平面复眼透镜光学设计及制造方法研究

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1、平面复眼透镜光学设计及制造方法研究#张效栋，郭跃武，房丰洲*基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（编号20090032120057）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（编号2011CB706700）作者简介：张效栋，（1979-），男，副教授，主要从事超精密加工、光学自由曲面制造及应用研究.E-mail:cgzs.zhang@gmail.com（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津微纳制造工程技术中心，5天津300072）摘要：复眼透镜在国防、航空航天等领域具有非常好的应用前景。本文对平面复眼透镜进行技

2、术初探，为更加复杂的应用开发提供技术支撑。详细分析了复眼结构的数学模型，对非球面单元进行优化设计，建立复眼透镜光学仿真模型。针对复眼透镜的加工难点，结合慢刀伺服超精密车削和微注塑方法设计加工工艺流程，并深入分析了复眼模具加工路径设计方法。10对复眼透镜进行了实际的加工实验，建立光学测试系统对透镜光学性能进行评价，实验结果与仿真结果具有良好的吻合。实验证明了本文的设计方法和加工工艺流程可以满足复眼透镜实际应用的需要。关键词：超精密加工；复眼；慢刀伺服；光学设计中图分类号：TH16、TH7415Researchonopticaldesig

3、nandmanufactureofcompoundeyelenswithplanebaseZhangXiaodong,GuoYuewu,FangFengzhou(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnology&Instruments,CentreofMicroNano20ManufacturingTechnology,TianjinUniversity,TianJin300072)Abstract:Compoundeyelenshasaverygoodprospectinthedefe

4、nse,aerospaceandotherfields.Inthispaper,theprimarytechnologyofcompoundeyelenswithplanebasehasbeenstudiedtoprovidetechnicalsupportformorecomplexapplicationdevelopment.Mathematicalmodelofthecompoundeyestructurewasanalyzedindetail.Asphericalelementsareoptimizedbyoptical25t

5、racingthroughbuildingopticalsimulationmodelofcompoundeyes.Amanufactureflowofcompoundeyeswasdesignedconsideringthemachiningdifficulties,combiningwithslowslideservoturningandmicro-injectionmethod.Thecuttingpathdesignofcompoundeyemoldwasintrouduced.Inexperiments,thecompoun

6、deyelenswasmachinedpractically.Andtheopticaltestsystemwasestablishmentedtoevaluatetheactualresults.Theexperimentalresultsshowthe30resultofopticaltestingandsimulationhasgoodagreement,whichprovedthattheproposedopticaldesignmethodandmanufactureflowcanmeettheneedsofpractica

7、lapplicationofcompoundeyelens.Keywords:ultra-precision;compoundeye;slowslideservo;opticaldesign350引言复眼透镜是昆虫眼睛仿生光学器件，由附着在平面或曲面基底上的微透镜阵列组成，每个单元外形为六边形。复眼具有昆虫眼睛的视觉特点：广视角、大景深和高灵敏性，可广泛应用于导弹制导、空间预警与智能侦查等各类探测系统[1]。国内外科研机构已开展大范围的应用研究，如：德国的精密机械研究所Fraunhofer利用复眼结构设计了成像薄膜系统，厚度40只有0

8、.4mm，有望粘附在银行卡上，通过和影像分析装置对持卡者进行识别[2]；日本的JunTanida等人采用复眼结构设计了TOMBO小型成像系统，具有结构紧凑，视场大等优点，可应用于指纹识别的安检领域[3]；美国Adobe公