固态体积式真三维立体显示器双灯照明系统设计

为了提高固态体积式真三维立体显示器的显示亮度,根据方棒照明系统的特点,设计了一种基于直流驱动、平行光出射的双灯照明系统。该设计根据光学扩展量守恒原理,提出了一种通过延长投影光源汇聚距离的方法以实现双灯照明。通过光学仿真分析,对设计的双灯方棒照明系统进行优化,提高方棒照明系统的光能利用率和照明均匀性。搭建实际系统,并进行了测试。测试结果表明:采用双灯直流汞灯照明后,2层散射态光阀后的成像亮度为41 711 cd/m2,是单灯的1.4倍,有效提高了固态体积式真三维显示器的成像质量。     

一种基于RGB三基色LED的白光光源

数字光源处理(DLP)投影技术是投影显示的一个重要分支,基于发光二极管(LED)照明技术的DLP投影显示技术则是目前DLP技术的一个重要发展方向。根据DLP投影显示技术的需要,对一种新型的LED混光光源进行了优化设计和仿真计算,得到了一种适合于为DLP微型投影机提供照明的LED混光光源。该混光光源可以提高LED光源的DLP微型投影机的光通量。     

大视场手持式免散瞳眼底照相机光学设计

设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源,采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的调制传递函数均高于0.4。使用Zemax光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰地再现了原图。该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

极紫外投影光刻光学系统

极紫外光刻（EUVL）是半导体工业实现32～16nm技术节点的候选技术,而极紫外曝光光学系统是EUVL的核心部件,它主要由照明系统和微缩投影物镜组成。本文介绍了国内外现有的EUVL实验样机及其系统参数特性;总结了EUVL光学系统设计原则,分别综述了EUVL投影光学系统和照明光学系统的设计要求;描述了EUVL投影曝光系统及照明系统的设计方法;重点讨论了适用于22nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统,指出了改善EUVL照明均匀性的方法。     

大视场免散瞳手持式眼底照相机光学设计

研究设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源。采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的MTF均高于0.4。使用ZEMAX光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰的再现了原图,该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.     

激光投影显示中光棒匀光的照明光路设计

在方棒照明系统的基础上,根据激光光源的发光特性和准直性,设计了一款用于激光投影显示的,基于光棒匀光的照明光路系统。此系统具有结构简单、开发周期短、加工成本低的优点。仿真结果表明:设计的激光投影机光能量利用率达到78%,均匀度达到85%,满足激光投影显示中对集光和照明的设计要求。     

基于双复眼透镜的三基色激光合成均匀白光束

为获得高亮度均匀白光束,基于复眼透镜光束匀化原理,设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组,第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑,第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真,并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析,结果表明所得光束为均匀白光束,理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路,分别在距离系统1、2、5 m处对合成白光束进行测量,结果表明合成光束照度均匀性均大于90%,色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势,有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。     

利用频闪结构光测量旋转叶片的三维面形

在对快速甚至高速运动物体进行研究时,需要对运动物体各个时刻的三维面形和形变量进行数字化描述。提出了一种利用频闪光作为结构照明光源,基于傅里叶变换轮廓术对旋转叶片每个时刻的三维面形和变形量进行动态测量的光学方法。使用自行设计的同步控制单元对风扇叶片旋转位置进行检测,用该检测信号同步驱动频闪结构光源的发光和图像采集系统“冻结”记录下旋转叶片表面变形条纹的瞬时图像,再运用傅里叶变换轮廓术计算出每一瞬间时刻旋转叶片的三维面形,分析这些三维面形数字化结果可以进一步得到旋转叶片的变形量。通过对家用电风扇的实验,验证了该方法的合理性和可行性。该方法可望在高速运动物体的面形和变形研究上有广泛运用。     

手持式眼底相机光学系统设计

提出一种新型眼底成像系统,结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜,调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件,避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势,瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构,设计了一款视场30°、工作距离30mm的眼底相机光学系统,眼光焦度补偿范围-10m-1～+5m-1,物方各视场分辨率为45line/mm,畸变小于5%。     

