基于光栅光调制器的投影物镜设计

设计了一种在发光二极管(LED)光源照明下,基于4f信息处理系统的光栅光调制器的投影物镜。对经光栅光调制器的衍射光进行滤波处理,实现对调制后像的投影放大显示。设计结果表明:该物镜总长70.71 mm,最大口径12.40 mm;整体像差控制在理想范围之内,可以满足成像要求。根据设计结果搭建实验系统,实验结果与理论分析一致,说明了设计的可行性。     

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%。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。     

光电子技术与器件 光显示与显示器件

TN141 2006032425超轻小型投影式头盔显示系统折-衍混合物镜设计=De-sign of an ultralight and compact hybrid refractive-diffrac-tive projection lens of head-mounted projective displays[刊,中]/赵顺龙(南开大学现代光学研究所光电信息技术科学教育部重点实验室.天津(300071)) ,王肇圻∥光学学报.—2006 ,26(2) .—249-253在一个7片物镜的基础上,设计出一个折射和一个5片镜的折-衍混合投影物镜系统,并给出了详细设计过程及性能评价。系统针对33 .02 mm(1 .3英寸)微显示器设计,视场为56°,出瞳直径为10 mm,出瞳距离为25 mm。设计的…     

透镜转像式军用瞄准镜物镜设计

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求,需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点,提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性,推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜,系统焦距为-100 mm,入瞳直径为25 mm,视场角为8,系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明,采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上,满足目视光学仪器的使用要求。     

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。     

超高数值孔径Schwarzschild投影光刻物镜的光学设计

针对45nm及以下节点光刻相关技术的研究需求,确定了实验型投影光刻物镜的结构型式及设计指标。依据像差理论在非同心小遮拦的Schwarzschild反射系统中添加折射补偿镜组来进一步减小系统的中心遮拦,扩大像方数值孔径。设计了一套小中心遮拦,数值孔径为1.20的Schwarzschild折反式投影光刻物镜。设计结果表明,该投影光刻物镜工作带宽为100pm,像方视场为50μm,线中心遮拦比为13%,光学分辨力为80nm时(6240lp/mm)的系统调制传递函数大于0.45,全视场最大畸变为6.5nm,满足了45nm深紫外(DUV)浸没光刻实验平台对投影光刻物镜的需求。     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。     

微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究

为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.10×10柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角(?)_0及各环线像素光通量之比φ.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角θ分别为13°,15°和17°时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.     

双远心数字条纹投影的光学系统设计

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题,设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统,实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标;设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统,在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%,且能量利用率为45.8%;设计了双远心结构的投影光学系统,投影视场为66.5mm×37.5mm,并在全视场范围内分辨率在8lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型,仿真结果表明,被投影区域均匀性为90.8%,投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀,综合提高了3D自动检测系统的投影质量。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

电极结构对AlGaInP-LED阵列电流分布的影响

以AlGaInP-LED外延片为基片,设计了分辨率为320×240、像素尺寸为100 μm×100 μm的微型LED阵列。针对目前LED阵列普遍存在的电流分布不均匀的问题,建立了内部电流分布模型,研究了电极结构、电极尺寸及电极间距等不同因素对LED电流分布造成的影响。在单条形电极结构的基础上进行优化,综合考虑不透明电极的遮光效应等因素得到三条形电极结构为最优的电极结构,该电极结构的LED有源层均匀发光面积比未经优化的单条形电极提高了65.02%,比双条形电极提高25.63%,有效提高了微型LED阵列的出光效率,对改善LED芯片发光均匀性具有参考意义。     

i线投影光刻曝光系统的光学设计

叙述具有同轴对准特性的光学投影物镜双远心结构和均匀照明光学系统原理。为了满足ｉ线光刻所需的光学传递函数要求，讨论了光刻分辨率和数值孔径的关系。设计了一种新的双远心投影物镜，其数值孔径ＮＡ＝０．４２，放大倍率Ｍ＝－１／５，像场尺寸１５ｍｍ×１５ｍｍ（直径２１·２ｍｍ），共轭距Ｌ＝６０２ｍｍ。用光学设计程序ＺＥＭＡＸ－ＸＥ计算此ｉ线物镜的像质。设计结果说明，整个视场内波差＜λ／４，ＭＴＦ＞０．５５，当空间频率为７１５ｐａｉｒｌｉｎｅｓ／ｍｍ，使用波长为３６５士３ｎｍ时。可以实现０．７μｍ光刻分辨率；照明均匀器，由８１个小方型透镜组成一方列阵。用本文模拟计算软件ＯＰＥＮＧ计算被照像平面上的光能分布，说明实际系统的照明不均匀性为土２％。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

远距离投射照明光源设计

针对车辆回复反射器光度性能的测试需求,为了满足测试光源在远距离照射面上高均匀度光斑的要求,设计一种远距离投射照明光源。光学系统采用了反光碗氙灯光源、导光管以及准直透镜的设计型式,能够实现光能的有效利用及远距离传输,可在远距离处形成均匀的接近于平行光的照射面。光学系统设计中加入了旋转调节机构,可完成照明系统连续调焦功能,能够实现在远距离照射面上对均匀光斑尺寸进行连续调节,在照明距离为30 m~40 m的不同照射面上均得到不同尺寸的均匀光斑,照射面上Φ250 mm~Φ300 mm内的光斑不均匀性小于5%。     

基于二维MEMS器件的微型投影技术

利用微机电器件的二维偏转特性，以激光二极管为光源，通过二者结合来实现激光扫描微机电器件的投影系统。和传统微型投影技术相比，基于微机电器件的微型投影显示系统具有尺寸小、能耗低、图像对比度高等优点。根据元器件特性，对激光光束进行准直、汇聚、匀化处理，并借助二维微机电器件的反射偏转特性设计了物镜后扫描系统，再对扫描方法、像素排列等进行优化分析。设计结果显示:系统像面尺寸为104 mm×59 mm，包含80%能量时单像素点几何半径在186 μm以内，系统分辨率可以达到558×314 pixel，刷新率为30 Hz。设计的投影系统可用在车载平视显示系统等小型投影系统中，也可为类似设计提供参考。