液晶透镜成像光学系统的设计与研究

发布时间：2020-11-01 20:25

　　 与传统的玻璃透镜相比,液晶透镜有着焦点可变、体积小、厚度薄、重量轻、工作寿命长等优点。液晶透镜能够在几十毫秒的时间内受电场影响从而改变焦点位置。由于液晶透镜改变焦距不依赖机械移动,在监控、光束整形与转向、照明、自适应光学、医疗成像等许多方面都有着巨大的应用潜力。然而,液晶透镜的有效孔径受光焦度等因素制约,通常被设定在2mm左右,这极大的限制了系统的进光量,成为阻碍液晶透镜广泛应用的重要因素之一。本文设计了两套光学成像系统,其一是通过光学设计的方式,增大液晶透镜的入瞳直径,进而增加通光量;其二是在不改变孔径的情况下,仿照人眼设计了一套小凹成像系统,保证大视场下局部区域清晰。具体内容如下:分析了液晶透镜的国内外现状,提出了一种利用光学设计来增加液晶透镜通光孔径的思路。根据拟定目标,利用ZEMAX软件完成了入瞳放大且放大率不变的液晶透镜光学系统的设计、分析完成后的光学系统的像质和公差。从初始结构选取开始并设计了一种高像质镜头,全视场MTF设计值≥0.30(227 lp/mm)。其中液晶透镜孔径2mm作为系统的光阑使用,系统入瞳直径2.8mm,入瞳放大率为1.4倍,进光量增加近两倍。视场角±25°、波段为可见光波段480~643nm、焦距7.5mm、总长18mm、相对照度90%。该系统在焦点位置改变的过程中,放大率保持不变。对设计方案进行建模和设计实际机械结构,并委托加工生产,在实验室测试了液晶透镜光学系统的成像质量,进行了对焦测试以及放大率变化分析。系统的实际成像MTF50值达到了0.25,相比于后文进行的小凹成像实验,MTF50值提高了60%,系统进光量增加两倍。在实验中,物体放大率变化小于一个像素。受人眼观察事物时具有变分辨率这一特点启发,利用液晶透镜设计了一套小凹成像系统。该系统通过对局部区域的调制,实现了保持大视场,同时保证局部清晰。分析了系统原理,以及液晶透镜的大小和孔径对成像质量的影响。测量了系统的成像质量、孔径大小对像质的影响并提出了透镜的合理摆放位置。最后拍摄实物,实现小凹成像。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74;O439
【部分图文】：

液晶透镜工作原理及参数列型液晶通常是一种有光学各向异性的流体材料。多数情况下，液晶晶分子夹在两层氧化铟锡（ITO）玻璃基板中间，如图 2-1（a）所示。）介绍了在电场作用下液晶分子的排布状态。当外加交流电场作用于端时，如果液晶分子两端电压超过阈值电压时液晶分子会向电场方向 2-1（b）所示。如图 2-1（c）所示，LC 分子在外部电场远超过液晶分晶分子会转向外加电场方向从而和外界电场方向平行。当入射光的偏线性偏振时，有效折射率（neff）可通过下面公式表示[31]：2 2 2 21cos sineff o eo en n nn n （其中 θ 是液晶指向矢和入射光的偏振方向之间的倾斜角，ne和 no分别寻常光折射率和寻常光射率。从公式（1）可以看出，随着倾斜角的增射率可以从 ne变为 no。通过使用液晶来模仿固体定焦透镜的液晶折射率通过不均匀的厚度分布或者不均匀的折射率分布来实现。

晶透镜焦点距离相当于无穷远，类似于平板玻璃。如图 2（b）和（c）所示，透镜工作时，经由偏振器后的入射波前由于液晶透镜指向矢的取向分布而弯曲而发出发散或会聚的球面波前。液晶透镜的指向矢分布分布可以通过应用非电场来控制。当液晶透镜引起的相位分布是抛物线时，这意味着液晶透镜充统的薄固体透镜。液晶透镜的焦距可以表示为：24Df δ（2-2这里 D 是液晶透镜的孔径，λ 是波长，Δδ 是边缘和中心的相位差，可以表：2= nd δ （2-3这里 d 是液晶透镜中液晶层的厚度，Δn 是液晶透镜边缘和中心的折射率差值晶分子的焦距可以由上面两个公式概括，边缘和中心折射率差值可为正或负镜也可在正负状态之间切换[24,25]。

图 2-3 球差示意图聚点并不在光轴上时，如下图 2-4 所示，光线以一定角定高度，这一高度由光线的入射角，也就是视场角以过孔径光阑不同位置的光与像面相交于不同位置，光像面交点位置就离光轴越远。彗差和孔径的二次方成系。当彗差存在时，较多的能量仍然集中在主光线附点阵图有彗星的形状，因此得名彗差。图 2-5 介绍了彗光线入射在镜片上的入射角不同，因此折射角也不尽。具体来说，垂直于表面入射的光线不发生偏折，随射光线和表面的夹角越大，偏折程度越大，因而未汇轴的光线对称性较好时，对彗差的抑制比较明显，移轴光线的对称性，对校正彗差有较为明显的作用。
【参考文献】

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1 邓枰湖;林峰;;光学设计中降低公差灵敏度的方法[J];激光与光电子学进展;2015年11期

2 陈明璿;陈柏儒;林怡欣;;基于液晶透镜的电控式光学影像缩放系统[J];液晶与显示;2015年03期

3 丛海芳;;4P超薄800万像素镜头设计[J];红外与激光工程;2014年12期

4 张宝龙;李丹;张少敬;李洪蕊;杨继超;王靖云;;非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究[J];光学学报;2014年12期

5 尹志东;向阳;高健;孔达;;1300万像素手机镜头设计[J];激光与光电子学进展;2014年01期

6 刘晓林;谢佳;张永栋;李曙新;;基于电控液晶透镜的自由立体显示技术研究与实现[J];液晶与显示;2013年04期

7 蒋路帆;郭娟;;裸眼3D液晶透镜技术专利分析[J];电视技术;2012年S2期

8 钟兴;张元;金光;;大视场光学系统像面照度均匀性优化[J];光学学报;2012年03期

9 李晖;张新宇;张天序;沈绪榜;;一种新型液晶透镜的光学成像特性研究[J];红外与毫米波学报;2009年06期

10 周慧源;;液体透镜的现状及发展前景[J];光机电信息;2008年05期

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1 高磊;基于蒙特卡洛法的公差分析及优化设计方法研究[D];哈尔滨理工大学;2015年

2 王启明;液晶空间光调制器相位调制特性研究及其应用[D];浙江大学;2008年

本文编号：2866049