液體變焦透鏡光學(xué)性能測(cè)試方法

ICS81.040.01

CCSN05

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXXX—XXXX

`

液體變焦透鏡光學(xué)性能測(cè)試方法

Testmethodsforopticalpropertiesofvariablefocusliquidlens

(點(diǎn)擊此處添加與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識(shí))

征求意見(jiàn)稿

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XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

GB/TXXXXX—XXXX

液體變焦透鏡光學(xué)性能測(cè)試方法

1范圍

本文件規(guī)定了液體變焦透鏡變焦范圍、遲滯、響應(yīng)時(shí)間、透過(guò)率曲線、畸變、色差、波前像差、調(diào)

制傳遞函數(shù)和透鏡中心偏差的測(cè)試原理、測(cè)試裝置、測(cè)試步驟及數(shù)據(jù)處理。

本文件適用于液體變焦透鏡的光學(xué)性能測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T7242-2010透鏡中心偏差

GB/T41869.2-2022光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第2部分：波前像差的測(cè)試方法

JJF580-2005焦度計(jì)檢定規(guī)程

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

遲滯hysteresis

液體變焦透鏡在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升和下降過(guò)程中，相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)光焦度差值的最大值

響應(yīng)時(shí)間responsetime

液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生階躍反應(yīng)，使光焦度發(fā)生跳變，光焦度變化值至穩(wěn)定值所需的時(shí)間。

透過(guò)率曲線transmittancecurve

液體變焦透鏡的透過(guò)率與波長(zhǎng)的曲線

畸變distrotion

橫向放大率隨視場(chǎng)的增大而變化所引起的一種失去物像相似的一種像差

注：畸變用點(diǎn)陣精度板中點(diǎn)陣偏離的相對(duì)距離表示

[來(lái)源:GB/T27667-20112.1，有修改，增加了注釋]

色差chromaticaberration

液體變焦透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的光焦度的差異

波前像差wavefrontaberration

1

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波前與理想球面波前或偏差

[來(lái)源:GB/T41869.2-2022，3.1，有修改]

波前像差均方根root-mean-squarewavefrontaberration

波前與理想球面波前偏差的均方根值

[來(lái)源：GB/T41869.2-2022，3.3，有修改]

調(diào)制傳遞函數(shù)modulationtransferfunction

MTF

在指定空間頻率上像調(diào)制到物調(diào)制的比率

[來(lái)源：ISO/IEC29794-6:2015,4.8]

4測(cè)試要求

測(cè)試環(huán)境條件應(yīng)滿足以下要求：

a)溫度范圍：20℃-30℃，溫度波動(dòng)范圍為±1℃；

b)相對(duì)濕度：40%~60%；

c)大氣壓強(qiáng)：86kPa~106kPa。

5測(cè)試方法

變焦范圍、遲滯

5.1.1測(cè)試原理

變焦范圍和遲滯的測(cè)試采用自動(dòng)焦度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。自動(dòng)焦度計(jì)可直接測(cè)量鏡片的頂焦度，鏡片的光

焦度可用頂焦度表示。

自動(dòng)焦度計(jì)工作原理如下，平行光線經(jīng)被測(cè)鏡片后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)帶孔光闌，落在光電位置探測(cè)器

上。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——被測(cè)鏡片；

2

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2——帶孔光闌；

3——光電位置探測(cè)器。

圖1自動(dòng)焦度計(jì)光路示意圖

由圖可見(jiàn)

???′?????

′=··········································································(1)

???′???

式中：

?——光線在光闌處距離光軸的垂直距離，單位為m；

′

?——光線在光電探測(cè)器位置處距離光軸的垂直距離,單位為m；

??——被測(cè)鏡片后頂焦距與光闌的水平距離,單位為m；

?——光闌至光電位置探測(cè)器的水平距離,單位為m；

??′——被測(cè)鏡片的后頂焦距,單位為m。

由公式（1）可得

??+??(???′)

?=·······································································(2)

?′???′

由鏡片頂焦度的定義可得

???′

?=·······································································(3)

??+??(???′)

式中：

D——光焦度，單位為dpt。

5.1.2測(cè)試裝置

所需測(cè)量裝置為自動(dòng)焦度計(jì)。自動(dòng)焦度計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)滿足光焦度的調(diào)節(jié)范圍。

5.1.3測(cè)試步驟

變焦范圍按照以下步驟試驗(yàn)：

a)將待測(cè)液體變焦透鏡的后表面放在焦度計(jì)支座上，調(diào)整透鏡位于焦度計(jì)光路中心并固定透鏡；

b)將待測(cè)液體變焦透鏡與適配的驅(qū)動(dòng)連接，加載驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

c)設(shè)置待測(cè)液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓/電流，從最低工作電壓/電流開(kāi)始，以一定ΔV/ΔA的間隔

