倒置液滴法的非球面微小透镜制作及实验研究

非球面透镜具有优良的光学性能,为了实现利用液滴法制作非球面微小透镜,基于流体动力学二相流原理,利用COMSOL建立了层流液滴的流动模型,计算了不同体积下正置和倒置液滴内部的流动速度和压力分布及其稳态下的面形;结合实验考察了不同体积力作用对光固化液滴所得透镜面形轮廓非球面系数K及几何参数的影响。结果表明,计算与实验具有很好一致性,正置液滴透镜为K>0的扁椭球面,倒置液滴透镜的K值均为负值,且液滴体积越大越趋于双曲面;同时,倒置液滴透镜不仅具有更小的顶点曲率半径和底径,相近体积下(V=1.6,2.4μL)倒置液滴透镜聚焦光斑RMS值比正置液滴透镜的RMS值分别减小36%和45%;较大体积所得透镜具有更清晰的边缘和成像质量。因此,利用倒置液滴制作的非球面透镜具有更小的焦斑和优良的成像性能。     

基于电场操控面形的非球面复合透镜制作

介绍了一种制作非球面复合透镜的新方法.根据电场作用改变液滴透镜面形的原理,利用SU-8光固胶直接在双凹透镜表面制作液滴复合透镜,以电场作用操控液滴复合透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,用紫外光固化得到低像差的非球面复合透镜.研制了基于电场操控面形的非球面复合透镜制作实验平台,实验检测并讨论了复合透镜在电场中的变形,计算了其主曲率和焦距的变化规律.与原有的平凸非球面液滴透镜相比,此透镜具有更长的焦距和更大的变焦范围,并能保持低像差,改进了基于电场操控面形的非球面透镜制作技术,拓宽了非球面液滴透镜的应用范围.     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

基于计算机视觉的透明液滴外形的检测技术

在微流体变焦透镜的研究中,准确检测电解小液滴外形随外加电压的变化情况对寻找材料和衡量微流体透镜性能起到了重要作用。同时,待测液滴的形状参数也是描述液体与特定材料之间亲和力和液滴物理特性的重要参数之一。根据最小二乘法原理,设计了基于图像采集与处理的液滴外形检测系统。搭建实验平台,通过摄像物镜和CCD采集处于一定容器中的液滴外形轮廓图像数据,再经过图像滤波、边缘增强、二值化等图像处理技术,最后以数学模型形式描述液滴轮廓边缘曲线,并对边缘曲线数据进行曲线拟合计算液滴与容器边缘的接触角度。     

用于均匀照明的单片微透镜阵列面形设计

针对半导体光源不易均匀散射到一定的角度范围或均匀照射到确定平面上的问题,本文利用非成像光学方法设计了一种基于微透镜阵列的均匀散射透镜。该散射透镜由相同面元的微透镜周期性密排而成,微透镜单元为单曲面,根据不同应用,曲面面形可设计成不同的非球面形式。介绍了凸形、前曲面单片微透镜阵列的设计方法,并结合一些应用举例显示了该设计方法的可行性。最后讨论了凹凸面形、前后曲面微透镜阵列各自的应用场合及优缺点。     

非球面液滴透镜在LD光束整形中的应用

根据电场作用改变液滴面形的原理,提出直接在半导体激光管封装窗口上制作非球面透镜来准直半导体激光器的光束.在研制的半导体激光器准直和实时检测系统中,使用SU-8光刻胶滴于半导体激光器封装窗口上,同时限制液滴底面轮廓,用电场操控液滴透镜的面形,通过实时检测系统检测到较好的光束状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化成固体透镜,在半导体激光管封装窗口上制作出具有两种焦距的准直透镜,从而完成准直半导体激光器的制作.实验表明:所制作出的液滴透镜可同时对相互垂直方向上不等的发散角进行准直,发散角分别可达到θ⊥=14 mrad.θ∥=10 mrad.     

接触角的图像处理与检测

介绍了接触角法测定表面洁净度的基本原理,并针对表面液滴图像的特点,采用图像处理技术测量表面接触角.首先利用中值滤波算法对图像进行预处理;然后利用边缘检测和轮廓跟踪等算法提取液滴的边界曲线;最后采用以多项式作为基函数的最小二乘拟合算法拟合液滴边界曲线,继而求导得到接触角.结果表明,当选用四阶或五阶多项式为拟合函数,拟合采...     

非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

基于椭圆斑点序列图像估测清晰成像的方法

采用透镜成像的单目视觉测量模型进行位移测量时,需要知道清晰成像斑点的中心坐标。当物体发生位移时,为了获取清晰成像斑点,需要调整透镜位置,使其服从透镜成像规律。但是由于透镜制造缺陷,其焦点不是理想的一个点,而是一段小区域,当成像接近清晰时,通过微动调整透镜位置,成像清晰程度基本不变,这就是成像的不敏感区域,又称死区,因此要想获得清晰的透镜成像位置变得十分困难。为了解决这一问题,本文提出了一种基于斑点序列图像估测清晰成像位置的方法,即分别获取透镜不同位置下的斑点图像,通过图像处理得到斑点图像短径和中心坐标,根据理论推导的解析模型,对椭圆短径分成两段拟合,求取交点位置,该交点位置即为估测的清晰图像位置。最后通过实验,将透镜调整至估测的清晰图像位置并获取图像,采用边缘梯度检测和像素均值检测,验证了该位置就是清晰的透镜成像位置。     

