與傳統(tǒng)的玻璃透鏡相比,液晶透鏡有著焦點(diǎn)可變、體積小、厚度薄、重量輕、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。液晶透鏡能夠在幾十毫秒的時(shí)間內(nèi)受電場(chǎng)影響從而改變焦點(diǎn)位置。由于液晶透鏡改變焦距不依賴機(jī)械移動(dòng),在監(jiān)控、光束整形與轉(zhuǎn)向、照明、自適應(yīng)光學(xué)、醫(yī)療成像等許多方面都有著巨大的應(yīng)用潛力。然而,液晶透鏡的有效孔徑受光焦度等因素制約,通常被設(shè)定在2mm左右,這極大的限制了系統(tǒng)的進(jìn)光量,成為阻礙液晶透鏡廣泛應(yīng)用的重要因素之一。本文設(shè)計(jì)了兩套光學(xué)成像系統(tǒng),其一是通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的方式,增大液晶透鏡的入瞳直徑,進(jìn)而增加通光量;其二是在不改變孔徑的情況下,仿照人眼設(shè)計(jì)了一套小凹成像系統(tǒng),保證大視場(chǎng)下局部區(qū)域清晰。具體內(nèi)容如下:分析了液晶透鏡的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,提出了一種利用光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)增加液晶透鏡通光孔徑的思路。根據(jù)擬定目標(biāo),利用ZEMAX軟件完成了入瞳放大且放大率不變的液晶透鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析完成后的光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)和公差。從初始結(jié)構(gòu)選取開始并設(shè)計(jì)了一種高像質(zhì)鏡頭,全視場(chǎng)MTF設(shè)計(jì)值≥0.30(227 lp/mm)。其中液晶透鏡孔徑2mm作為系統(tǒng)的光闌使用,系統(tǒng)入瞳直徑2.8mm,入瞳放大率為1.4倍,進(jìn)光量增加近兩倍。視場(chǎng)角±25°、波段為可見光波段480~643nm、焦距7.5mm、總長(zhǎng)18mm、相對(duì)照度90%。該系統(tǒng)在焦點(diǎn)位置改變的過(guò)程中,放大率保持不變。對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu),并委托加工生產(chǎn),在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了液晶透鏡光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,進(jìn)行了對(duì)焦測(cè)試以及放大率變化分析。系統(tǒng)的實(shí)際成像MTF50值達(dá)到了0.25,相比于后文進(jìn)行的小凹成像實(shí)驗(yàn),MTF50值提高了60%,系統(tǒng)進(jìn)光量增加兩倍。在實(shí)驗(yàn)中,物體放大率變化小于一個(gè)像素。受人眼觀察事物時(shí)具有變分辨率這一特點(diǎn)啟發(fā),利用液晶透鏡設(shè)計(jì)了一套小凹成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)局部區(qū)域的調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了保持大視場(chǎng),同時(shí)保證局部清晰。分析了系統(tǒng)原理,以及液晶透鏡的大小和孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響。測(cè)量了系統(tǒng)的成像質(zhì)量、孔徑大小對(duì)像質(zhì)的影響并提出了透鏡的合理擺放位置。最后拍攝實(shí)物,實(shí)現(xiàn)小凹成像。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH74;O439
【部分圖文】：

液晶透鏡工作原理及參數(shù)列型液晶通常是一種有光學(xué)各向異性的流體材料。多數(shù)情況下，液晶晶分子夾在兩層氧化銦錫（ITO）玻璃基板中間，如圖 2-1（a）所示。）介紹了在電場(chǎng)作用下液晶分子的排布狀態(tài)。當(dāng)外加交流電場(chǎng)作用于端時(shí)，如果液晶分子兩端電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)液晶分子會(huì)向電場(chǎng)方向 2-1（b）所示。如圖 2-1（c）所示，LC 分子在外部電場(chǎng)遠(yuǎn)超過(guò)液晶分晶分子會(huì)轉(zhuǎn)向外加電場(chǎng)方向從而和外界電場(chǎng)方向平行。當(dāng)入射光的偏線性偏振時(shí)，有效折射率（neff）可通過(guò)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間的傾斜角，ne和 no分別尋常光折射率和尋常光射率。從公式（1）可以看出，隨著傾斜角的增射率可以從 ne變?yōu)?no。通過(guò)使用液晶來(lái)模仿固體定焦透鏡的液晶折射率通過(guò)不均勻的厚度分布或者不均勻的折射率分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。

晶透鏡焦點(diǎn)距離相當(dāng)于無(wú)窮遠(yuǎn)，類似于平板玻璃。如圖 2（b）和（c）所示，透鏡工作時(shí)，經(jīng)由偏振器后的入射波前由于液晶透鏡指向矢的取向分布而彎曲而發(fā)出發(fā)散或會(huì)聚的球面波前。液晶透鏡的指向矢分布分布可以通過(guò)應(yīng)用非電場(chǎng)來(lái)控制。當(dāng)液晶透鏡引起的相位分布是拋物線時(shí)，這意味著液晶透鏡充統(tǒng)的薄固體透鏡。液晶透鏡的焦距可以表示為：24Df δ（2-2這里 D 是液晶透鏡的孔徑，λ 是波長(zhǎng)，Δδ 是邊緣和中心的相位差，可以表：2= nd δ （2-3這里 d 是液晶透鏡中液晶層的厚度，Δn 是液晶透鏡邊緣和中心的折射率差值晶分子的焦距可以由上面兩個(gè)公式概括，邊緣和中心折射率差值可為正或負(fù)鏡也可在正負(fù)狀態(tài)之間切換[24,25]。

圖 2-3 球差示意圖聚點(diǎn)并不在光軸上時(shí)，如下圖 2-4 所示，光線以一定角定高度，這一高度由光線的入射角，也就是視場(chǎng)角以過(guò)孔徑光闌不同位置的光與像面相交于不同位置，光像面交點(diǎn)位置就離光軸越遠(yuǎn)。彗差和孔徑的二次方成系。當(dāng)彗差存在時(shí)，較多的能量仍然集中在主光線附點(diǎn)陣圖有彗星的形狀，因此得名彗差。圖 2-5 介紹了彗光線入射在鏡片上的入射角不同，因此折射角也不盡。具體來(lái)說(shuō)，垂直于表面入射的光線不發(fā)生偏折，隨射光線和表面的夾角越大，偏折程度越大，因而未匯軸的光線對(duì)稱性較好時(shí)，對(duì)彗差的抑制比較明顯，移軸光線的對(duì)稱性，對(duì)校正彗差有較為明顯的作用。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2866049