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微透镜阵列光学实现卷积运算

红外与激光工程 2022年第2期51卷 417-422页

作者：费宇航隋修宝王庆宝陈钱顾国华南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

卷积作为一种简单的线性平移不变运算,被广泛应用于图像处理的各个领域,其衍生出的卷积神经网络更是在人工智能领域中大放异彩。为了应对后摩尔时代AI推理芯片算力受限的问题,光学神经网络应运而生。光学卷积神经网络作为其中一个重要... 详细信息

卷积作为一种简单的线性平移不变运算,被广泛应用于图像处理的各个领域,其衍生出的卷积神经网络更是在人工智能领域中大放异彩。为了应对后摩尔时代AI推理芯片算力受限的问题,光学神经网络应运而生。光学卷积神经网络作为其中一个重要的研究热点对光学神经网络的发展起到了重要的推动作用。设计了一种光学卷积系统,基于微透镜阵列与透镜组成的匀光光路对光场所携带的图像做二维卷积,该系统可以光学实现图像平滑和锐化。当使用空间光调制器来投影卷积核和输入图像时,系统可以实现各种步长的三种卷积形式,也可以通过多次投影/平铺实现多通道的三维卷积,进而为实现光学卷积神经网络用于复杂的图像处理任务奠定基础。

关键词：光学卷积微透镜阵列匀光系统图像处理

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微透镜阵列扫描成像系统的衍射分析与研究

激光与红外 2023年第7期53卷 1087-1094页

作者：陈卉中国电子科技集团第十一研究所北京100015

微透镜阵列是微光学元件典型器件之一,广泛的应用于光束整形、精密测量、光学成像等场景。本文研究了微透镜阵列扫描成像系统的工作机理,并重点分析了影响成像质量的光场衍射效应和杂散光串扰,完成了微透镜阵列扫描成像系统衍射效应的... 详细信息

微透镜阵列是微光学元件典型器件之一,广泛的应用于光束整形、精密测量、光学成像等场景。本文研究了微透镜阵列扫描成像系统的工作机理,并重点分析了影响成像质量的光场衍射效应和杂散光串扰,完成了微透镜阵列扫描成像系统衍射效应的推导与仿真,揭示了衍射效应与焦距及子单元孔径之间的关系,为微透镜阵列扫描成像系统的实际应用提供了导向,并为微透镜阵列的光束控制应用提供理论支撑,为微透镜阵列的建模、设计等提供依据。

关键词：微光学微透镜阵列衍射效应扫描成像杂散光

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微透镜阵列注射压缩成型的残余应力

中南大学学报（自然科学版） 2017年第10期48卷 2636-2641页

作者：孙磊磊蒋炳炎陈磊蒋丰泽中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083

利用Autodesk Moldflow Insight软件,通过正交实验仿真分析熔体温度、模具温度、压缩速度、压缩距离、压缩压力和压缩延迟时间这6个因素的工艺特性,并进行极差分析。按照压缩框主轴压缩的方式制作注射压缩模具,采用单因素实验设计研究... 详细信息

利用Autodesk Moldflow Insight软件,通过正交实验仿真分析熔体温度、模具温度、压缩速度、压缩距离、压缩压力和压缩延迟时间这6个因素的工艺特性,并进行极差分析。按照压缩框主轴压缩的方式制作注射压缩模具,采用单因素实验设计研究熔体温度、模具温度、压缩速度这3个主要因素的工艺特性,运用应力-光学定律,根据测量所得光程差间接得到平均残余应力。研究结果表明:模具温度对残余应力的影响最大,其次是压缩延迟时间和熔体温度;残余应力随模具温度的升高而降低,随熔体温度的升高先减小后增大,随压缩延迟时间的增加而上升。

关键词：微透镜阵列注射压缩成型残余应力

微透镜阵列的飞秒激光空间光束整形制造方法与应用研究

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微透镜阵列的飞秒激光空间光束整形制造方法与应用研究

作者：时公水中南大学

学位级别：硕士

微透镜阵列是一种常用的微光学元件,它在光束整形,成像,光扩散等领域有着广泛的应用,但现有的加工方法或工艺复杂,或加工效率低,或受限于柔性靶材,因此目前仍缺少一种快速高效且能够在石英玻璃等具有良好性能的硬脆性材料上加工微透镜... 详细信息

