液晶透镜的消色差研究.pdfVIP

摘要

液晶透镜是一种体积小、重量轻、结构简单的电控变焦器件，是实现微型无机

械移动的光学变焦成像系统的极佳选择。液晶材料具有较强的色散，导致液晶透镜

在成像中会引入较大的色差。色差普遍存在于光学系统中，会影响成像质量，使图

像边缘模糊，造成图像的色彩失真。液晶透镜具有焦距随外加电压改变的特性，能

够将不同波长的光分别聚焦于同一空间位置处实现消色差，基于此原理，本文提出

一种灵活的液晶透镜时分消色差方法。实验表明，所提消色差方法提高了液晶透镜

的成像质量。本文利用液晶透镜的响应特性，结合对焦评价方法和图像处理技术，

主要完成了以下工作：

首先，对液晶材料和透镜结构进行选择，并测量了液晶透镜在不同波长下的响

应特性。结果表明在驱动电压相同时，液晶透镜对于不同波长的光具有不同的光焦

度，且随着外加电场增强，不同入射光之间光焦度的差异增大。光焦度间的差异在

成像中的表现即是色差，因此本文提出液晶透镜参与成像时需要使用多种波长测

量响应特性。

其次，提出了液晶透镜的时分消色差方法。消色差的原理是通过改变驱动电压

使不同色光聚焦于同一位置，操作方法是使用梯度函数评价图像是否正确对焦，利

用图像处理技术对彩色图像进行通道分离，并将单通道图像作为单色光所成的像，

最后将具有相同光焦度的不同波长的像合成就能得到消色差的像。

最后，本文开展了四组实验，探究了环境光源和彩色滤波阵列对消色差效果的

影响。实验结果表明本文提出的消色差方法能够有效地提升图像的对比度、校正色

差，并且光源的光谱越窄，消色差的效果越好。

此外，本文还设计了一种液晶透镜的快速自动对焦方法，以实现在液晶透镜正

常变焦的过程中完成对焦计算和自动对焦。实验结果表明，该自动对焦方法的对焦

误差小于3%，对焦速度在30s以内并且有很大的提升空间。本文还设计了使用该

方法的自动对焦软件，实现了工业相机的控制、图像处理、数据分析、自动对焦计

算和液晶透镜变焦驱动等功能，具有较高的应用价值。

关键词：液晶透镜，消色差，变焦成像，自动对焦

ABSTRACT

Liquidcrystallensisanopticaldevicewithsmallsizeandlowcost,featuring

electricallytunablefocallength.Therefore,itisanexcellentchoiceforrealizing

miniaturenon-mechanicalopticalzoomimagingsystems.Similartotraditionalglass

lenses,duetothestrongdispersionofliquidcrystalmaterials,significantchromatic

aberrationisintroducedwhenliquidcrystallensisinvolvedinimaging.Chromatic

aberrationisacommonissueinopticalsystemsthatcandegradeimagequality,causing

bluratimageedgesandcolordistortion.Becauseofthepropertyofchangingfocallength

underappliedvoltages,itispossibletoreducethechromaticaberrationofliquidcrystal

lensbyfocusinglightsofdifferentwavelengthsontothesamepointseparately.Thisthesis

proposesaflexibletime-divisionchromaticaberrationcorrectionmethodforliquid

crystallens,whichcanenhancetheimagingqualityw