紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128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88%,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具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

微模塑法制备PMMA球面微透镜阵列

借助微透镜及其阵列的光学器件,采用软刻蚀技术中的微模型方法成功制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的柱体及球面微透镜阵列,并对该微透镜阵列进行了光学显微和SEM分析．通过考察制备过程中的影响因素,探讨了减少阵列缺陷和提高光学性能的适宜参数．并对该透镜阵列的光学成像性能进行了初步研究．     

一种大F数微透镜阵列的制备方法

针对大F数(大于10)微透镜阵列难以制备的现状,提出了一种制备大F数微透镜阵列的方法.首先采用传统光刻胶热熔法及刻蚀技术制作出成形的微透镜阵列,再将一层具有较高粘滞系数的光刻胶均匀地涂覆在该微透镜阵列上,在光刻胶的粘滞作用以及烘烤过程中光刻胶自身表面张力的共同作用下,微透镜阵列的F数得到提高.采用该方法制备的二氧化硅微透镜阵列的F数达40,与传统大F数微透镜阵列的加工方法相比,该方法简便易行、制备的微透镜阵列面形良好,且只需调节光刻胶的粘滞系数,即可获得F数不同的微透镜阵列.     

平面微透镜阵列的叠栅放大理论和实验研究

平面微透镜阵列与匹配的微图案阵列叠合时,会产生叠栅效应,在微透镜阵列立体防伪技术和高精度测量方面具有潜在的应用价值。基于游标叠栅效应原理建立了叠栅图案的放大倍数和方向与微图案阵列层、平面微透镜阵列层矢量之间的关系式,即叠栅图案相对于微图案的放大倍数约等于微透镜阵列周期矢量与平面微透镜阵列、微图案阵列周期矢量差的比值,该公式能够预测微图案映射的位置和大小。采用孔径边长为0.3 mm、周期为0.315 mm的方形孔径平面微透镜阵列与不同周期、角度的微图案贴合进行验证,叠栅图案的位置、大小的实验结果与理论预测一致。     

基于微透镜阵列匀束的激光二极管面阵抽运耦合系统分析

为了提升高功率固体激光器中激光二极管(LD)面阵抽运场性能,采用几何光学和数理统计分析的方法,建立了基于微透镜阵列匀束的LD面阵抽运耦合系统的数学与物理模型,对微透镜阵列参数与最终耦合输出抽运场参数之间的关系进行分析,明确了微透镜单元F数、微透镜通光单元数以及微透镜阵列空间周期参数的设计原则.经实验测试,优化设计完成的LD面阵抽运耦合系统光场不均匀度为7.9%,耦合效率为90.7%.     

用于集成成像3D显示的曲面微透镜阵列设计与仿真

针对集成成像3D显示观看视场范围小的问题和微透镜之间间隙的杂散光干扰导致的显示质量下降问题,提出了适合柔性显示及曲面显示器的曲面针孔/微透镜阵列结构.采用TracePro光学仿真软件对基于曲面针孔/微透镜阵列的集成成像3D显示的记录和重构过程进行仿真,结果显示:在记录和重构阶段,曲面针孔/微透镜阵列可以有效地减少透镜阵列之间杂散光引起的图像质量变差的问题;当记录和重构阶段均用曲面/针孔微透镜阵列时,记录三维物体的视角大,获得重构图像的视场角也相对较高.采用旋转接收屏法获取不同观看视角下的图像质量,当曲面针孔/微透镜阵列的曲面度数为30°时,重构图像质量最好.     

用于曲面集成成像的微透镜数值孔径优化

针对目前集成成像3D显示系统存在视场角范围小以及重构图像分辨率低的问题,设计一种适用于曲面集成成像3D显示且具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列结构,并成功搭建基于曲面屏的集成成像3D显示系统。采用Trace Pro光学仿真软件建立曲面集成成像3D显示系统模型,研究微透镜的数值孔径对曲面集成成像3D显示系统重构性能的影响规律。结果表明：当微透镜尺寸和厚度一定时,数值孔径越大,重构图像的质量越好,且视场角越大;当柔性微透镜阵列的数值孔径为0.376时,重构图像具有较高的分辨率,当视场角达到60°时,重构图像依然清晰。为了验证仿真,制备具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列并搭建曲面集成成像系统样机,得到的实验结果与仿真结果基本一致。     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

基于窗截取的立体元图像阵列快速生成

集成成像需要从不同角度记录三维(3D)物体的空间信息,采用计算机生成时,计算量大、时间长。针对这一问题,提出窗截取的立体元图像阵列快速生成方法。模拟真实透镜阵列的结构,建立采样模型,根据显示平台光学参数计算得出虚拟3D物体对应每个虚拟透镜元中的图像,即立体元图像,然后采用窗截取的方式生成立体元图像阵列。改变采样点和窗函数可以生成任意孔径任意排列结构的立体元图像阵列。实验搭建基于LED的集成成像显示平台,设计了与LED匹配的方形、六边形、圆形孔径的透镜阵列,选取不同类型的3D模型对比立体元图像阵列的计算时间和立体显示效果,结果表明,在不改变立体图像质量的前提下,当立体元图像的分辨率高于透镜阵列的采样率时,本文方法速度更快。     

基于方形孔径微透镜阵列二维叠栅条纹的微小角度测量

提出了一种利用方形孔径微透镜阵列和微图形阵列产生的二维叠栅条纹测量微小角度的方法。分析了不同尺寸阵列产生的二维叠栅条纹的节距变化规律,推导了微小旋转角度的表达式,对叠栅条纹的节距与阵列夹角之间的关系进行了理论分析与实验测量。研究结果表明,当微图形阵列的窗口边长小于微透镜阵列的透镜元宽度时,叠栅条纹的节距变化较平缓,且对微图形与微透镜阵列间的夹角θ的变化较敏感,这有利于提高测量结果的准确性;当微图形阵列的窗口边长为0.3mm,微透镜阵列的透镜元宽度为0.4mm时,节距与夹角θ间关系的实验结果与理论结果总体一致。     

