【摘要】：隨著近代光學(xué)的快速發(fā)展和光學(xué)制造技術(shù)的進(jìn)步,微型化、集成化、多功能化逐漸成為光學(xué)元件的重要發(fā)展方向,而陣列光學(xué)元件以其體積小、重量輕、集成度高等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到科研工作者重視。本文基于陣列光學(xué)元件的光學(xué)特性對(duì)陣列光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)計(jì),將其應(yīng)用到成像和非成像光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中,并采用超精密加工技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)陣列光學(xué)元件進(jìn)行切削加工。首先是對(duì)陣列光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與加工理論基礎(chǔ)的介紹。分析了陣列光學(xué)元件的光線理論以及陣列光學(xué)元件光束均化器的均光原理,為后期設(shè)計(jì)做好理論基礎(chǔ)。同時(shí)詳細(xì)闡述了陣列光學(xué)元件的加工技術(shù),分析討論在實(shí)際加工陣列光學(xué)元件過(guò)程中可能遇到的困難。其次實(shí)現(xiàn)了對(duì)陣列光學(xué)元件的設(shè)計(jì),分為三部分內(nèi)容:一是基于陣列光學(xué)元件的特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)出圓形孔徑矩形排布陣列光學(xué)元件以及正方形孔徑陣列光學(xué)元件,并用Matlab軟件進(jìn)行驗(yàn)證;二是將圓形孔徑矩形排布陣列光學(xué)元件應(yīng)用于電子內(nèi)窺鏡中,應(yīng)用光學(xué)軟件Zemax設(shè)計(jì)出一款全視場(chǎng)為110°的高清電子內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)在120lp/mm處為0.36,接近衍射極限,滿足醫(yī)療使用的要求;三是將正方形孔徑陣列光學(xué)元件應(yīng)用于激光光束整形器當(dāng)中,在保證能量傳輸效率的同時(shí),將分布不均勻的高斯光束整形為平頂矩形光束,將光束的不均勻性控制在7%以?xún)?nèi),充分發(fā)揮陣列光學(xué)元件均光特性的同時(shí)擴(kuò)大了激光光束的應(yīng)用范圍。最后采用超精密單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)快刀伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列光學(xué)元件的加工,通過(guò)探針式輪廓儀和白光干涉儀對(duì)加工工件的檢測(cè),得到陣列單元邊長(zhǎng)為4.165mm,矢高平均值為0.145mm,表面粗糙度小于10nm,表面輪廓與理論值基本吻合。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN256
【圖文】：

高速發(fā)展的信息技術(shù)工業(yè)對(duì)電路器件的集成度要求越來(lái)越嚴(yán)格，促使著人類(lèi)不斷探索突破器件尺寸極限的方法，而伴隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化、多功能化的光學(xué)系統(tǒng)逐漸成為光學(xué)元器件重要發(fā)展方向。作為微小型光機(jī)電系統(tǒng)的核心元件——微光學(xué)器件不僅具有質(zhì)量輕、體積小、衍射效率高、易復(fù)制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)其他光學(xué)元器件難以達(dá)到的微小、陣列以及集成等要求，從而對(duì)以光學(xué)元器件為基礎(chǔ)的信息捕獲、抽取、測(cè)量等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而陣列光學(xué)元件作為一種體積小，重量輕的微光學(xué)元器件，在微型化和集成化方面有著不容忽視的價(jià)值，符合現(xiàn)代光學(xué)元器件的發(fā)展方向，從而在民用和軍用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，發(fā)展前景無(wú)限廣闊。陣列光學(xué)元件是指將輸入的一束光轉(zhuǎn)換成多束光輸出的功能器件[1],具有集成度高，陣列單元小等特點(diǎn)，符合新型光學(xué)性能要求，同時(shí)在許多新型光學(xué)系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。陣列光學(xué)元件按照其基底可以分為平面基底陣列光學(xué)元件[2]以及曲面基底陣列光學(xué)元件[3]，如圖 1.1 所示。按照陣列單元形狀通常情況下可以將其分為圓形、正方形以及六邊形陣列光學(xué)元件。陣列光學(xué)元件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)上的研究，有助于提高其在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而促進(jìn)微光學(xué)領(lǐng)域的向前發(fā)展，是一個(gè)可行的研究方向。

圖 1.3 六邊形陣列光學(xué)元件（a,b,c）隨著光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)以來(lái)，在曲面上設(shè)計(jì)陣列光學(xué)元件得到越來(lái)廣泛的關(guān)注，2007 年，Daniela Radtke 等人采用刻蝕方法在凹面鏡上加工出圓形孔陣列光學(xué)元件[8]，陣列光學(xué)元件的排列均勻性很好，如圖 1.4（a）。2015 年，美Wisconsin-Madison 學(xué)校 Mohammad J. Moghimi 在可彎曲的基底上加工菲涅爾波帶片列，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大視場(chǎng)角和調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的功能[9]：每一個(gè)陣列單元指向不同的角度獲取像，從而獲得極大視場(chǎng)角；同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)基底彎曲的角度，每一個(gè)陣列單元的位可以得到調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)軸上焦點(diǎn)掃描的功能，如圖 1.4（b）所示。以上這些陣列學(xué)元件在增大填充系數(shù)或是提高視場(chǎng)角方面發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。a） b）

圖 1.3 六邊形陣列光學(xué)元件（a,b,c）隨著光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)以來(lái)，在曲面上設(shè)計(jì)陣列光學(xué)元件得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，2007 年，Daniela Radtke 等人采用刻蝕方法在凹面鏡上加工出圓形孔徑陣列光學(xué)元件[8]，陣列光學(xué)元件的排列均勻性很好，如圖 1.4（a）。2015 年，美國(guó)Wisconsin-Madison 學(xué)校 Mohammad J. Moghimi 在可彎曲的基底上加工菲涅爾波帶片陣列，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大視場(chǎng)角和調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的功能[9]：每一個(gè)陣列單元指向不同的角度獲取圖像，從而獲得極大視場(chǎng)角；同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)基底彎曲的角度，每一個(gè)陣列單元的位置可以得到調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)軸上焦點(diǎn)掃描的功能，如圖 1.4（b）所示。以上這些陣列光學(xué)元件在增大填充系數(shù)或是提高視場(chǎng)角方面發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。a） b）

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2802327