依次增加驅(qū)動(dòng)電壓/電流，直至最高工作電壓/電流為止。同時(shí)記錄電壓/電流及其對(duì)應(yīng)的光焦

度；

d)從最高工作電壓/電流開(kāi)始，以上一步相同的ΔV/ΔA的間隔依次減小驅(qū)動(dòng)電壓/電流，直至最

低工作電壓/電流為止。同時(shí)記錄電壓/電流及其對(duì)應(yīng)的光焦度；

e)根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制上升及下降的電壓/電流—光焦度曲線。

5.1.4數(shù)據(jù)處理

根據(jù)繪制的電壓/電流—光焦度曲線，如圖2所示，

?+?

?=???1???2····································································(4)

???2

式中：

????——待測(cè)液體變焦透鏡的最大光焦度，單位為dpt；

3

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????1——上升曲線中，光焦度的最大值，單位為dpt；

????2——下降曲線中，光焦度的最大值，單位為dpt。

?+?

?=???1???2·····································································(5)

????2

式中：

?????——待測(cè)液體變焦透鏡的最小光焦度，單位為dpt；

?????1——上升曲線中，光焦度的最小值，單位為dpt;

?????2——下降曲線中，光焦度的最小值，單位為dpt。

待測(cè)液體變焦透鏡的變焦范圍為?????~????。

遲滯的計(jì)算方法為：

????=|?1????2??|······································································(6)

式中：

????——曲線中第i個(gè)點(diǎn)的光焦度差值，單位為dpt；

?1??——上升曲線中第i個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光焦度，單位為dpt；

?2??——下升曲線中第i個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光焦度，單位為dpt。

遲滯為????中的最大值。

圖2電壓—光焦度曲線示意圖

響應(yīng)時(shí)間

5.2.1概述

響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試推薦兩種方法：光功率探測(cè)法和光斑成像法。下面對(duì)兩種方法分別進(jìn)行介紹。

5.2.2光功率探測(cè)法

5.2.2.1測(cè)試原理

光功率探測(cè)法通過(guò)光束分析儀接收透過(guò)透鏡以及分光器的光線可確定液體透鏡原始狀態(tài)下的焦距，

當(dāng)待測(cè)液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電源發(fā)生階躍變化時(shí)，透鏡焦距出現(xiàn)相應(yīng)的變化，通過(guò)光電探測(cè)器可顯示光功

4

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率的變化情況從而得出透鏡光焦度的變化過(guò)程，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得出液體透

鏡的響應(yīng)時(shí)間。

5.2.2.2測(cè)試裝置

測(cè)試裝置如3所示。系統(tǒng)所需的組成部件及相應(yīng)的要求包括：

a)激光器：波長(zhǎng)應(yīng)在被測(cè)液體變焦透鏡的工作范圍；

b)擴(kuò)束系統(tǒng)：能夠?qū)す夤馐M(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的光束直徑不小于待測(cè)液體變焦透鏡有效孔徑的

1/2；；

c)光電探測(cè)器：測(cè)試波長(zhǎng)應(yīng)覆蓋激光器波長(zhǎng)，上升時(shí)間優(yōu)于1μs,帶寬優(yōu)于*MHz；應(yīng)位于激光光

束的束腰處；

d)數(shù)據(jù)采集裝置：應(yīng)能對(duì)光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)發(fā)送給電腦的分析軟件；采

集頻率不低于1kHz；

e)電腦：能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)傳輸與分析，支持相應(yīng)的分析軟件正常運(yùn)行；

f)驅(qū)動(dòng)電源：輸出的供電信號(hào)應(yīng)滿足被測(cè)液體變焦透鏡的工作要求；

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——激光器；

2——擴(kuò)束系統(tǒng)；

3——被測(cè)液體變焦透鏡；

4——光電探測(cè)器；

5——數(shù)據(jù)采集裝置；

6——電腦；

7——驅(qū)動(dòng)電源。

圖3光功率探測(cè)法測(cè)試系統(tǒng)圖

5.2.2.3測(cè)試步驟

光功率探測(cè)法按照以下步驟測(cè)試：

a)打開(kāi)圖1各組成部件的供電電源，使系統(tǒng)正常工作；

5

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b)設(shè)置驅(qū)動(dòng)電源，使被測(cè)液體變焦透鏡的屈光度為零；

c)記錄數(shù)據(jù)采集裝置傳輸?shù)膩?lái)自光電探測(cè)器的電壓信號(hào)；

d)改變驅(qū)動(dòng)電源，使被測(cè)液體變焦透鏡的屈光度絕對(duì)值為最大；

e)觀察電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)基本穩(wěn)定不變時(shí)，再次改變驅(qū)動(dòng)電源，使被測(cè)液體變焦透鏡的屈光度為

