變焦液體透鏡響應(yīng)時(shí)間測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何鵬舉，謝 娜，郭振宇，王西玲，徐榮青

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

變焦液體透鏡響應(yīng)時(shí)間測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何鵬舉，謝 娜，郭振宇，王西玲，徐榮青

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

目前基于電潤濕變焦液體透鏡響應(yīng)時(shí)間的測量普遍是通過高速拍攝液體透鏡的動(dòng)態(tài)影像來完成的，但是該方法的操作十分復(fù)雜且重復(fù)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套自動(dòng)測量響應(yīng)時(shí)間的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由He-Ne激光器、光電探測器、液體透鏡、函數(shù)發(fā)生器、示波器及PC機(jī)組成。He-Ne激光器發(fā)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(zhuǎn)化成電信號(hào)，示波器獲取電信號(hào)的變化波形，再將該波形傳輸至PC機(jī)并通過軟件進(jìn)行處理和分析得出當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電壓所對應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間。驗(yàn)證測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)構(gòu)建的系統(tǒng)在相同電壓下測得多組響應(yīng)時(shí)間的重復(fù)誤差低于2%，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測量，而且測量結(jié)果重復(fù)誤差低，測量過程操作簡單，反應(yīng)靈敏，實(shí)用性強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和較為寬廣的應(yīng)用前景。

變焦液體透鏡；響應(yīng)時(shí)間；MATLAB；測量控制

0 引 言

目前，基于電潤濕效應(yīng)的變焦液體透鏡因響應(yīng)時(shí)間短、控制簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)使其在智能手機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡等眾多現(xiàn)代成像設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)上，可變焦距的光學(xué)系統(tǒng)是通過機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)齒輪來控制變焦的，這種變焦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延遲較大。為了改變這種傳統(tǒng)的變焦方式，國內(nèi)外學(xué)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(yīng)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(shí)現(xiàn)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(yīng)時(shí)間縮短至毫秒級(jí)。但是，透鏡響應(yīng)時(shí)間的縮短也意味著測量響應(yīng)時(shí)間的儀器要有更高的時(shí)間靈敏度才能在極短時(shí)間內(nèi)測量出透鏡焦距的變化情況。目前，國內(nèi)外在液體透鏡變焦時(shí)間的測量上大都采用交流電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)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(jì)算幀的數(shù)量來計(jì)算液體透鏡變化所需要的時(shí)間。這種測量響應(yīng)時(shí)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(jié)果進(jìn)行分析和處理，導(dǎo)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可以自動(dòng)測量電潤濕液體透鏡響應(yīng)時(shí)間的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由He-Ne激光器、光電探測器、液體透鏡、函數(shù)發(fā)生器、示波器及PC機(jī)組成。He-Ne激光器發(fā)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(zhuǎn)化成電信號(hào)，示波器獲取電信號(hào)的變化曲線，通過PC機(jī)上的軟件獲取示波器的波形并做處理和分析，得出當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電壓所對應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件如圖1所示。PC機(jī)通過GPIB接口與函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器相連。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)輸出,示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，PC機(jī)作為該系統(tǒng)的控制中心。

圖1 硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡在測量過程中一般采用交流電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電壓，因此焦距變化很快，要想測出焦距隨電壓變化的狀態(tài)，對進(jìn)行測量的儀器要求很高。圖1中，硬件裝置由一個(gè)氦氖激光器、液體透鏡、小孔光闌、光電探測器、函數(shù)發(fā)生器、示波器及PC機(jī)組成。激光器選用的是氦氖激光器，該激光器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、單色性高、穩(wěn)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(dòng)和噪聲的影響，能夠區(qū)分出微弱細(xì)小的光信號(hào)，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。測量過程中需要調(diào)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(shí)要使光電探測器置于液體透鏡未加電壓時(shí)光束的束腰處，具體做法是調(diào)節(jié)小孔光闌的位置，使得輸出信號(hào)最強(qiáng)。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(huì)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(jì)算可以得出此時(shí)探測器接收到的光通量與液體透鏡的焦距是相關(guān)的[8]。又由于探測器輸出的電信號(hào)與探測器接收的光通量成正比，因此輸出的電信號(hào)也與液體透鏡的焦距相關(guān)。

