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(chǎng)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(chǎng)需求日益增長(zhǎng)。本論文提出基于電場(chǎng)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(chǎng)操控液滴面形技術(shù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行了像差計(jì)算和性能評(píng)價(jià)，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(gè)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(chǎng)作用操控液滴面形得到非球面，并實(shí)時(shí)檢測(cè)其面形和焦斑圖像，進(jìn)行圖像處理計(jì)算像差，當(dāng)檢測(cè)到合適的面形和焦斑時(shí)，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(chǎng)操控液

3、滴面形技術(shù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置，包括機(jī)械、光學(xué)、控制電路和軟件系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)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(chǎng)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(jì)算分析了流體場(chǎng)和靜電場(chǎng)相互作用的機(jī)理，求解電場(chǎng)和液滴面形變化的關(guān)系，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。利用非球面透鏡制作及實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過高壓靜電場(chǎng)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(shí)時(shí)測(cè)量了同一液滴透鏡在不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的面形和焦斑圖像，并通過圖像處理和多項(xiàng)式擬合等方法，計(jì)算了透鏡的面形主曲率、焦距、焦斑半徑等參數(shù)隨電場(chǎng)的變化規(guī)律。對(duì)光固膠材料進(jìn)行了篩選，研究了光固膠材料各參數(shù)對(duì)電場(chǎng)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(duì)透鏡性能的影響和相應(yīng)的解決辦法。
　　 3.對(duì)制作的非球面透鏡進(jìn)行了像差計(jì)算和性能評(píng)價(jià)。對(duì)透鏡面形圖像進(jìn)

5、行圖像處理和多項(xiàng)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(jì)算了所制作的非球面透鏡的各種幾何像差和像質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)，如波像差、點(diǎn)列圖、Strehl比和光學(xué)傳遞函數(shù)等。利用實(shí)驗(yàn)室研制的微光斑探針掃描儀，對(duì)非球面透鏡的光斑進(jìn)行精確測(cè)量，并根據(jù)焦斑圖像計(jì)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(píng)價(jià)了其光學(xué)性能。并進(jìn)行了透鏡的實(shí)際成像實(shí)驗(yàn)，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(rùn)濕狀態(tài)，利用電場(chǎng)作用改變透鏡面形制作橢圓底面的非球面液滴透鏡，對(duì)LD光束兩方向的發(fā)散角同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)直，并實(shí)時(shí)檢測(cè)出射光束的準(zhǔn)直狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到LD出射光束已經(jīng)準(zhǔn)直時(shí)，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(jì)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(cè)器上成像