采用衍射掩模产生白光横向平顶光束

白光横向平顶光束在定向背光式自由立体显示器中有重要应用.本文提出一种采用带蝶形小孔阵列的衍射掩模片获得白光横向平顶光束的方法.根据广义惠更斯-菲涅耳衍射积分和多波长叠加原理,推导出光强分布计算式.设计一套实验装置,数值模拟并实验验证出射光束在不同距离的横向光强分布以及小孔蝶形凹度(蝶形中心高度与边长的比值)对横向光强分布的影响.结果表明:当选择小孔蝶形凹度为0.50—0.66时,可以得到平顶因子F 0.89的白光横向平顶光束,横向平顶光束的宽度随着传输距离的增大而增大,而平顶因子基本不变.实验还发现柱面透镜的折射色散和衍射色散可以互相抵消,使白光横向平顶光束基本无色散.     

弧形光源镜头式光幕灵敏度分布研究

针对室内大靶面光幕测试需求,对一种镜头式光幕探测灵敏度进行了分析,探测光幕由弧形光源配接天幕靶组成。介绍了镜头式光幕测试系统的构成,分析了扇面光幕的工作机理,给出了相应的灵敏度计算公式,根据镜头成像和扇面光幕形成原理,研究了光源放置距离R以及镜头物距l对镜头式光幕探测灵敏度的影响,并通过实验进行了验证。研究结果表明:文中所提的镜头式光幕能够正常工作,研究结果对进一步工程化设计提供了参考。     

COB光源的窄光束均匀照明设计

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。     

大面积三角形探测光幕灵敏度空域分布分析

分体式探测光幕实现室内靶道弹丸初速测试时,探测光幕的灵敏度直接影响初速测量的精度。研究了线光源配接镜头式接收装置组成大面积三角形探测光幕的灵敏度分布,考虑光学镜头离轴效应和线光源随距离衰减现象,将探测光幕内不同位置处光照度等效到线光源处,假设光幕厚度均匀,弹长始终大于幕厚,弹丸遮挡探测光幕所形成的面积与当前区域光幕截面积之比等效为弹径与当前位置处光幕宽度之比。在4.8 m×2.4 m 三角形探测光幕上进行理论仿真与实弹试验验证,仿真分析与实弹试验结果一致,靠近镜头处灵敏度大,远离镜头处灵敏度小,且关键探测区域内模拟电压幅值标准差为0.05 V,均匀性符合测试要求。研究结果可为三角形探测光幕的工程设计提供参考。     

基于原向反射式激光光幕厚度一致性研究

在原向反射式激光光幕测速技术中,针对半导体激光光源产生的激光光束散射角使得出射光幕厚度不一致、原向反射屏产生的反射光幕剩余发散角使反射光幕厚度不一致这两方面导致弹丸穿过光幕不同位置触发光幕响应时间不一致的问题,根据几何光学原理,对半导体激光器弧矢与子午方向建立数学模型,设计了具有不同面型的非球面准直透镜组,将出射光斑尺寸控制在1 mm之内且子午和弧矢方向发散角分别为0.13 mrad、0.46 mrad。出射光束经过Powell透镜一维扩束后,形成厚度为1 mm、均匀度达到85.7%的扇形出射光幕,经过原向反射后,配合狭缝光阑使反射光幕有效厚度控制在1 mm。使用Zemax软件模拟弹丸过靶仿真,弹丸不遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强1.54 mW,弹丸遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强为1.03 mW。当弹丸紧贴出射光幕侧面边缘(即1 mm光幕边缘),分别距离光源100 mm、300 mm、500 mm处的弹丸触发探测器接收到的光强大小均为1.54 mW,显然,光强相对于无弹丸遮挡光幕情况下没有产生变化,证明系统有效可探测光幕厚度一致且为1 mm。该结果表明,本研究方案具有可行性。     

