本发明提出的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，包括变焦透镜、电控变焦透镜驱动模块、激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、光电探测器、差分放大器、数据采集与处理模块；其中：所述电控变焦透镜驱动模块用于驱动变焦透镜，所述激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、变焦透镜以及光电探测器前后依次设置，其中变焦透镜设置在分光模块的探测光出射端，光电探测器与差分放大器相连接，差分放大器和电控变焦透镜驱动模块均与数据采集与处理模块相连接。本发明还提出一种基于该检测装置进行电控变焦透镜变焦时间的检测方法，能够自动检测变焦透镜的变焦时间，且一次性测量正变焦和逆变焦的时间，具有操作简单、测试精度和效率高等优点。
1.一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，包括变焦透镜、电控变焦透镜驱动模块、激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、光电探测器、差分放大器、数据采集与处理模块；其中：所述电控变焦透镜驱动模块用于驱动变焦透镜，所述激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、变焦透镜以及光电探测器前后依次设置，其中变焦透镜设置在分光模块的探测光出射端，光电探测器与差分放大器相连接，差分放大器和电控变焦透镜驱动模块均与数据采集与处理模块相连接；
变焦透镜驱动电压的改变，会引起变焦透镜焦距f的变化，进而会使经透镜后距离透镜L处中心的光强I1发生变化，当变焦透镜焦距f稳定时，光强I1也会稳定，利用该原理可以对变焦透镜的响应时间进行测量；
当变焦透镜表现为凸透镜时，f为变焦透镜的焦距，D0为入射光束直径，I0为入射光束中心处光强，距离变焦透镜L处的光束直径为D1，L处的中心光强为I1；
由此可见，对于凸透镜变焦透镜来说，如果L相对于变焦透镜的焦距f足够长，则变焦透镜的焦距与 成正比，即通过探测I1就可以对变焦透镜的焦距变化规律进行研究，当变焦透镜表现为凹透镜时，假设变焦透镜的焦距为f，入射光束直径为D0，入射光束中心处光强为I0，距离变焦透镜L处的光束直径为D1，L处的中心光强为I1，变焦透镜对传输光线的变化特性：可得：
如果L相对于f足够长，则可以满足I0＞＞I1，则：
由此可见，对于凹透镜变焦透镜来说，如果L相对于变焦透镜的焦距f足够长，则变焦透镜的焦距与 成正比，即通过探测I1就可以对变焦透镜的焦距变化规律进行研究，针对不同驱动电压，无论变焦透镜表现为凹透镜或者是凸透镜，当L相对于透镜的焦距f足够大时，都满足下式：其中 如果激光器的能量比较稳定，即I0稳定，就可以认为A为常数，因此，只要通过测试系统获得I1的变化规律，就可以得到f随时间的变化关系，本系统就是通过f随时间的变化关系获得变焦时间的。
2.根据权利要求1所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述电控变焦透镜驱动模块包括依次连接的矩形脉冲发生器和高压放大器。
3.根据权利要求2所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述矩形脉冲发生器的脉冲幅度为0V～200V且连续可调。
4.根据权利要求2所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述矩形脉冲发生器的脉冲偏置为0V～200V且连续可调。
5.根据权利要求2所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述矩形脉冲发生器的脉冲宽度为2ms～50s且连续可调。
6.根据权利要求1所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述激光器为连续激光器。
7.根据权利要求1所述的电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，其特征在于，所述分光模块包括依次连接的波片、偏振分光棱镜和反射镜，其中偏振分光棱镜用于将入射光束分为探测光和参考光。
8.基于权利要求1所述的自动检测装置进行电控变焦透镜变焦时间的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A、采用激光器发出激光光束，该光束穿过空间滤波与扩束模块，进入分光模块，得到探测光和参考光；
步骤C、采用矩形脉冲发生器输出矩形脉冲电压信号，然后经过高压放大器放大，获得
0V～200V的高压信号，所述高压信号加载在变焦透镜上，驱动变焦透镜实现变焦；
步骤E、采用差分放大器对探测光的光强变化和参考光的光强变化分别进行差分放大并进行比对，得到实测变焦透镜变焦响应曲线；
步骤F、数据采集和处理模块对实测变焦透镜变焦响应曲线进行处理，获取变焦透镜变焦响应曲线的上升时间和下降时间，即为变焦透镜的正变焦响应时间和逆变焦响应时间。