函數(shù)發(fā)生器用來輸出任意函數(shù)的波形，輸出的波形再通過高壓放大器可以調(diào)制出液體透鏡所需的驅(qū)動(dòng)電壓。示波器作為電信號(hào)的測量儀器，它能將變化的電信號(hào)變換成相應(yīng)的波動(dòng)曲線。PC機(jī)是整套系統(tǒng)的控制中心，不僅要進(jìn)行函數(shù)發(fā)生器和示波器控制，而且要對獲取的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而得到準(zhǔn)確的響應(yīng)時(shí)間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是通過MATLAB編程控制函數(shù)發(fā)生器和示波器實(shí)現(xiàn)的。MATLAB具有豐富的硬件接口驅(qū)動(dòng)，以及高效的數(shù)據(jù)處理能力，而該軟件恰好需要與其他硬件接口進(jìn)行通信并傳遞和接收數(shù)據(jù)，又需要處理龐大的數(shù)據(jù)，因此采用MATLAB不僅可以節(jié)省時(shí)間成本，而且功能強(qiáng)大，開發(fā)周期較短。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包含兩個(gè)部分，即MATLAB與外設(shè)的通信模塊和基于MATLAB GUI的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 MATLAB與外設(shè)通信模塊

MATLAB與外設(shè)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(shù)和接口驅(qū)動(dòng)。MATLAB可以通過GPIB接口實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的交互功能，使用戶與外設(shè)之間可以進(jìn)行信息獲取和傳送。MATLAB作為一種高級(jí)語言，可以通過調(diào)用M文件函數(shù)來創(chuàng)建設(shè)備對象，得到設(shè)備的文件句柄。設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)作為操作系統(tǒng)直接控制硬件的模塊，是連接操作系統(tǒng)內(nèi)核與系統(tǒng)外部設(shè)備I/O操作的核心模塊。MATLAB在程序設(shè)計(jì)的過程中將具體的硬件細(xì)節(jié)隱藏，實(shí)現(xiàn)了對外設(shè)操作的透明性，因此用戶可以通過簡單的M文件函數(shù)實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的讀寫操作。在讀寫的過程中，數(shù)據(jù)的傳輸格式、緩沖區(qū)大小以及溢出時(shí)間等由設(shè)置的屬性值進(jìn)行定義。函數(shù)發(fā)生器和示波器所產(chǎn)生的事件和狀態(tài)一般保存在事件狀態(tài)寄存器、狀態(tài)字節(jié)寄存器和事件隊(duì)列中，供MATLAB的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行讀取。同時(shí)用戶可以設(shè)置事件狀態(tài)使能寄存器和服務(wù)請求使能寄存器來控制需保存的事件或狀態(tài)[9-10]。

MATLAB對函數(shù)發(fā)生器和示波器設(shè)置和詢問的SCPI命令由FPRINTF函數(shù)以字符串的形式輸出。設(shè)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(gè)參數(shù)之間由逗號(hào)相隔。另外，當(dāng)以二進(jìn)制格式對示波器的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，其讀取的數(shù)據(jù)與示波器的實(shí)際數(shù)據(jù)需由下式進(jìn)行換算后才能得出實(shí)際的信號(hào)幅值：

Xn=Xzero+Xincr*n

Yn=Yzero+Ymult*(yn-Yoff)

其中，yn為輸入、輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；Xn、Yn為示波器中的實(shí)際采樣時(shí)間與信號(hào)幅值。

2.2 基于MATLAB GUI的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

液體透鏡響應(yīng)時(shí)間測量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面是基于MATLAB環(huán)境、采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的[11-12]。在測量過程中，人機(jī)交互界面通過設(shè)備控制工具箱由GPIB接口向函數(shù)發(fā)生器和示波器發(fā)送SCPI控制指令，即一鍵初始化函數(shù)發(fā)生器和示波器。然后再發(fā)送SCPI查詢指令，函數(shù)發(fā)生器和示波器將所要查詢的數(shù)據(jù)通過GPIB接口傳遞給設(shè)備控制工具箱，最后由MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相應(yīng)結(jié)果在交互界面上顯示，并完成報(bào)表輸出。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

在實(shí)現(xiàn)以上過程中，主要解決數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方面的問題：響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算方法和液體透鏡驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)置過程。