零；

f)觀察電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)基本穩(wěn)定不變時(shí)，單次試驗(yàn)結(jié)束；

g)重復(fù)步驟a)~f)，重復(fù)次數(shù)不少于10次。

5.2.2.4數(shù)據(jù)處理

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制光焦度（光強(qiáng)）—時(shí)間曲線，如圖4所示。響應(yīng)時(shí)間為：

?t=?2??1···········································································(7)

式中：

?t——響應(yīng)時(shí)間，單位為ms;

?2——光焦度穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，單位為ms;

?1——驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生階躍響應(yīng)時(shí)的時(shí)間，單位為ms。

圖4光焦度（光強(qiáng)）-時(shí)間曲線示意圖

5.2.3光斑成像法

5.2.3.1測(cè)試原理

當(dāng)待測(cè)液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電源發(fā)生階躍變化時(shí)，透鏡焦距出現(xiàn)相應(yīng)的變化，透鏡在不同焦距下對(duì)

光的聚焦能力不同，同一光束透過(guò)透鏡投影在同一位置的光斑大小也不相同。通過(guò)高速相機(jī)采集光束

通過(guò)透鏡投影的光斑，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理可得光斑直徑隨時(shí)間的變化曲線，從而得出透鏡光焦度的變

化過(guò)程，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得出液體透鏡的響應(yīng)時(shí)間。

5.2.3.2測(cè)試裝置

測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)所需的組成部件及相應(yīng)的要求包括：

a)激光器：波長(zhǎng)應(yīng)在被測(cè)液體變焦透鏡的工作范圍（如633nm紅光激光器）；

b)擴(kuò)束系統(tǒng)：能夠?qū)す夤馐M(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的光束直徑不小于待測(cè)液體變焦透鏡有效孔徑；

c)投影屏：使通過(guò)透鏡的光束可垂直完整投影在投影屏上，投影的光斑可被高速相機(jī)有效成像采

集；

6

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d)高速相機(jī)：搭配合適的鏡頭，能對(duì)投影屏上的光束清晰成像并覆蓋測(cè)試中最大的光斑直徑；采

集視頻可保存在數(shù)據(jù)分析電腦中；采集幀率不低于1000幀/秒（fps），且每幀的時(shí)間基本相

同；

e)透鏡驅(qū)動(dòng)：輸出的供電信號(hào)應(yīng)滿足被測(cè)液體變焦透鏡的工作要求；能通過(guò)連接至上位機(jī)（電腦）

并使用透鏡驅(qū)動(dòng)軟件控制；

f)電腦：能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)傳輸與分析，支持高速相機(jī)的數(shù)據(jù)記錄完整且達(dá)到設(shè)置幀

數(shù)；同時(shí)能夠支持透鏡驅(qū)動(dòng)的，支持透鏡驅(qū)動(dòng)軟件正常運(yùn)行；

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——激光器；

2——擴(kuò)束系統(tǒng)；

3——被測(cè)液體變焦透鏡；

4——投影屏；

5——高速相機(jī)；

6——透鏡驅(qū)動(dòng)；

7——電腦。

圖5光斑成像法測(cè)試系統(tǒng)圖

5.2.3.3測(cè)試步驟

按照以下步驟測(cè)試：

a)打開(kāi)圖5各組成部件的供電電源，設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)，將高速相機(jī)調(diào)試連接至測(cè)試電腦；

b)設(shè)置待測(cè)液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓/電流，使其光焦度在指定值D1或D2（如0dpt、5dpt）；

c)調(diào)整擴(kuò)束系統(tǒng)及投影屏的相對(duì)位置，使通過(guò)透鏡的光束在D1、D2時(shí)均可垂直完整投影在投影屏

上；

d)調(diào)整高速相機(jī)的鏡頭及曝光，使高速相機(jī)采集到的光斑在D1、D2時(shí)均完整清晰且曝光合適；

e)設(shè)置待測(cè)液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓/電流，使其光焦度在指定值D1、D2（如0dpt、5dpt）之間

以一定時(shí)間間隔（如1s）跳變；

f)設(shè)置高速相機(jī)采集幀率為1000fps，用高速相機(jī)記錄一段光斑跳變的視頻（視頻時(shí)間如3s），

確保覆蓋D1到D2及D2到D1的跳變過(guò)程，單次試驗(yàn)結(jié)束；

g)重復(fù)步驟a)~f)，重復(fù)次數(shù)不少于10次。

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5.2.3.4數(shù)據(jù)處理

對(duì)高速相機(jī)采集視頻進(jìn)行逐幀的分析，讀取每幀的光斑直徑，繪制光斑直徑-時(shí)間的曲線，通過(guò)曲

線擬合可得到響應(yīng)時(shí)間?t，如圖6所示。

圖6光斑直徑—時(shí)間響應(yīng)曲線示意圖

透過(guò)率曲線

5.3.1測(cè)試原理

液體透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的吸收和反射率，因此當(dāng)光源波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，透鏡的透過(guò)率

