CN103149698A - 一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统及其变焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统及其变焦方法，包括偏振分光镜、硅基液晶变焦装置和图像传感器；硅基液晶变焦装置和图像传感器分别设置在偏振分光镜两侧；硅基液晶变焦装置包括硅基液晶元件、控制器和驱动板，控制器通过传输线和驱动板相连，驱动板通过引线和硅基液晶元件相连；采用硅基液晶这种空间光调制器替代变焦透镜，利用硅基液晶的相位调制特性实现变焦，控制器通过DVI传输线控制硅基液晶元件，具有结构简单、体积较小、重量较轻、对焦速度较快、维护成本较低且适用范围较广等优点。

Description

一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统及其变焦方法
技术领域
本发明涉及光学变焦系统及其变焦方法，尤其涉及一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统及其变焦方法。
背景技术
光学变焦是通过镜头、物体和焦点三方的位置发生变化而产生的。当成像面在水平方向运动的时候，视角和焦距就会发生变化，可以使远处的物体变得清晰。因此，要改变视角必须改变镜头的焦距，就必须通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距。传统的机械式变焦系统是通过几组焦距固定的透镜单元组成，是通过改变各透镜单元的相对位置来实现变焦，而且移动透镜单元间的距离要非常精确，这就导致机械式变焦系统结构复杂、体积庞大、重量较大、对焦速度缓慢、容易损坏、后期维护成本高以及适用范围狭窄等问题。机械式变焦系统正是由于受到速度、尺寸、重量、功率、维护等方面的限制，使采用空间光调制器进行非机械变焦得到了广泛关注。通过将一个或多个空间光调制器加入光设计中，如我们人眼的晶状体一样，通过控制空间光调制器的形状变化来改变焦距，起到替代变焦透镜的功能，无需精确调节透镜组间距，对焦速度快，且简化了变焦系统的结构，缩小了系统体积、减轻了系统重量，维护成本较低且适用范围较广。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统及其变焦方法，采用空间光调制器中的硅基液晶替代变焦透镜，利用硅基液晶的相位调制特性实现变焦，具有体积小、重量轻、对焦速度快、结构简单、维护成本低且适用范围较广等优点。
本发明所采用的技术方案：
一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜、硅基液晶变焦装置和图像传感器；所述的硅基液晶变焦装置和图像传感器分别设置在偏振分光镜两侧；所述的硅基液晶变焦装置包括硅基液晶元件、控制器和驱动板，控制器通过传输线和驱动板相连，驱动板通过引线和硅基液晶元件相连。
硅基液晶变焦装置分为第一硅基液晶变焦装置和第二硅基液晶变焦装置。
第二硅基液晶变焦装置和图像传感器之间设有分光镜，第二硅基液晶变焦装置、分光镜、图像传感器设置在偏振分光镜一侧，第一硅基液晶变焦装置设置在另一侧。
分光镜和第二硅基液晶变焦装置之间设有透镜。
图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器，控制器与驱动板间的传输线为DVI传输线。
硅基液晶变焦装置和偏振分光镜之间设有透镜。
偏振分光镜前设有透镜。
基于硅基液晶的主动光学变焦系统的变焦方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）搭建基于硅基液晶的主动光学变焦系统；
（2）入射光由偏振分光镜分成两束垂直的线偏光，其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件上；
（3）设定不同的硅基液晶的焦距fLCOS值，由
Figure BDA00002898394900021
计算得到相位
Figure BDA00002898394900022
获得对应不同焦距的相位图，其中λ是入射光的波长，x和y为笛卡尔坐标；
（4）通过控制器将不同的硅基液晶的焦距fLCOS值对应的相位图通过驱动板通过引线控制硅基液晶元件进行变焦，对S偏振光进行调制；
（5）调制后的S偏振光经偏振分光镜透射到图像传感器上，对获得的图像进行采集。
步骤（3）中的笛卡尔坐标x、y均从透镜中心开始测量。
步骤（3）中相位
Figure BDA00002898394900023
计算时取模2π操作。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，采用硅基液晶这种空间光调制器替代变焦透镜，利用硅基液晶的相位调制特性实现变焦，控制器通过DVI传输线控制硅基液晶元件，利用硅基液晶的相位调制特性实现变焦，起到替代变焦透镜的功能，无需精确调节透镜组间距，对焦速度快，且简化了变焦系统的结构，缩小了系统体积、减轻了系统重量，维护成本较低且适用范围较广。
附图说明
图1为本发明的第一种结构示意图；
图2为本发明的第二种结构示意图；
图3为本发明的第三种结构示意图；
图4为本发明的第四种结构示意图；
图5为本发明的第五种结构示意图；
图6为本发明的第六种结构示意图；
图7为本发明的第一种结构的35cm焦距数字透镜相位图；
图8为本发明的第一种结构的测试结果图。
具体实施方式
本发明根据硅基液晶的相位调制原理，由计算机产生不同焦距的数字透镜的相位图，将相位图加载到硅基液晶上，由硅基液晶来调制入射光，实现数字变焦透镜功能。透镜具有相位变换的作用，其相位分布为
Figure BDA00002898394900031
