大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

消除数字光刻像素栅格衍射影响的研究

提出用优化成像系统设计参量的方法有效消除基于数字微镜阵列的栅格结构及其衍射对微结构成像质量的影响.模拟结果表明,当照明光源的波长为0.365 μm,系统的数值孔径为0.3左右,缩小倍率为10～20×时,栅格像的可见度在0.1以下,DMD的栅格结构对成像质量的影响大幅降低;对微透镜的成像分析发现,合理的成像系统结构参量能有效地减少栅格的影响.如果结合DMD显示图形的可编程特点,优化图形的结构或灰度,则能在像面获得较理想的曝光量分布,达到快速加工二维和三维微结构的目的.实验结果证实了优化系统参量可有效消除DMD栅格的影响.     

数字微镜器件(DMD)杂散光特性测试方法及装置

为了获得数字微镜器件(DMD)的真实光学特性,提出了微镜单元杂散光分布测试方法,并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试.提出了一种杂散光测试方法,并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点,设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统.通过实验得到了2×2阵列区域微镜单...     

可变焦叶绿体光学微透镜

光学微透镜在光学成像、信号探测、生物传感等方面有重要的应用。针对现有固体微透镜难以变焦和生物不兼容的问题，提出将细胞内的叶绿体作为天然的微透镜，并研究了叶绿体微透镜的聚焦特性及其在光学成像和信号探测中的应用。研究结果表明，叶绿体微透镜对不同波长的入射光能产生聚焦效应。借助光镊产生的光力可实现叶绿体形状的可控变化，进而可实现对叶绿体微透镜焦距的调节，调节范围为15～45μm。由于叶绿体微透镜具有光束聚焦特性，故其能够应用到亚波长结构的成像和荧光信号的增强中。在实验中，叶绿体微透镜实现了对线宽为200 nm的光栅结构和细胞内部肌动蛋白丝的光学成像，以及对量子点荧光信号的探测和增强。     

基于数字微镜器件的自适应高动态范围成像方法及应用

在结构光三维扫描测量中,强反射表面因编码结构光照射后易产生局部镜面反射的特性,引起相机曝光饱和,淹没了所要检测的表面几何特征信息.为解决强反射表面的视觉成像难题,基于数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,本文提出一种基于DMD的自适应高动态范围成像方法.设计与搭建了一套新型可编程的计算成像系统,建立其光学系统模型,并实现了DMD微镜与CMOS像素的匹配与映射;分析了基于逐像素编码曝光的高动态范围成像原理,并设计了基于DMD的光强编码控制算法,实现对入射光线强度的自适应精确调制,从而使进入成像系统中的入射光强始终处于相机的合适曝光强度内.实验表明:该方法突破了普通数字相机的动态范围限制,能够精确地控制被测强反射表面各个区域的入射光线强弱,并实现了对强反射表面的局部过曝光区域的清晰成像.该研究成果将为从根源上解决强反射表面因局部过曝光造成的三维点云缺失问题提供重要的解决方案.     

光盘上集成的液体微透镜阵列与可重构超分辨成像

微透镜辅助显微镜实现超分辨成像观测,具有免标记、无损伤、实时、定域和环境兼容性好等优势.液体微透镜阵列具有均一、易操控的特性,可实现无复杂机械扫描与驱动的超分辨成像.然而,简单高效地精确控制成像距离是微透镜实现超分辨成像的关键技术挑战.本文利用紫外曝光技术,实现了光盘上光刻胶微孔深度的均一性.结合液体自组装技术,在微孔中填充甘油液滴,保证微透镜辅助超分辨的成像距离.在光学显微镜下实现了对226 nm光栅栅线的可重构超分辨观测与1.59倍成像放大.本文从液体微透镜的阿贝显微成像原理出发,通过理论与模拟解释了液体微透镜的成像放大与超分辨特性.由此可见,光盘上集成的液体微透镜阵列在光学纳米测量与传感等器件中展现了巨大的应用潜力.     

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.     

