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.     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

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。     

新型可控焦距液体透镜阵列

为了提高成像品质,提出了一种新型液体透镜阵列镜头。先将油滴沉入弹性体底部形成具有可控焦距的单个液体平凸透镜,再通过唯一平台实验液体透镜阵列,制作液体透镜阵列。通过控制滴入硅胶基底的硅油液体体积大小,控制单个微透镜的折射面曲率和透镜焦距。通过位移平台,控制阵列中微透镜的排布和个数。透镜阵列制作方法简单且成本低,透镜抗挤压能力强,焦距可控,阵列规整,在制造过程中,可以控制镜头光圈和初始焦距,因此是一种实用性较高的透镜阵列。     

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。     

光纤阵列准直器设计及其发散角测量

传统基于单个固定折射率透镜和渐变式折射率透镜制备光纤阵列准直器的方法,存在阵元数扩展困难、封装工艺复杂且集成化困难等缺点。利用光学微透镜易阵列化且阵元特性一致性好等优点,提出了基于平凸微透镜阵列制备光纤阵列准直器的方法。根据高斯光学和矩阵光学理论,对光纤阵列准直器的准直特性进行了理论分析和仿真,确定了光纤阵列准直器的相关设计参数,据此加工制备了四阵元一维排布光纤阵列准直器,其阵元间距为250 μm。通过远场光斑法对光纤阵列准直器的主要性能参数远场发散角进行了测量,并采用蒙特卡洛法对测量不确定度进行了分析与评定。光纤阵列准直器各通道远场发散角的测量值分别为0.69°,0.67°,0.71°,0.68°,测量扩展不确定度为0.02°,该测量结果在设计容差(0.68±0.03)°之内。该光纤阵列准直器具有良好的准直特性,能够满足光纤通信系统中光纤阵列准直器小型化和集成化的需求。     

飞秒激光直写加工柱面微透镜阵列的方法研究

正柱面微透镜阵列在叠阵半导体激光器快慢轴准直、裸眼3D成像、平行加工等领域有着广泛应用。针对半导体激光器领域:随着输出功率增大,尺度缩小;用于准直的透镜单元宽度由目前500μm朝100μm内缩减,长度维持mm量级,基材朝石英玻璃等高强度材料发展。目前适用于单元宽度100μm以内透镜阵列制造的方法均受限于聚合物材料,且受占空比小、效率低等缺陷影响,均难以满足工业发展需求。飞秒激光以其超快、超强的独特优势,可对所有材料实现冷加工,且加工尺     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

辊筒模具微透镜阵列的慢刀伺服成形加工

目的：为实现辊筒模具表面微透镜阵列高效率、高精度加工,本文对微透镜阵列成形法加工轨迹的拟合方法和机床伺服参数的优化方法进行了理论与实验研究。首先,分析了微透镜阵列的原始轨迹特征,确定了过渡台阶的突变是微透镜表面振纹的主要诱因。其次,为保证加工轨迹二阶导数的连续性,本文提出了三次样条插值与傅里叶级数拟合拼接的方法优化加工轨迹。最后,在优化加工轨迹的基础上,通过调整伺服系统的前馈参数,提高了进给轴响应能力,减小了因驱动质量和阻尼效应而产生的跟踪误差。口径800μm、深度26.7μm的微透镜阵列加工实验表明,采用优化的刀具轨迹和伺服参数,机床加工效率可以达到8Hz,进给轴跟踪误差小于300nm,消除了微透镜阵列的表面振纹。微透镜单元口径的尺寸误差约为设计值的1.075%,随机检测结果表明口径尺寸变化范围为2μm,加工一致性良好。三次样条插值与傅里叶级数拟合优化的加工轨迹可有效抑制进给轴的振动,改善了微透镜阵列表面质量。     

带有悬浮锥形圆环的液体变焦透镜

基于介质上电润湿效应提出了一种由覆盖有导电氧化铟锡(ITO)薄膜和疏水介质薄膜的玻璃片,悬浮在玻璃片上方的锥形金属圆环以及透镜中的液体组成的液体变焦透镜结构。通过改变施加在接地金属圆环和ITO控制电极之间的电压,实现了透镜液体的弯月面位置和曲率的可逆调整,从而改变透镜焦距。悬浮的金属圆环同时被用来使透镜中的水滴自居中,讨论了具有自居中效应的不同悬浮圆环形状对弯月面光学功率变化范围的影响。实验结果表明,施加40 V电压可以使透镜样品在2.5 cm和无限远之间聚焦,同时拥有高成像质量,光学功率变化范围达40 m^-1。本文设计的液体变焦透镜兼具低功耗、小尺寸和高度可逆等特性,在微透镜应用领域具有很大优势。     

