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1、液态变焦透镜的仿真与实验研究SimulationandExperimentStudyofLiquidAdaptiveLens学科专业：光学工程研究生：吕文明指导教师：张红霞教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要液态变焦透镜是一种可调谐光学器件，由于其无需机械移动，响应时间短、结构紧凑，低功耗等特点在机器视觉、医学、显示、军工等领域有着广泛的应用前景。本论文对液态变焦透镜进行了理论与实验研究，利用TechWizLCD3D软件对液晶透镜进行仿真，制备了液晶透镜、介电泳力透镜和电润湿透镜，并
2、搭建显微测量系统和光束分析系统，对透镜的变焦范围、汇聚能力、稳定性、响应时间、分辨率等参数进行测量。本论文的主要工作：1.提出梯形凸起电极液晶变焦透镜，使用TechWizLCD3D软件对液晶透镜进行仿真，对比了传统平面电极液晶变焦透镜与梯形凸起电极液晶变焦透镜的性能，详细分析了液晶盒厚、电极高度、电极梯角、电极宽度与间距比例对液晶透镜驱动电压的影响。制备了菱形交叉电极液晶变焦透镜，实验结果表明当电压在0V~40V变化时，液晶透镜的焦距变化在+∞~28.73mm之间，上升时间为126ms，下降时间为95m
3、s，光斑稳定性误差为3.2%，分辨率为18.76lp/mm。2.制作了介电泳力液态变焦透镜，根据其变焦原理与结构特性，分析了成像液滴在介电泳力和表面张力的共同作用下接触角的变化；搭建显微光路测量系统和光束分析系统对透镜进行性能测试，实验结果表明当电压在0V~200V变化时，介电泳力透镜的焦距变化范围为95.92mm~18.57mm，上升时间为580ms,下降时间为380ms，光斑稳定性误差为3.3%，分辨率为30.64lp/mm。3.制作了电润湿液态变焦透镜，分析了在静电力作用下，成像液滴面型对透镜焦距
4、的影响。在实验上对电润湿液态变焦透镜进行性能测试，当电压在0V~200V变化时，透镜的焦距变化范围为79.23mm~15.35mm，上升时间为450ms，下降时间为320ms，光斑稳定性误差为2.3%，分辨率为25.16lp/mm。对比分析了制作的变焦透镜和商用透镜的光学参数、结构性能、优缺点及应用领域。关键词：变焦透镜，液晶透镜，介电泳力透镜，电润湿透镜ABSTRACTLiquidadaptivelensisakindoftunableopticaldeviceduetoit’snon-mechani
5、calmovement,shortresponsetime,compactstructure,lowpowerconsumption,anditisexpectedtohavepotentialapplicationsinmachinevision,medicine,displayandmilitary.Inthispaper,westudyliquidadaptivelenstheoreticallyandexperimentally.TechWizLCD3Dsoftwareisusedtosimul
6、atetheliquidcrystaladaptivelens.Inaddition,liquidcrystallensandthelensesbasedondielectrophoresisandelectrowettingaremadeexperimentally.Themicroscopymeasuringsystemandbeamanalysissystemaresetuptomeasuretheperformanceparameteroftheliquidadaptivelenses，incl
7、udingfocallengthrange,convergenceability,stability,responsetimeandresolution.Mainworkofthispaper:1.Liquidcrystaladaptivelenswithtrapezoidalraisedelectrodeisproposed,andit’sperformanceissimulatedusingTechWizLCD3Dsoftware.Wecompareit’sperformancewithtradit
8、ionalplanarelectrodeliquidcrystaladaptivelens.Theinfluenceofcellgap,electrodeheight,electrodeangle,electrodewidthandspacingratioonthedrivingvoltageofliquidcrystallensisanalyzed.Inaddition,wemakeandtestliquidcrystallenswith
