0.86μm激光扫描二维成像的实验研究

本文给出作者设计的0.86μm激光二维成像系统的原理框图、成像雷达距离方程和部分物体对0.86μm激光的反射对比度的测试数据,并展示了各类物体激光成像的照片.     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通...     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通过分析图形的形成原理并用Matlab仿真,选出了适用用于任意图案显示的扫描镜谐振频率组合(X轴2 400 Hz, Y轴2 425 Hz).该组合可以形成194×192个像素点,刷新频率为25 Hz.在此基础上提出了一种通过调制激光开关来进行投影显示的方法.     

用于光学显微成像的无像差双二维微机电系统振镜光束扫描方法

光束扫描系统在光学显微成像中扮演着重要的角色,针对现有光束扫描中继系统尺寸、像差较大以及装调精度要求高的问题,提出一种双二维微机电系统（MEMS）振镜光束扫描方法。该方法采用两片二维MEMS振镜进行光束远心扫描,其中,一片MEMS振镜替代传统中继系统中的scan lens和tube lens,避免像差的引入,缩减系统尺寸,最终完成了小型化、结构简单和无像差的光束扫描系统设计。基于该方法构建了小型化共焦扫描显微镜,并对台阶样品进行扫描成像,验证了该方法的可行性。该方法为光学显微成像提供了一种新型的光束扫描手段,可为光学显微成像技术在深空探测、现场检测和生物医学等领域的进一步应用提供一种新的技术途径。     

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。     

基于二维MEMS振镜的激光雷达系统的光学设计

近年来人们对具有安全驾驶、智能控制功能的汽车需求增长,使智能驾驶汽车快速发展起来,激光雷达作为智能驾驶的核心传感器之一得到广泛的关注,其中MEMS激光雷达具有高帧率、高分辨率、体积小、成本低的优点,是国内外车载激光雷达的主要发展趋势之一。光学系统是MEMS激光雷达重要组成部分之一,分为发射光学系统和接收光学系统,本文基于镜面直径5mm的二维MEMS振镜设计了发射光学系统,将25W的半导体激光器准直为弧矢方向发散半角为1mrad,子午方向发散半角为3mrad的光束;设计了大相对孔径为1∶1、焦距为11.01mm的镜头作为接收镜头,并提出采用放大倍率为2.2的纤维光锥与16线APD阵列探测器耦合,扩大接收光学系统的视场;APD阵列探测器采用选通模式,提高雷达系统的信噪比。基于此设计结果搭建激光雷达样机,实验验证系统探测距离可达45m,全视场角40°×10°。结果表明系统可一定程度上提高激光雷达探测距离和视场角。     

数字微镜器件动态红外场景投影技术

动态红外场景投影(DIRSP)技术是考察和评估红外成像测量跟踪系统性能指标的主要方法。本文回顾了国内外DIRSP技术的发展现状及应用,概述了几种主要的DIRSP技术及其特点。在详细介绍数字微镜器件(DMD)的工作原理及机械结构的基础上,总结了灰度等级控制的方法及其特点。通过对3种数字光处理(DLP)显示系统投影原理的对比,指出了各自的特点和应用场合。重点分析了基于DMD的DIRSP系统—微镜阵列投影系统(MAPS)的工作原理、系统结构、性能指标及技术优势,并讨论了将DMD应用于DIRSP所采用的6大关键技术。最后,结合DIRSP技术的应用背景和国内外研究现状,对下一步的研究工作做了展望。     

基于微机电系统技术的投影型微光学编码器

对投影型微光学编码器的原理进行了分析，结合微机电系统集成技术，提出并实现了投影型微光学编码器。它是利用微机电系统集成技术将标尺光栅、指示光栅、光电二极管集成化构成投影型光栅微编码器。它具有体积小、光路调整容易的特点。实验结果表明，利用微细加工制作微光学编码器是完全可行的。该器件较之传统的光学编码器在经济性及小型化等方面具有非常明显的优势。     

二维振镜扫描系统调向误差分析

对比分析现有光束扫描系统的优劣,提出采用二维振镜扫描系统作为多光谱集成靶标的光轴调向装置,光轴调向装置的调向精度影响多光谱集成靶标的校准精度。通过对二维振镜扫描系统调向误差进行分析,建立二维振镜扫描系统调向模型,并进行了二维振镜扫描系统调向误差测量实验。结果表明:二维振镜扫描系统的方位角误差和俯仰角误差小于8″,调向角误差小于9″,调向误差小于10″,能够满足多光谱集成靶标光轴调向精度要求。     