一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置和检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于光电检测的技术领域，尤其涉及一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置和检测方法。
背景技术
[0002] 变焦透镜在各种光学系统中扮演着重要角色，变焦透镜的使用会显著简化光学系统。变焦透镜相对传统的光机系统，具有显著优点，如响应时间快、聚焦可调范围广、性能稳定、重量轻、不易磨损、使用寿命长等。其中变焦透镜的变焦时间是其主要的性能指标，它直接决定着变焦光学系统的应用。
[0003] 目前变焦光学系统的变焦时间的测试是通过高速摄影的方法对变焦过程进行录像，再将录像拆解成帧，通过计算帧的数量来计算图像变化所需要的时间；这种方法的测试精度取决于高速摄像机帧与帧之间的时间间隔及成像质量，要想提高测量精度，必须提高高速摄像机的帧频，这将导致在测量仪器方面的经济投入大幅增长。另外，由于大量的需要判读大量的图像，无疑也大大增加了测试人员的工作量。
[0004] 总之，现有测量装置和方法存在的不足主要有以下三个方面：(1)该方法的时间分辨率取决于高速摄像机的帧频，高速摄像机的价格与帧频成一种非线性关系，这无疑极大地增加了变焦透镜变焦时间的测量成本。(2)该方法需要判读大量的图像，容易受到主观影响，因而精度有限。(3)该方法如何判定焦距稳定时对应的像也是一个困难，因而该方法不易实现自动检测。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置和检测方法，能够快速、准确地自动检测各种电控变焦透镜及变焦系统的变焦时间，实现检测方便、精度高、成本低。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007] 一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，包括变焦透镜、电控变焦透镜驱动模块、激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、光电探测器、差分放大器、数据采集与处理模块；其中：所述电控变焦透镜驱动模块用于驱动变焦透镜，所述激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、变焦透镜以及光电探测器前后依次设置，其中变焦透镜设置在分光模块的探测光出射端，光电探测器与差分放大器相连接，差分放大器和电控变焦透镜驱动模块均与数据采集与处理模块相连接。
[0008] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述电控变焦透镜驱动模块包括依次连接的矩形脉冲发生器和高压放大器。
[0009] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述矩形脉冲发生器的脉冲幅度为0V～200V且连续可调。
[0010] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述矩形脉冲发生器的脉冲偏置为0V～200V且连续可调。
[0011] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述矩形脉冲发生器的脉冲宽度为2ms～50s且连续可调。
[0012] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述激光器为连续激光器。
[0013] 进一步的，本发明的一种电控变焦透镜变焦时间的自动检测装置，所述分光模块包括依次连接的波片、偏振分光棱镜和反射镜，其中偏振分光棱镜将入射光束分为探测光和参考光。
[0014] 本发明还提出了一种基于上述自动检测装置进行电控变焦透镜变焦时间的检测方法，具体包括如下步骤：
[0015] 步骤A、采用激光器发出激光光束，该光束穿过空间滤波与扩束模块，进入分光模块，得到探测光和参考光；
[0016] 步骤B、采用光电探测器接收参考光；
[0017] 步骤C、采用矩形脉冲发生器输出矩形脉冲电压信号，然后经过高压放大器放大，获得0V～200V的高压信号，所述高压信号加载在变焦透镜上，驱动变焦透镜实现变焦；
[0018] 步骤D、将探测光穿过变焦透镜后被光电探测器接收；
[0019] 步骤E、采用差分放大器对探测光的光强变化和参考光的光强变化分别进行差分放大，得到实测变焦透镜变焦响应曲线；
[0020] 步骤F、数据采集和处理模块对实测变焦透镜变焦响应曲线进行处理，获取变焦透镜变焦响应曲线的上升时间和下降时间，即为变焦透镜的正变焦响应时间和逆变焦响应时间。
[0021] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0022] 1、本发明的变焦透镜变焦时间测试的时间分辨率可达纳秒量级，测试精度高；
[0023] 2、本发明的测试装置成本低，提高了变焦透镜变焦时间测试的经济性；
[0024] 3、本发明的变焦透镜变焦时间测试的数据量小，且直观，能够迅速获得变焦透镜的变焦时间，显著提高了测试效率；
[0025] 4、本发明使用矩形脉冲，能够一次性得到变焦透镜的正变焦和逆变焦的变焦时间；
[0026] 5、本发明的测试装置操作简单。
附图说明
[0027] 图1为本发明的装置结构图；
