基于DLP投影方式的激光显示系统

介绍了一种基于DLP投影方式的激光显示系统。该系统应用三片式DLP投影方式,采用红(671 nm)、绿(532 nm)、蓝(473 nm)三色激光器作光源,结合110°广角镜头,在扩展显示色域和减小系统体积的同时,也提高了系统的光能利用率。我们采用该光学引擎,完成了157 cm(62 in)激光背投影彩色电视样机的研制工作。经过测量,该样机的画面均匀度偏差为-6%,图像亮度达到300 cd/m~2,散斑对比度为3.7%,光能利用率为36%,样机色彩的饱和度高,显示效果好。光学系统结构简单,集成化程度高,易于实现批量化生产。     

基于多球面封装透镜的LED微型投影仪的光源设计

提高光能利用率是现阶段LED微型投影仪的技术难题,而提高光源的取光效率则是提高整机光效的前提和根本途径。对于以LED为代表的朗伯源,其光学元件的结构是制约光能利用率的最大因素。我们提出了一种基于多球面单透镜的LED光源设计方案并进行了光学仿真,将LED的一次封装和二次光学设计整合为一体,简化了光源系统结构,取光效率提高到94.9%,同时压缩了出光角度和光学扩展量。     

基于新型导光管的微型DLP 投影式光路设计

传统的数字光处理(DLP)技术无法收集利用数字微镜(DMD)芯片上微镜处于 OFF态时反射的光线,针对这种缺陷,提出一种基于新型导光管的微型DLP投影光学系统的设计方案,该系统包括LED、导光管、色轮、准直系统和投影透镜。提出在锥形导光管的基础上加上一根弯型的导光管和复合抛物面聚光器(CPC)用来收集被DMD反射的多余的光线。先用非成像光学的理论分析和计算出各部分的相关参数,再用ZEMAX软件对准直系统和投影透镜进行结构优化,最后用TracePro软件建立模型并仿真,仿真结果表明:随着OFF态微镜数量的增加,收集光管提高系统光能利用率的能力先增加后减小。相比没有收集光管的情况,当DMD芯片上处于OFF态微镜数量为50%时,导光管提高的光能利用率最多,为5.91%。     

基于LED的DLP投影显示光学引擎的研究

文章研究基于LED光源的DLP投影显示光学引擎系统,运用非成像光学理论计算了与所选用的DMD芯片相匹配的LED光源的发光面的尺寸及方棒的尺寸,利用光的折射定律和三角法则,设计了光学引擎系统中重要光学元件T11K棱镜的各项参数。采用Tracepro软件对整个光学引擎系统进行了建模、模拟和设计,并测得系统的照度图,计算了系统的光能利用率和观测光的均匀度,为建立基于LED光源的DLP投影显示光学引擎系统的实验装置奠定了良好的基础。     

用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计

为了提高DLP投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路,采用一种自由曲面的TIR透镜作为DLP投影照明系统的准直器件。首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系,并采用迭代的方法使用Matlab软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形,然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型。分别用理想点光源和扩展光源进行模拟,经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内,并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数,建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真,最终均匀度达到了90%,满足了投影照明系统的需求。     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。     

用于背光模组的三基色微细导光管的设计研究

提出了一种用于背光模组的三基色微细导光管的设计方案。该导光管结构可取代传统的线光源冷阴极荧光灯管(CCFL),并保留其导光板设计成熟的优点,在保证环保、提高对比度的同时将色域提高150%。对三基色微细导光管在光学软件中进行建模,并理论推导能够均光的网点半径排布规律,将该微细导光管与三基色LED光源相结合实现时间混色,省略彩色滤光片,提高光能利用率及空间分辨率。模拟实验表明,该微细导光管的光能利用率达66%以上,亮度均匀性达95%。取代CCFL后结合时间混色技术实现色序法显示,该新型背光源的总体光透过率为12%,较传统的CCFL背光源光透过率提高一倍以上。     

