CN102354068A - 一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，根据液晶空间光调制器的位相调制原理，以控制液晶空间光调制器生成相息图来调制入射光波，使其衍射成为会聚球面波，改变相息图中菲涅尔波带片的半径和环带数，实现以液晶空间光调制器建立的程控变焦成像系统的可变聚焦。本发明的方法，用于改善变焦成像系统的自动变焦精度和变焦响应速度，使透镜的焦距可变且易于控制。

Description

一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法。
背景技术
变焦成像系统（或简称为变焦镜头）是一种重要的光学元器件，广泛应用于数码相机、显微镜、望远镜等精密光学和光电子仪器设备中。传统的变焦镜头通常由几组焦距固定的透镜单元组合而成；其变焦过程是通过改变各透镜单元的相对位置来实现的。由于这类变焦镜头都涉及机械定位装置和运动部件，因此自动变焦精度和变焦响应速度就受到机械定位装置的控制精度和响应速度的限制。
发明内容
    本发明的目的在于提供一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，用于改善变焦成像系统的自动变焦精度和变焦响应速度。
                  Ben bene本本发明本本本本本发明本本本本发明本发明的本发明的   菊e的本发明的一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，根据液晶空间光调制器的位相调制原理，以控制液晶空间光调制器生成相息图来调制入射光波，使其衍射成为会聚球面波，改变相息图中菲涅尔波带片的半径和环带数，实现以液晶空间光调制器建立的程控变焦成像系统的可变聚焦。
优选的，基于液晶空间光调制器实现可变聚焦，具体操作为：单束激光源发出激光光源，穿过凸透镜组成的扩束镜，照射在液晶屏上，液晶屏显示计算机的MATLAB程序编程生成菲涅尔波带片的模拟图像，结果显示在光屏上。
液晶屏上的菲涅尔波带片的模拟图像的生成，利用计算机绘制的相位调制模式下的灰度图像的灰度数据控制产生所需的调制电压信号，再以扫描的方式加在液晶的各个像素上来控制单个液晶像素，并根据液晶的相位调制特性，各像素对照射其上的光波的进行相位调制，获得近似菲涅耳波带透镜的效果。
所述菲涅尔波带片与电寻址空间光调制器连接。
    所述液晶屏的分辨率为1024*768。
 有益效果：本发明的方法，用于改善变焦成像系统的自动变焦精度和变焦响应速度，使透镜的焦距可变且易于控制。
附图说明
图1为本发明实施例中通过设置参数灰度值分别对应0和160的菲涅尔波带片在LCD上得到相位图。
 图2为本发明实施例的LC-SLM实现变焦透镜的实验原理图。
图3为本发明实施例的LC-SLM实现变焦透镜的实验图像。
图4为本发明实施例的LC-SLM实现变焦透镜的实验值与理论值相比较图表。
 
