硬件裝置由一個氦氖激光器、液體透鏡、小孔光闌、光電探測器、函數發生器、示波器及PC機組成。激光器選用的是氦氖激光器，該激光器結構簡單、使用方便、光束質量好、單色性高、穩定性高，適合作為光源。光電探測器選用的是具有高靈敏度的光敏元器件，該器件可以克服波動和噪聲的影響，能夠區分出微弱細小的光信號，并把光信號轉換成電信號。測量過程中需要調整氦氖激光器、液體透鏡、小孔光闌、光電探測器于同一光軸上，同時要使光電探測器置于液體透鏡未加電壓時光束的束腰處，具體做法是調節小孔光闌的位置，使得輸出信號最強。另外，小孔光闌的直徑需選用0.1 mm，由于在此直徑下液體透鏡焦距的變化會使光電探測器接收到的光通量變化最為明顯，通過分析及計算可以得出此時探測器接收到的光通量與液體透鏡的焦距是相關的[8]。又由于探測器輸出的電信號與探測器接收的光通量成正比，因此輸出的電信號也與液體透鏡的焦距相關。

函數發生器用來輸出任意函數的波形，輸出的波形再通過高壓放大器可以調制出液體透鏡所需的驅動電壓。示波器作為電信號的測量儀器，它能將變化的電信號變換成相應的波動曲線。PC機是整套系統的控制中心，不僅要進行函數發生器和示波器控制，而且要對獲取的波形數據進行處理和分析，從而得到準確的響應時間。

2 系統軟件設計

測試系統的軟件設計是通過MATLAB編程控制函數發生器和示波器實現的。MATLAB具有豐富的硬件接口驅動，以及高效的數據處理能力，而該軟件恰好需要與其他硬件接口進行通信并傳遞和接收數據，又需要處理龐大的數據，因此采用MATLAB不僅可以節省時間成本，而且功能強大，開發周期較短。系統軟件設計的結構如圖2所示。主要包含兩個部分，即MATLAB與外設的通信模塊和基于MATLAB GUI的人機交互界面設計。

圖2 系統軟件設計結構圖

2.1 MATLAB與外設通信模塊

MATLAB與外設的通信主要是通過儀器控制工具箱來完成，而MATLAB中的儀器控制工具箱包括兩大部件，即M函數和接口驅動。MATLAB可以通過GPIB接口實現與外設的交互功能，使用戶與外設之間可以進行信息獲取和傳送。MATLAB作為一種高級語言，可以通過調用M文件函數來創建設備對象，得到設備的文件句柄。設備接口驅動作為操作系統直接控制硬件的模塊，是連接操作系統內核與系統外部設備I/O操作的核心模塊。MATLAB在程序設計的過程中將具體的硬件細節隱藏，實現了對外設操作的透明性，因此用戶可以通過簡單的M文件函數實現對外設的讀寫操作。在讀寫的過程中，數據的傳輸格式、緩沖區大小以及溢出時間等由設置的屬性值進行定義。函數發生器和示波器所產生的事件和狀態一般保存在事件狀態寄存器、狀態字節寄存器和事件隊列中，供MATLAB的回調函數進行讀取。同時用戶可以設置事件狀態使能寄存器和服務請求使能寄存器來控制需保存的事件或狀態[9-10]。

MATLAB對函數發生器和示波器設置和詢問的SCPI命令由FPRINTF函數以字符串的形式輸出。設置和詢問SCPI命令的格式由具體的儀器廠商定義，格式一般為Header Argument，多個參數之間由逗號相隔。另外，當以二進制格式對示波器的波形進行數據讀取時，其讀取的數據與示波器的實際數據需由下式進行換算后才能得出實際的信號幅值：

Xn=Xzero+Xincr*n

Yn=Yzero+Ymult*(yn-Yoff)

其中，yn為輸入、輸出緩沖區中的數據；n為數據個數；Xn、Yn為示波器中的實際采樣時間與信號幅值。

2.2 基于MATLAB GUI的人機交互界面設計

液體透鏡響應時間測量系統的人機交互界面是基于MATLAB環境、采用面向對象的設計方法實現的[11-12]。在測量過程中，人機交互界面通過設備控制工具箱由GPIB接口向函數發生器和示波器發送SCPI控制指令，即一鍵初始化函數發生器和示波器。然后再發送SCPI查詢指令，函數發生器和示波器將所要查詢的數據通過GPIB接口傳遞給設備控制工具箱，最后由MATLAB對數據進行處理，將相應結果在交互界面上顯示，并完成報表輸出。軟件設計流程如圖3所示。

在實現以上過程中，主要解決數據處理和計算方面的問題：響應時間的計算方法和液體透鏡驅動電壓的設置過程。

2.2.1 響應時間的計算方法

脈沖信號的響應時間一般分為上升時間和下降時間。上升時間是指脈沖瞬時值最初到達規定下限和規定上限的兩瞬時之間的間隔[13-14]。下限和上限分別定為脈沖峰值幅度的10%和90%。而幅值的定義，就是頂部值和底部值之間的差值。頂部值指的是波形較高部分的眾數，底部值指的是波形較低部分的眾數。因此在控制領域中，上升時間通常定義為響應曲線從穩態值的10%上升到穩態值90%所需的時間。下降時間的定義與上升時間基本相同。