自适应微反射镜阵列制作与性能测试

为了改善微反射镜存在的驱动电压高、驱动力小的缺点,基于双金属效应,制得可调焦微光学自适应阵列。以硅为基底,先后经过热氧化、光刻显影、HF酸刻蚀、KOH湿法刻蚀,溅射铝膜等微加工工艺,制得的4×4阵列,基底厚50μm,硅表面铝膜厚100nm。利用激光数字波面干涉仪对可调焦微反射镜的动态性能进行了测试。实验表明,在0~11V电压范围内,可产生最大7.91μm的连续变形。     

基于图像测量技术的微透镜定焦方法研究

简要描述了基于图像处理方法的微透镜阵列,焦距测量方法。该方法采用图像处理技术解决测量中的定焦问题。文中介绍了几种清晰度评价函数。并对其定焦的精度进行比较,选出较优的算法用来判断焦点位置。实验证明使用该方法可以满足微透镜焦距测量精度要求。     

应用于微型成像的氮化镓超透镜设计

为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦,设计了以氮化镓(GaN)纳米柱为基本晶胞的超透镜,该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效,可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成,分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理,并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460nm入射时透射场的高效率聚焦,对比超透镜尺寸为3.75μm×3.75μm、6.75μm×6.75μm、8.75μm×8.75μm、10.75μm×10.75μm时超透镜的聚焦能力,得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1,0.8,0.5,0.3μm,给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果,发现实际焦距与设计值存在偏差,且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦,有效降低了传统成像系统的复杂度。     

室温微测辐射热计线性阵列的设计与制作

对微测辐射热计的微桥结构进行了优化设计.采用多晶锗硅Poly-Si0.7Ge0.3薄膜电阻作为微测辐射热计的探测敏感元件,结合微机械加工技术制作了8×1微测辐射热计线性阵列,制作工艺温度小于650℃,微桥桥面面积为100μm×100μm,由两臂支撑,支撑臂的长L和宽W分别为220μm和8μm.     

短焦距折衍射变焦成像系统中菲涅耳波带片的设计与分析

在折衍射变焦成像系统中,菲涅耳波带片(FZP)的上下两块电极图形是完全对准的。但是在短焦距折衍射成像系统中,FZP最小环带间距已达到微米级,导致上下两块电极图形中心对准极为困难。为减少对准误差,将上基板电极设计成环状图形,下基板设计为一个平板电极。应用衍射光学方法从理论上对此设计进行了分析,并与上述上下两块电极图形完全对准的设计方式对成像系统的影响进行比较,结果增加了焦点数目。     

基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法

为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显微图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分辨率,确定了以超分辨复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由二值化图像得到孔径测量结果为6.35μm(测量不确定度为0.08μm),与扫描电镜测量结果6.268μm(测量不确定度为0.083μm)相符,测量误差仅0.08μm。该技术有助于实现对圆孔形状的快速、准确在线测量。     

微拱形阵列导光板快速热压成型与微光学应用

微透镜阵列热压精密成型需要时间保温,生产效率较低。因此,提出在模芯加热表面的微沟槽阵列上对聚合物导光板进行热压,使工件热变形的微米尺度表面层流入微沟槽空间内,快速形成微拱形透镜阵列,而保证工件主体不变形。目的是实现高效率和低能耗的微光学透镜阵列热压成型加工。首先,针对导光板表面的微阵列结构和尺寸分析其微光学性能;然后,使用微磨削技术在模芯表面加工出高精度和光滑的微沟槽阵列结构;最后,研究微拱形阵列的快速精密成型工艺及微光学应用。微光学分析显示,微阵列的高度和分布密度对出光面的光照度影响较大。热压工艺实验结果表明,采用深度为104μm和角度为121°的微沟槽阵列模芯,在12 MPa的压力和110℃的温度下,可以在3s内将高度为50μm的3D微拱形阵列导光板快速精密热压成型。本文方法制作的87mm×84mm的导光板,与市面具有2D点阵且高度为8.2μm的丝网印刷导光板相比,光照度提高了21%,光照均匀度提高了27%。本文研究将促进微光学精准设计和制造在LED照明产业的应用。     

电火花线切割制造的强化传热微结构研究

利用电火花线切割(WEDM)加工了一种微柱阵列的传热结构。通过试验研究该传热结构的传热性能。该结构表面粗糙度Ra达12.5~26μm,微柱截面尺寸250×250μm,柱间距离190μm。试验表明该结构比光滑铜片:热流密度高38~73%,压降高26~44%,柱高与表面粗糙度对传热效果有较大影响。     

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。     

微阵列点样器的制作方法

提出了一种利用CO2激光对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行快速微加工,制作微阵列点样器的新方法.利用该微阵列点样器将多个样品平行同步地转移到尼龙膜基底上,形成微阵列芯片.微阵列点样器包含有48个间距为1500μm的6×8阵列式微通道,液体转移头内径为80μm.转移到基底上的样点平均半径为200μm,其样点直径相对标准偏差为2.45%.