具体实施方式
本发明提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator-LC-SLM)实现可变焦透镜的方法：根据液晶空间光调制器的位相调制原理，以控制LC-SLM生成相息图来调制入射光波，使其衍射成为会聚球面波，改变相息图中菲涅尔波带片的半径和环带数，实现可变焦位相菲涅耳透镜的功能。
    实验结果表明：通过改变计算衍射距离，提出的方法可得到焦距不同的透镜，且易于控制。液晶空间光调制器是实时光学信息处理中的重要器件。
根据LC-SLM的调制特性原理可知，液晶空间光调制器一般是振幅与相位的耦合调制。如果选择适当的结构参数，可使其处于位相调制模式，即位相调制单调变化，而振幅的变化很小。
根据菲涅尔波带片原理可知，对于圆形菲涅尔波带片，我们通过设置参数，其中灰度0和160所对应的相位正好相差                                                ，通过计算机上程序得运行，我们可在LCD上得到如图所示1的相位图。
实施例1：
    1、基于LC-SLM实现变焦透镜的实验原理：
为实现基于液晶材料的动态聚焦，结合计算机图形技术，采用目前较为流行的利用计算机绘制的灰度图像的灰度数据来控制电极电压，进而控制单个液晶像素的方法。用计算机软件的方法将液晶空间光调制器的相位调制模式以灰度的形式绘制出菲涅耳波带透镜的环带结构，获得近似菲涅耳波带透镜的效果。即用图像的灰度信息控制产生所需的调制电压信号，再以扫描的方式加在液晶的各个像素上，根据液晶的相位调制特性，各像素对照射其上的光波的进行相位调制。
结合图2所示，装置从左到右依次为单束激光源，凸透镜组成的扩束镜，液晶屏和光屏。通过计算机的MATLAB程序编程生成菲涅尔波带片的模拟图像，显示在液晶屏上。
而由于光源是点光源，不可能均匀地照射到液晶屏，因而需要加入一个扩束镜。图2所示的实验装置中采用即是扩束镜。扩束后，光充满整个液晶屏，可近似于平行光入射。
在水平一维导轨上，从左到右依次放置单束激光源，扩束镜，液晶屏（分辨率1024*768）和光屏。
菲涅尔波带片连接电寻址空间光调制器。通过电寻址空间光调制器，我们可以利用MATLAB将图像输入并同步显示到液晶屏上。
装置安装完毕后，启动装置，输入图像，能够看到光屏上的图像。这个图像和计算机MATLAB中的图像是一致的。
实验图像如图3，照片经过处理之后，可以明显看到照片的中间产生了一个亮点，这就是该区域光强最大的点，即是焦点。可以看出，该系统的聚焦现象还是比较明显的。
本次实验中，计算机图像方面，环的数量设置为20；计算机屏幕分辨率1024*768，而LCD（液晶屏）的分辨率也为1024*768。由于液晶屏比较小，测量液晶屏中的环的直径有一定困难，我们可以通过间接计算法实现测量。实验中采用的台式计算机屏幕大小为17英寸，液晶菲涅尔波带片尺寸为1.3英寸。
设a为计算机屏幕上的环的直径，b为液晶屏上的圆环的直径，因为液晶屏（LCD）与电脑屏幕的分辨率是一样的，据比例关系，有：
Figure 572792DEST_PATH_IMAGE004
根据以上公式，我们只需测出计算机显示器上的圆环的直径，利用比例关系就可以算出显示在液晶屏上的菲涅尔波带片的圆环直径，再根据
Figure 788747DEST_PATH_IMAGE006
(θ为入射光的波长)
可以计算出其中一个直径d对应的焦距f的理论值。
实际试验时，利用光功率计，通过找光强最大点的方法，得出其中一个直径d对应的焦距f的实验值。实验完成后可以做详细的对比。
    2、实验数据及分析
实验数据如下表1：
Matlab程序中d值 液晶屏中央环半径d 实测D（电脑）mm f理论值（cm） f实际值(cm)
25 1.38 18 74.95 66.35
30 1.15 15 52.40 44.10
35 0.99 13 39.09 33.60
40 0.84 11 27.99 24.50
50 0.69 9 18.74 14.80
60 0.54 7 11.33 10.20
据上表的数据，生成如图4的LC-SLM实现变焦透镜的实验值与理论值相比较图表。
在图4中，下面一条曲线是实际测量值，上面一条曲线是理论计算值，两条曲线相比可以看出：二者比较接近且变化趋势相同，相同条件下实际值都要比理论值小一些，这主要是由于在确定焦点的过程中方法缺陷所致。
    经过理论结合实验的过程，分析数据，可以看出，基于LC-SLM实现可变焦透镜是可行的。由于实验条件限制，允许的范围内实验值与理论值有些许误差。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，其特征在于，根据液晶空间光调制器的位相调制原理，以控制液晶空间光调制器生成相息图来调制入射光波，使其衍射成为会聚球面波，改变相息图中菲涅尔波带片的半径和环带数，实现以液晶空间光调制器建立的程控变焦成像系统的可变聚焦。
2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，其特征在于，基于液晶空间光调制器实现可变聚焦，具体操作方法为：单束激光源发出激光光源，穿过凸透镜组成的扩束镜，照射在液晶屏上，液晶屏显示计算机的MATLAB程序编程生成菲涅尔波带片的模拟图像。
3.根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，其特征在于，液晶屏上的菲涅尔波带片的模拟图像的生成，利用计算机绘制的相位调制模式下的灰度图像的灰度数据控制产生所需的调制电压信号，再以扫描的方式加在液晶的各个像素上来控制单个液晶像素，并根据液晶的相位调制特性，各像素对照射其上的光波的进行相位调制，获得近似菲涅耳波带透镜的效果。
4.根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，其特征在于，所述菲涅尔波带片与电寻址空间光调制器连接。
5.    根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法，其特征在于，所述液晶屏的分辨率为1024*768。
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