基于电动可调焦透镜的大范围快速光片显微成像

搭建了一种基于电动可调焦透镜(electrically tunable lens)的大范围快速光片荧光显微成像系统.通过引入电动可调焦透镜与一维振镜以实现成像物平面和光片位置的快速移动,再结合高速s CMOS完成快速光片荧光显微成像.另外实验中通过改善光路与提升动态成像质量,实现了大范围扫描并减少了伪像.最终对成像性能进行测试,本系统的纵向分辨率和横向分辨率分别达到约5.5μm和约0.7μm,单幅图像稳定成像的速度约为275 frames/s,成像深度可超过138μm,能满足对具有一定尺寸的生物样本进行实时清晰成像的需求.     

液态透镜研究现状与发展分析

当前的光电侦察领域设备不断地向轻、小型化发展,而传统变焦光学系统的体积与质量往往达不到微小型光电侦察平台的载荷要求,因此小型无人机等侦查平台只能搭载定焦镜头,制约了分辨率与侦查距离的提升,限制了侦查能力。液态透镜技术利用单片透镜即可实现透镜焦距的调节,大大减小了光学系统的体积,且其变焦响应速度快、变焦范围大,由液态透镜组合的光学系统可以在固定的小体积内实现快速变焦,在军民领域都有广阔的应用前景。该文对前人的理论基础与研究方法进行了调研与综述,简述了液态透镜的5种基本原理,并分析了各自的特点,分别介绍了国内外液态透镜的研究现状,指出了不同液态透镜的优缺点及未来的发展与研究方向。     

基于简单透镜列阵的可调焦激光均匀辐照光学系统研究

本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.     

光具座测量透镜焦距的自动调焦方法研究

在原来光具座测量透镜焦距的装置基础上 ,用 CCD代替人眼作接收器时 ,正确判定焦面是实验的关键。本文基于点扩散函数理论提出评定焦面的一种方法 ,并对这种方法进行理论分析。实验结果与理论分析相吻合。实验表明 ,该方法调焦精度可达到± 4 μm范围内 ,比目测精度提高了大约1.5μm。     

柔性变焦透镜发展现状

本文从基于力致变形(机械传动)驱动和基于电致变形(智能材料)驱动两方面分析了柔性变焦透镜(FVFL)的发展现状。通过归纳和分析发现:柔性变焦透镜均存在温度、重力对稳定性的影响。传统力致变形驱动的柔性变焦透镜变焦范围大,但响应速度慢,不易微型化设计;电致变形驱动的柔性变焦透镜响应速度快、结构紧凑。改善变焦透镜成像质量、降低驱动电压是目前柔性变焦透镜的研究热点。探索新颖的驱动方式,研究低功耗、智能化变焦系统将是柔性变焦透镜的主要发展趋势。     

可调谐超构透镜的发展现状

随着新兴光学设备对微型化、一体化、智能化光学变焦系统的需求与日俱增,大大促进了纳米光电子学的迅猛发展。超构透镜是由具有特殊电磁属性的人造元素按照一定的排列方式组成的具有透镜功能的二维平面结构,其最大优点就是:轻薄和易于集成。然而,集成在超构透镜上的微纳结构一旦制备完成,便难以再改变其形貌或者尺寸,因而无法对其聚焦性能进行实时调控,限制了其功能及应用范围的进一步扩展。近年来,科学家们探索了实现超构透镜聚焦性能实时调控的多种途径,其中最引人注目的是将智能材料与超构透镜相结合。本文首先回顾了可调谐超构透镜的最新进展,分别详细阐述和分析了它们的调节原理和器件性能。最后,归纳分析了当前阻碍可调谐超构透镜发展的主要问题,并进一步对未来可调谐超构透镜的发展趋势做出了展望。     

基于改进Sobel算子的动态自动调焦算法研究

为了提高自动调焦算法在动态环境下的性能, 对调焦评价函数和调焦搜索策略进行了研究。在分析人类视觉系统特性研究成果的基础上,提出一种基于8方向Sobel算子边缘加权的调焦评价函数。同时,为了克服传统爬山法搜索速度慢的缺点,采用自适应变步长极值搜索策略,通过仿真实验可知,提出的8方向Sobel边缘检测算子具备良好的边缘提取效果,同时基于此算子结合人类视觉机制特性给予各边缘不同权重系数计算的调焦评价函数, 比经典两方向Sobel算子调焦评价函数具备更好的抗干扰能力。最后搭建基于液体透镜的实验平台,在动态环境下验证改进算法的性能。实验结果表明,提出的自动调焦算法在动态环境下调焦准确率达到97.5%。     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

为了校正柔性变焦透镜变焦过程中出现的光学像差,提出了一种带校正像差功能的柔性变焦透镜。所提透镜由变焦模块和基于压电致动器的像差校正模块组成。制备了变焦透镜的原理样机并搭建实验光学系统对其进行了测试。测试结果表明,所提透镜可实现-1～5 D的屈光力变化;像差校正模块可精确重构3～9项Zernike多项式像差,归一化残余误差小于4%;对不同屈光力下的系统像差进行校正,校正后系统的波前像差下降幅值均在76%以上,系统成像质量明显提升。     

基于PDMS基片的可变焦柱透镜

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8～1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为＂芯片上的实验室＂提供了一种重要的光学成像元件。     

基于电湿效应的双液体透镜

介绍了一种新型的、基于电湿效应的双液体透镜的发展历史、结构原理,通过改变外加电压的大小以调节透镜的焦距,从而达到无机械运动变焦的目的.推导并分析了两种液体透镜模型的焦距与外加电压的关系.     

