基于微透镜阵列的光学成像系统设计与应用的研究

发布时间：2020-10-13 15:59

　　 光学系统作为人类视觉的延伸,在图像识别、天文观测、医疗仪器、武器制导等方面起着不可或缺的作用。随着人类科技水平的不断发展,对光学系统的体积、集成度、视场和精确度的要求也愈来愈高,采用传统透镜的单孔径光学系统受衍射极限、自身结构特点等因素的影响,在实现这些要求时面临诸多困难,采用新的光学理论和成像方式势在必行。微透镜阵列便是满足这一要求的新型光学器件,它由一系列孔径在微米至毫米级的微小透镜按照一定规律排列而成,具有尺寸小、集成度高、便于制造、传输损耗小、有特殊功能等优点,在光学领域中有着广泛的应用前景。本文对微透镜阵列在两个典型成像领域:光场成像和复眼成像中的应用进行了系统的研究。基于平面微透镜阵列的光场成像系统可以同时记录入射光线的方向和位置信息,以四维光场的形式存储并通过算法实现“先拍照,后对焦”的大景深图像重构。平面微透镜阵列的透镜单元尺度、填充系数和一致性直接影响光场信息的采集质量;基于曲面微透镜阵列的复眼成像系统通过对昆虫复眼自然结构的模拟,突破了传统单孔径光学系统的视场限制,可极大的扩展视场范围。曲面微透镜阵列的透镜面型结构和排布方式直接影响大视场成像质量及视场范围。结合微透镜阵列在两个典型应用领域的技术要求,围绕阵列器件的设计制造进行了深入研究,提升了成像系统的性能。本文对光场的概念和光场成像理论进行了理论推导和分析;指出了现有光场系统在传感器利用率上的不足,提出了采用紧密排列方式的方形孔径透镜阵列配合特制的方形光阑提升光能利用率;运用超精密铣削加工和微注塑技术分别制作了方形和圆形孔径的微透镜阵列模具及成品,并搭建光场成像系统进行了实验;完成了光场图像的多视角、多景深及超分辨率图像重构。实验表明,方形孔径透镜阵列相较于原系统,填充率增高了27%,在相同编码方式下对光场信息的利用率提升了96%,景深及视角范围提升了1.4倍,超分辨率图像具有更丰富的局部细节。以昆虫复眼的生理结构和光学原理的研究分析为基础,对仿生复眼设计过程中小眼排列方式、光轴夹角和小眼视场角的关系进行了详细的数学推导论证,为仿生复眼的设计提供了指导原则;设计制造了一个采用光学自由曲面的七子眼仿生复眼,达成了40°视场范围的图像采集,对复眼视场重叠理论进行了验证;结合现有各种曲面仿生复眼的优势及问题,提出了模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16块平面CCD传感器组成一个2×8曲面阵列,并配合配套的单层结构的曲面微透镜阵列,消除了传统复眼的离轴像差;通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像质量,降低了系统的制造及装配难度;达成了180°×75°视场范围内的无盲区高分辨率图像采集。本课题对典型结构特征微透镜阵列的设计制造以及在应用中的系统原理及光学机制进行了研究,通过引入新的制造方法、更精密的光学面型、更合理的系统结构提升了传统大视场、大景深光学系统的性能,明确了微透镜阵列的发展前景、技术优势及难点,为今后的工作提供了指导及参考。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74;TP391.41
【部分图文】：

放在原胶片位置，再经由同一个透镜阵列还原时，由原始图像中的一部分组成的集成图像(Integral Image）即可被人眼观察到。随着人眼的观察位置不同，可以看到的对应位置的相应图像，从而实现了被拍摄物体的三维重建。集成摄影术是最早提出的三维成像技术，也是百年之后光场成像技术的始祖。

图 1-2 离子交换法制作微透镜阵列原理示意图[12]法是在基片上涂抹一层厚度均匀的光刻胶，在胶掩膜板并用紫外光照射。光刻胶在紫外光的作用柱阵列。再将其加热到玻璃化转化温度，令光刻胶

图 1-3 光刻热熔胶法原理示意图[16]法主要利用激光光束与材料间的相互作用实现透镜阵为两类：激光刻蚀技术使用高能量激光光束直接聚焦表面，对目标区域进行破坏性蚀刻，并对蚀刻后的透
【参考文献】

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本文编号：2839378