用于激光数字投影显示系统的匀光整形元件设计

激光光源在数字投影显示系统中的使用日趋广泛并成为未来发展的方向之一。衍射光学元件(DOE)用于激光数字投影系统,可利用其整形能力强、匀光性能好、体积小的特点实现空间光调制器件的高效率均匀照明,并有利于投影系统照明光路简化,提高系统集成度。基于傅里叶变换的分步迭代方法进行了该类DOE元件的优化设计。DOE采用16台阶位相结构,设计结果实现了激光整形、匀光功能,其照明能量利用率达到85%以上,照度均匀性优于90%,与目标光强分布的均方根偏差小于7%。     

改进宽银幕投影显示照明系统的设计方法

照明系统是投影显示系统的重要组成部分，决定着整个系统的亮度和照明均匀性。复眼系统是一种常见的液晶投影显示系统照明结构。传统的复眼照明系统设计方法中，复眼小透镜具有与液晶板相同的长宽比，可以获得能量利用率和均匀性都比较好的照明光斑。但研究发现，利用这种方法设计宽银幕投影显示设备的复眼照明系统，会引起一定的光能损失。针对这一问题，通过对复眼系统设计理论的分析和对实际复眼照明系统的模拟，创新性地提出了在照明系统中引入柱面透镜改变复眼小透镜的长宽比的设计方法，能够有效的提高投影系统能量利用率。模拟计算结果表明，引入柱面透镜的复眼照明系统与传统方法设计的复眼系统相比，能量利用率可以提高5％到10％。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

基于DMD的大视场长出瞳距星模拟器光学系统设计

为满足高动态星模拟器的使用要求，设计了一套适用于DMD的投影光学系统和照明光学系统。投影系统采用二次成像方式，解决了大视场长出瞳距情况下长后工作距和系统像差校正难的问题，采用复眼透镜阵列设计了相应的照明系统，利用全反射棱镜实现照明系统和投影系统的同向排列。设计结果表明:系统出瞳为60 mm，视场为28.6°，畸变小于0.045%，80%的能量集中在直径为8 μm的圆内，照明系统的照明均匀度大于94%，满足设计指标要求，适用于大视场长出瞳距DMD型动态星模拟器的光学系统。     

基于双全息光学元件的3D视网膜投影显示器

为克服非相干光源照明条件下基于全息光学元件的视网膜投影显示系统存在的色散、出瞳小、无法获得单眼调焦深度信息等局限,提出了一种基于双全息光学元件的3D视网膜投影显示器。用全息光学元件取代玻璃透镜,用发光二极管取代激光。用反射型体全息光栅和反射型体全息透镜构成的光学结构对系统的色散进行补偿,获得了清晰的图像,系统分辨率达到11.6 lp/mm。结合双全息光学元件结构,利用时分复用技术和角度复用技术实现了具有密集视点的3D视网膜投影显示。该结构可有效扩展系统的出瞳,解决视网膜投影显示系统出瞳小的问题。同时在0.45～2.0 m的深度范围内,实现具有单眼调焦深度信息的真3D显示,显示范围覆盖人眼的辐辏调焦响应敏感范围,可有效缓解辐辏调焦矛盾引起的眩晕和视觉疲劳问题。该系统结构紧凑、价格便宜且避免了散斑噪音和安全隐患,具有良好的应用前景。     

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。     

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。     

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。     

应用于投影光刻离轴照明的自由曲面设计

离轴照明是现代投影光刻中的一种重要的分辨率增强技术.针对不同的照明模式要求,提出了一种利用自由曲面来实现离轴照明的方法.根据入射面和目标面之间的坐标拓扑和能量守恒关系,利用数值求解法得出自相应的折射式自由曲面并对结果进行模拟,分别设计了环形、二极和四极照明,照明效率均达到90%以上,照明均匀性均优于93%.结果表明,可...     

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%。     

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。     

复眼透镜提高液晶投影照明系统的能量利用率

照明系统是液晶投影仪的重要组成部分．它将直接影响到投影仪的光能利用率以及色彩等系统性能。对于复眼照明系统，复眼透镜的良好设计可以大人提高系统的能量利用率。在对液晶投影照明系统的原理进行分析的基础上，提出了两种复眼透镜的设计方案。两种方案均采用矩形子复眼，便于设计和加工。通过对复眼透镜中每个子复眼进行偏心以及改变其形状大小来提高系统能量利用率。计算机模拟结果表明，两种设计方案与传统设汁相比，在光能利用率上分别提高了16．5％和26．3%，并且具有较高的均匀性。最后，还对两种复眼透镜的设计方案进行了分析和比较。     

TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用

发光二极管（lighting emitting diode，LED）取代传统光源作为投影仪，特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器，并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据，对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计，采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件，克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator，CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础，利用RGB LED时序方式进行混色，设计了一套LED微投影显示系统，并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下，整体系统光能效率为2.38%，系统光学体积仅为125cm3，达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。     

深亚微米激光光刻研究

报道用远紫外准分子激光进行亚微光刻的实验结果，以波长为２４８．３ｎｍ的ＫｒＦ准分子激光为光源，以光管均匀器为主构成照明系统，采用带有平行平板为像差样正板的１：１折反射投影光刻物镜，在两种光刻胶上分别获得了０．６μｍ和０．５μｍ的光刻分辨率。     

微型投影机光学引擎的研究

设计了一种针对个人用户使用的微型投影机光学引擎,系统为单片式数字光线处理器结构,采用红绿蓝三色大功率高亮度发光二极管作为光源,使用X棱镜作为合色元件,从而实现38.1～50.8 cm的彩色投影显示.对设计结果进行理论分析后可知,设计结果满足投影显示对颜色的要求,光学引擎的理论效率为16.1%.同时利用Light Tools仿真软件对系统进行建模分析,300万条光线追迹仿真的结果表明,光学引擎的效率为14.6%,与理论分析结果基本符合,屏幕上光通量为22.8 lm,其美国国家标准协会规定的九点照度均匀性达到91.55%和-93.36%,满足设计要求.     

利用振动光纤减弱激光散斑的研究

在激光投影显示技术中,引入振动光纤的方法能够以较小的能量损失减弱激光散斑.本文利用广义范西特-泽尼克定理对激光投影显示中采用振动光纤抑制散斑做了理论分析.结果表明,散斑衬比度的大小取决于光纤的模式数和投影系统的光瞳大小,对于相同大小的像面,收集更多的光纤模式数和增大孔径均可减弱散斑衬比度.用两种不同的多模光纤所做的对比实验定性证实了这一结论.研究结果对光纤的选择和投影系统的设计有一定的指导意义.