非球面变焦距曲面复眼的优化研究

提出了一种新型的非球面变焦距曲面复眼结构。整个结构将曲面基底分为三个类扇形区域,每一区域微透镜阵列能够对一定物距的目标物成像,使得人造复眼在一定范围内实现焦距调节;根据微透镜所处的区域和位置,计算出微透镜的基本尺寸,并对微透镜进行了非球面优化。对所设计的曲面复眼进行了光线追迹,仿真结果表明成像球差降低到初始值的近百分之一,能够实现焦距调节,并解决了每一个微透镜在边缘处的球差问题,极大的提高了成像效果。     

制备人工复眼结构的方法

提出了一种人工复眼结构的制备技术。人工复眼结构是由类似于昆虫复眼的很多小眼组成。这些小眼分布在球冠基底上以能够像昆虫复眼一样实现大视场探测。通过分析不同制备技术的特点及适用范围,研究材料的特性以及不同材料之间的关系,并将各种制作工艺以及材料相融合,发展了一种可用于制备曲面微阵列元件的制备方法。在该方法中,利用微加工技术在平面上制备作为子眼的微透镜列阵结构;然后利用软光刻技术将该微透镜结构进行翻模,获得分布在柔性基底上的凹透镜列阵结构;最后利用浇铸复制技术将柔性基底上的结构转移到球冠基底上,获得所需的人工复眼结构。利用该方法,开展了相关实验,在曲面基底上制备出了包含20 000多个子眼的人工复眼结构。     

仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展

仿生复眼成像系统以其小体积、大视角、高灵敏度等优点而受到广泛关注。国内外研究者一直致力于仿生复眼的理论分析和结构设计方面的研究。综述了复眼类型以及近年来国内外新型的仿生复眼成像系统的最新研究成果。分析各种类型的仿生复眼成像系统结构和技术特点,指出不同系统的优势及存在的不足,并阐述了仿生复眼成像系统的应用前景及未来的发展趋势。     

空心透镜导管的模拟与设计

采用大口径、高功率激光二极管(LD)阵列的大型全固化二极管抽运激光系统(DPSSLs)能够产生高功率、大能量、高重复频率的优良激光。为了实现对介质的高效抽运，将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统。基于三维光线追迹的数值计算方法，编制了LD纵向抽运耦合系统模拟软件，对空心透镜导管进行模拟与设计，使系统耦合效率超过90％的同时，增益介质表面抽运场具有良好的均匀性，实现了对介质的高效均匀抽运；同时通过改变空心透镜导管的参数进行模拟比较，得出了空心透镜导管设计的经验公式，为大型DPSSLs耦合系统的设计提供了有益的参考。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

全息透镜的设计

本文通过计算从透镜的入射面到其焦平面间的光程差来计算透镜引起的相位改变,提出一种用计算机设计全息透镜的方法,并考虑光在全息透镜和象平面间传输引起的相位改变,最后用模拟出一全息透镜。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

LDA端泵浦固体激光器的耦合系统-空心导管的设计

对高效的用于面阵激光二极管阵列(LDA)的光学耦合系统一空心导管进行了系统地研究。用光线追迹方法描述了空心导管的传输特性,并与透镜导管做了比较。结果表明,面阵LDA出射的空间非连续分布的激光束通过空心导管后在近场可以获得近高斯型光场分布,空心导管不仅兼具透镜导管的特性,而且克服了透镜导管的缺陷,其传输效率为93％。     

一种掩埋式复眼微透镜阵列

模仿生物复眼,采用光刻离子交换法,在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。单元微透镜孔径呈正六角形,光斑大小为4．92μm,相邻透镜元中心距为0．5mm,掩埋透镜高为0．194mm。微透镜阵列具有对称均匀的光学特性,截距自中心至边缘逐渐变小,数值孔径（N．A．）自中心向边缘逐渐变...     

