圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

基于Tracepro的太赫兹探测阵列光学镜头设计

太赫兹探测成像技术是一种新兴的、极具发展前景的探测技术。为了满足太赫兹探测阵列的成像要求,设计了一种结构紧凑的折射型光学镜头,并采用Tracepro软件对该光学镜头轴上及离轴无穷远点在焦平面的成像情况进行了模拟仿真,优化了光学镜头结构参数。设计的光学镜头采用HRFZ-Si作透镜材料,并在透镜表面涂覆parylene抗反薄膜,其焦距为26.2 mm,视场角为16.3°,相对孔径为1.9∶1,分辨率为20 lp/mm。     

非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

基于拓扑优化的光纤束端面超构透镜研究

超构透镜作为目前纳米光学领域的研究热点,与光纤束集成可充分体现其轻薄的特点,二者的结合有利于推动成像系统的小型化。本文利用拓扑优化方法设计了一种新型的同心环结构超构透镜,并利用纳米3D打印技术完成超构透镜与光纤传像束的集成。该超构透镜直径为3047μm,数值孔径(NA)为08,使用白光LED光源进行成像实验,结果表明该超构透镜具有良好的成像性能。本文提出的超构透镜与光纤束集成的小型化成像系统可应用于医疗、工业、军事等多个领域。     

4P超薄800万像素镜头设计

针对手机镜头很难同时实现高成像质量和短总长的实际问题,通过对初始结构进行优化设计,得到一款全部采用光学塑料为透镜材料的超薄手机镜头。镜头采用四片式结构,光阑位于镜头前方,镜片全部采用偶次非球面。该镜头总长4.49 mm,F 数为2.4,视场角为65.5,焦距为3.71 mm,在探测器Nyquist 频率处MTF 均大于0.14,在半Nyquist 频率处MTF 均大于0.46,且畸变小于1.5%。光学系统各视场的均方根半径小于3.5 m。采用索尼公司的IMX111 型号CMOS 探测器,最大分辨率为32642448。通过模拟计算,得到该手机镜头的离焦量为144m。通过调焦,可以在物距大于10cm 时,得到像质较好的图像。通过灵敏度分析,镜头公差满足加工要求。该镜头设计长度较短,采用非球面塑料透镜,生产成本较低,成像性能良好,满足手机镜头的使用要求。     

超大视场变焦仿生眼光学系统设计

提出了一种新的基于仿生鱼眼镜头模型的超大视场变焦仿生眼光学系统。该仿生眼应用可调光焦度器件能使光学系统更紧凑和不需要移动。鉴于鱼眼系统可以简化成反远物镜的原理,利用矩阵理论和变焦准则,研究了基于可调光焦度器件鱼眼镜头设计的一阶几何光学理论,得到了鱼眼系统前组和后组的光焦度控制方程;进一步讨论了其光焦度的边界方程;最后提供的仿生变焦鱼眼的视场角最大为164,焦距从5～15 mm变化,成像质量达到系统要求。设计实例为其在智能监控、航天军工、机器人系统等领域的应用提供了有益的探索。     

8～13微米波段对透镜和材料的光学评价

光学材料和透镜的性能,可以按其透射率和调制传递函数(MTF)进行分类。在8～13微米波段,材料的总透射率不如可见光光学系统。要评价在远红外区工作的材料和镀膜乃至完整的透镜系统,了解这一参数是十分重要的。MTF是为人们广泛使用和接受的测量成像质量的参数。在远红外区能快速和直接测量这一函数的方法,在评价热成像透镜样品和     

基于蛾眼阵列的全向宽光谱减反层优化设计

为降低太阳电池封装材料PET薄膜的反射率,采用严格耦合波分析(RCWA)方法对基于蛾眼阵列的减反层进行了优化设计。对比研究了圆锥形、抛物线形和正弦形蛾眼结构的减反性能,结果表明圆锥形蛾眼结构具有最佳全向宽光谱减反性能。分析了圆锥体几何参数对太阳光透过率的影响,为参数选取提供依据。在此基础上,提出基于柱形与锥形复合结构的蛾眼阵列,通过参数优化,进一步提高了太阳光在大角度入射条件下的透过率。优化后复合结构的蛾眼阵列的PET薄膜对波长范围在0.3~1.1μm、入射角度为0°~90°的入射太阳光角度归一化透过率达到0.966 4,相比于未采取减反措施的PET薄膜透过率提高12.77%。     

Fabrication of micro-lens arrays with moth-eye antireflective nanostructures using thermal imprinting process

We fabricated micro-lens arrays which have moth-eye antireflective nanostructures on their surfaces using thermal imprinting process and plasma treatment and characterized the morphology of the micro-lens arrays. After a micro-lens array shape was fabricated on a photoresist using photolithography and thermal reflow process, patterns were transferred onto a Ni stamp, and then micro-lens patterns were replicated on a polycarbonate film using thermal imprinting lithography. Using reactive ion etching, we were able to form the moth-eye antireflective nanostructures on the surface of polycarbonate films and polycarbonate micro-lens arrays. The AFM and SEM images of the plasma treated samples clearly show that the moth-eye nanostructures are formed on the surface. By measuring the transmittance spectrum using a UV-visible spectrometer, we also show that the moth-eye structures really act as antireflection coatings.     

