基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题。基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压,打印速度）对制备的不同类型微透镜形貌与质量的影响与规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,在玻璃基底上分别实现了面积为120 mm×120 mm、100 cm×45 cm的圆形与柱状微透镜阵列的制造,在柔性PET基底上实现了面积为160 mm×160 mm的圆形微透镜阵列的制造,利用电场驱动喷射微3D打印的多层打印模式实现了折射率梯度变化范围为0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。实验结果表明,制备的微透镜阵列具有良好的几何与光学性能,基于电场驱动喷射微3D打印大面积、多类型微透镜阵列制造方法具有效率高、成本低、批量化的显著优势,为大面积多类型微透镜阵列制造提供了一种全新的解决方案。     

半导体激光器光束的准直设计

利用计算机仿真,设计了相互垂直的椭圆截面柱透镜组来准直半导体激光束。两个椭圆截面柱透镜分别对半导体激光器两个方向的光束进行准直,采用自适应加权和法进行优化计算,结果可达到50μrad量级的发散角,同时也可在远场形成圆形光斑。     

紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制

为了提高紫外成像器件的填充因子,解决凝视型高性能紫外成像器件的核心技术问题,根据标量衍射理论设计了用于128×128日盲型紫外成像器件的微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为86%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。     

基于Hartmann-Shack波前检测原理的微透镜阵列焦距测量

基于哈特曼波前传感器检测原理,结合图像清晰度定焦技术,提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法,介绍了测量系统的组成和原理.首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像,利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像.然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量,计算相应的微透镜阵列子单元的焦距.最后,基于图像清晰度定焦技术,通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性.测量结果表明,该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3％;同时,一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定.相对于传统的检测方法,该方法具有较高的检测精度和效率.     

微透镜阵列莫尔放大作用及其防伪特征的研究

为了研究微透镜阵列防伪膜的工作原理和防伪作用,首先,从最基本的莫尔条纹相关理论着手,推导出有关莫尔条纹特性的公式;然后,再将微透镜阵列防伪膜的微透镜阵列和微缩文字阵列看作两个具有固定周期的光栅,将莫尔条纹相关公式应用到微透镜阵列防伪膜上,研究了莫尔放大作用和透镜放大作用的匹配问题;最后,通过实验制备出了样品,得到了微透镜阵列防伪膜制备过程中的关键因素。     

电控可变焦128×128元自适应液晶微透镜阵列

借鉴已有的单圆孔电极液晶透镜的结构与设计方法,发展得到了新型的电控可变焦128×128元的液晶微透镜阵列。该面阵液晶微透镜使用ITO玻璃作为上下基板,其中上基板电极是将ITO膜通过光刻技术和盐酸腐蚀方法得到了128×128元圆孔阵列图案;而下电极基板就是ITO膜。上基板电极的圆孔阵列整齐的排列,每个圆孔的直径为50μm,圆孔之间的间隔为100μm。夹在上下基板之间的液晶层的厚度为20μm。该面阵液晶微透镜的特性为：在0.2VRMS～5.0 VRMS电压范围下,该面阵液晶微透镜的焦距范围为50μm～400μm。进一步的测试实验结果表明,该面阵液晶微透镜的点扩展函数近似于理论数值,并且该面阵液晶微透镜的工作电压与焦距是成反比例关系,以及该面阵液晶微透镜具有与传统制作的面阵微透镜一样的多重像成像效果。     

阵列4×1准直光源关键技术研究

针对4×1透镜模块离线标定位形需要,建立准直光源及模型,应用Talbot效应来检测光束准直度。基于"两点确定一条直线"和"阵列思想"建立起4×1基准线,使4准直光源光轴与4基准线重合,提出阵列4×1准直光源模型。为实现阵列4×1准直光源,构建准直光源光轴位形调整量解析模型,并对准直光源光轴位形调整过程进行规划。     

红外月球模拟器光学系统设计

采用红外光学系统设计与计算技术,对红外月球模拟器的光学系统进行了设计,确定了其中最重要的部件锗准直透镜的光学结构参数,主要包括锗准直透镜折射率、中心厚度、曲率半径、口径的确定以及形状的选择等。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

光纤传感测量中耦合系统的设计

根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作为尾纤,基于光学设计软件Zemax纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统。通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的。设计时在非序列光学系统下进行了百万次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的原因进行了分析。     

微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99nm(扫描区域:29.4μm×39.3μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。     

仿复眼视觉系统的研究进展

复眼是昆虫重要的光感受器,由成千上万的小眼构成,具有大视野的动目标快速检测能力。仿复眼的多孔径系统在机器人视觉导航、大视角测量和全景成像等领域应用广泛。首先介绍了复眼的生物机理、成像特性及现有的大视场成像系统;其次介绍了微透镜阵列的仿复眼光学设计现状,分析了微透镜阵列的大视角与多景深的全景成像质量,指出目前曲面微透镜一体化制造存在的成像缺陷;最后提出结合曲面与平面微透镜阵列实现大视角、多景深分辨率的仿复眼系统的可行性。该成像系统不仅可以实现全景范围内的清晰成像,而且还具有全景范围内的目标位置估计能力。     