也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，形成特定的透過(guò)光譜，使用合適的光譜儀可以測(cè)得液體透鏡的波長(zhǎng)--透過(guò)率曲線。

測(cè)量原理如圖7所示。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——寬帶光源；

2——待測(cè)液體變焦透鏡；

3——積分球；

4——光譜儀儀。

圖7透過(guò)率測(cè)試原理圖

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5.3.2測(cè)試裝置

根據(jù)圖7的測(cè)試原理，可用透過(guò)率儀進(jìn)行測(cè)試。透過(guò)率儀的光譜測(cè)量范圍應(yīng)滿足待測(cè)液體變焦透鏡

的工作范圍。

5.3.3測(cè)試步驟

透過(guò)率曲線按照以下步驟測(cè)試：

a)打開(kāi)透過(guò)率儀，設(shè)置波長(zhǎng)掃描范圍、間隔；

b)將待測(cè)液體變焦透鏡放置在透過(guò)率儀的樣品臺(tái)，光路通過(guò)將待測(cè)液體變焦透鏡中心；

c)通過(guò)透過(guò)率儀的控制軟件，開(kāi)始測(cè)量，并記錄測(cè)試結(jié)果。

5.3.4數(shù)據(jù)處理

通過(guò)透過(guò)率儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到透過(guò)率曲線λ～τ曲線，如圖8所示。

圖8透過(guò)率曲線示意圖

畸變

5.4.1測(cè)試原理

液體透鏡的成像畸變采用點(diǎn)陣精度板輔助測(cè)量。測(cè)試系統(tǒng)圖如圖9所示。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——單色光光源；

2——點(diǎn)陣精度板；

3——待測(cè)液體變焦透鏡；

4——成像透鏡組；

5——相機(jī)。

圖9畸變測(cè)試原理圖

9

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5.4.2測(cè)試裝置

所需的測(cè)試裝置應(yīng)滿足以下要求：

a)單色光光源：光源波長(zhǎng)應(yīng)在待測(cè)液體變焦透鏡的工作范圍內(nèi)；光束直徑應(yīng)不小于待測(cè)透鏡的有

效孔徑；

b)點(diǎn)陣精度板：點(diǎn)陣總尺寸應(yīng)大于待測(cè)液體變焦透鏡的有效孔徑；點(diǎn)陣中點(diǎn)直徑與相鄰兩點(diǎn)間距

可以不同，但點(diǎn)直徑與相鄰兩點(diǎn)間距需小于待測(cè)液體變焦透鏡的有效孔徑的1/40；

c)成像透鏡組：使點(diǎn)陣精度板能夠在相機(jī)中清晰成像；

d)相機(jī)：相機(jī)響應(yīng)波段與光源波段一致；成像面尺寸應(yīng)確保能夠觀察到每行不少于20個(gè)點(diǎn)。

5.4.3測(cè)試步驟

畸變應(yīng)在指定的光焦度下測(cè)試，若不指定，建議在待測(cè)液體變焦透鏡變焦范圍的中點(diǎn)附近測(cè)試，測(cè)

試步驟如下：

a)打開(kāi)光源，進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，使相機(jī)能夠?qū)c(diǎn)陣精度板清晰成像，待設(shè)備穩(wěn)定后，調(diào)

整光路，使各器件同心等高；

b)將待測(cè)透鏡放置到光路中，加載驅(qū)動(dòng)電壓，使待測(cè)液體變焦透鏡的光焦度D1,調(diào)整點(diǎn)陣精度板

的位置，確保相機(jī)能夠捕捉清晰的圖像，記錄下點(diǎn)陣精度板的圖像。

5.4.4數(shù)據(jù)處理

打開(kāi)步驟b)記錄的圖像，圖像示意圖如圖10所示。點(diǎn)陣精度板上第i個(gè)點(diǎn)的畸變?yōu)?/p>

?????

???=?100%······································································(8)

??

式中：

???——點(diǎn)陣精度板中第i個(gè)點(diǎn)的畸變，用百分?jǐn)?shù)表示；

???——實(shí)際點(diǎn)陣精度板中第i個(gè)點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離；

???———經(jīng)過(guò)待測(cè)液體變焦透鏡后的點(diǎn)陣圖像中對(duì)應(yīng)的第i點(diǎn)距離中心點(diǎn)的距離。

在指定光焦度下待測(cè)液體變焦透鏡的畸變用平均畸變表示，如公式（9）：

?

