主光轴平行于基底的微透镜阵列设计与制作

用聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻工艺实现了一种主光轴平行于基底的微透镜阵列。首先对微透镜形成过程中的PDMS薄膜受力和变形情况进行了分析,并采用有限元分析方法对不同压力、不同厚度的薄膜变形情况进行了模拟,确定了合理的微透镜腔体结构;然后利用SU-8负模制作了PDMS微透镜腔体,将腔体与盖片进行了密闭封装,通过一定的压力向其注入紫外固化光学胶成型了微透镜阵列;最后使用自制装置对微透镜阵列的聚焦效果进行了测试。结果表明,提出的制作方法简单易行、成本低廉和焦距可控,而且易与其它的微系统集成到同一芯片。     

基于压电驱动的全固态可变焦微透镜结构设计与仿真研究

传统的光学透镜通过音圈马达(VCM)驱动,焦距不可调且结构复杂、存在电磁干扰,当前研究的热点是液体微透镜,可通过改变微透镜表面的曲率半径实现变焦,但存在漏液、重力效应等问题, 本文设计了一种基于压电驱动的固体可变焦微透镜,通过采用压电陶瓷－玻璃薄膜－压电陶瓷三层式结构的压电驱动器间接驱动柔性微透镜介质PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜,使其产生相应的弯曲来达到调焦的目的,具有体积小、可变焦范围广、无漏液和重力效应、无电磁干扰等优势引起了人们的广泛关注,利用COMSOL仿真软件研究了不同压电驱动结构对微透镜性能的影响,确定了微透镜各组件的最佳结构参 数,探讨了不同驱动电压下微透镜的形变量和焦距,为高可靠微透镜的设计提供了新颖的解决方案。     

基于IPMC薄膜驱动的可变焦微透镜的研究

基于电活性聚合物驱动的可变焦微透镜所需电压通常在千伏,严重限制了其在便携式设备中的应用。本文设计了一种低电压驱动的可变焦微透镜,透镜采用离子聚合物金属复合材料(IPMC)薄膜作为驱动结构,以柔性聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为透镜主体,实现了低驱动电压下的大变焦范围。为进一步优化微透镜可变焦范围,利用有限元仿真软件对驱动器结构参数、圆环垫片厚度、临界面曲率等部分进行了仿真研究,确定微透镜各组件的最佳结构尺寸。仿真结果表明：利用IPMC薄膜作为驱动结构,可变焦微透镜在驱动电压为1-3V时,变焦范围为42.77-1518.14cm,驱动电压远低于电活性聚合物驱动的变焦微透镜,这种驱动电压小焦距范围广的特点使其具有很高的应用前景。     

充液型可调双焦微透镜的设计与仿真

可调双焦微透镜由底部的含有内外薄膜的PDMS主体结构和包含出入液口的PDMS盖片组成。微透镜可以通过紫外光刻、软光刻工艺制得。使用ANSYS仿真得到PDMS内外薄膜在不同压强下的变形图,然后利用ZEMAX仿真得到透镜的内外焦距、焦距差和光线追迹图、成像图。上述设计与仿真将为可调双焦微透镜的实际应用提供理论依据。由于微透镜的主光轴平行于基底,便于与其他光学器件集成,可广泛应用于微流检测、光镊等领域。     

基于PDMS薄膜的微透镜制作方法

提出了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的软模压印制作微透镜的方法。首先,采用具有钝化层的普通硅片作为基底加工出PDMS薄膜;然后,将薄膜粘于刻有对应孔径的硅模板上,薄膜在负压作用下产生凹陷,滴入快速固化的光固化树脂,固化后得到反向的模具作为制备微透镜结构的母板;最后,通过两次复制模具的方法,在PDMS上得到和母板一致的微透镜。实验测试了微透镜的厚度、焦距和成像效果,结果表明所得微透镜具有良好的表面形貌和聚光效果。这种制作方法可以极大地缩短微透镜的加工时间,并降低成本,为制作微透镜提供了一种简捷的方法。     

薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化

在总结传统微悬臂梁表面应力生物传感方法缺陷的基础上,提出了基于PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)微薄膜的电容式表面应力生物传感器,分析了其基本结构原理及优点,并运用ANSYS软件建立了传感器仿真模型,对相同表面应力下,Au电极大小不同的薄膜形变进行了仿真,计算输出电容。结果表明,薄膜形变量及电容改变量与Au电极在PDMS薄膜上的覆盖率有关,通过比较输出电容改变量与薄膜形变之间的关系,得出了传感器最优结构尺寸。     

