實驗名稱：液晶透鏡特性測試

測試目的：作為成像系統(tǒng)中的調焦元件，液晶透鏡的光學性能在系統(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際應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)下的光學性能進行測試，從而得到合適的電壓狀態(tài)，是進行使用液晶透鏡進行成像實驗前的準備工作之一。

測試設備：高壓放大器、函數發(fā)生器、探測器、液晶透鏡、電腦等。

實驗過程：

圖1：實驗干涉光路圖

實驗包括數據采集和數據分析兩部分，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值。

首先使用馬赫-曾德爾干涉光路獲取液晶透鏡的波前數據，其光路結構如圖1所示，532nm的激光經過擴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。該光束經過分光棱鏡后分為兩路，兩路各自放置有角度可調的反射鏡，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，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在CMOS探測器上。

液晶透鏡的驅動系統(tǒng)由函數發(fā)生器和高壓放大器組成，將函數發(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現自動采集；最終得到一系列不同驅動電壓下的液晶透鏡波前狀態(tài)數據圖。

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行分析，經過濾波、去包絡和Zernike多項式擬合等算法處理后得到每幅圖像對應的液晶透鏡的波前擬合情況，通過Zernike多項式各項系數計算出對應液晶透鏡光焦度和均方根像差。對實驗采集的一系列不同電壓下的液晶透鏡波前干涉條紋進行分析，得到不同驅動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系圖。

實驗結果：

圖2：光焦度隨液晶透鏡電壓變化關系圖

圖3：均方根像差隨液晶透鏡電壓變化關系圖

實驗結果如下圖所示，圖2為液晶透鏡光焦度隨控制電壓變化趨勢的偽彩色圖，由于實驗所用液晶透鏡由兩路電壓控制，因此橫坐標表示液晶透鏡區(qū)域外的圓孔電極的電壓V1，縱坐標表示液晶透鏡區(qū)域內的圓形電極的電壓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動電壓100V的范圍內的光焦度變化區(qū)間為-6.5到+7Diopter。圖3為不同驅動電壓狀態(tài)下的均方根像差，與左圖類似，橫縱坐標表示兩路驅動電壓的有效值，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，實驗時根據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行測量和擬合，得到液晶透鏡不同驅動條件下的光焦度及均方根像差；實驗得到該液晶透鏡器件在100V以內的光焦度變化范圍為-6.5到+7Diopter，當均方根像差小于0.1個波長時，液晶透鏡工作范圍為-6.4到+4.1Diopter。

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審核編輯 黃宇