??=∑???·············································································(9)

??=1

式中：

??——平均畸變；

n——點(diǎn)陣精度板中點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

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標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——實(shí)際點(diǎn)陣精度板的點(diǎn)陣圖像；

2——經(jīng)過(guò)待測(cè)液體變焦透鏡后的點(diǎn)陣圖像。

圖10畸變測(cè)試結(jié)果示意圖

色差

5.5.1測(cè)試原理

液體變焦透鏡的色差可以通過(guò)采用可調(diào)諧單色光光源作為照明光源，測(cè)量液體透鏡的焦點(diǎn)，分析不

同波長(zhǎng)下，透鏡的聚焦能力。色差測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖11。當(dāng)圖案掩膜版能夠在相機(jī)中清晰成像時(shí)，根

據(jù)成像原理可得：

111

=+···········································································(10)

????

式中：

??——待測(cè)液體變焦透鏡在波長(zhǎng)為λ下的焦距值，單位為mm；

?——圖像掩膜版與待測(cè)液體變焦透鏡的距離，單位為mm；

?——相機(jī)與待測(cè)液體變焦透鏡的距離,單位為mm。

由公式（10）可得

??

?=············································································(11)

??+?

通過(guò)改變可調(diào)諧單色光光源波長(zhǎng)得到待測(cè)液體變焦透鏡在不同波長(zhǎng)下的焦距，色差用焦距的差值表示。

11

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標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——可調(diào)諧單色光光源；

2——圖案掩膜板；

3——待測(cè)液體變焦透鏡；

4——相機(jī)。

圖11色差測(cè)試系統(tǒng)圖

5.5.2測(cè)試裝置

測(cè)試系統(tǒng)中的組成部分應(yīng)滿足以下條件：

a)可調(diào)諧單色光光源：覆蓋液體變焦透鏡的工作波段；

b)圖案掩膜板：采用USAF1951分辨率測(cè)試靶；

c)相機(jī)：相機(jī)響應(yīng)波段與光源波段一致；成像面尺寸應(yīng)確保能夠觀察到掩膜板上的條紋圖案；

5.5.3測(cè)試步驟

色差應(yīng)在指定的光焦度下測(cè)試，若不指定，建議在待測(cè)液體變焦透鏡變焦范圍的中點(diǎn)附近測(cè)試，測(cè)

試步驟如下：

a)打開(kāi)光源，進(jìn)行預(yù)熱，待設(shè)備穩(wěn)定后，調(diào)整光路，使各器件同心等高；

b)將光源的輸出波長(zhǎng)調(diào)至液體變焦透鏡工作波段的最小波長(zhǎng)λ0；

c)將待測(cè)透鏡放置到光路中，加載特定的驅(qū)動(dòng)電壓，使液體變焦透鏡的光焦度為指定值；

d)改變圖案掩模板的位置，調(diào)整屏幕的位置，確保屏幕上能夠捕捉到清晰的圖像（圖案掩膜板

的條紋圖案與背景的對(duì)比度最大），記錄下此時(shí)的u0、v0；

e)以Δλ為間隔，應(yīng)確保λ0+Δλ在待測(cè)液體變焦透鏡工作波段范圍內(nèi)，增加可調(diào)諧單色光光

源的波長(zhǎng)，調(diào)整光源的輸出波長(zhǎng)，重復(fù)步驟c）和d），直至得到液體變焦透鏡工作波長(zhǎng)

范圍內(nèi)的λ0~λn波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的u1~un,v1~vn。

5.5.4數(shù)據(jù)處理

根據(jù)5.5.3中步驟c)~d)以及公式（11）可計(jì)算得到不同波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的待測(cè)液體變焦透鏡的焦距

??0~???。通過(guò)計(jì)算任意兩個(gè)焦距的差值可得到對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波長(zhǎng)的色差。

波前像差

5.6.1測(cè)試原理

像差采用夏克-哈特曼光電測(cè)量法，測(cè)試方法參考GB/T41869.2-2022。測(cè)試原理如圖9所示。利用

陣列聚焦器件（一種微光學(xué)陣列透鏡或者微光學(xué)陣列光柵加會(huì)聚透鏡）將光束孔徑分割成若干子孔徑，

12

GB/TXXXXX—XXXX

并在波前傳感器上聚焦形成多個(gè)光斑（實(shí)際像點(diǎn)）。通過(guò)光斑坐標(biāo)計(jì)算得到光斑相對(duì)于微透鏡焦點(diǎn)（理