白光LED封装用蛾眼化荧光玻璃制备及光学性能

针对荧光玻璃封装白光LED存在的全反射损耗问题,制备了一种蛾眼化荧光玻璃用于提高白光LED光学性能。采用光刻和刻蚀工艺在蓝宝石基片的单面上制作出蛾眼阵列结构,再利用丝网印刷和低温烧结工艺在蓝宝石的另外一面制备YAG∶Ce^3+荧光玻璃层,最后将制备的蛾眼化荧光玻璃用于白光LED封装。通过控制荧光层厚度可以有效调节白光LED发光性能,当荧光层厚度为40μm时,白光LED光效为77.8 lm/W,色温为6024 K,显色指数为69.5。与平面荧光玻璃封装结构相比,在100 mA电流下蛾眼化荧光玻璃封装结构的光效提高了24.9%。结果表明,蛾眼化荧光玻璃提高了白光LED光效,有利于促进荧光玻璃封装白光LED的实际应用。     

头盔式微光夜视仪中折/衍混合物镜的设计

为了使头盔式微光夜视仪结构更加紧凑和小型化,在成像物镜设计中引入衍射面,利用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)独有的负色散性质和光波面任意相位调制的特点,运用CODEV光学设计软件,设计了焦距为25 mm,视场为40°,相对孔径为1/1.2,全视场畸变≤5%的头盔式微光夜视仪的折/衍物镜系统,并讨论了适用于加工衍射面的结构参量。结果表明在物镜光学性能保持不变的情况下,所设计的折/衍物镜与传统物镜比较,成像物镜在使用两个衍射面后,提高了物镜的成像质量,镜片数由原来的9片减少到了7片,光学总长由原来的75.9 mm缩短为57.8 mm。     

三温区梯度化学气相沉积ZnS制备

红外热像仪可在全天候条件下实现目标识别,在安防、夜视辅助及红外测温系统等领域应用广泛,但红外热像仪成像质量和效果受制于ZnS红外光学镜头的品质和性能。文中采用自主研制的三温区梯度化学气相沉积（TTG-CVD）及退火热处理制备ZnS块体。采用X射线衍射表征出ZnS块体是立方闪锌矿结构,具有光学各向同性,可以满足后续在红外光学镜头中的设计需求。结合红外透过光谱获得ZnS块体在8~12 μm 长波红外波段的平均透过率达71.6%。ZnS块体在1.06 μm处的折射率均匀性为1.94×10?5。进一步采用光学冷加工和单点金刚石车削等工艺,制作出ZnS红外光学透镜和红外镜头。红外光学镜头在空间频率为20 lp/mm时,在半视场（0.5视场）和0.707视场的调制传递函数（MTF）接近衍射极限。红外成像系统在中心视场、0.707视场由像差引起的弥散斑均方根值（RMS）均小于像元尺寸20 μm,系统畸变小于1%,各项指标均达到实际使用要求。     

基于微场镜阵列的红外光场中继成像系统

光场成像是一种通过采集光场信息和重聚焦计算而成像的方法。由于微透镜型光场相机的结构限制,为实现光学系统与探测器的耦合,一般采用改造探测器的方法,但不适用于红外光场相机。为此,提出了微场镜阵列结合中继透镜的新型结构。这种新型结构通过中继透镜对中间像面1:1成像,通过微场镜阵列改善中继透镜产生的渐晕。采用倾斜刃边法计算系统的调制传递函数曲线,对比直接耦合、中继透镜耦合以及新型结构耦合三种结构的像质。根据不同的重聚焦面,新型耦合结构在奈奎斯特频率下的曲线值相比于中继透镜耦合结构提升5%~240%,接近直接耦合结构。新型结构可在实现耦合的同时,避免系统像质的大幅度下降,可在红外光场相机中起到重要作用。     

应用于钢管直线度机器视觉测量的光学成像系统设计

针对钢管直线度的机器视觉测量,设计了成像系统的技术指标.采用双高斯结构设计了光学成像系统基本结构,并通过ZEMAX光学模拟及像质分析,对成像镜头的结构参数进行了优化.设计结果表明,该光学成像系统总体成像质量较好,畸变小于0.08%,在频率为62·5 lp/mm时,0.7ω视场的MTF值大于0.5,能够用于钢管直线度测量...     

柱面光学微结构用于红外激光防护研究

激光防护是一种可广泛应用的技术,论文针对目前红外激光防护技术中存在的可见光波段吸收强、镜面反射造成设备或人员损伤等问题,提出一种形成于光学窗口表面的红外激光非镜面反射光学微结构,具有对可见光透过率影响小,同时对1 064 nm红外激光大角度散射的功能,从而实现激光防护。文中采用光线追迹方法设计具有移位结构的双面微柱透镜阵列,阵列周期T与透镜单元曲率半径R之间需满足0 T R/27的关系。应用Virtual-Lab光学建模软件对设计的柱面微结构进行模拟,模拟结果为:可见光平均透过率下降7%,对实用结果影响很小,并可以通过可见波段镀制增透膜进行弥补;1 064 nm红外激光反射率约为75%,发散角大于30。采用数字掩模光刻技术完成微柱透镜阵列实验,实验结果与模拟结果趋势相同,最终得出结论:微柱透镜阵列能实现大角度散射,能够极大降低激光单一方向反射回波能量,从而达到了激光防护的目的。     

As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压成型

硫系玻璃镜片是新型温度自适应红外光学系统的重要组件之一。随着红外热成像民用市场的日益成熟,对硫系玻璃镜片的产业化技术需求越来越迫切。文中进行了As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压实验,研究并优化出口径21 mm硫系镜片的模压工艺参数。通过模具的补偿修正,获得了完全满足镜片设计要求（PV值小于0.7 m）的模压镜片。此外,研究了模压处理对As2Se3玻璃物理性质的影响,发现模压后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃转变温度Tg降低,最大透过率提高。通过拉曼光谱测试,分析并讨论了造成这种反常现象的微观结构原因。为今后较大口径非球面硫系镜片的批量制造提供了科学数据和参考。