低压双液体变焦透镜的理论及工艺研究

通过对仅有单层介电薄膜双液体变焦透镜模型的相关理论分析,得出介电层薄膜的厚度及均匀性对双液体变焦透镜的性能影响很大,并绘制了双液体变焦透镜焦距与驱动电压、介电层厚度的关系曲线.在此基础上,以降低双液体变焦透镜的驱动电压为目的,对介电层的选择进行了分析,选择既可充当介电层又可充当疏水层的派瑞林材料作为双液体变焦透镜的介电层材料,通过真空蒸发镀膜工艺得到了合适厚度的介电层派瑞林薄膜,并对所镀薄膜表面形貌以及厚度进行了测试.选择氯化钾以及溴代十二烷作为导电液体和油性液体,利用离心方式除去液体中溶有的气体,进而制作完成双液体变焦透镜样品.电驱变焦实验得到低压双液体变焦透镜样品的变焦范围为±20mm,驱动电压约为30V,对于实验过程中出现的迟滞效应,通过对杨氏方程中引入摩擦力项,合理地解释了其原因.     

基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜

金属具有良好的可加工性和导电性,利用金属制作液体透镜的壁垒,可有效地提高基于介质上电润湿液体透镜的抗震抗摔、耐电压,以及侧壁电极可加工等性能。针对材料表面平整度对击穿电压的影响进行了相关的研究,在此基础上制备的液体透镜聚焦性能良好,焦距变化的理论值与实验测量值高度吻合,可实现3cm至无穷远范围内的有效变焦。基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜将在柔性显示以及液体透镜阵列化、多型化发展中发挥重要的作用。     

Analysis of natural frequency for imaging interface in liquid lens

Transmission beam can be modulated at the liquid–liquid interface inside an electrowetting liquid lens. The fluctuation characteristics of the interface has a decisive effect on the beam modulation. A closed cylinder in capillary constant scale is analyzed and the natural frequencies of a flat interface are obtained using capillary wave hydrodynamics. Results in modes0 and 1 are in good agreement with previous experiments in the literature. The influences of the radius, the height ratio and the height-to-diameter ratio of a liquid lens on the interface eigenfrequencies are analyzed.     

一种液晶透镜盒间隙的测试方法

针对当前液晶透镜盒间隙测试存在的难题, 文中提出采用线偏振干涉法测试方法, 采用光强均匀分布的单色光入射, 检偏器的偏光轴方向与起偏器的偏光轴垂直或者平行, 液晶透镜的液晶取向层的摩擦方向与起偏器偏振轴夹角为45°, 此时干涉条纹亮暗差别最明显. 利用液晶透镜中心保持预倾角不变的透过率以及其他位置透过率最大值来计算液晶透镜的盒间隙, 该方法简单、可靠, 因采用光学手段测试, 其精确度相对较高. 关键词： 液晶透镜 盒间隙 线偏振光干涉 透过率     

电湿效应变焦光学系统的设计与分析

与传统的通过电机调节透镜相对位置达到变焦目的设计完全不同,提出了一种设计无机械运动变焦光学系统的新方法.利用亥姆霍兹自由能最小化方法推导出适合双液体变焦透镜的杨氏方程,将以气液固三相系统为基础的传统杨式方程扩展到了液液固三相系统.以圆柱结构的双液体变焦透镜为组分设计了一种新型的变焦光学系统,分析了系统在外加电压作用下使焦距变化的同时又能保持像面不变时必须满足的条件.模拟结果表明该系统的变倍比大约可达到1:1.5.     

采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描,消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动,不仅减小了系统的复杂度,而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统,并且对其进行了仿真实验。实验结果表明:基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似,并且光强的轴向分布曲线也基本相同,表明此方法可行。     

电控聚合物分散液晶全息透镜及特性研究

报道位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜的研制及特性研究,理论上,根据耦合波理论,研究了不同的相分离程度系数下,理想位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜在可见光波长(400—800nm)的衍射特性.实验研制了衍射效率最高为70%的电控H-PDLC变焦透镜样品,研究表明H-PDLC透镜具有优良的成像特性,和快速响应的电控开关特性,在光学成像系统,光通信系统中具有良好的应用前景.