微透镜阵列扫描成像系统的衍射分析与研究.pdf
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1、第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ,年 月 ,文章编号:()光学技术微透镜阵列扫描成像系统的衍射分析与研究陈卉(中国电子科技集团第十一研究所,北京 )摘要: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
2、像;杂散光中图分类号:文献标识码:(,):,:;收稿日期:;修订日期:引言自 年后,微光学技术出现在大众视野,从此以机械、力学、光学、电子学等领域为代表的仪器,快速朝着微小集成化方向发展,实现了从器件到系统的转变 。代表性的微小光学元件阵列包括微透镜阵列、微反射镜阵列等,它们已在各自的领域起着重要的作用 。微透镜阵列(,)主要是由尺寸很小的子透镜单元有规律地排列而成,也是光学元器件微型化、阵列化和集成化的重要代表之一,具有体积小、重量轻、可集成等特点。目前在市面上售卖的 的子单元孔径形状主要分为矩形、圆形和六边形,尺寸也通常在 以下 。的应用广泛,按照其应用类型可以分为成像型和非成像型 系统,
3、它们均被广泛应用于光扫描系统、光互联、光束整形等领域。本文分析并推导了 扫描成像系统的衍射效应,基于 软件,数值模拟并分析了衍射图案,探索子单元孔径、焦距之间的规律,揭示了衍射效应与焦距及子单元孔径之间的关系,揭示其中的物理基础,可进一步完善微小光学理论模型、设计方法、测试手段,对于微小光学的发展及应用领域的扩展具有重要意义。微透镜阵列扫描成像系统的工作原理 伽利略式望远结构 实现扫描成像的结构原型是望远结构,而传统的望远结构分为开普勒式和伽利略式 ,伽利略式结构如图 所示。图 伽利略结构 伽利略结构的特点是:中间没有聚焦点,并成正立的像,使得前后两片 的通光孔径不可能相等。然而本文中的 要求
4、通光孔径相等,因此,此结构不适用于本文中的系统。开普勒式本文所研究 扫描成像系统采用开普勒结构为原型,其整体结构原理图如图 所示,系统的两片 的设计的子单元口径相等,为 。开普勒式 扫描成像系统的工作原理如图所示。第一片微透镜阵列()固定,第二片微透镜阵列()可以沿着垂直光轴的方向做微小位移,通过两片 之间的微小位移来约束并控制光束的上下偏转,再通过一个理想透镜接收成像,达到对目标场景一定角度范围内的扫描成像的效果。图 开普勒结构扫描成像示意图 图 扫描成像原理图 因受到 子单元透镜尺寸的限制,横向位移量存在一个最大位移量 ,定义 为子透镜单元的孔径,则 满足以下关系 :()()偏折角为扫描成
5、像系统的扫描角,与之对应的横向偏移量为。根据几何计算,扫描角满足以下三角关系:()由公式()可以看出,当 固定不变时,将随着横向位移量值增大而增大。同样地,扫描角度也是存在极限值。激 光 与 红 外 第 卷 影响微透镜阵列扫描成像系统的主要因素如图 所示,在理想情况下,平面波入射到 上,经 出射的仍为准直光束。但是由于加工精度、装配误差等因素,光线传输位置会发生颠覆性的变化 ,对系统引入杂散光或产生衍射效应,会严重影响光束的传输效率和系统的清晰度等。因此,需要对其中一些主要的影响因素进行深入的探索和研究,为 系统的设计和测试手段的提供参考。图 系统的波前变化分布 衍射效应当光学元器件的尺寸降低
6、到亚毫米量级及以下时,已经不能用传统的几何光学对其成像性能进行分析 。由于 子单元孔径较小,实际误差导致光场易在子单元孔径上发生衍射,影响光束传输效率和准确性,进而影响系统成像的清晰度,导致系统分辨率大大降低。杂散光在常见的光学系统中,除了正常传输的所需成像光以外,往往还夹杂一些严重影响系统成像质量的非成像光束,这些非成像光束被称为杂散光。在实际的系统中,由于两片 之间的间距、相对偏心和倾斜等因素都会引入杂散光串扰,严重影响系统的成像质量,降低像面的对比度和调制传递函数,其原理如图 所示,下面将对两片 之间的间距和相对偏心、倾斜进行详细的分析。图 微透镜阵列光束偏转示意图 间距透镜阵列因为单元
7、口径小、焦距短,所以对间距非常敏感。通过 软件仿真,由图 可见,两片 的空气间隔为 ,当两片 间距变化 ,在 扫描视场平行光入射不再是平行光出射,导致系统的分辨率大大降低,成像质量变差。图 空气间距变化仿真 相对偏心和倾斜图()、()分别表示两片 的相对偏斜和倾斜的示意图。设 相对于 的偏心角为,理想状态的两片 彼此之间所允许的偏心公差可以表示为:槡()两片 的相对倾斜产生一个离散的焦斑:()()同时产生一个倾斜的波阵面:()槡()当系统中两片 的相对偏心倾斜公差较大时,系统会产生离散的焦斑,增加像面上的噪声,影响系统的成像质量。因此应当严格的保证两片激 光 与 红 外 陈卉微透镜阵列扫描成像
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