論像點(diǎn)）的偏移量。通過(guò)計(jì)算光斑的相對(duì)偏移量獲得入射波前對(duì)應(yīng)到每個(gè)子孔徑上的斜率。按照每一個(gè)

子孔徑內(nèi)波前的斜率信息，進(jìn)行波前重構(gòu)，得到全孔徑上的波前相位分布。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——波面；

2——微透鏡陣列；

3——CCD探測(cè)器；

4——CCD探測(cè)器像面；

5——理論像點(diǎn)；

6——實(shí)際像點(diǎn)。

圖12夏克-哈特曼光電測(cè)量法原理示意圖

5.6.2測(cè)試裝置

波前像差測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示。測(cè)試系統(tǒng)各組成部件應(yīng)滿足以下條件：

a)點(diǎn)光源與待測(cè)液體變焦透鏡的距離剛好為待測(cè)液體變焦透鏡的焦距，波長(zhǎng)滿足待測(cè)液體變焦

透鏡的工作波長(zhǎng)；

b)波前傳感器的有效直徑大于光束直徑。

123

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——點(diǎn)光源；

2——待測(cè)液體變焦透鏡；

3——波前傳感器。

13

GB/TXXXXX—XXXX

圖13波前像差測(cè)試系統(tǒng)示意圖

5.6.3測(cè)試步驟

波前像差應(yīng)該在指定光焦度下測(cè)試，測(cè)試步驟如下：

a)按照?qǐng)D10設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)，使夏克-哈特曼波前像差測(cè)量?jī)x處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；

b)設(shè)置待測(cè)液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓/電流，使其光焦度為指定值；

c)調(diào)節(jié)透鏡位置，使經(jīng)過(guò)透鏡后的光束為平行光，且入射到夏克-哈特曼波前像差測(cè)量?jī)x傳感器，

即Zernike多項(xiàng)式中的離焦項(xiàng)為0，光斑居中準(zhǔn)直；

d)設(shè)置波前傳感器的采集范圍；

e)用夏克-哈特曼波前像差測(cè)量?jī)x測(cè)試軟件測(cè)量波前像差，每隔一段時(shí)間（不小于1s）記錄一組

測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)n（n大于等于10）次。

5.6.4數(shù)據(jù)處理

待測(cè)液體變焦透鏡的波前像差用波前偏差的均方差值表示，根據(jù)5.6.3記錄的波前測(cè)量數(shù)據(jù)，按照

公式（12）計(jì)算：

?

∑????

RMS=?=1·······································································(12)

?

式中：

???——待測(cè)液體變焦透鏡的波前偏差均方差，單位為μm；

?????——第i次試驗(yàn)的波前偏差均方差，單位為μm；

調(diào)制傳遞函數(shù)

5.7.1測(cè)試原理

待測(cè)液體變焦透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)通過(guò)測(cè)試波前偏差數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合，再計(jì)算

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，再由點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)計(jì)算得到調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。

5.7.2測(cè)試裝置

所需測(cè)試裝置與5.6.2相同。

5.7.3測(cè)試步驟

MTF按照以下步驟測(cè)試：

a)根據(jù)5.6.3，對(duì)波前偏差進(jìn)行一次測(cè)量，得到波前偏差測(cè)量數(shù)據(jù)；夏克-哈特曼波前像差測(cè)量

儀測(cè)試軟件對(duì)波前偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合；得到波前偏差的Zernike多項(xiàng)式表達(dá)

式Wi；

b)計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF；

c)計(jì)算MTF。

5.7.4數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的構(gòu)建方法如下：

2

()+∞()()(13)

PSFu,v=|??∞??,?exp[???2???+??????]|····································

14

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2?

?(?,?)exp[?????(?,?)，出瞳內(nèi)

P(x,y)={?··········································(14)

0，出瞳

式中：

PSF(u,v)——待測(cè)液體變焦透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；

?(?,?)——待測(cè)液體變焦透鏡光瞳函數(shù)；

?(?,?)——光瞳函數(shù)的振幅，通常取1；

??(?,?)——波前偏差函數(shù)。

計(jì)算MTF，如公式（12）

1

MTF(ε,η)=|????(?,?)exp[??2?(??+ηv]????|···································(15)

??

