微透镜阵列成像质量的研究

作     者：李恩琪 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李武军;王晓颖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：微透镜阵列成像 空间光调制器 相位灰度图 成像质量 

摘      要：20世纪下半叶,随着光信息技术的发展,人类步入“光的崭新时代,微米量级光电元器件的出现,使得整个光电系统的发展迈向了微型化,阵列化以及集成化的全新领域,其次全息透镜,梯度折射率透镜,空间光调制器等一批光学器件的研发使得光信息技术的应用迈上了新的台阶。本文在理论分析微透镜阵列成像的基础上,利用具有可编程特性的空间光调制器制作菲涅尔透镜与微透镜阵列,从理论和实验两个方面出发,研究微透镜阵列光学系统中影响成像质量的因素。主要工作内容如下:从衍射和光线理论出发,推导了微透镜阵列在成像过程中的传输特性与规律,得到了微透镜阵列的点扩散函数;给出像面上的复振幅分布是物面上所有的点通过不同单元透镜后所成像的叠加。针对LETO纯相位反射型电寻址液晶空间光调制器,利用泰曼—格林干涉光路测量了其对633nm波长的相位调制特性,拟合得到了相位—灰度调制曲线。数值模拟了菲涅透镜的相位分布,在此基础上根据测量得到的相位—灰度调制曲线,设计制作了不同焦距的菲涅尔透镜相位灰度图,并将其拓展至微透镜阵列的制作。针对基于空间光调制器的微透镜阵列成像质量,通过理论计算得出了衍射效率与单元透镜所占像素数目的关系,给出当衍射效率为95%时,透镜中心需包含的相位级数不低于8,即透镜直径所占像素数目需大于16;给出了单元透镜所占像素数目、微透镜的焦距、工作波长需满足的约束条件,当波长为455nm和633nm,透镜像素为1080×1080时,透镜的最小焦距分别为97mm和70mm;当透镜像素为540×540时,透镜的最小焦距分别为48mm和35mm;同一波长的入射光,空间光调制器可加载透镜的最小焦距随单元透镜所占像素数目的减小而减小;并且随着波长的增加,对应透镜的最小焦距减小。数值模拟了经透镜后像方不同位置处的图像,实验完成了基于空间光调制器的菲涅尔透镜成像,对两者获得的图像采用Variance方差函数进行了图像清晰度评价。结果表明,最清晰的像位置均在理论成像位置附近,且处于成像清晰度评价大于0.8的范围之内。表明利用空间光调制器制作菲涅尔透镜满足透镜的成像规律,能很好的实现透镜的成像功能。从理论和实验两个方面,讨论了微透镜阵列焦面的光场分布;依此搭建微透镜阵列的成像光路,以白光为光源,在空间光调制器上加载不同焦距的微透镜阵列相位灰度图,实验研究了单元透镜的孔径尺寸和间距对成像质量的影响。结果给出,单元透镜的孔径尺寸是影响成像清晰度的主要因素,不同焦距的微透镜阵列成清晰像时对应有一个最佳孔径,且该最佳孔径随着透镜焦距的增大而增大;单元透镜的间距是影响单元透镜成像交叠的因素,当微透镜阵列成像产生交叠时,可以通过增大单元透镜间距来避免交叠产生。表明在基于空间光调制器的微透镜阵列成像系统中,可以通过给单元透镜增加孔径限制和控制单元透镜的最小间距,提高微透镜阵列的成像质量。