利用三坐标测量仪拼接检测大口径非球面面形

为了利用三坐标测量仪实现对大口径非球面面形的检测,提出了大口径非球面面形三坐标拼接测试方法。对该方法的基本原理与具体的实现流程进行了分析和研究,并基于初级像差理论和最小二乘拟合建立了三坐标拼接检验大口径非球面综合优化数学模型。结合实例,对一口径为1 200 mm434 mm的长条形SiC离轴非球面反射镜进行了两个子孔径的三坐标拼接检测,并将拼接测试结果与非球面全口径轮廓检测结果进行了比对,其PV值和RMS值的偏差分别仅为0.073 m和0.042 m;两种方法面形残差的PV值和RMS值分别为0.325 m和0.055 m。     

用于共焦系统中的微光器件的制作

共焦测量方法以其独特的光学截面分辨能力和高精度的轴向分辨率受到极其广泛的关注．近年来提出的利用微光器件分割光路的思想实现了非扫描共焦成像．本文给出了共焦测量系统的结构,着重讨论了对微光器件的参数要求以及制作过程和理论分析,并结合实验系统给出实际制作的微光器件的具体参数．     

Diffraction-limited geodesic lens for integrated optic circuit

Experimental and theoretical results are presented for aberration-free (except field curvatuve) geodesic lenses. A technique of calculating the aspherical lens profile with a rounded edge is summarized. A smooth transition at the lens edge is necessary to prevent undesirable scattering between the planar guide and the guide in the lens depression. Aberration-free lenses with diffraction-limited performance have been fabricated in both glass and LiNbO3substrates. The experimental results indicate lens performance, other than the change of focal length, is not severely affected by the profile deviation resulting from lens fabrication. This is further supported by the profile tolerance analysis described in the paper.     

振动影响航空TDICCD相机像质的集成分析

采用集成建模分析法,研究了航空TDICCD相机的成像质量受到振动载荷激励影响后的变化程度。在振动激励下,光学系统镜面会产生变形和微位移,使光学性能下降。设计了一种采用非球面镜片的航空相机光学系统,建立了航空相机光机系统的有限元模型,对其进行动力学分析,得到振动激励下的各个镜面节点位移量,以Fringe Zernike多项式为接口对镜面变形进行拟合,将拟合得到的12组37项系数输入到光学软件的航空相机光路模型中进行光学性能评价。分析表明,该航空相机光学系统在振动激励下,91 lp/mm分辨率时光学调制传递函数下降了9.7%,像点点列图发生偏移和弥散,需采取相应的减振措施。     

大口径非球面镜加工建模与控制技术

数控(NC)加工技术是解决非球面镜加工困难的一种方法。针对激光装置所使用的大口径光学玻璃非球面透镜,提出采用超精密磨削技术来实现高效、高精度的成型加工。通过加工实验研究了控制磨削切深和进给速度对表面加工质量的影响,寻找出大切深缓进给的磨削加工方式,改善了元件表面加工质量,有效抑制了加工过程引入的亚表面缺陷。开展了非球面补偿加工技术实验研究,采用等面形误差曲线补偿加工方法,能有效降低元件面形峰谷(PV)值,通过两次补偿加工,330 mm×330 mm非球面镜的磨削面形误差可控制在约3μm,获得较为理想的面形加工精度。     

Full Field Temperature Measurement of Specular Wafers During Rapid Thermal Processing

Many of the processes involved in the creation of semiconductor devices involve high-temperature processing of silicon wafers. The benefits of reduced thermal budget and faster cycle time make rapid thermal processing (RTP) a possible key technology for semiconductor manufacturing. However, the problem of nonuniform wafer temperature has prevented it from further spread among the industry. The first step in developing controls to maintain a uniform wafer temperature is accurate temperature measurement during processing. In this paper, a system was developed to exploit the specular reflectivity of silicon wafers and obtain a measurement of the wafer temperature profile. The spectral reflectivity is determined by measuring the intensity of an incident beam and the beam reflected from the wafer surface. With this measured reflectivity value the spectral-directional wafer emissivity was determined using Kirchhoff's law. The obtained emissivity then was used to calculate the wafer temperature profile from an image obtained with an infrared camera. An experimental study of the transmittance of an undoped silicon calibration wafer at an elevated temperature is also discussed     

应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计

针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF₂材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λ （λ=3.39 μm）,测量精度优于λ/10 （λ=3.39 μm）。     

光学表面中高频误差的仿真分析

在光学设计和装调过程中,常常需要随时根据面形质量来预估光学系统的性能,传统的方法都是借助泽尼克多项式拟合光学表面面形来进行仿真评价。但非球面光学元件在加工过程中常常产生中高频误差,这类误差会引入小角度的散射,进而影响光学系统像质评价。提供了一种点对应点的仿真方法,通过准确评价面形质量获得高精度的像质预估结果,解决了传统的泽尼克多项式不能描述中高频成分的关键问题。该方法在实际光学系统中进行了验证,仿真结果和实测数据吻合度优于90%。     

微透镜阵列提高LED多芯片封装取光效率的仿真

提出在LED多芯片平面封装表面添加微透镜阵列,以提高取光效率。仿真分析了微透镜阵列的半径、间距和排列方式等对取光效率的影响。分析结果表明,通过在封装平面添加微透镜阵列,可以极大地提高取光效率,微透镜的填充因子是影响取光效率大小的关键因素,填充因子越大,则其取光效率越高;微透镜的排列方式对出射光强的分布也会产生影响。     

计算全息检测非球面的模拟计算研究

非球面与球面相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制.用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一,但在实际应用中,由于待测光和参考光通过计算全息(CGH)后各自均有多级衍射光,其传播方向和干涉情况又受参考光照射方向及衍射距离的影响,导致在实验中不容易判别光路调节是否正确,以及哪一组干涉图样是我们真正需要的.针对这个问题,我们对计算全息检测非球面整个过程中的衍射、干涉进行了模拟计算,通过改变参数,得到了一些有益的结果,通过它们能对实验进行预判和指导,从而避免盲目性和误判.