原向反射式大面积三角形探测光幕灵敏度分布

分体式大靶面测试系统的探测光幕灵敏度直接影响飞行弹丸速度测量的精度。可在散布不大的情况下,使用反射膜与激光器代替矩形大面积测试系统中的人工光源,简化测试系统。对新建的三角形探测光幕的灵敏度进行了分析,综合考虑激光器在不同传播距离处的光强度衰减、空间的非均匀性分布及反射膜逆反射系数和镜头离轴效应等因素,采用数值仿真和实弹试验的方法,将同一弹径的弹丸穿过光幕不同位置时的灵敏度等效到同一基准点进行归一化分析。结果显示,镜头离轴效应对灵敏度影响最大,激光器空间非均匀性分布影响最小。在3.5 m×2 m(宽×高)的直角三角形探测光幕区域进行实弹试验,其结果与仿真结果一致,距镜头越近,灵敏度越高;反之越低。研究结果可为类似原向反射式大面积探测光幕的工程设计提供参考。     

White light micrograting multiplexing for high density data storage

Recording of multiplexed microholographic gratings with improved recording volume for high density optical data storage is proposed and demonstrated. By using a hybrid diffractive-refractive objective lens with extended depth of focus, we have achieved a recording beam size of approximately 1 microm and a focal depth of 20 microm. Multiple gratings corresponding to spectral lines within the 400-650 nm spectral band have been successfully multiplexed in a single recording spot or pit of size 1.25 microm on a DuPont photopolymer film using a white light source along with narrowband filters or dispersion elements, thus demonstrating the storage of multiple bits in a single pit. Simultaneous readout of multiple bits in a single storage pit is accomplished with a microspectrometer-type readout head using a white light source.     

高分辨率405 nm激光显微成像系统研究

 研究了405 nm短波长激光作为照明光源、数值孔径0.65显微物镜组成的显微成像系统。采用该系统对CD-R及DVD-R盘片进行了显微成像,并对激光成像散斑进行了消除,同时利用CCD图像传感技术和图像采集技术对显微图像进行实时观察与存储,与卤素灯白光作为照明光源时的显微图像进行了比较。结果表明：该系统在卤素灯白光作为照明光源时对CD-R盘片信息点可清晰分辨,但对DVD-R盘片信息点的图像不可分辨;而在405 nm激光照明时信息点均可清晰分辨,系统分辨优于400 nm,明显高于普通卤素灯白光照明系统。     

铜激光倍频光亚微米投影光刻系统的设计和实验研究

为了研究波长在２５５．３ｎｍ的铜蒸气激光倍频在亚微米光刻中的可行性，设计了带宽为１ｎｍ的１：１折反射式投影光刻物镜和一个带散射板的光管式均匀照相系统，获得了０．６μｍ的光刻分辨率。此结果表明，铜激光倍频光可作为亚微米光刻的照明光源。     

半导体激光激发荧光粉转换白光照明系统设计

单管蓝光半导体激光器功率相对较低,为了获得高功率激光,利用多单管光纤耦合技术实现10 W蓝光激光输出,输出的激光激发荧光粉片合成的白光光源作为汽车远光灯光源。根据汽车照明法规要求设计了汽车远光灯照明系统并详述了抛物面反光罩、双凹透镜和荧光粉片的光学结构及对反光罩曲线参数、双凹透镜和荧光粉片的放置位置对光源色温均匀性及照度的影响。模拟设计了顶端19 mm×31.6 mm椭圆形开孔、底部直径5 mm圆形开孔、高60 mm的椭圆抛物面反光罩,荧光粉片置于距反光罩底部15 mm处时,在距光源25 m处的接收面上得到了5 m×12 m的椭圆光斑,白光光源的光通量为1 025 lm,中心色温为5 880 K,中心色坐标为(x=0.322 6,y=0.369 2),该汽车远光灯照明系统满足汽车照明法规要求。