阵列光学元件的设计与制造技术研究

发布时间：2020-08-24 10:12

【摘要】：随着近代光学的快速发展和光学制造技术的进步,微型化、集成化、多功能化逐渐成为光学元件的重要发展方向,而阵列光学元件以其体积小、重量轻、集成度高等优势越来越受到科研工作者重视。本文基于阵列光学元件的光学特性对阵列光学元件进行设计,将其应用到成像和非成像光学系统当中,并采用超精密加工技术对设计阵列光学元件进行切削加工。首先是对阵列光学元件的设计与加工理论基础的介绍。分析了阵列光学元件的光线理论以及阵列光学元件光束均化器的均光原理,为后期设计做好理论基础。同时详细阐述了阵列光学元件的加工技术,分析讨论在实际加工阵列光学元件过程中可能遇到的困难。其次实现了对阵列光学元件的设计,分为三部分内容:一是基于阵列光学元件的特点分别设计出圆形孔径矩形排布阵列光学元件以及正方形孔径阵列光学元件,并用Matlab软件进行验证;二是将圆形孔径矩形排布阵列光学元件应用于电子内窥镜中,应用光学软件Zemax设计出一款全视场为110°的高清电子内窥镜物镜光学系统,该系统的光学调制传递函数在120lp/mm处为0.36,接近衍射极限,满足医疗使用的要求;三是将正方形孔径阵列光学元件应用于激光光束整形器当中,在保证能量传输效率的同时,将分布不均匀的高斯光束整形为平顶矩形光束,将光束的不均匀性控制在7%以内,充分发挥阵列光学元件均光特性的同时扩大了激光光束的应用范围。最后采用超精密单点金刚石车削技术快刀伺服控制系统实现对阵列光学元件的加工,通过探针式轮廓仪和白光干涉仪对加工工件的检测,得到阵列单元边长为4.165mm,矢高平均值为0.145mm,表面粗糙度小于10nm,表面轮廓与理论值基本吻合。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN256
【图文】：

高速发展的信息技术工业对电路器件的集成度要求越来越严格，促使着人类不断探索突破器件尺寸极限的方法，而伴随着微机电技术的发展，微型化、集成化、多功能化的光学系统逐渐成为光学元器件重要发展方向。作为微小型光机电系统的核心元件——微光学器件不仅具有质量轻、体积小、衍射效率高、易复制等独特优点，同时可以实现其他光学元器件难以达到的微小、阵列以及集成等要求，从而对以光学元器件为基础的信息捕获、抽取、测量等产生深远的影响。而阵列光学元件作为一种体积小，重量轻的微光学元器件，在微型化和集成化方面有着不容忽视的价值，符合现代光学元器件的发展方向，从而在民用和军用领域都有着广泛的应用，发展前景无限广阔。阵列光学元件是指将输入的一束光转换成多束光输出的功能器件[1],具有集成度高，阵列单元小等特点，符合新型光学性能要求，同时在许多新型光学系统中得到大量应用。阵列光学元件按照其基底可以分为平面基底阵列光学元件[2]以及曲面基底阵列光学元件[3]，如图 1.1 所示。按照阵列单元形状通常情况下可以将其分为圆形、正方形以及六边形阵列光学元件。阵列光学元件设计与制造技术上的研究，有助于提高其在光学系统中的应用，从而促进微光学领域的向前发展，是一个可行的研究方向。

图 1.3 六边形阵列光学元件（a,b,c）随着光学加工技术的发展，20 世纪以来，在曲面上设计阵列光学元件得到越来广泛的关注，2007 年，Daniela Radtke 等人采用刻蚀方法在凹面镜上加工出圆形孔阵列光学元件[8]，阵列光学元件的排列均匀性很好，如图 1.4（a）。2015 年，美Wisconsin-Madison 学校 Mohammad J. Moghimi 在可弯曲的基底上加工菲涅尔波带片列，从而实现扩大视场角和调节焦点的功能[9]：每一个阵列单元指向不同的角度获取像，从而获得极大视场角；同时，通过调节基底弯曲的角度，每一个阵列单元的位可以得到调节，从而实现轴上焦点扫描的功能，如图 1.4（b）所示。以上这些阵列学元件在增大填充系数或是提高视场角方面发挥很大的优势。a） b）

图 1.3 六边形阵列光学元件（a,b,c）随着光学加工技术的发展，20 世纪以来，在曲面上设计阵列光学元件得到越来越广泛的关注，2007 年，Daniela Radtke 等人采用刻蚀方法在凹面镜上加工出圆形孔径阵列光学元件[8]，阵列光学元件的排列均匀性很好，如图 1.4（a）。2015 年，美国Wisconsin-Madison 学校 Mohammad J. Moghimi 在可弯曲的基底上加工菲涅尔波带片阵列，从而实现扩大视场角和调节焦点的功能[9]：每一个阵列单元指向不同的角度获取图像，从而获得极大视场角；同时，通过调节基底弯曲的角度，每一个阵列单元的位置可以得到调节，从而实现轴上焦点扫描的功能，如图 1.4（b）所示。以上这些阵列光学元件在增大填充系数或是提高视场角方面发挥很大的优势。a） b）

【参考文献】

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本文编号：2802327