式中：

S——出瞳面積；

G——光瞳位移前后的重疊區(qū)域；

ε、——光瞳函數(shù)自相關(guān)積分時(shí)的位移量。

透鏡中心偏差

按照GB/T7242-2010的方法測(cè)試。

15

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A

A

附錄A

（資料性）

液體變焦透鏡原理及應(yīng)用場(chǎng)景

液態(tài)變焦透鏡是含有光學(xué)液體的可調(diào)焦透鏡，通常由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)不同的電流或電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)加

載于液態(tài)透鏡時(shí)，光學(xué)液體的形狀也隨之發(fā)生變化，從而改變透鏡的焦距。與傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦鏡頭相比，

液體透鏡具有光焦度范圍大、體積小、反應(yīng)速度快、能耗低、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

目前較為成熟的液態(tài)變焦透鏡技術(shù)主要有兩種，第一種為電潤(rùn)濕液態(tài)透鏡，如圖A.1所示，由密封

在腔體中的極性液體及非極性液體組成，基于電潤(rùn)濕原理，通過(guò)施加電壓改變極性液體與腔體內(nèi)壁介電

層的潤(rùn)濕角來(lái)改變兩種液體界面的曲率，從而實(shí)現(xiàn)屈光度的變化。第二種為薄膜型液態(tài)透鏡，如圖A.2

所示，使用彈性薄膜封裝光學(xué)液體，借助外部機(jī)械力等驅(qū)動(dòng)方式或通過(guò)改變液體對(duì)薄膜的壓力，改變通

光孔徑處薄膜的曲率以實(shí)現(xiàn)焦距的變化。其他類(lèi)似的變焦透鏡技術(shù)也包括液晶透鏡，彈性體變焦透鏡等。

液態(tài)透鏡有大屈光度工作范圍，可快速響應(yīng)，快速聚焦，適應(yīng)不斷變化的工作距離，目前已逐步廣

泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)（如二維碼識(shí)別，質(zhì)量檢測(cè)），顯微成像，內(nèi)窺鏡，安防等領(lǐng)域，近年也開(kāi)始進(jìn)入消

費(fèi)類(lèi)領(lǐng)域，如智能終端相機(jī)模組及車(chē)載影像等。

以機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用為例，液態(tài)透鏡的主要應(yīng)用場(chǎng)景為對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的快速對(duì)焦或?qū)Σ煌嚯x的各種目

標(biāo)快速掃描，再結(jié)合圖像合成及算法識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的視覺(jué)檢測(cè)。針對(duì)快速對(duì)焦的應(yīng)用如二維碼

識(shí)別，搭載液態(tài)透鏡的讀碼器利用液態(tài)透鏡的快速變焦，可以在流水線上高度不一的目標(biāo)之間快速對(duì)焦，

切換工作距離，準(zhǔn)確讀取所有二維碼，相較使用常規(guī)自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)可實(shí)現(xiàn)更快的讀碼速度及更大的工作

距離范圍，且無(wú)需機(jī)械對(duì)焦結(jié)構(gòu)，有更高的可靠性及集成度。針對(duì)快速掃描的應(yīng)用，利用搭載液態(tài)透鏡

的遠(yuǎn)心鏡頭等工業(yè)檢測(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)在大景深范圍內(nèi)擁有較高的成像質(zhì)量，僅需改變液態(tài)透鏡的工作電

壓/電流，即可改變液體透鏡的光焦度，從而改變遠(yuǎn)心鏡頭的工作距離；帶液態(tài)透鏡的遠(yuǎn)心鏡頭的工作

距離范圍通常在十幾到數(shù)十毫米，且液體透鏡的響應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)幾毫秒到幾十毫秒，可在一秒內(nèi)采集

十幾到幾十張不同距離下的圖像，能夠滿足各類(lèi)缺陷檢測(cè)的工作深度及采集速度的需求，由于無(wú)需機(jī)械

變焦部件，在工作中也避免了機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)的震動(dòng)和可靠性等問(wèn)題。

圖A.1電潤(rùn)濕液體變焦透鏡工作原理示意圖

16

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圖A.2薄膜型液體變焦透鏡工作原理示意圖

圖A.3液晶液體變焦透鏡工作原理示意圖

圖A.4彈性體液體變焦透鏡工作原理示意圖

17

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B

B

附錄B

（資料性）

測(cè)試報(bào)告模板

測(cè)試報(bào)告模板件B.1。

表B.1測(cè)試報(bào)告模板

時(shí)間地點(diǎn)

生產(chǎn)廠家型號(hào)

環(huán)境溫度環(huán)境濕度

參數(shù)測(cè)試結(jié)果

變焦范圍(dpt)

遲滯(dpt)

開(kāi)始的光焦度

響應(yīng)時(shí)間值（dpt）

(ms)結(jié)束的光角度

值(dpt)

透過(guò)率曲線

光焦度值

畸變

（dpt）

光焦度值

色差

（dpt）

波前像差光焦度值

（μm）（dpt）

調(diào)制傳遞函數(shù)

透鏡中心偏差（μm）

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參考文獻(xiàn)

[1]GB/T27667-2011：光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)畸變的測(cè)定

[2]ISO9342-1Opticsandopticalinstruments.Testlensesforcalibrationoffocimeters.