一种高效率低成本制作微透镜阵列的方法

通常采用的多次掩模光刻和离子束刻蚀制作微透镜阵列的方法不但制作效率低,而且易产生较大的制作误差。提出了一种在硅基底聚合物薄膜上热压制作微透镜阵列的工艺方法,并利用自制的热压印设备进行了热压制作衍射微透镜阵列的试验,讨论了影响压印精度的温度和压力等工艺参数,对压印的衍射微透镜阵列进行了轮廓测试和部分光学性能测试。测试结果表明,压印制作微透镜阵列的复形误差小于10%,衍射效率高于90%,为高效率低成本制作微透镜阵列提供了一种新的方法。     

蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计

单元结构、阵列排布和偏转控制是阵列菲涅尔透镜的三个重要因素。单元结构采用了棱镜加菲涅尔透镜结构,排布方式引入蜂窝式阵列,构成蜂窝式阵列菲涅尔透镜。该透镜可以将准直光源发出的光线投射到1m远、直径为30mm的圆形区域内并形成特定图形。通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角,以及每个菲涅尔透镜的背侧光面倾角的优化,实现了一款蜂窝式阵列菲涅尔透镜的光学设计。通过光学仿真分析,结果表明该设计方法灵活可靠,光线控制效果良好,具有实现图像级配光的能力。     

面向微结构阵列的超精密切削加工与测量关键技术研究

正微结构阵列是指具有规则阵列分布的微观几何拓扑形状及特定功能的一类微结构表面。微结构阵列的微观和宏观几何形貌决定了器件的功能,如光学功能、摩擦功能、润滑功能、信息存储功能等。微结构阵列以其无法比拟的优越性能,已经成为光电子、信息通讯以及精密工程等领域的关键零部件。如用于平板显示的微透镜阵列光学薄膜、用于空间光学回射的微金字塔阵列、用于太阳能电池的微槽阵列结构光栅、用于先进动态随机存储器的具有高深-宽比特征的深沟槽微结构阵列等。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展,微结构阵列在航空航天、电子制造、生物医疗等高端产业得到了     

基于F-P标准具的透射物镜焦距测量方法

研究了一种基于F-P标准具的透射物镜焦距测量新方法。单色光经F-P标准具后产生的系列圆锥光束作为测量的标准光束,系列圆锥光束圆锥角能从有溯源性的小数重合法准确定出,具备自校准特性。该标准光束通过待测物镜在焦平面处成像为规律已知的同心圆环,由同心圆环计算获得透射物镜焦距值。理论推导了透射物镜焦距测量模型;搭建了测量实验装置,以汞灯绿光作为光源,采用面阵器件实现同心圆环数据采集;重点采用虚拟像元内插与细分技术,结合圆半径回归方法对测量数据进行处理。实验中,结合汞灯两条黄光谱线,用小数重合法确定F-P标准具间隔d,用以焦距的溯源;详细分析了焦距测量不确定度分量并进行了不确定度的计算合成。实验获得,用面阵虚拟像元间距w'作单位的透镜焦距测量结果的相对扩展不确定度为0.031%。讨论了测量实验改进与像元间距w定度的方案设计,可望将焦距值的相对扩展不确定度降低到0.020%以下。     

基于LED光源的脉冲测距方法

设计了一种LED光源的脉冲测距系统,采用全内反射式准直器和光纤相结合的准直光路设计方法,使LED光源的发散角得到有效压缩。设计了LED光源脉冲驱动电路,并采用雪崩二极管对探测信号进行接收,利用脉冲测距原理实现了距离测量。初步实验结果表明,LED光源能够用于测距系统。     

金属纳米线阵列红外偏振器

本文用电磁场理论推导了多排金属纳米线有序阵列的光学损耗表达式，并进行了数值模拟。采用电化学沉积工艺将金属银电镀到氧化铝的孔中，得到含银纳米线氧化铝膜有序阵列复合结构，测量了含银纳米线氧化铝膜的光学损耗。理论和实验研究表明，含银纳米线氧化铝膜有序阵列的光学损耗显著依赖于光的偏振方向，在红外波段表现出良好的偏振特性，是一种新型红外微偏振器。     

采用光纤编码阵列和声光偏转器的电光A/D转换

提出了一种采用光纤编码阵列 (OFCA)和声光偏转器实现电光 A / D转换的新方案。分析讨论了方案中的偏转器入射光发散角、衍射光斑尺寸、A / D转换位数、OFCA的窜扰。介绍了这种新的 A / D转换 (7位 ,数字输出为 842 1码 )试验以及试验结果     

阵列式皮带秤检定测量结果不确定度评定研究

本文重点分析了阵列式皮带秤检定测量过程中的误差来源,结合应用实例基于相关数学模型对检定测量不确定度的主要来源和因素进行了系统分析,给出了实物校验过程中对造成测量不确定度的主要因素,并依此开展了计算合成不确定度和扩展不确定度的研究,进而对阵列式皮带秤检定测量结果开展了测量不确定度评定,获得了其计量精度等级。