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.     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制|根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制;根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

电控聚合物分散液晶变焦全息透镜制作

介绍了相位型全息聚合物分散液晶(PDLC)材料全息透镜,在电场作用下液晶微滴折射率逐渐与聚合物折射率匹配,实现透镜电控变焦。研究了微米尺寸和纳米尺寸液晶微滴聚合物分散液晶材料配方特性和微观结构。采用优化纳米尺寸材料配方制作5~6μm聚合物分散液晶盒,采用离轴式平面波和球面波干涉全息写入光路,成功制作电控变焦聚合物分散液晶全息透镜样品。该透镜样品焦距为20 mm,能够正一级衍射放大成像。实现“0”,“1”变焦的驱动电压阈值为60 V。并进一步提出了基于聚合物分散液晶电控变焦元件集成叠加技术实现电控变焦光学成像系统的技术思路。     

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。     

一种新型微透镜阵列成象式投影光刻系统的研究

从理论和实验两方面入手,系统地研究了微透镜阵列的形成原理和制作工艺,分析了微透镜阵列的面形结构,得到了联系微透镜阵列矢高与制作工艺参量的经验公式.并且将四片微透镜阵列耦合,形成一个深紫外光刻的1:1成象的多孔径微小光刻系统.从几何光学理论出发,分析了这个光刻系统综合成象的特点,讨论了这种光刻系统的光学性能,并给出了实验测量方法.     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

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。     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

基于光探针技术的自聚焦透镜光斑测量方法

以扫描探针显微理论为基础,讨论了基于光学纤维探针技术的自聚焦透镜光斑测量方法,介绍了实验系统的构成和测量原理、光学探针的制作和软件控制技术,并且以日本产NSG自聚焦透镜为样品进行了光斑测量和分析.所得结果对于评价自聚焦透镜的成像性能具有重要意义.     

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.     

Fabricating of aspheric micro-lens array by excimer laser micromachining

This work presents a unique method for fabricating aspheric micro-lens array based on a KrF 248 nm excimer laser micromachining with precise surface profile control. Based on a planetary contour scanning laser machining method along with a shading metal mask and sample movable stage, an array of micro-lenses with precisely controlled surface profiles can be fabricated. Each lens surface profile can be aspheric and pre-designed. Experiments have been carried out and the machining accuracy of each lens surface profile is examined. Good surface roughness and profile accuracy are observed.     

液体透镜在变焦系统中的应用

利用液体透镜进行变焦系统设计可以大幅降低系统的复杂程度,本文介绍和讨论了该项技术的研究和应用现状。首先,基于液体透镜的分类即渐变折射率透镜和变曲率透镜介绍了几种主要液体透镜的原理和特点,给出了具有代表性的ARCTIC透镜系列和Optotune透镜系列的设计参数和优点。然后,对液体透镜技术在变焦系统中的应用进行了分析,描述了其在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中应用的现状和优势。最后,利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统,该系统可实现2.5倍的可见光变焦。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的求解方法

在求解多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的过程中，不再区分变倍组与补偿组的概念，统一将变焦距系统运动组元的移动距离和焦距作为变量，并将组元的F数作为约束条件，提出了一种能同时求解多组元全动型变焦距系统在每个变焦位置高斯光学参数的计算方法，并给出了设计实例，证明了算法的可行性，提高了光学系统设计的智能化程度。     

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.     

High frequency acoustic microscopy with Fresnel zoom lens

The acoustic field distributions and the convergent beams generated by the planar-structure Fresnel zone transducers on solid surface are investigated. Because only 0 and 180 degree phase transducers are used, an imaging system with the Fresnel zoom lens could work at very high frequency, which overcomes the frequency limit of the traditional phased array acoustic imaging system. Simulation results are given to illustrate the acoustic field distributions along the focal axis and the whole plane as well. Based on the principle of scanning of the focus with the change of frequency for the excited signal, an experimental imaging system is also built. Acoustic Fresnel zone transducers are fabricated at center frequency of 400 MHz. Measurements and detections of the known hole flaws at different depths of the fused quartz sample are presented to show that the imaging system with Fresnel zoom lens could move its focus by only changing the frequency of the excited signal.