微透镜阵列是一种常用的微光学元件,它在光束整形,成像,光扩散等领域有着广泛的应用,但现有的加工方法或工艺复杂,或加工效率低,或受限于柔性靶材,因此目前仍缺少一种快速高效且能够在石英玻璃等具有良好性能的硬脆性材料上加工微透镜的方法。飞秒激光作为一种易于控制,方法简便的,适用于难加工材料的加工方式,已被广泛应用于微纳尺度,难加工材料等极端制造领域,本文采用飞秒激光空间光束整形技术,在石英玻璃表面直接加工出微凸透镜阵列,并且详细研究了加工参数对其形貌的影响,探究了加工得到的微透镜阵列具有的性能,主要研究内容如下:1.总结概括了微透镜阵列的国内外研究现状,介绍了飞秒激光的加工优势,探讨了飞秒激光加工电介质材料时的加工机理,并对飞秒激光加工微透镜的方法进行了总结,提出了利用空间光束整形改变光束的光强分布来制造微透镜阵列的方法。2.设计并搭建了飞秒激光空间光束整形的光路,对光路搭建过程中各种误差的影响做了分析。对锥透镜形状以及倾斜和偏心等位置误差的影响做了分。并且通过拉长透镜组焦距的方法来降低误差的影响实现了对透镜组轴向距离较精准的测量。根据实际条件和光路的要求对4f系统的透镜组进行了选择,并利用移动平台对其通过在低阈值材料上的打孔加工对得到的贝塞尔光束的光强分布做了检验。3.完成了微透镜阵列的加工实验工作,通过不同光强分布的激光加工结果,验证了光强分布对于加工形貌起着决定性作用,研究了不同试验参数(扫描速度,单脉冲能量,进给量)对所加工微透镜形貌的影响,通过实验发现深度以及深径比主要受扫描速度的影响,而宽度主要受单脉冲能量的影响,因此可以通过改变单脉冲能量来调控尺寸,改变速度来调控深径比,对于其横截面轮廓进行分析,发现其接近于抛物线。同时利用超声清洗及局部热回流等方法改善了微透镜的表面质量,使其能够满足实际要求。4.对加工得到的微结构进行了性能测试,通过聚焦以及成像测试表明其具有良好的光学性能,聚焦光斑的峰值强度标准差在5%以内,表明加工得到的微透镜具有良好的一致性,成像测试表明微透镜有实际应用价值,微透镜阵列区域在经过表面改性后可以达到接近超疏水的效果,可以实现表面的自清洁。同时还对其应用进行研究,验证了并行加工的可行性,加工得到的微透镜可以用来光束匀化,将光强分布不均匀的光束转变为光强均匀的光束,匀化光束的RMS值可以控制在0.1左右,说明微透镜阵列的匀化效果良好。图103幅,表8个,参考文献80篇。

关键词：飞秒激光空间光束整形微透镜阵列石英玻璃

基于高阶抑制达曼光栅的微透镜阵列焦距的快速测量

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中国激光 2024年第6期51卷 124-131页

作者：郑奉禄余俊杰朱镕威马国庆张军勇中国科学院上海光学精密机械研究所光芯片集成研发中心上海201800 上海科技大学上海201210 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201899

提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果,且高阶衍射级次能够得到有效抑制,通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五... 详细信息

提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果,且高阶衍射级次能够得到有效抑制,通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五的高阶抑制二维达曼光栅,分束后的光束经过微透镜,在其焦面附近形成高对比聚焦光斑阵列。相比常规一维光栅,所提方法通过测量每个微透镜焦面内光斑两两之间的距离,得到多个焦距值,从而有效减少测量的随机误差。实验结果表明,该方案对微透镜阵列焦距的单次测量误差小于3.5%,重复测量误差在4.5%之内。该方案对微透镜阵列的焦距分布快速评估具有实用价值。

关键词：测量高阶抑制达曼光栅微透镜阵列焦距测量

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微透镜阵列动态显示薄膜的设计及制备方法

光学技术 2021年第5期47卷 548-555页

作者：姜世平王德麾董小春谢志梅四川云盾光电科技有限公司四川成都610207 四川芯辰光微纳科技有限公司四川成都610065

基于微透镜阵列和微图形阵列的莫尔动态显示技术能够显示具有立体效果的三维图像。介绍了一种集成于高分子薄膜上的微透镜阵列和微图形阵列的设计及制备方法。提出了动态显示的几何模型,采用该模型推导了动态图像周期、方向及动态效果... 详细信息