圖3 軟件設計的流程圖

由于計算機通過示波器獲取的電信號波形數據的毛刺較大，需要對波形進行平滑處理，求取波形數據的眾數，即底部值和頂部值。再通過一系列的函數和公式可以準確得到幅值10%的點上升到幅值90%的點所對應的時間。

2.2.2 液體透鏡驅動電壓的設置過程

函數發生器輸出波形經高壓放大器放大后，加載到液體透鏡的兩端，由于放大倍數未知，無法直接設置指定加載電壓。因此需要通過軟件系統計算放大倍數后再設置，設置過程：PC獲取函數發生器的輸出電壓，通過高壓放大器得到液體透鏡兩端的驅動電壓，計算得到放大倍數，計算機通過放大倍數調整函數發生器的輸出值，就可以實現液體透鏡兩端的驅動電壓為具體的設定值。

3 測量過程及重復誤差分析

圖4為測量系統的操作界面。

圖4 軟件操作界面

該操作界面主要由4個模塊組成，包括函數發生器與示波器一鍵初始化模塊、液體透鏡響應時間計算模塊、液體透鏡驅動電壓設置模塊、電壓與響應時間關系曲線的繪制模塊。

當硬件設備搭建完畢后，打開該軟件，點擊連接函數發生器和連接示波器。待連接狀態顯示連接成功后，先點擊初始化輸出波形，然后調節高壓放大器，觀察光電探測口的光通量，若出現聚焦過程，則停止調節放大器。然后點擊初始化示波器，此時示波器屏幕上會出現調整好后的波形。初始化完成后，接著可以點擊相應的按鈕完成需要的操作。在繪制驅動電壓與響應時間關系曲線的過程中，需要先設置好低電壓、高電壓及步長，然后選擇要獲取的關系曲線，最后點擊繪圖即可。繪圖過程中會在狀態欄中顯示剩余繪圖時間，繪圖完畢后，可以將當前的繪圖數據保存到文本中，操作過程方便、簡單。

表1是變焦液體透鏡在不同驅動電壓下響應時間多次測量的結果，測量精度為0.01 ms。

表1 重復測量誤差分析

重復測量誤差的計算公式為：

重復誤差如表2所示。

表2 重復誤差

從表2中可知，所測變焦液體透鏡的驅動電壓在54～64V時，其響應時間的重復測量誤差低于2%。

4 結束語

為實現液體透鏡測試過程的自動化和操作簡單化，設計并實現了一套由硬件和軟件結合的電潤濕液體透鏡響應時間測量系統。系統由光電探測系統、液體透鏡、函數發生器、示波器及PC機組成。在實驗過程中，不僅完成了硬件的選取和搭建，而且進行了軟件的設計和測試。測試結果表明，所構建的系統不僅可以一鍵自動得到液體透鏡不同驅動電壓所對應的響應時間，而且所測響應時間的重復誤差低于2%。測試過程操作簡單，反應靈敏，實用性強，具有廣泛的應用前景。

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Design and Implementation of Response Time MeasurementSystem for Zoom Liquid Lens

HE Peng-ju,XIE Na,GUO Zhen-yu,WANG Xi-ling,XU Rong-qing

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University ofPosts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Currently measurement of response time for zoom liquid lens has been generally accomplished by high-speed photography,but this method is complex and has high repeated measurement error.To solve this problem,a set of response time automatic measurement system has been designed and implemented in accordance with the principle that the spatial distribution of velocity-of-light passing through zoom liquid lens changes with the focal length,which consists of a He-Ne laser,a photoelectric detector,a liquid lens,a function generator,a oscilloscope and a PC machine.The laser emitted by He-Ne laser passes through the liquid lens toward the photoelectric detector with small aperture which receives luminous flux from liquid lens and converts it into electrical signals.Meanwhile,the oscilloscope can pick and display the variation waveform of electrical signals and transfer them to the PC.The response time of the current driving voltage can be dealt with and acquired for analysis.Experimental tests results for verification show that the repeated error of the response time measured by the established system is less than 2% and that the measurement system not only has realized the function of automatic measurement,but also has reduced the repetitive error of the measurement besides the measurement system established is simple and easy to operate and it is also sensitive and practical with high application value and wide application prospect.

zoom liquid lens;response time;MATLAB;measurement and control

2016-05-29

2016-09-08 網絡出版時間：2017-03-13

國家自然科學基金青年項目(61302155)；江蘇省自然科學基金(BK20151508)

何鵬舉(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為計算機測控、嵌入式系統；徐榮青，博士，教授，碩士生導師，研究方向為光電探測與傳感器應用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.tp.20170313.1545.026.html

TP311.5

A

1673-629X(2017)05-0170-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.035