實(shí)驗(yàn)名稱：液晶透鏡特性測試

測試目的：作為成像系統(tǒng)中的調(diào)焦元件，液晶透鏡的光學(xué)性能在系統(tǒng)中顯得非常重要；由于液晶透鏡的折射率分布隨控制電極的電場分布變化而發(fā)生改變，其成像質(zhì)量也會隨之變化所以選定合適的控制電壓對于液晶透鏡實(shí)際應(yīng)用于各種場景是重要的一步；選擇合適的測試手段對液晶透鏡不同狀態(tài)下的光學(xué)性能進(jìn)行測試，從而得到合適的電壓狀態(tài)，是進(jìn)行使用液晶透鏡進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作之一。

測試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、探測器、液晶透鏡、電腦等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：實(shí)驗(yàn)干涉光路圖

實(shí)驗(yàn)包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩部分，首先通過干涉光路取得含有波前信息的圖像，再通過軟件分析得到波前擬合的數(shù)值。

首先使用馬赫-曾德爾干涉光路獲取液晶透鏡的波前數(shù)據(jù)，其光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，532nm的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡和偏振片后成為與液晶透鏡中非尋常光方向一致的線偏振光，其光斑大小能夠覆蓋液晶透鏡區(qū)域。該光束經(jīng)過分光棱鏡后分為兩路，兩路各自放置有角度可調(diào)的反射鏡，其中一光路上放置上液晶透鏡，兩束光通過反光鏡重新匯聚于一點(diǎn)，此處的分光棱鏡將兩路光重新匯聚于一路并發(fā)生干涉，通過成像鏡頭將液晶透鏡的清晰像呈現(xiàn)在CMOS探測器上。

液晶透鏡的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器組成，將函數(shù)發(fā)生器輸出的信號通過高壓放大器放大10倍后輸出，用于液晶透鏡電壓控制，函數(shù)發(fā)生器的信號由電腦編程控制以一定步長變換配合探測器拍照實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集；最終得到一系列不同驅(qū)動(dòng)電壓下的液晶透鏡波前狀態(tài)數(shù)據(jù)圖。

將通過馬赫-曾德爾干涉光路獲取的液晶透鏡干涉條紋使用程序進(jìn)行分析，經(jīng)過濾波、去包絡(luò)和Zernike多項(xiàng)式擬合等算法處理后得到每幅圖像對應(yīng)的液晶透鏡的波前擬合情況，通過Zernike多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)計(jì)算出對應(yīng)液晶透鏡光焦度和均方根像差。對實(shí)驗(yàn)采集的一系列不同電壓下的液晶透鏡波前干涉條紋進(jìn)行分析，得到不同驅(qū)動(dòng)情況下的液晶透鏡光焦度和均方根像差，并繪制電壓與光焦度及像差關(guān)系圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：光焦度隨液晶透鏡電壓變化關(guān)系圖

圖3：均方根像差隨液晶透鏡電壓變化關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，圖2為液晶透鏡光焦度隨控制電壓變化趨勢的偽彩色圖，由于實(shí)驗(yàn)所用液晶透鏡由兩路電壓控制，因此橫坐標(biāo)表示液晶透鏡區(qū)域外的圓孔電極的電壓V1，縱坐標(biāo)表示液晶透鏡區(qū)域內(nèi)的圓形電極的電壓V2，液晶透鏡的光焦度大小由灰度深淺表示。由圖中可得液晶透鏡在驅(qū)動(dòng)電壓100V的范圍內(nèi)的光焦度變化區(qū)間為-6.5到+7Diopter。圖3為不同驅(qū)動(dòng)電壓狀態(tài)下的均方根像差，與左圖類似，橫縱坐標(biāo)表示兩路驅(qū)動(dòng)電壓的有效值，彩色表示液晶透鏡該電壓分布狀態(tài)下的均方根像差大小，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)像差大小選定合適的液晶透鏡工作區(qū)間。

通過對液晶透鏡的波前分布進(jìn)行測量和擬合，得到液晶透鏡不同驅(qū)動(dòng)條件下的光焦度及均方根像差；實(shí)驗(yàn)得到該液晶透鏡器件在100V以內(nèi)的光焦度變化范圍為-6.5到+7Diopter，當(dāng)均方根像差小于0.1個(gè)波長時(shí)，液晶透鏡工作范圍為-6.4到+4.1Diopter。

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審核編輯 黃宇