基于不同人眼模型的非球面人工晶体光学性能研究

为改善人工晶体植入眼成像质量,以多组角膜球差平均值为需补偿值,设计了前表面为非球面的双凸型非球面人工晶体。通过Zemax光学设计软件实现光线追迹的方法,基于不同人眼模型,将所设计非球面人工晶体植入,对相应眼光学系统的的成像质量进行分析,成像质量以假晶体眼光学系统的调制传递函数(MTF)和对比敏感度函数(CSF)表征。结果表明,植入本文设计的非球面人工晶体各模型眼的MTF曲线和CSF曲线均高于植入球面人工晶体;与目前临床上实际应用的LI61U型、Tecnis Z9000型和SofPort AO型3种人工晶体性能进行了对比分析,模拟分析模型为Liou眼系统,植入晶体屈光度为22D的结果表明,植入本文设计的非球面人工晶体眼光学系统的MTF和CFS曲线均高于植入其他3种晶体眼光学系统,所设计的非球面人工晶体表现出了相对优异的光学性能。     

基于孔径/视场分割的红外复眼接收系统设计

针对红外复眼子光学系统与接收光学系统的匹配问题,在分析仿生复眼设计模型的基础上,研究了基于视场分割和孔径分割的复眼接收结构,给出子眼系统和接受系统应满足的匹配条件,并以此设计了基于视场分割和孔径分割两款红外复眼接收系统。最终设计的复眼子系统工作波段为7.9~9.7 μm,焦距为6 mm,口径为2 mm。设计的基于孔径分割与视场分割的复眼接收系统焦距均为10 mm,视场均为90°,接收口径分别为16.58 mm和10 mm。系统传递函数在30 lp/mm分别高于0.35和0.40。     

基于可变焦距的非球面人工复眼定位技术研究

针对单层非均一曲面复眼不能实现变焦距成像,子眼微透镜存在较大球差导致成像质量较差等问题,研究了可变焦距的非曲面复眼,实现一定范围清晰成像。介绍了基于复眼结构的人工目标定位实验系统,建立复眼多目定位数学模型。通过曲面复眼采集多通道目标像点,标定变焦距曲面复眼模型中每个子眼位置,利用最小二乘法解算超定性方程组得到目标点的空间三维坐标。开展多目定位实验,结果表明,随着捕获目标点子眼个数增加,目标定位精度越高,当捕获目标的子眼个数大于20个时,目标定位精度在10%以内。提出的复眼成像定位方案具有可行性。     

复眼三维目标定位精度分析

为提高视觉测量系统的精度,以一种复眼结构为模型, 着重探讨了复眼系统的多子眼在提高目标定位精度中的作用,并进行系统的仿真分析。首先,对复眼结构进行了简要介绍。随后利用Zemax建立了复眼的光学入射模型。接着,设定标定目标平面并逐点设定空间三维坐标并得到标定点与透镜中心之间的入射角度。然后,建立起入射角度与对应像点之间的关系作为标定结果。最后,根据标定结果分别利用复眼中不同子眼数对空间目标点坐标进行求取。分析结果显示:利用复眼多子眼共同定位目标较传统的双目视觉能获得更高的精度,并且精度会随着子眼数目的增加而提高,该方案为复眼的实际制作和应用提供了良好的指导作用。     

用于平场光谱仪的非球面全息凹面光栅设计

基于全息凹面光栅理论和ZEMAX软件,设计了一种用于平场光谱仪的消象差平场非球面全息凹面光栅。与采用相同口径、相同相对孔径的全息凹球面光栅构成的平场光谱仪比较,在入射狭缝宽度相同的情况下,该光栅所构成的平场光谱仪的分辨率得到明显提高。同时,利用较大相对孔径非球面全息凹面光栅,可使平场光谱仪的结构更紧凑,从而可实现平场光谱仪的小型化。     

曲面复眼中对数型锥透镜成像特性研究

提出利用对数型锥透镜的焦线特性解决球面复眼系统成像过程中球透镜离焦问题.设计锥透镜焦深范围满足复眼系统各个子眼通道成像.通过仿真分析,研究了对数型锥透镜的轴上与离轴成像特性;利用金刚石切削技术和翻模技术实现该锥透镜的批量制造.实验检测结果表明,锥透镜焦线范围内轴上成像光斑直径保持一致;离轴成像时产生的十字光斑,可以通过提取交叉点,确定复眼系统子眼通道离轴成像光斑中心位置.该设计方案可用于消除球透镜固有离焦发散现象,提高复眼中各子眼对其视场内各方向光线成像光斑中心的定位精度,有效改善复眼成像质量.