基于光栅光调制器的投影显示光学系统设计与实验

基于微机电系统(MEMS)光栅光调制器在静电压驱动下可改变其衍射效果,并在光学4f系统中实现光信息处理,从而应用于投影显示.在典型4f光学系统基础上,优化设计了基于MEMS光栅光调制器的投影显示系统,根据菲涅耳衍射分析了该系统;分别利用两种光栅光调制器实验样品在设计的光学系统中进行了显示实验研究.结果表明,该系统可实现投影显示;配以驱动电路可实现动态显示,并可进行工作电压、吸合电压、响应频率等特性测试.     

应用于激光扫描投影仪器的动态聚焦技术研究

为了实现激光投影仪器或系统的自动聚焦，研究搭建了激光动态聚焦系统。该系统可依据背向反射光强信号的变化调节聚焦系统的镜组间距，使激光扫描投影系统能够在不同距离的投影面上聚焦出最小光斑，从而提高系统的定位精度。根据激光动态自聚焦系统的原理，设计了光学杠杆型和反远距型2种动态自聚焦方案，并推导出相应的数学模型；利用ZEMAX光学设计软件进行仿真实验，通过比较得出响应更加灵敏、结构更加合理的自聚焦系统；搭建新型自聚焦激光扫描投影系统对动态自聚焦性能进行了验证。实验结果表明:反远距型动态自聚焦系统更加合理，在4.5 m处的投影面上，汇聚光斑直径最优可达0.2 mm，可使激光扫描投影仪在进行辅助装配时的定位准确度提高至0.1 mm，能够达到先进制造装配工程中零部件的精准定位要求。     

基于李萨如扫描的微型激光投影显示技术

结合李萨如图像扫描和微机电系统(MEMS)二维谐振式扫描镜,提出一种新颖的投影显示方法。相比于传统的投影显示技术,该技术具有控制简单、能耗低、体积小及重量轻等优点。首先阐述了该投影显示技术中像素的定义与划分,然后从理论上分析了刷新率、分辨率和谐振频率之间的关系,以及选择谐振频率的约束条件,最后通过Matlab软件进行仿真验证,并使用研制出的扫描镜样件搭建了投影显示样机,成功投影出分辨率为260×180的图像,从而验证谐振频率选择约束的有效性以及该投影显示方法的可行性,为实际工程应用奠定基础。     

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。     

投影光刻物镜波像差的公差分析方法

为保证投影光刻物镜的成像性能并降低制造成本,提出了一种更全面可靠的公差分析方法。该方法在以波像差均方根(RMS)值作为评价标准的传统分析方法基础上,添加波像差峰谷(P-V)值作为评价指标,并据此选择合理的补偿器组合。在系统波像差的RMS值和P-V值均满足要求的情况下,采用了较少的补偿器,从而有效地降低了系统的制造难度和成本。结合实验室设计的一套90nm投影光刻物镜进行了公差分析和补偿器优选。结果表明,利用该方法选择的7个补偿器,使得系统在97.7%置信区间内,全视场波像差的RMS值≤0.0412λ,P-V值≤0.2469λ,满足了90nm投影光刻物镜的像质要求。     

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。     

一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法

提出采用Fresnel微结构的曲面波导微投影光学系统眼镜设计思想,理论分析了所提光学系统的成像原理,给出了光学设计方法,并运用该方法设计了一套样机,曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm,后表面曲率半径为143.5 mm,中心厚度为1.7 mm,材料选PMMA (即有机玻璃),微型显示器选0.23″硅基OLED显示屏,分辨率640×480(象素),出瞳直径选为8 mm,眼点距约为18 mm,视场角9.6°(H)×7.2°(V),调制传递函数(MTF)在空间分辨率30 lp/mm时,中心视场MTF接近0.45,全视场大于0.2。从而验证了该方法的可行性。     

用于检测设备标定的标准头盔瞄准具设计

为标定和校准头盔瞄准具检测设备,提出一种新的光学结构,并设计了一款标准头盔显示系统（HMD）。该系统采用球面共轴设计,在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计,设计的标准HMD系统出瞳清晰,可保证系统各种光学像差的综合校正。针对1．27cm（1／2in）微显示器设计了视场为30°、出瞳距离为75mm的标准HMD光学系统,各视场在分辨率30lp／mm处的MTF值均大于0．3,系统畸变小于0．9％。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑,光学性能优良,可作为头盔瞄准具检测设备标准件。     

基于可调超表面的激光散斑抑制方法

为抑制激光散斑现象,利用时间平均抑制散斑理论的基本思想,设计了一个具有高透射率、随机相位功能的超表面结构,并结合MEMS技术实现了微纳旋转载台的设计制造,实现了超小型的散斑抑制器件制造.实验结果显示激光散斑对比度可降低至2.63%,满足激光投影领域使用需求.该激光散斑抑制器件使用方法简单、能量利用率高、成本低且易于批量制造.     

