层叠微透镜阵列扫描成像系统的模拟仿真与实验研究

摘要

微小化和智能化是当今科技追求的目标，随着微电子学的蓬勃发展，微光学元件也在科学研究、工业生产等领域发挥着越来越重要的作用。微透镜阵列(MicroLensArray,MLA)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。层叠式MLA通常由两片MLA和一个二维微位移驱动器组成，可应用于扫描式成像光学系统中，以解决光学成像高空间分辨率与大视场之间的固有矛盾，具有定位精度高、响应快、结构紧凑等优点。　　本文以高分辨率、大视场的扫描光学成像系统为应用目标，研究了层叠式MLA的工作机理、结构特征、设计方案和优化模式，通过仿真建模和数值分析建立了MLA在扫描成像系统中的物理模型，并重点分析了影响成像效果的光场衍射效应和杂散光串扰。同时，针对已有的整体尺寸63mm?63mm、子单元孔径为0.7mm的MLA样品，设计了适用于层叠式MLA工作的机械工装，搭建了1064nm波段的扫描成像结构，演示了扫描角度为?8?，瞬时视场为?1.06?的扫描成像实验。　　首先，本文介绍了收发一体的层叠式MLA扫描成像的基本原理和物理模型，研讨了现今MLA的常用加工方式，为扫描式MLA成像系统的实验实现提供基础。　　然后，设计了验证工装并搭建系统进行性能验证。针对实验中MLA的发射和接收性能与仿真结果产生的偏差，从杂散光和衍射效应两个方面进行了详细的理论推导与仿真分析：完成了系统公差的理论与仿真分析和不同子孔径形状的MLA系统推导，揭示了衍射效应与焦距及子单元孔径之间的关系，为后续实验的问题的解决和改进提供了导向，并为MLA的光束控制应用提供理论支撑，为MLA的建模、设计等提供依据。　　最后，对MLA的实验机械工装进行了改进，搭建系统并进行了实验演示。通过调整机械装置，完成了对层叠MLA相对偏心、倾斜和间距进行了校正控制，通过对目标物体成像观察，成像质量得到了很大的改善，满足设计使用要求。

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