其中，f为透镜的焦距，λ是入射光的波长，x和y是笛卡尔坐标。
通过在硅基液晶上加载不同焦距的相位图使得变焦模块的焦距发生改变，从而实现变焦功能。为了得到焦距为fLCOS的透镜，在硅基液晶上显示的相位图可以由下式计算得到
Figure BDA00002898394900032
其中，x和y是笛卡尔坐标，从透镜中心开始测量。mod2π表示取模2π操作。取模操作是为了使透镜在理论上的衍射效率能够达到100%，硅基液晶上每个像素的相位都能在0-2π范围内变化。无须移动任何部件，就可实现变焦。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜102、透镜103、第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100，第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100分别设置在偏振分光镜102两侧，透镜103设置在第一硅基液晶变焦装置5和偏振分光镜102之间。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。图像传感器100为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光101由偏振分光镜102分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，经透镜103照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经透镜103、偏振分光镜102透射到图像传感器100上。
对上述光学变焦系统进行测试，采用激光器做发射光源，经空间滤波器扩束滤波后，照射在光学分辨率板上，通过上述光学变焦系统对入射光进行调制，获得结果显示在成像屏上。图7为加载在光学变焦系统上焦距为35cm的相位图，图8（a）为加载在光学变焦系统上焦距为35cm的相位图的变焦结果，图8（b）为加载在光学变焦系统上焦距为45cm的相位图的变焦结果。
实施例二
如图2所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜102、透镜103、第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100，透镜103设置在偏振分光镜102前，第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100分别设置在偏振分光镜102两侧。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。图像传感器100为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光101经透镜103，由偏振分光镜102分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经偏振分光镜102透射到图像传感器100上。
实施例三
如图3所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜102、第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100，第一硅基液晶变焦装置5和图像传感器100分别设置在偏振分光镜102两侧。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。图像传感器100为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光101由偏振分光镜102分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经偏振分光镜102透射到图像传感器100上。
实施例四
如图4所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜202、分光镜203、透镜204、透镜205、第一硅基液晶变焦装置5、第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200；第一硅基液晶变焦装置5和分光镜203分别设置在偏振分光镜202两侧，透镜204设置在第一硅基液晶变焦装置5和偏振分光镜202之间；第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200分别设置在分光镜203两侧，透镜205设置在第二硅基液晶变焦装置6和分光镜203之间。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。第二硅基液晶变焦装置6包括硅基液晶元件601、驱动板602和控制器603，控制器603通过DVI传输线605和驱动板602相连，驱动板602通过引线606和硅基液晶元件601相连。图像传感器200为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光201由偏振分光镜202分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，经透镜204照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经透镜204、偏振分光镜202、分光镜203、透镜205透射到硅基液晶元件601上，控制器603通过DVI传输线605与驱动板602相连，控制硅基液晶元件601进行变焦，调制后的S偏振光经透镜205、分光镜203透射到图像传感器200上。
实施例五