光子集成干涉成像机理和空间频谱覆盖研究

光子集成干涉成像系统具有体积小、质量轻、能耗低、分辨率高的成像特性,有望取代传统大口径望远镜实现远距离探测。研究了光学干涉探测成像原理,建立了空间目标干涉图像复原模型。研究了微透镜阵列排布对成像质量的影响,提出了微透镜阵列设计方法。研究了光学相干基线匹配对空间目标频谱覆盖的影响,提出了能够高效覆盖高、中、低频谱的相干基线匹配方法。最后,比较了不同的微透镜阵列排布和干涉基线匹配方式下目标图像仿真复原效果。结果表明,所提微透镜阵列排布方式和干涉基线匹配方法能够提升空间目标频谱覆盖,提高目标图像复原质量。     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

凹折射微透镜阵列的离子束刻蚀制作

利用光刻热熔成形工艺及离子束刻蚀制作 12 8× 12 8元凹微透镜阵列。所制硅及石英凹微透镜的典型基本图形分别为凹球冠形、凹柱形和矩顶凹面形。分析了在光致抗蚀剂柱凹微透镜图形制作过程中的膜系匹配特性 ,与制作该种微透镜有关的光掩模版的主要结构参数 ,以及光致抗蚀剂掩模工艺参数的控制依据等。探讨了在凹微透镜器件制作基础上利用成膜工艺开展平面折射微透镜器件制作的问题。采用扫描电子显微镜 (SEM)和表面轮廓仪测试了所制石英凹微透镜阵列的表面微结构形貌。给出了所制石英凹微透镜阵列远场光学特性的测试结果。     

折射微透镜阵列的非成象光学特性研究

本文针对微透镜阵列与红外焦平面阵列集成的应用,对折射性微透镜阵列的非成象光学特性进行了研究和总结.采用系统性能评价因子来衡量微透镜的聚能效率,分析了系统参数对会聚效率的影响,并用标量衍射方法对几何光学分析结果进行了校验,为红外焦平面阵列微镜集成的设计和制作提供了理论依据.     

利用动态微纳结构调控颜色方法的仿真研究

随着微纳米技术的进步,利用人工制备的微纳米结构实现颜色的呈现成为了可能,开辟了无油墨印刷的新思路,“结构色”的研究迅速成为该领域的焦点。提出了一种基于动态周期性微纳结构阵列的颜色调控新方法。设计在周期性微结构阵列中,填充一定厚度的功能材料薄膜,通过实时控制功能材料的外部电压,精确调控微结构上下表面的高度差,以实现在同一器件表面不同预期颜色的呈现和切换。建立了微结构的物理模型,并用时域有限差分方法(finite difference time domain,FDTD)进行了仿真研究,光源采用垂直入射的线偏振光,对微纳结构阵列上下表面高度差及结构周期进行了参数扫描,获得了系列反射光谱,并用光谱功率积分的方法计算得到了相应的颜色系列,直观地标注在CIE1931颜色空间色品图上。仿真结果表明,当微纳结构阵列周期在100~300 nm范围内时,通过调节电压改变填充的功能材料的高度,可实现全光谱范围的颜色动态调控,且反射光谱的相对峰值强度在60%左右,效率可观。该方法原理新颖,为研制动态颜色调控微器件提供了理论基础,有望在无油墨印刷、显示技术等领域获得广泛应用。     

微透镜阵列的制备与应用研究进展

微透镜阵列是一种多功能的微光学元件,可以对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制,进而实现大视角、低像差、小畸变、高时间分辨率和无限景深等,在光电器件和光学系统的微型化、智能化和集成化方面具有重要的应用潜力.介绍了微透镜阵列的光学原理和发展历程,综述了喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等微透镜阵列制备技术,总结了微透镜阵列在成像传感、照明光源、显示和光伏等领域的应用进展,最后对微透镜阵列的发展方向进行了展望,讨论了曲面微透镜、叠加复眼系统以及微透镜与新型光电材料结合等新方向的发展趋势和未来挑战.     

基于填充因子的微透镜阵列扫描光学系统性能分析

针对通过微透镜阵列通光孔径的光束在不同条件下的填充问题,利用填充因子来表征微透镜阵列系统光瞳位置处光束的填充率,并分析其对系统探测距离、点扩散函数和光学传递函数的影响。基于近轴光学模型,构建了快速计算微透镜阵列扫描光学系统填充因子的数学模型,并提出一种系统设计方法。利用该方法设计了微透镜阵列扫描光学系统,所设计系统的实验结果与理论计算结果吻合,表明该系统的性能良好。     

用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列研究

研究了一种用于并行激光直写的连续深浮雕衍射透镜阵列方法.该方法采用连续浮雕衍射透镜阵列替换传统并行激光直写中的物镜阵列,在兼顾系统分辨力基础上,克服了波带片等衍射透镜阵列衍射效率低的缺点|同时因采用深浮雕结构优化环带宽度,可降低阵列的制作难度.针对并行激光直写系统阵列F/#小的特点,在建立连续深浮雕衍射透镜阵列非旁轴近似聚焦模型基础上,设计、制作和测试了波长为441.6 nm,F/#为7.5的连续深浮雕衍射透镜阵阵列.测试结果表明：该阵列的衍射效率优于70%,远高于波带片阵列的40%.