NOA73材料的微透镜阵列快速制造技术

针对传统微透镜阵列制作工艺复杂、成本高、周期长等缺点,研究了一种低成本、高效率制作微透镜阵列的技术方法。以SU-8负性光刻胶为主模结构材料,采用2次紫外斜曝光工艺,加工出主光轴平行于硅基的微透镜阵列作为主模结构。依次采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻技术和NOA73紫外曝光技术对主模结构进行复制得到PDMS和NOA73 2种材料的微透镜阵列,用共聚焦显微镜观察微透镜阵列的表面形貌并搭建光学检测平台,测试微透镜阵列的成像效果。结果显示,NOA73材料的微透镜阵列具有更好的光学性能。通过上述工艺加工的微透镜阵列具有较好的成像效果和表面形貌,重复性好且加工周期短,可集成在微流式细胞仪中用于样本流的荧光检测,提高了检测精度。     

基于电场操控面形的非球面复合透镜制作

介绍了一种制作非球面复合透镜的新方法.根据电场作用改变液滴透镜面形的原理,利用SU-8光固胶直接在双凹透镜表面制作液滴复合透镜,以电场作用操控液滴复合透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,用紫外光固化得到低像差的非球面复合透镜.研制了基于电场操控面形的非球面复合透镜制作实验平台,实验检测并讨论了复合透镜在电场中的变形,计算了其主曲率和焦距的变化规律.与原有的平凸非球面液滴透镜相比,此透镜具有更长的焦距和更大的变焦范围,并能保持低像差,改进了基于电场操控面形的非球面透镜制作技术,拓宽了非球面液滴透镜的应用范围.     

一种制作凹形聚二甲基硅氧烷微透镜阵列的方法

提出一种制作凹形聚二甲基硅氧烷(PDMS)微透镜阵列的方法。用数字微镜器件(DMD)代替物理掩模,建立数字灰阶无掩模光刻系统,在光刻胶上制作正方形基底凸形微透镜阵列,以此阵列为母板,采用复制方法,制作了高填充因子的正方形基底凹形PDMS微透镜阵列。实验和测试结果表明:数字灰阶无掩模光刻系统制作的微透镜阵列表面光滑,形貌良好;复制的PDMS微透镜阵列边缘清晰,表面光滑,焦面光斑光强均匀。为制作凹形微透镜阵列提供了一条制作简单、效率高、成本低、可大规模制作的新途径。     

基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术

在远距离激光通信系统中,为抑制复杂大气信道环境的影响,有必要对激光束散角进行实时调控。而传统光学变焦系统对激光束散角的调控精度不高,需要机械移动透镜组间距离,导致其灵活性和实时性差。本文提出了利用液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator,LC-SLM）控制激光束散角的方法。通过LC-SLM模拟变焦透镜,由计算机生成不同焦距的相位灰度图并导入LC-SLM,利用不同的相位灰度图的灰度信息控制LC-SLM的外加电压以实现变焦透镜的功能;再利用变焦透镜与已知焦距的匹配透镜共同构成束散角控制系统,变焦透镜与匹配透镜距离恒定不变,通过改变变焦透镜的焦距实现束散角控制。研究结果表明,在基于液晶空间光调制器的激光束散角控制方法中,束散角变化值与理论值误差在5%以内,束散角的RMSE为0.017 5。与传统机械移动透镜组间距离控制束散角的方法相比,束散角均方根误差降低了22%,为激光参数动态调整提供了重要技术支撑。     

Thermal Actuated Solid Tunable Lens

In this letter, the concept of driving tunable solid lens using microthermal actuator is presented. This microoptical device is composed of a flexible polydimethylsiloxane (PDMS) lens, silicon conducting ring, and silicon heater. The mismatching of coefficient of thermal expansion and stiffness between PDMS and silicon will lead to the deformation of polymer lens during heating, so as to further change its focal length. To demonstrate the feasibility of this approach, a microfabrication processes have been established to monolithically fabricate the present microoptical device. The typical experiment results show that the tunable focal length was up to 834 mum with an input current of 70 mA     

Simple Method for Fabricating Solid Microlenses With Different Focal Lengths

A versatile method of fabricating different microlenses using a relatively simple process is presented. A liquid-filled lens structure integrated with microfluidic network and liquid Polydimethylsiloxane (PDMS) are used as the frame and filling material, respectively, for the injection process. Through simply changing the injection pressure to obtain different membrane deformation profiles followed by curing, the PDMS stuffing together with the frame will finally form a solid microlens with the corresponding desired focal length. In tests, the fabricated microlenses show good performance in the surface profile and the uniformity between pixels in the array. Focal lengths of microlenses covering a wide range from tens of millimeters to nearly 1.6 mm have also been successfully demonstrated.      