[0028] 图2为本发明的近轴光线经过凸透镜时光束变换的示意图；
[0029] 图3为本发明的近轴光线经过凹透镜时光束变换的示意图；
[0030] 图4为本发明的高压矩形脉冲驱动波形；
[0031] 图5为本发明的实测变焦透镜变焦响应曲线。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0033] 测量原理：
[0034] 变焦透镜驱动电压的改变，会引起变焦透镜焦距f的变化，进而会使经透镜后距离透镜L处中心的光强I1发生变化，当变焦透镜焦距f稳定时，光强I1也会稳定。利用该原理可以对变焦透镜的响应时间进行测量。
[0035] 如图2为近轴光线经过凸透镜时光束变换的示意图，当变焦透镜表现为凸透镜时，f为变焦透镜的焦距，D0为入射光束直径，I0为入射光束中心处光强，距离变焦透镜L处的光束直径为D1，L处的中心光强为I1。
[0036] 假设光束分布均匀，由能量守恒可得
[0037]
[0038] 即：
[0039]
[0040] 由几何光学可得：
[0041]
[0042] 即：
[0043]
[0044] 如果L相对于f足够长，则可以满足I0＞＞I1，
[0045] 则上式可以改写为：
[0046]
[0047] 其中
[0048] 由此可见，对于凸透镜变焦透镜来说，如果L相对于变焦透镜的焦距f足够长，则变焦透镜的焦距与 成正比，即通过探测I1就可以对变焦透镜的焦距变化规律进行研究。
[0049] 如图3为近轴光线经过凹透镜时光束变换的示意图，当变焦透镜表现为凹透镜时，假设变焦透镜的焦距为f，入射光束直径为D0，入射光束中心处光强为I0，距离变焦透镜L处的光束直径为D1，L处的中心光强为I1。变焦透镜对传输光线的变化特性如图3所示。
[0050] 由图3可知：
[0051]
[0052]
[0053] 由式(6)和式(7)可得：
[0054]
[0055] 如果L相对于f足够长，则可以满足I0＞＞I1，则：
[0056]
[0057] 其中
[0058] 由此可见，对于凹透镜变焦透镜来说，如果L相对于变焦透镜的焦距f足够长，则变焦透镜的焦距与 成正比，即通过探测I1就可以对变焦透镜的焦距变化规律进行研究。
[0059] 综述所述，针对不同驱动电压，无论变焦透镜表现为凹透镜或者是凸透镜，当L相对于透镜的焦距f足够大时，都满足下式：
[0060]
[0061] 其中 如果激光器的能量比较稳定，即I0稳定，就可以认为A为常数。因此，只要通过测试系统获得I1的变化规律，就可以得到f随时间的变化关系，本系统就是通过f随时间的变化关系获得变焦时间的。
[0062] 本发明根据近轴光线经过变焦透镜时的光束变换，当变焦透镜的焦距发生变化时，入射光束经变焦透镜变换后在光轴某一固定位置处光束的光强随之改变，通过光电探测器检测其光强的变化，并采用光电探测器接受其在透镜焦距切换过程中的光强变化曲线，然后通过数据采集与处理模块的处理，可以得到变焦透镜正变焦和逆变焦的变焦时间。
[0063] 实施例
[0064] 下面结合附图以测试电润湿液体透镜的响应时间为例，对本发明作进一步详细描述。
[0065] 参见图1，根据本发明制作的变焦透镜变焦时间的自动检测装置示意图，包括电控变焦透镜驱动模块、激光器、空间滤波和扩束模块、分光模块、光电探测器、差分放大器和数据采集与处理模块。
[0066] 参见图4为矩形脉冲发生器和高压放大器作用产生的高压矩形脉冲驱动电压信号。该信号具有陡峭的上升沿和下降沿，具有较宽的带宽和响应时间，避免过冲或者震荡，用于驱动电控变焦透镜，一次性实现电控电润湿变焦透镜正变焦和逆变焦的变焦时间测量。当该高压矩形脉冲驱动电压信号用于电润湿液体透镜时，在高压矩形脉冲驱动电压信号的上升沿，电润湿液体透镜两极会突然加载高压驱动，实现正变焦。在下降沿，电润湿液体透镜两极高压驱动降低，实现逆变焦。通过设置高压矩形脉冲驱动电压信号的电压偏置，可以实现电润湿变焦透镜两个焦距之间来回切换的变焦响应时间。
[0067] 参见图1，连续激光束经过空间滤波和扩束，进行偏振分光，探测光通过变焦透镜后与参考光一同被光电探测器接收，经过差分放大提供给数据采集与处理模块。。
[0068] 参见图5为数据采集和处理模块得到的实测变焦透镜变焦响应曲线。通过处理模块内置程序，自动处理获取图5响应曲线的上升时间和下降时间，即为变焦透镜的正变焦响应时间和逆变焦响应时间。
[0069] 工作过程：
[0070] (1)首先矩形脉冲发生器输出矩形脉冲电压信号，然后经过高压放大器放大，获得能够驱动电润湿透镜的0V～200V的高压信号。其上升时间和下降时间为百纳秒。本实施例中的矩形高压脉冲信号最高电压约为29V；
[0071] (2)利用矩形高压脉冲信号驱动电润湿透镜实现变焦；
[0072] (3)电润湿透镜实现变焦过程中引起了穿过的连续激光光束的发散或者会聚，该变化被光电探测器捕捉；
[0073] (4)光电探测器同时捕捉到了穿过电润湿透镜的激光光束的光强变化和参考光的光强变化，两者进行差分放大，可减少由于激光能量不稳定性带来的误差；
[0074] (5)数据采集和处理模块得到的实测变焦透镜变焦响应曲线。通过自动处理获取响应曲线的上升时间和下降时间，即为变焦透镜的正变焦响应时间和逆变焦响应时间。
[0075] 以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。