Part1:Testlensesforfocimetersusedformeasuringspectaclelenses

[3]ISO/IEC29794-6:2015(en)Informationtechnology—Biometricsamplequality—

Part6:Irisimagedata

19

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定

起草。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。

本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。

本文件由全國(guó)光學(xué)和光子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)光學(xué)材料和元件分技術(shù)委員會(huì)歸口。

本文件起草單位：

本文件主要起草人：

I

GB/TXXXXX—XXXX

液體變焦透鏡光學(xué)性能測(cè)試方法

1范圍

本文件規(guī)定了液體變焦透鏡變焦范圍、遲滯、響應(yīng)時(shí)間、透過(guò)率曲線、畸變、色差、波前像差、調(diào)

制傳遞函數(shù)和透鏡中心偏差的測(cè)試原理、測(cè)試裝置、測(cè)試步驟及數(shù)據(jù)處理。

本文件適用于液體變焦透鏡的光學(xué)性能測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T7242-2010透鏡中心偏差

GB/T41869.2-2022光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第2部分：波前像差的測(cè)試方法

JJF580-2005焦度計(jì)檢定規(guī)程

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

遲滯hysteresis

液體變焦透鏡在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升和下降過(guò)程中，相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)光焦度差值的最大值

響應(yīng)時(shí)間responsetime

液體變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生階躍反應(yīng)，使光焦度發(fā)生跳變，光焦度變化值至穩(wěn)定值所需的時(shí)間。

透過(guò)率曲線transmittancecurve

液體變焦透鏡的透過(guò)率與波長(zhǎng)的曲線

畸變distrotion

橫向放大率隨視場(chǎng)的增大而變化所引起的一種失去物像相似的一種像差

注：畸變用點(diǎn)陣精度板中點(diǎn)陣偏離的相對(duì)距離表示

[來(lái)源:GB/T27667-20112.1，有修改，增加了注釋]

色差chromaticaberration

液體變焦透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的光焦度的差異

波前像差wavefrontaberration

1

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波前與理想球面波前或偏差

[來(lái)源:GB/T41869.2-2022，3.1，有修改]

波前像差均方根root-mean-squarewavefrontaberration

波前與理想球面波前偏差的均方根值

[來(lái)源：GB/T41869.2-2022，3.3，有修改]

調(diào)制傳遞函數(shù)modulationtransferfunction

MTF

在指定空間頻率上像調(diào)制到物調(diào)制的比率

[來(lái)源：ISO/IEC29794-6:2015,4.8]

4測(cè)試要求

測(cè)試環(huán)境條件應(yīng)滿足以下要求：

a)溫度范圍：20℃-30℃，溫度波動(dòng)范圍為±1℃；

b)相對(duì)濕度：40%~60%；

c)大氣壓強(qiáng)：86kPa~106kPa。

5測(cè)試方法

變焦范圍、遲滯

5.1.1測(cè)試原理

變焦范圍和遲滯的測(cè)試采用自動(dòng)焦度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。自動(dòng)焦度計(jì)可直接測(cè)量鏡片的頂焦度，鏡片的光

焦度可用頂焦度表示。

自動(dòng)焦度計(jì)工作原理如下，平行光線經(jīng)被測(cè)鏡片后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)帶孔光闌，落在光電位置探測(cè)器

上。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——被測(cè)鏡片；

2

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2——帶孔光闌；

3——光電位置探測(cè)器。

圖1自動(dòng)焦度計(jì)光路示意圖

由圖可見(jiàn)

???′?????

′=··········································································(1)

???′???

式中：

?——光線在光闌處距離光軸的垂直距離，單位為m；

′

?——光線在光電探測(cè)器位置處距離光軸的垂直距離,單位為m；

??——被測(cè)鏡片后頂焦距與光闌的水平距離,單位為m；

?——光闌至光電位置探測(cè)器的水平距離,單位為m；

??′——被測(cè)鏡片的后頂焦距,單位為m。

由公式（1）可得

??+??(???′)

?=·······································································(2)

?′???′

由鏡片頂焦度的定義可得

???′

?=·······································································(3)

??+??(???′)

式中：

D——光焦度，單位為dpt。

5.1.2測(cè)試裝置

所需測(cè)量裝置為自動(dòng)焦度計(jì)。自動(dòng)焦度計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)滿足光焦度的調(diào)節(jié)范圍。

5.1.3測(cè)試步驟

變焦范圍按照以下步驟試驗(yàn)：

a)將待測(cè)液體變焦透鏡的后表面放在焦度計(jì)支座上，調(diào)整透鏡位于焦度計(jì)光路中心并固定透鏡；

b)將待測(cè)液體變焦透鏡與適配的驅(qū)動(dòng)連接，加載驅(qū)動(dòng)信