利用整体毛细管X光半会聚透镜会聚同步辐射

为了进一步开展基于整体毛细管X光半会聚透镜和同步辐射的微区X射线分析,利用整体毛细管X光半会聚透镜和超环面镜的组合会聚了同步辐射。在8 keV能量点,利用超环面镜,将面积为2.3 mm×26 mm,竖直发散度和水平发散度分别近似为0和1.1 mrad的同步辐射光束会聚为面积为0.9 mm×0.3 mm,水平和竖直发散度分别为1.4 mrad和0.1 mrad的束斑,然后利用整体毛细管X光半会聚透镜将束斑会聚成直径为21.4μm的微焦斑,该整体毛细管X光半会聚透镜对束斑的传输效率为7.9%,该透镜焦距和焦斑处单位面积上的强度(功率密度)增益分别为13.3 mm和59。     

基于液晶透镜的电控式光学影像缩放系统

为了在便携式设备上实现光学影像缩放,不包含机械式移动的光学系统开发是必要的,因此,我们对可电控改变焦距的液晶透镜所组成的光学系统进行研究,研究内容包含液晶透镜焦距对于放大率、变焦比以及对焦范围的关系。由于单片液晶透镜仅能达到对焦功能,因此我们首先利用两片液晶透镜组成的系统来计算不同物体距离的影像缩放条件。接着,我们利用三片液晶透镜,做到与机械式系统相同,可单独控制清楚物体平面距离以及控制影像大小的系统。实验结果表明:利用三片透镜屈光率从-11.3m-1连续电控调整至24.9m-1的液晶透镜,可实现清楚物体平面距离由10cm连续调整至100cm且缩放比为6.5∶1的光学缩放系统。我们利用不同调焦范围的液晶透镜,根据设计原理,来达成不同对焦范围与不同缩放比的电控光学缩放系统。     

Microlens With Tunable Astigmatism

A novel astigmatism-tunable microlens is reported in this letter. This device is based on a thermal-actuated current-controlled tunable polymer lens. The thermal deformation as well as surface profile of polymer lens is tuned by temperature using the current induced Joule heating. The asymmetric boundary condition is further applied on the silicon conducting ring of the lens to invoke asymmetric deformation of the polymer lens as well as astigmatic change of the polymer lens. To prove the concept, the astigmatism-tunable polydimethylsiloxane lens has been fabricated on the silicon-on-glass wafer. Astigmatism tuning was demonstrated by change of astigmatic focal distance, from 1590 to 44 mum, as input current increased from 0 to 30 mA. In addition, aspect ratios of focal spot shape were varied from -20 to -1.3 and 16 to 1.22 with respect to anterior and posterior focal points. This device provides a feasible solution to the dilemma of astigmatic tuning capability and miniaturization. In summary, the present device has the potential to act as a key component for microelectromechanical systems-based aberration corrector or laser focus-spot shaper.     

高分辨率像方远心连续变焦投影镜头的设计

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点,通过选择反远距的双高斯结构,控制像方远心度,通过采用不同材料搭配,并借助CODE V的玻璃专家优化功能,反复迭代优化,最终,得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明:该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4,各视场RMS弥散斑直径小于8.5 m,畸变小于2%,短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计,结构紧凑,成像质量好,畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制,可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。     

Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜研究

龙虾眼光学是解决大视场高能射线聚焦的关键技术。从成像光学的视角考察了龙虾眼光学系统的成像原理,制作完成了基于Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜原理样机,并对该系统在可见光波段的性能进行了测试。该龙虾眼透镜由厚度为300 m的抛光铝板作为反射工作面,反射面成扇形排布,并具有完全对称的球形结构;反射面间夹角由特殊加工的角间距27.6'的楔板保证。原理样机的有效焦距为65 mm,中心张角为17.4817.48,其在空间各个方向上的成像能力几乎相同,可以满足空间大视场探测系统的任务需求。     

菲涅尔透镜聚焦光斑能流密度分布检测方法

提出了一种间接检测聚光光伏发电系统中菲涅透镜聚焦光斑能流密度分布的方法,搭建了检测实验装置,通过标定相机像素灰度值与聚焦光斑能流密度值的比例因子k,介绍了从聚焦光斑灰度图提取光斑能流密度分布的具体过程.对检测精度进行了验证,结果表明:采用该检测方法得到的光斑峰值能流密度相对误差小于2.1％.该方法具有操作简单、检测精度高的优点,可广泛应用于聚光光伏发电聚焦光斑的能流密度分布的检测.     

双视场航空相机光机优化设计

依据某航空相机光学设计指标设计了焦距为100 mm、400 mm的双视场相机,其长焦距全视场传递函数达0.3以上。为减小相机重量,提高其动态刚度,以相机主支撑结构的厚度和筋宽为设计变量,以固有频率不低于某值为约束条件,应用NX7.5软件对航空相机结构进行了优化设计。优化结果为相机质量减小了0.7 kg,一阶固有频率提高了13 Hz。对优化后的相机结构进行了模态分析和热分析,分析结果验证了优化设计的正确性。最后通过试验验证了设计结果的有效性。航空相机切实可行的光机设计有效地保证了整个系统的性能指标都能满足使用要求。