大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计

头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求,采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数,从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用.针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小,棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题,介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法,并给出了设计结果.设计方案采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片...     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

变折射率球面六角形孔径平面微透镜阵列

提出了一种制作收集光信息视角范围大、光信息利用效率高、具有良好抗外界应力及温度变化能力的曲面微透镜阵列的新方法。采用光刻离子交换工艺,通过对镀钛掩膜、光刻和离子交换等关键工艺的研究和严格控制,在球面玻璃基片上制作了六角形孔径平面微透镜阵列。制作的阵列单元透镜六角形边长0.173mm,窗口间距0.200mm,单片阵列上微透镜元2052个。测试表明,离子交换深度0.198mm,阵列填充率达到98%,阵列成像性能优良,光学均匀性好,旋转椭球状的单元透镜区域折射率呈三维梯度变化,截距、数值孔径自中心向边缘渐变,半径相同处光学性能一致性好。     

一种数字微镜阵列分区控制和超分辨重建的压缩感知成像法

提出一种压缩感知成像框架结构.该结构采样端用新建的采样矩阵实现数字微镜阵列分区控制,可增强信息获取的准确性,测量得到与新数字微镜阵列对应的压缩采样值;重构端由采样值优化重构出低分辨率图像后,根据分区控制过程建立压缩感知理论框架下的超分辨重建模型,利用梯度稀疏约束优化算法进行求解,恢复出原高分辨率图像.实验结果表明:数字微镜阵列分区控制与超分辨重建相结合的方法可以明显降低压缩感知成像系统的计算量,缩短成像时间,并且具有较高的图像重构质量.     

基于数字微镜器件技术提高面阵CCD相机动态范围的研究

提出了一种采用数字微镜(DMD)器件作为SLM调制面阵CCD的设计方法.解决普通CCD相机在拍摄高反差场景时,图像上出现过曝光或欠曝光,造成丢失细节的现象.该方法通过场景预测成像,确定CCD按多曝光区域的划定和曝光时问.利用DMD微镜凋制功能,实现CCD分区分时曝光.同时设计一种图像数据结构提高了面阵CCD动态范围.实验证明,该方法不但提高了成像质量,高亮和背光处细节可清晰地表现.而且增强了图像数据的动态范围.实现了实时获取高动态范围、高质量的图像及数据,不再需要软件"融合".     

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。     

基于DMD的高动态范围场景成像技术

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66dB,成像系统总的动态范围达到126dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.     

基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统

为了同时实现成像系统的大视场、长焦距和高分辨率,设计了基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统.首先,阐述了四镜头探测器阵列拼接方案的原理;介绍了同心球透镜的结构特点,阐述了其成像优点.然后,完成了满足实际拼接应用的同心球广角、长焦成像系统(拼接子系统)的光学设计.最后,给出了拼接子系统的像质评价并对其进行公差分析.结果表明:拼接后的系统可实现100 mm焦距和120°视场成像.该系统解决了大视场和长焦距之间的矛盾,可实现超高像素成像,相对于传统光电成像系统具有巨大的优势.     

高分辨率衍射图形的DMD并行激光干涉直写

通过将数字微反射镜（Digital Micro-mirror Device,DMD）输入阵列图形微缩干涉成像,激光干涉直写系统在光刻胶板上得到缩小的干涉光斑图形,像素特征尺寸3.5 μm,干涉条纹周期1 μm.控制刻蚀深度、干涉条纹取向和DMD输入图形的结构,系统能数字化完成2D/3D、3D光变图像、超微图形文字以及二元光学元件的制作,实现了超高分辨率图形与高效的干涉光刻.给出了实验结果.     

基于微透镜阵列的DMD芯片投影系统照明优化

分析了照明系统中微透镜阵列的入射光线角度及系统像差对光学利用率的影响,提出了通过修正相关参数来优化照明系统的光学利用率以及照明均匀性的方法。通过改变用于光源聚光的自由曲面透镜的面型来缩小入射角度,从而减小了由于大角度扩散造成的效率损失。并且在微透镜阵列后采用两个球面透镜代替傅里叶透镜作为积分镜片,不仅成本低廉,而且在控制像差方面更为灵活。参数优化后,设计方案的光学利用率可达60.51%,均匀性可达94.24%,验证了理论分析的可行性和有效性。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

光场相机中微透镜阵列与探测器配准误差分析

为了减少光场相机结构对光场图像数字对焦结果的影响,针对微透镜阵列为矩阵式排列的光场相机结构,定性分析了微透镜阵列与成像探测器之间的耦合距离误差、旋转角度误差和倾角误差这三个主要配准误差来源,分别提出了配准条件,并通过仿真实验加以验证。实验结果表明,当配准超出限制条件时,会导致对焦重构图像出现模糊、混叠等失真,缩小精确对焦的深度范围。     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。