大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。     

广角红外地球敏感器光学系统设计及畸变校正

为了满足低轨道航天器姿态轨道控制系统对小型化地球敏感器的需求,对广角长波红外地球敏感器光学系统设计及成像畸变校正技术进行了研究。广角长波红外光学系统采用反远距结构形式,由三片锗透镜实现140°的视场角,光学系统工作波段为14 μm~16.25 μm,F数为0.8。广角长波红外光学系统体积小、结构简单,并且成像质量良好,实现了红外地球敏感器光学系统的小型化高精度设计。采用分视场区间分别建立畸变校正公式的方法来实现光学系统成像畸变校正,校正精度优于像元尺寸的1/5,可满足敏感器产品姿态测量的需求。     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

非球面液滴微透镜固化控制和焦斑测量研究

利用电场改变液滴透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在适当的时候用紫外光固化液滴制作具有良好光学性能的非球面微透镜.比较了非球面液滴微透镜在固化前后面形、焦斑的变化和对透镜性能的影响,讨论了液滴透镜在固化过程中变形的机理和相应的解决方法.用分辨率50 nm的光斑探针扫描仪精确测量了固化后的非球面微透镜的聚焦光斑,测得了光斑轴向分布曲线和均方根直径3.384μm的聚焦光斑,经图像处理计算了透镜的点扩散函数和光学传递函数,评价了所制作的非球面微透镜的聚光和成像能力,并给出了透镜的实际成像图像,对于完善高品质非球面微透镜及其阵列的制作工艺具有重要意义.     

激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。     

光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望

光学微透镜阵列在光学系统中的应用广泛,需求量大,而玻璃模压成形技术是最高效的微透镜阵列量产加工方法,具有精度高,一致性好,生产成本低等特点,有重要的应用研究价值。本文介绍了光学微透镜阵列的设计原理,模具制造技术,模压成形技术及相应检测技术;重点介绍了微透镜阵列模压成形试验与有限元仿真研究的最新进展;最后对微透镜模压成形发展前景进行了展望,包括微透镜阵列模压材料,模具表面镀层技术及超声复合加工技术在微透镜阵列模压成形中的应用等。     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

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.     

基于菲涅耳微透镜的光学加速度传感器原理研究

目前航空业惯性导航系统中广泛采用的加速度传感器存在抗电磁干扰（EMI）和电磁冲击（EMP）能力差等缺陷，针对此提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的光学加速度传感器，它能够有效地解决上述问题。该传感器的传感原理是把一个反光膜平行地置于微透镜的后方，根据微透镜前方汇聚点处光强的变化来敏感加速度的大小。通过Fresnel-Kirchhoff衍射公式详细推导了传感器的光学原理，并且对光纤的偏移对光强的影响进行了计算机模拟分析。结果表明：光纤接收的光强对反光膜的位置具有纳米级的灵敏度，并且对光纤沿微透镜焦平面方向的偏移极其敏感，当此偏移超过2μm，光强就会下降至不足理想情况下的50%。验证性实验结果表明这种传感器的原理是正确的。     

Ultrathin Planar Microlens Arrays Based on Geometric Metasurface

Ascribing to the properties of two dimensional parallel focusing and imaging, low propagation loss, integration and miniaturization, microlens array has been widely used in imaging, optical communication, organic light emitting devices, adaptive optics, photolithography, biomedical and other applications. However, the existing traditional microlens array suffers from difficulty in fabrication, large‐thickness, curved surface, non‐uniformity of light spots, or requirement of additional discrete components to control the microlens. Herein, a planar microlens array is experimentally demonstrated based on the geometric metasurface. The single microlens is composed of space‐variant subwavelength metallic gratings with high polarization conversion efficiency and thus exhibits gradient phase distribution. The focused spot diameter of 22.5 μm with radius of 350 μm, focal length of 1 cm and the light spots intensity uniformity of 0.9885 (standard deviation 0.0115) at the focal plane are obtained. Moreover, the broadband property of microlens array is also confirmed. The novel design strategy for microlens array would facilitate the miniaturization of optical devices and be easily integrated in the optical interconnected devices.     

衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann波前传感器中的应用

菲涅耳衍射微透镜列阵是目前广泛应用的衍射光学元件之一,它是基于衍射原理,由计算机设计,并通过微细加工技术制作成的.本文介绍了8相位台阶菲涅耳衍射微透镜列阵的制作方法,并描述了一个用16×16微透镜列阵形成的小型 Shack-Hartmann 波前传感实验系统,用该系统可对入射波前进行测量和重建.     

连续表面微透镜列阵元件检测

系统分析了连续表面微透镜列阵的几何参量和光学性能的检测方法和评价标准,针对典型的折射型聚焦列阵元件,给出其结构尺寸及光学性能的测试结果,两者结果一致.从而建立了一套通过测试元件的几何参量、加工误差及光学性能指标来综合评估微光学元件性能的方法.     

Design, characterization and evaluation of high performance 2.8 μm pitch zero space microlens

Utilization of the zero space microlens technology can significantly improve the image quality of CMOS sensors. In this study, we present systematical data of design, simulation, characterization and silicon level testing during the initial stage of development of the zero space microlens based CMOS imaging technology. The optimal structure of zero space microlens was obtained based on the simulation results. Sample CMOS image sensors with a 2.8 μm pitch zero space microlens above each pixel have been successfully fabricated based on 0.18 μm CMOS technology. Using AFM (atomic force microscopy) and sensor test platform, the structural and optical properties of both space microlens and zero space microlens have been characterized, and their performances have been evaluated respectively. Both AFM results and silicon tests have demonstrated that the 2.8 μm pitch zero space microlens can remarkably improve the pixel sensitivity and pixel array non-uniformity, and reduce the optical crosstalk. Compared to the space 2.8 μm square microlens, the zero space microlens shows 78.83% (68.42% and 75.93%) enhancement of photosensitivity and increment of pixel non-uniformity up to 20% (45.6% and 30.77%) for R (G and B), and reduction of the optical crosstalk up to 44.49%, under 45 lux light and 30 ms exposure time. In addition, the zero space microlens has also shown a great potential in further reducing pixel size down to less than 2.8 μm and meanwhile improving imaging performance of CMOS image sensors.     

共光路共模块自适应光学系统中赝相位共轭器件应用分析

研究了角反射器阵列形成赝相位共轭波的能力,计算了其对泽尼克多项式表示的各阶像差的保真度,分析了在共光路共模块自适应光学系统中角反射器阵列与哈特曼－夏克波前传感器二者之间单元数目,位置匹配方面的问题,对失配所带来的误差进行了计算。     

微透镜阵列线性光学扫描器

本文介绍了一种新型的线性扫描光学系统，它由一对处于望远型结构的微透镜阵列和一个普通的会聚透镜组成。微透镜阵列采用二元光学技术进行设计和制作。该装置具有扫描灵敏度高（～１０００）、扫描范围大（±１００ｍｍ）、结构紧凑、价格低廉等优点。     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.