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非球面液滴透镜及阵列制作平台控制系统研究

作　者: 姚海涛
导　师: 王克逸
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 非球面透镜液滴透镜电场作用运动控制自动寻焦透镜阵列
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在现代光电信息技术领域,非球面透镜由于能够消除像差、成像性能良好等特点而受到广泛关注,开发经济高效的非球面透镜制造方法成为一个热点研究方向。本文基于电场操控液滴面形技术,提出了一种新型非球面液滴透镜制作及实时检测方法,并完成具体实验平台的软/硬件设计与搭建。将紫外光固化材料液滴滴在样品基底上形成液滴透镜,施加纵向高压静电场,利用电场作用操控液滴透镜面形,使其变为非球面;实时检测液滴透镜在电场作用下的面形和焦斑图像,通过数字图像处理分析液滴透镜的成像性能;在检测到理想的面形和焦斑时,使用紫外光源将液滴固化,制成固体非球面透镜。该方法制作的非球面透镜,表面光洁度高,具有良好的光学成像性能,而且工艺简单,制作成本低,易于阵列化,能够实现光学系统中透镜的在线装调。针对非球面液滴透镜及其阵列制作平台,设计开发了一套多轴运动控制系统,使制作平台各部件能够在运动中精确定位,实现了液滴透镜及其阵列制作的全自动化操作。基于制作平台的透镜聚焦光斑检测光路,设计开发了一套透镜光斑自动寻焦系统,确保在液滴透镜制作过程中实时检测其焦斑质量,以制作出具有良好成像性能的非球面透镜。利用该液滴透镜制作平台进行一系列非球面液滴透镜制作实验,研究液滴透镜面形随电场变化的规律,掌握非球面液滴透镜制作工艺,成功制作了各种尺寸规格的平凸非球面透镜及其阵列;对制作平台进行改进,制作了具有更长焦距、更大变焦范围的低像差非球面复合透镜,扩展了液滴透镜的应用场合。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9-10
  1.2 常用的透镜制作方法概述  10-12
  1.3 液滴透镜发展概述  12-16
    1.3.1 电润湿效应  12-14
    1.3.2 纵向电场操控液滴透镜面形技术  14-16
  1.4 本文的研究内容与组织结构  16-19
    1.4.1 本文的主要研究内容  16-17
    1.4.2 本文的组织结构  17-19
第2章非球面液滴透镜阵列制作平台  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 透镜制作平台设计原理  19-20
  2.3 透镜制作平台的整体结构与关键部件  20-25
    2.3.1 整体结构  20-22
    2.3.2 精密二维平移台  22
    2.3.3 微量液滴注射器与上高压电极  22-24
    2.3.4 环形紫外固化光源  24-25
  2.4 透镜制作平台的光学系统  25-28
    2.4.1 透镜聚焦光斑检测光路  25-27
    2.4.2 透镜侧面面形检测光路  27
    2.4.3 透镜阵列监视光路  27-28
  2.5 电路系统与软件系统  28
  2.6 制作平台的自动化工作流程  28-29
  2.7 本章小结  29-31
第3章实验平台运动控制系统  31-45
  3.1 引言  31
  3.2 光栅尺的应用及其信号处理  31-32
  3.3 限位（零位）开关的应用  32-33
  3.4 步进电机及其驱动器  33-34
  3.5 初版运动控制系统  34-38
    3.5.1 二维平移台运动控制  35-36
    3.5.2 液滴注射器与上电极运动控制  36-37
    3.5.3 直流电机运动控制  37-38
  3.6 新版运动控制系统  38-43
    3.6.1 MSP430 单片机与MCX314 控制芯片  39-40
    3.6.2 新控制系统结构  40-41
    3.6.3 新控制系统实物  41-43
  3.7 本章小结  43-45
第4章液滴透镜焦斑自动搜寻系统  45-53
  4.1 引言  45
  4.2 焦斑自动搜寻系统构成  45-46
    4.2.1 系统结构与工作原理  45
    4.2.2 图像采集卡  45-46
    4.2.3 软件实现  46
  4.3 常用数字图像预处理方法  46-49
    4.3.1 图像灰度化  47
    4.3.2 灰度均衡  47
    4.3.3 图像平滑  47-48
    4.3.4 阈值变换  48-49
  4.4 光斑聚集状态评价函数  49-51
    4.4.1 光斑面积比较法  49-50
    4.4.2 图像二阶中心矩方法  50-51
  4.5 寻优搜索算法  51-52
  4.6 本章小结  52-53
第5章非球面液滴透镜制作实验及成果  53-63
  5.1 引言  53
  5.2 平凸非球面液滴透镜  53-58
    5.2.1 单液滴透镜制作研究  53-57
    5.2.2 非球面液滴透镜阵列成像实验  57-58
    5.2.3 非球面液滴透镜阵列制作  58
  5.3 非球面液滴复合透镜  58-62
    5.3.1 实验平台与方案改进  58-59
    5.3.2 复合液滴透镜特性研究  59-62
  5.4 本章小结  62-63
第6章总结与展望  63-65
  6.1 研究内容总结  63
  6.2 后续工作展望  63-65
参考文献  65-69
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  69-71
致谢  71

非球面液滴透镜及阵列制作平台控制系统研究

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