2.2.1 響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算方法

脈沖信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間一般分為上升時(shí)間和下降時(shí)間。上升時(shí)間是指脈沖瞬時(shí)值最初到達(dá)規(guī)定下限和規(guī)定上限的兩瞬時(shí)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(shù)，底部值指的是波形較低部分的眾數(shù)。因此在控制領(lǐng)域中，上升時(shí)間通常定義為響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值90%所需的時(shí)間。下降時(shí)間的定義與上升時(shí)間基本相同。

圖3 軟件設(shè)計(jì)的流程圖

由于計(jì)算機(jī)通過示波器獲取的電信號(hào)波形數(shù)據(jù)的毛刺較大，需要對波形進(jìn)行平滑處理，求取波形數(shù)據(jù)的眾數(shù)，即底部值和頂部值。再通過一系列的函數(shù)和公式可以準(zhǔn)確得到幅值10%的點(diǎn)上升到幅值90%的點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間。

2.2.2 液體透鏡驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)置過程

函數(shù)發(fā)生器輸出波形經(jīng)高壓放大器放大后，加載到液體透鏡的兩端，由于放大倍數(shù)未知，無法直接設(shè)置指定加載電壓。因此需要通過軟件系統(tǒng)計(jì)算放大倍數(shù)后再設(shè)置，設(shè)置過程：PC獲取函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓，通過高壓放大器得到液體透鏡兩端的驅(qū)動(dòng)電壓，計(jì)算得到放大倍數(shù)，計(jì)算機(jī)通過放大倍數(shù)調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的輸出值，就可以實(shí)現(xiàn)液體透鏡兩端的驅(qū)動(dòng)電壓為具體的設(shè)定值。

3 測量過程及重復(fù)誤差分析

圖4為測量系統(tǒng)的操作界面。

圖4 軟件操作界面

該操作界面主要由4個(gè)模塊組成，包括函數(shù)發(fā)生器與示波器一鍵初始化模塊、液體透鏡響應(yīng)時(shí)間計(jì)算模塊、液體透鏡驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置模塊、電壓與響應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線的繪制模塊。

當(dāng)硬件設(shè)備搭建完畢后，打開該軟件，點(diǎn)擊連接函數(shù)發(fā)生器和連接示波器。待連接狀態(tài)顯示連接成功后，先點(diǎn)擊初始化輸出波形，然后調(diào)節(jié)高壓放大器，觀察光電探測口的光通量，若出現(xiàn)聚焦過程，則停止調(diào)節(jié)放大器。然后點(diǎn)擊初始化示波器，此時(shí)示波器屏幕上會(huì)出現(xiàn)調(diào)整好后的波形。初始化完成后，接著可以點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕完成需要的操作。在繪制驅(qū)動(dòng)電壓與響應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線的過程中，需要先設(shè)置好低電壓、高電壓及步長，然后選擇要獲取的關(guān)系曲線，最后點(diǎn)擊繪圖即可。繪圖過程中會(huì)在狀態(tài)欄中顯示剩余繪圖時(shí)間，繪圖完畢后，可以將當(dāng)前的繪圖數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)電壓下響應(yīng)時(shí)間多次測量的結(jié)果，測量精度為0.01 ms。

表1 重復(fù)測量誤差分析

重復(fù)測量誤差的計(jì)算公式為：

重復(fù)誤差如表2所示。

表2 重復(fù)誤差

從表2中可知，所測變焦液體透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓在54～64V時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間的重復(fù)測量誤差低于2%。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)液體透鏡測試過程的自動(dòng)化和操作簡單化，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套由硬件和軟件結(jié)合的電潤濕液體透鏡響應(yīng)時(shí)間測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由光電探測系統(tǒng)、液體透鏡、函數(shù)發(fā)生器、示波器及PC機(jī)組成。在實(shí)驗(yàn)過程中，不僅完成了硬件的選取和搭建，而且進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)和測試。測試結(jié)果表明，所構(gòu)建的系統(tǒng)不僅可以一鍵自動(dòng)得到液體透鏡不同驅(qū)動(dòng)電壓所對應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間，而且所測響應(yīng)時(shí)間的重復(fù)誤差低于2%。測試過程操作簡單，反應(yīng)靈敏，實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-13

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(61302155)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151508)

何鵬舉(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控、嵌入式系統(tǒng)；徐榮青，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣怆娞綔y與傳感器應(yīng)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