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。     

迈克耳孙扫频线聚焦光学相干层析系统的光学设计

提出了基于迈克耳孙干涉仪的扫频线聚焦光学相干层析(OCT)系统的光学设计。在照明系统中引入非球面光束整形透镜组,并利用柱透镜组使光束在样品处实现线聚焦,从而减少系统的扫描维数,达到高速成像的目的。调整非球面整形透镜组的参数以实现高斯光束的整形。在投影系统中,对近红外波段选取不同材料组合以达到消色差目的,完成了两种投影系统的设计,远心光路的结构减小了系统的误差。在Zemax非序列中,将参考臂和样品臂通过分束镜并进行光线追迹,验证了该OCT系统具备干涉能力。结果表明,设计的OCT系统能够实现高速、高品质成像。     

辐射与发光 光源与照明光学

TM923．3 2005020853 液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析=Tolerance anal— ysis on fly’s eye illumination system of LCLV projector [刊,中]／郑臻荣(浙江大学现代光学仪器国家重点实验 室．浙江,杭州(310027))//光子学报.-2004,33(5).- 593—597 介绍了液晶投影显示复限照明的工作原理,采用扩展 4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀 性作为系统的评价标准,对复跟透镜的制造误差和位置误     

多色分图层激光扫描自聚焦投影技术

为了突破常规激光投影仪由于单一波长的局限性造成应用场景的限制,同时实现对不同零件、不同材料、不同装配工艺的分图层投影,设计并搭建了多色分图层激光扫描自聚焦投影系统。系统采用2种波长的激光作为光源,根据二向色镜的位置不同,提出了多色共光轴和分光路2种激光扫描自聚焦投影方案,并推导了相应的光学系统数学模型。通过系统的自聚焦功能调节镜组间距,均可以实现在不同距离的投影面上聚焦出不同颜色的最小光斑。利用ZEMAX光学设计软件对2种投影光学系统进行仿真,并从系统可靠性和投影效果上对2种系统进行比较分析。实验结果表明：在3 m处的投影面上,共光轴系统各种波长的光斑直径均在0.8 mm以内,且光斑大小均匀,可以实现多色分图层的扫描自聚焦投影功能。     

大屏幕激光投影与激光电视

作为下一代的全色显示技术,激光投影显示技术与传统的显示技术相比,有很多明显优势,这是由激光本身的固有特点所决定的,比如高饱和度、低功耗以及潜在的寿命长等.文章介绍了激光显示技术的历史背景以及国内外的研究现状,介绍并分析了激光光源、基于数字光学引擎(DLP)及反射式硅基液晶光学引擎(LCOS)的激光显示系统和颜色管理技术.文章还对激光投影显示的优势进行了归纳,并对激光显示的产业化前景和整体市场进行了分析和预测.     

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。     

基于视网膜投影显示的头盔显示器设计

传统的透射型头盔显示器虽然可以显示虚拟图像,但当眼睛调节焦距时无法清晰显示虚拟图像,研究一种新型的透射型头盔显示技术,其特点是既可以看到外部景物,也可以同时看到微型显示芯片上所显示的虚拟图像,并且虚拟图像独立于人眼的调节。介绍显示技术的原理,用光学设计软件Zemax完成整体光学系统设计,优化后系统达到衍射极限,滤波投影系统中MTF在60 lp/mm处达到了0.7;用Autocad软件设计了头盔显示器结构。光路成像实验结果表明:设计的系统可以看到外界图像和虚拟图像,当眼睛对外界景物聚焦时,外界景物与虚拟图像都保持清晰,眼睛对外界景物离焦时,外界景物变得模糊而虚拟图像仍然保持清晰。     

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…     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m~2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。     

基于LCoS空间光调制器的可变焦投影显示系统研究

针对投影显示系统中变焦投影机构结构复杂、需要手动调节等不足,设计了一种基于LCoS空间光调制器的可变焦投影显示系统。在DMD投影系统中添加LCoS空间光调制器取代传统的光学变焦透镜组,利用LCoS的相位调制特性在LCoS中加载所需透镜的理想相位灰度图,实现对投影图像的调制。实验结果表明:加载相位调制因子的LCoS空间光调制器可实现投影系统中的数字变焦透镜作用,同时调制因子可动态改变,系统能够实时实现图像的大小调整和位置平移。该系统无机械运动结构、全电化,具有很好的鲁棒性。     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计EI北大核心CSCD

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m^2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。