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.     

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。     

控制液晶器件产生的程控透镜和微透镜阵列

研究了计算机程控光学器件的性能。通过对液晶空间光调制器进行电寻址控制,得到了振幅模式、二进制相位模式和连续相位模式的计算机程控透镜和程控微透镜阵列。实验结果和计算分析都表明,连续相位模式的程控透镜具有较好的聚焦性能和光效率。程控微透镜阵列的优点是阵列中的每一个微透镜都可以单独控制,可以得到所需要的阵列形式。实验给出了一个由这样的微透镜阵列产生的去掉了中心4×4阵列的8×8光斑阵列样式。还给出了利用程控透镜来方便有效地演示和研究透镜的像差方法。由计算机控制空间光调制器得到的光学器件虽然具有极大的灵活性,但是由于空间光调制器的像素的尺寸影响了它的精细程度,限制了它的应用。     

基于光线追踪的实时可交互计算生成集成成像方法

为提高计算生成集成成像实时交互显示性能和灵活性,构建与集成成像再现系统结构一致的集成光场视见模型,通过该模型为单元图像阵列中每个像素生成一条逆向追踪的光线,使用光线追踪技术并行渲染光线为单元图像阵列像素着色.实验结果表明,顶点数为565 880的点云模型、面数为977 308的含纹理网格模型在透镜数为22×13、视点数为175×175的4K显示系统上显示帧率40fps以上,并实现了缩放、移动、旋转、显示微调等交互功能.该方法摆脱了虚拟相机模型,降低了算法复杂度,利于实现实时交互,能够应用于基于不同分布形式透镜阵列的集成成像显示系统.     

变折射率方形孔径平面微透镜阵列的聚焦和散焦特性

为提高变折射率平面微透镜阵列的填充率,利用光刻工艺和离子交换技术制备了填充率近达100%的方形孔径平面微透镜阵列,并对其透镜元及相邻透元间间隙构成的角落区域的成像进行了理论和实验研究.根据变折射率介质光线追迹法,利用MATLAB软件模拟,发现在透镜元区域和角落区域成像特性相反.成像系统测试表明:由于透镜元区域和角落区域的折射率分布变化规律不同,透镜元与角落区域对物体分别成倒立实像和正立虚像;透镜阵列可实现聚焦和散焦功能;角落区域得到充分的离子交换使得间隙足够小,形成了从该区域中心向外逐渐增大的新型梯度折射率模型.     

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。     

基于光楔阵列产生光学涡旋阵列的研究

在研究光楔衍射法产生单涡旋的基础上,基于长条形光楔阵列,提出了利用光束阵列衍射产生涡旋阵列的方法.该方法要求光束阵列在平行于光楔边缘方向上的光束间距等于光束直径的整数倍.利用超精密机床采用一体化加工法加工了光楔阵列元件,验证了该方法的可行性.利用空间光调制器快速灵活调整光束阵列的优点,搭建了借助空间光调制器加载达曼光栅衍射产生所需光束阵列的实验光学系统.针对光束阵列与光楔阵列的匹配问题,研究了达曼光栅掩模图基本单元对光束阵列的调控,获得了可调结构的光束阵列.实验产生了拓扑荷一致的光学涡旋阵列,与仿真结果相一致,证明所提方法的有效性.     

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。     

阵列式微型透镜封装多芯片COBLED的光学仿真设计及应用

为了提高COB LED的取光率,以1919 COB LED为研究对象,建立阵列式圆锥透镜、半椭球透镜、四棱锥透镜和半圆球透镜封装L ED模型,并利用光学仿真软件进行研究。仿真实验结果表明：在优化条件下,高0．5 mm、直径0．9 mm的阵列圆锥透镜封装LED的光通量由平面封装的67 lm提高至84．3 lm ,即取光率提高25．8％。制作了RGB芯片的多芯片L ED样品,并用直径1 m m的阵列半圆球透镜进行封装,其取光率提高18．8％。     

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。