非球面液滴微透鏡及其陣列的制作和應(yīng)用研究.pdf

1、及微透鏡陣列作為微光學(xué)領(lǐng)域的重要器件之一，在光纖耦合、光束整形、集成成像、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等場合有廣泛的應(yīng)用。非球面透鏡由于能消除球差，具有更好的成像性能，因此其市場需求日益增長。本論文提出基于電場操控液滴面形的制作非球面微透鏡及其陣列的新方法，并研制了集電場操控液滴面形技術(shù)、實時檢測技術(shù)、紫外光固化技術(shù)于一體的非球面微透鏡及其陣列的制作裝置，從理論和實驗兩方面研究總結(jié)了利用該裝置制作非球面透鏡陣列的工藝方法，制作了高質(zhì)量的非球面透鏡及其陣

2、列，對其進行了像差計算和性能評價，并研究了非球面液滴透鏡在LD準(zhǔn)直透鏡和復(fù)眼透鏡等方面的應(yīng)用。
　　 本論文的研究工作主要有以下幾個方面：
　　 1.提出了一種制作非球面微透鏡及其陣列器件的新方法。以紫外光固膠為液滴透鏡材料，利用電場作用操控液滴面形得到非球面，并實時檢測其面形和焦斑圖像，進行圖像處理計算像差，當(dāng)檢測到合適的面形和焦斑時，將非球面透鏡固化就可以得到具有良好光學(xué)性能的固體非球面透鏡及陣列。研制了集電場操控液

3、滴面形技術(shù)、實時檢測技術(shù)、紫外光固化技術(shù)于一體的非球面微透鏡及其陣列的制作實驗裝置，包括機械、光學(xué)、控制電路和軟件系統(tǒng)的開發(fā)，進行非球面液滴透鏡及其陣列器件的制作。
　　 2.研究總結(jié)了基于電場操控面形的非球面透鏡制作工藝方法。通過理論分析和數(shù)值計算分析了流體場和靜電場相互作用的機理，求解電場和液滴面形變化的關(guān)系，數(shù)值計算結(jié)果與實驗相吻合。利用非球面透鏡制作及實時檢測裝置進行了實驗，通過高壓靜電場作用使透鏡從自然狀態(tài)下的球冠面向

4、拋物面甚至類圓錐面變形；實時測量了同一液滴透鏡在不同強度電場作用下的面形和焦斑圖像，并通過圖像處理和多項式擬合等方法，計算了透鏡的面形主曲率、焦距、焦斑半徑等參數(shù)隨電場的變化規(guī)律。對光固膠材料進行了篩選，研究了光固膠材料各參數(shù)對電場操控液滴面形技術(shù)的影響。研究了非球面液滴透鏡在紫外光固化過程中的收縮變形，分析了其變形的原因及對透鏡性能的影響和相應(yīng)的解決辦法。
　　 3.對制作的非球面透鏡進行了像差計算和性能評價。對透鏡面形圖像進

5、行圖像處理和多項式擬合得到透鏡面形表達(dá)式，結(jié)合Zemax光學(xué)軟件用光線追跡法計算了所制作的非球面透鏡的各種幾何像差和像質(zhì)評價參數(shù)，如波像差、點列圖、Strehl比和光學(xué)傳遞函數(shù)等。利用實驗室研制的微光斑探針掃描儀，對非球面透鏡的光斑進行精確測量，并根據(jù)焦斑圖像計算了透鏡的PSF、MTF和Strehl比，分析了所制作的非球面透鏡的像差參數(shù)，評價了其光學(xué)性能。并進行了透鏡的實際成像實驗，效果良好。
　　 4.研究了非球面液滴透鏡在L

6、D準(zhǔn)直和復(fù)眼透鏡等方面的應(yīng)用。研制了LD準(zhǔn)直透鏡制作裝置，直接在LD出光窗口上滴液滴制作準(zhǔn)直透鏡，限制其底面潤濕狀態(tài)，利用電場作用改變透鏡面形制作橢圓底面的非球面液滴透鏡，對LD光束兩方向的發(fā)散角同時進行準(zhǔn)直，并實時檢測出射光束的準(zhǔn)直狀態(tài)，當(dāng)檢測到LD出射光束已經(jīng)準(zhǔn)直時，將液滴透鏡固化，就得到了為該LD量身定做的一體化準(zhǔn)直透鏡。提出了球冠形復(fù)眼透鏡的設(shè)計方案，在球冠面上制作非球面透鏡，各通道透鏡接收固定立體角的入射光并在平面探測器上成像