基于微透镜阵列和微图形阵列的莫尔动态显示技术能够显示具有立体效果的三维图像。介绍了一种集成于高分子薄膜上的微透镜阵列和微图形阵列的设计及制备方法。提出了动态显示的几何模型,采用该模型推导了动态图像周期、方向及动态效果的设计公式,可以实现上浮、下沉、相对移动等动态显示效果的设计。研究了动态图形的非阵列成像模式,得到了可以随视角变化发生消失、浮现的非阵列动态图形。采用光刻及压印的方法进行了动态显示薄膜的制备实验,结果表明动态图像的周期、方向及位移的测量值相对理论值的最大偏差分别为11%、16%和14%。提出的方法能有效地评估动态显示薄膜的性能及制备容差。

关键词：微结构微透镜阵列莫尔纹动态显示光刻

微透镜阵列衍射效应对夏克一哈特曼波前探测器的影响分析

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中国光学（中英文） 2023年第1期16卷 94-102页

作者：朱沁雨陈梅蕊陆焕钧樊丽娜彭建涛孙会娟徐国定毛红敏曹召良苏州科技大学物理科学与技术学院江苏苏州215009 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室江苏苏州215009 中国航天科技集团公司上海卫星工程研究所上海201109 北京联合大学数理部北京100101

微透镜阵列的衍射效应会影响夏克—哈特曼波前探测器的探测精度。本文根据惠更斯-菲涅耳衍射理论建立二维微透镜阵列衍射模型,模拟分析使用理想平行光入射微透镜阵列时在焦平面产生的二维衍射光斑阵列。然后,通过计算衍射光斑偏移一个... 详细信息

微透镜阵列的衍射效应会影响夏克—哈特曼波前探测器的探测精度。本文根据惠更斯-菲涅耳衍射理论建立二维微透镜阵列衍射模型,模拟分析使用理想平行光入射微透镜阵列时在焦平面产生的二维衍射光斑阵列。然后,通过计算衍射光斑偏移一个像素的过程中质心的误差,确定最大质心计算误差。接着,利用模式法进行波前重构,获得波前探测误差。仿真结果显示:在偏移0.21和0.79个像素,即波面偏转0.03°和0.13°时,衍射导致的波前误差最大为0.125λ。最后,实验验证了该误差计算方法的有效性。该研究结果可为夏克一哈特曼波前探测器的设计提供理论依据。

关键词：哈特曼波前探测器微透镜阵列衍射效应波前重构探测误差

微透镜阵列及光栅褶皱结构的制备及其在太阳能电池上的应用研究

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微透镜阵列及光栅褶皱结构的制备及其在太阳能电池上的应用研究

作者：吕良伟南京邮电大学

学位级别：硕士

硅太阳能电池具有无毒、可靠、价格低廉、性能稳定等优点,在现代光伏市场占据的份额已经超过了90%,科研人员们对于提升其性能的研究也一直在进行。微透镜阵列由于其具有良好的光学特性如:尺寸小、折射率可变、阵列化等特点,而且对于进... 详细信息

硅太阳能电池具有无毒、可靠、价格低廉、性能稳定等优点,在现代光伏市场占据的份额已经超过了90%,科研人员们对于提升其性能的研究也一直在进行。微透镜阵列由于其具有良好的光学特性如:尺寸小、折射率可变、阵列化等特点,而且对于进入太阳能电池表面的入射光有着陷光作用,能够有效提升太阳能电池的光电转换能力,受到科学家们的关注。本文采用光刻法结合热回流工艺在硅基底上制备了不同结构,不同尺寸的光刻胶薄膜微透镜阵列模具,并通过紫外纳米压印技术将微透镜阵列成功的制备在太阳能电池表面;通过等离子体处理技术制备出周期可调制微透镜纳米光栅褶皱结构,并将其应用到太阳能电池表面,研究了微结构对太阳能电池光电转换性能的影响。具体工作内容如下:(一)通过光刻技术结合热回流工艺在硅基板上制备得到不同尺寸的微透镜阵列模板,其结构分别为圆形、六边形和正方形。通过紫外纳米压印技术将该结构复制到玻璃衬底上,使用扫描电子显微镜测试了光刻胶薄膜微透镜阵列的表面形貌,测试结果显示出制备得到的微透镜阵列结构大小均匀,排列紧密,表面光滑。使用光学显微镜测试了光刻胶薄膜微透镜阵列的光学聚焦与成像性能,结果表明所制备的光刻胶薄膜微透镜阵列具有良好的光学聚焦及成像性能。(二)将该光刻胶薄膜微透镜阵列应用在太阳能电池表面,测试了太阳能电池的表面水滴接触角结果表明该光刻胶薄膜微透镜阵列太阳能电池具有良好的表面疏水性,微透镜阵列结构能够提升太阳能电池的表面自清洁能力。利用模拟太阳光检测站测试了光刻胶薄膜微透镜阵列太阳能电池的光电转换性能,其中,透镜边长为15μm的正方形微透镜阵列太阳能电池的光电转换效率的提升了约14.40%。(三)利用氧等离子体处理技术结合拉伸技术在PDMS薄膜表面制备得到光栅褶皱结构,研究了等离子体处理功率以及处理时间对光栅褶皱的周期和振幅的影响。使用扫描电子显微镜和原子力显微镜测试了光栅褶皱结构的表面轮廓,测试结果显示制备得到的光栅褶皱结构,表面光滑,结构均匀,随着等离子体处理功率和时间的增大,光栅褶皱的周期和振幅都增加。进一步在PDMS微透镜阵列表面制备得到光栅褶皱结构,并将其应用到太阳能电池上,通过扫描电子显微镜观察到该PDMS微透镜阵列表面的光栅褶皱清晰可见、结构均匀、完整。