基于非球面镜的圆环形光束非线性整形方法

提出了一种利用非球面镜对圆环形光束进行非线性整形的方法,该方法利用两个高次非球面镜片小角度放置组成光束变换光路,能够在几乎不损失功率的情况下灵活调整环形光束的遮拦比和强度分布,也能够实现空心光束和实心光束的相互转换,且镜片加工难度低。实验结果表明,利用该方法搭建的光路与理论分析结果吻合较好,能够较好地对光束进行非线性整形。     

一种新型谐振式微机电系统扫描镜及其利萨如图形显示

研制了一种基于微光机电系统(MOEMS)技术的新型谐振式扫描镜,该扫描镜采用绝缘体上硅(SOI)加工工艺,静电梳齿驱动,利用工艺中残余应力的释放产生垂直梳齿偏差,作为启动电极。针对该器件的机电性能,设计并搭建了一套光学系统测试其性能。结果表明,该器件具有加工工艺简单、低成本、低电压和大的扫描角度等优点。此外,将所制造的两个扫描镜进行合理组合,搭建了利萨如图形的显示装置,显示图案与Matlab软件仿真结果基本一致。     

激光二维扫描显示技术的研究

结合激光特性和电视扫描成像原理,提出一种二维激光光栅扫描方案,并实际建立一套光栅产生系统。通过实验得到均匀的扫描光栅,测得一组实验数据。对实验数据进行处理得到了振镜偏转角度和扫描频率之间具体的函数表达式及其图像表示,进而推导得到光栅大小和扫描频率之间的函数关系式。另外,对扫描光栅的特征参数进行了分析。     

一种新型微机电系统扫描镜的谐振频率研究

在微光机电系统(MOEMS)技术的基础上,采用绝缘体上硅(SOI)的体硅加工工艺,设计并加工制作了一种新型的静电驱动的谐振式微机电系统(MEMS)扫描镜。介绍了其基本工作原理及结构设计特点;理论计算了圆形和方形两种结构的尺寸扫描镜的谐振频率,并利用ANSYS有限元软件进行仿真;设计并搭建了一个简单易操作的光学测试系统,对研制出的MEMS扫描镜(7.1mm×5.2mm)进行扫描角度测试。利用该器件参数激励的迟滞频率特性,对其谐振频率进行实际测量。同时,为验证其所测谐振频率的准确性,利用激光多普勒测振(LDV)系统对其进行测试。在工作电压10V,方形和圆形扫描镜的驱动频率分别为556Hz和596Hz时,机械扫描角度分别可达到约6°和5°,谐振频率分别约为300Hz和277Hz。并分析误差产生的原因及其结果。     

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。     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

基于微机电系统技术的高性能集成型微富集器

由于大部分环境样品的浓度非常低, 为了实现其直接检测, 提出将一种集成化的微型富集器应用到色谱系统中。富集器可实现色谱系统的进样与样品富集,能将色谱仪的检测限提高1~2个数量级。设计的富集器采用了高容量4平行通道结构,沟道内填充了高吸附率的Tenax-TA吸附材料,来实现对环境样品中挥发性有机化合物组分的富集。此外,为了密闭热解吸过程中所释放的组分,在微型富集器后集成了微型阀。试验结果表明,研制的微型富集器取得了15倍以上的富集因子。而且,通过微阀的控制,色谱峰的拖尾和峰展宽得到了有效的控制。因此,该微型富集器可广泛应用到环境样品的快速检测中,提高各检测器对复杂环境的适应能力。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

局部扫描情况下多项式拟合的X射线硬化校正

在进行X-CT成像时,容易诱发射束硬化效应。通过多项式拟合建立起多色投影同透射距离的数学模型,然后将多色投影校正为单色投影,是一种简单高效的射束硬化校正方法。对于局部扫描的情况,在重建图像域通过正投影方法计算得到的透射距离不再代表真实的射线穿过长度,拟合数据不再有效。因此借助一圆柱模体,根据圆柱自身的几何特性,通过解析的方法计算得到射线真实的透射距离,并用于射束硬化校正。实验结果表明,该方法能够有效抑制射束硬化引起的图像伪影,提高CT重建图像质量。