如图5所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜203、分光镜204、透镜202、第一硅基液晶变焦装置5、第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200；第一硅基液晶变焦装置5和分光镜204分别设置在偏振分光镜203两侧，透镜202设置在偏振分光镜203前；第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200分别设置在分光镜204两侧。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。第二硅基液晶变焦装置6包括硅基液晶元件601、驱动板602和控制器603，控制器603通过DVI传输线605和驱动板602相连，驱动板602通过引线606和硅基液晶元件601相连。图像传感器200为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光201经透镜202，由偏振分光镜203分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经偏振分光镜203、分光镜204透射到硅基液晶元件601上，控制器603通过DVI传输线605与驱动板602相连，控制硅基液晶元件601进行变焦，调制后的S偏振光经分光镜204透射到图像传感器200上。
实施例六
如图6所示，一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，包括偏振分光镜203、分光镜204、第一硅基液晶变焦装置5、第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200；第一硅基液晶变焦装置5和分光镜204分别设置在偏振分光镜203两侧；第二硅基液晶变焦装置6和图像传感器200分别设置在分光镜204两侧。第一硅基液晶变焦装置5包括硅基液晶元件501、驱动板502和控制器503，控制器503通过DVI传输线505和驱动板502相连，驱动板502通过引线506和硅基液晶元件501相连。第二硅基液晶变焦装置6包括硅基液晶元件601、驱动板602和控制器603，控制器603通过DVI传输线605和驱动板602相连，驱动板602通过引线606和硅基液晶元件601相连。图像传感器200为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
入射光201由偏振分光镜203分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件501上，控制器503通过DVI传输线505与驱动板502相连，控制硅基液晶元件501进行变焦，调制后的S偏振光经偏振分光镜203、分光镜204透射到硅基液晶元件601上，控制器603通过DVI传输线605与驱动板602相连，控制硅基液晶元件601进行变焦，调制后的S偏振光经分光镜204透射到图像传感器200上。

Claims (9)

1.一种基于硅基液晶的主动光学变焦系统，其特征在于：包括偏振分光镜、硅基液晶变焦装置和图像传感器；所述的硅基液晶变焦装置和图像传感器分别设置在偏振分光镜两侧；所述的硅基液晶变焦装置包括硅基液晶元件、控制器和驱动板，控制器通过传输线和驱动板相连，驱动板通过引线和硅基液晶元件相连。
2.根据权利要求1所述的主动光学变焦系统，其特征在于：所述的硅基液晶变焦装置分为第一硅基液晶变焦装置和第二硅基液晶变焦装置，其中所述的第二硅基液晶变焦装置和图像传感器之间设有分光镜，第二硅基液晶变焦装置、分光镜、图像传感器设置在偏振分光镜一侧，第一硅基液晶变焦装置设置在另一侧。
3.根据权利要求2所述的主动光学变焦系统，其特征在于：所述的分光镜和第二硅基液晶变焦装置之间设有透镜。
4.根据权利要求1所述的主动光学变焦系统，其特征在于：所述的图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器，控制器与驱动板间的传输线为DVI传输线。
5.根据权利要求1所述的主动光学变焦系统，其特征在于：所述的硅基液晶变焦装置和偏振分光镜之间设有透镜。
6.根据权利要求1所述的主动光学变焦系统，其特征在于：所述的偏振分光镜前设有透镜。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的基于硅基液晶的主动光学变焦系统的变焦方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）搭建基于硅基液晶的主动光学变焦系统；
（2）入射光由偏振分光镜分成两束垂直的线偏光，其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，照射在硅基液晶元件上；
（3）设定不同的硅基液晶的焦距fLCOS值，由
Figure FDA00002898394800011
计算得到相位
Figure FDA00002898394800012
获得对应不同焦距的相位图，其中λ是入射光的波长，x和y为笛卡尔坐标；
（4）通过控制器将不同的硅基液晶的焦距fLCOS值对应的相位图通过驱动板通过引线控制硅基液晶元件进行变焦，对S偏振光进行调制；
（5）调制后的S偏振光经偏振分光镜透射到图像传感器上，对获得的图像进行采集。
8.根据权利7所述的变焦方法，其特征在于：所述的步骤（3）中的笛卡尔坐标x、y均从透镜中心开始测量。
9.根据权利7所述的变焦方法，其特征在于：所述的步骤（3）中相位φ(x,y)计算时取模2π操作。
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