关键词：微透镜阵列光刻热回流太阳能电池紫外纳米压印等离子体处理

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微透镜阵列光学参数表征研究

微透镜阵列光学参数表征研究

作者：李文瑾西安工业大学

学位级别：硕士

微透镜阵列是由尺寸从几百纳米到几毫米的小透镜按一定顺序排列成的。由于具备聚光和用于成像系统的两种功能,被广泛应用于当前光学领域,其光学性能指标会直接影响所在光学系统的性能,因此对微透镜阵列的光学参数进行检测至关重要。目前... 详细信息

微透镜阵列是由尺寸从几百纳米到几毫米的小透镜按一定顺序排列成的。由于具备聚光和用于成像系统的两种功能,被广泛应用于当前光学领域,其光学性能指标会直接影响所在光学系统的性能,因此对微透镜阵列的光学参数进行检测至关重要。目前,微透镜阵列的光学性能指标主要有:焦距及焦斑大小、均匀性、点扩散函数、波像差、衍射效率、散射率及透过率等。本文主要针对微透镜阵列的均匀性和透过率两种参数进行研究和测试,首先设计搭建微透镜阵列的分布均匀性光学检测系统,对微透镜阵列进行不同区域抽样采集,再基于图像处理技术数字化地评价了微透镜阵列的均匀性,最后搭建设计了积分透射率测量系统对微透镜阵列的透过率进行测量,分析三种不同波长下的微透镜阵列透过率。本文详细研究了基于图像处理的微透镜阵列分布均匀性测试方法,可以用样品的表面形貌或焦斑分布的均匀性来表征阵列均匀性。当光线通过微透镜阵列后,每个小透镜聚焦在焦平面上可得到一组光斑分布,并基于显微透射成像理论设计了一套评价阵列均匀性的光学检测系统。以K9玻璃为基底、镀有Si O薄膜的微梯形结构阵列作为待测样品,该透镜阵列高度为0.5μm、底宽为1μm、填充比为50%。结合透镜基本参数设计显微成像系统,完成对光源、显微物镜和光电探测器的选型,再根据CCD成像原理搭建显微成像光路,对微透镜阵列不同区域进行抽样采集透镜阵列分布图。基于数字图像处理技术对微透镜阵列的均匀性进行分析,先以直方图比较为基础计算出标准图像和随机区域图像的相关性、卡方和巴氏距离,判断微透镜阵列部分区域是否存在缺陷。再采用自适应Otsu阈值对图像进行二值化处理,以及利用边缘检测和水漫填充算法识别光斑,最后用直方图统计识别疵病位置坐标和占比,并计算出光斑的面积、方差及均匀性误差。通过对微透镜阵列不同区域进行抽样检测得到多个均匀性误差值,比对区域的一致性程度,以微透镜阵列均匀性误差相差±5%为标准去判断其均匀性分布情况。以积分球为核心,结合相关检测原理和Labview数据采集处理设计了积分透射率测量系统,完成透射光强对应电压的采集及处理的软件编程,实现微透镜阵列的透过率测量。分析得出在405nm、525nm和635nm波长下,微透镜阵列随着激光波长的增大呈微弱下降趋势,但变化不明显,且透过率都在80%左右,保持很高的透过性。

关键词：微透镜阵列光学性能图像处理积分透射率测量