基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

基于透镜侧面棱镜和前后膜芯添加微透镜设计一款出光角度可变的均匀混光照明透镜。采用棱镜和微透镜结合的新型方法,分别对透镜外侧棱镜和模芯微透镜进行新的设计。对目标角度进行映射关系的计算及推导,得到全反射棱镜的轮廓曲线图,中心内外部分采用折射型的微透镜阵列,通过Solidworks建立透镜模型,然后导入光学仿真软件Lighttools中进行光线追迹。采用12颗30 mm×30 mm贴片式不同色温的LED作为光源,设计了一款高度20 mm,直径52 mm的单颗实用型投射透镜。仿真与实测结果表明：所设计的透镜匹配该阵列光源后,光学效率高于87%,半光强角为40.6°,可以实现均匀混光投射照明。     

底发射VCSEL片上点阵结构光投影装置设计

为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题,提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构,并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换,在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布,并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明:在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时,该结构能更好地抑制零级衍射,获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外,该结构不仅可省去透镜的安装,减小投影装置尺寸,还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。     

改进型激光三角测头设计

设计了一种改进型激光三角测头,在传统直射式激光三角测距方法的基础上,提出了一种新型单透镜设计理念。以普通直射式激光三角法为基础,对该光路进行改进,在光学系统中使用一个分束镜来取代传统激光三角测头的聚焦透镜和成像透镜,令其与聚光透镜和光电探测器共轴,使系统的结构更加紧凑,并推导了满足该结构的Scheimpflug条件。同时利用Zemax光学设计软件仿真光学系统,系统入瞳直径4 mm,焦距20 mm,总长20.5 mm,满足测量系统的小型化。当与合适的光源和探测器配合使用时,能够在保证较高测量精度的前提下获得更大的工作范围,提高测量系统的环境适应性,可广泛应用于工业实时在线检测以及军事领域。     

面向MEMS红外光源的辐射增强结构设计

针对常规TO封装下红外光源辐射量在一定光程下严重衰减的不足,基于自研的MEMS红外光源结构,提出了用于红外辐射增强的反射镜及用于光束准直的透镜封装结构,以期大幅提高光源有效辐射效率。本文基于Zemax软件对红外光源在光路中的辐射特性进行了模拟仿真。仿真结果表明:红外光源放置于9.52 mm口径、9.41 mm深度的抛物面反射镜的焦点位置,辐射能量提高了15.5倍;采用2.2 mm厚的BaF2材料的双凸曲面辐射透镜,红外光线呈准直收敛辐射,辐射效率最大可以达到27.42%。本工作研究成果为红外光学气体传感器光源提供了合理的红外辐射增强结构尺寸参数,有效提高了系统的稳定性和光源的辐射效率。     

基于DMD的红外场景仿真系统光学引擎设计

针对DMD(Digital Micromirror Device)器件是针对可见光波段设计,直接用于红外波段会遇到问题,提出了一种远心投影光学引擎架构,包括投影光学系统和照明光学系统.该光学引擎采用柯勒远心照明架构,并引入一片场镜来分离投影和照明光束.这种光学引擎结构紧凑、照明均匀、光能利用率高.     

投影电视的均匀照明系统设计

分析和设计了用于提高大屏幕投影电视光学性能的均匀照明系统：透镜阵列和积分方棒。基于弧长为1．2mm的超高压水银灯(UHP)．建立嵌套圆筒的体光源模型．给出了两个照明系统的设计方法和用于2．3cm空间光调制器照明系统的设计参数。仿真结果表明,透镜阵列系统实现了均匀性( 4．55％,-5．54％),光能利用率为81％的照明输出;积分方棒系统实现了均匀性( 4．37％,-4．58％),光能利用率为79％的远心照明输出。均能满足投影电视对照明系统的指标要求。     

用于三片式数字光处理投影显示的新型分色结构

针对三片式数字光处理投影机光学系统中分色合色结构复杂、重量大、后焦距长的问题,提出了一种利用一个分色棱镜和两个二向色性滤色片来实现分色合色的方法。数字光处理投影机所用的光调制元件是数字微镜器件DMD,它是利用转动微反射镜改变反射光束的出射方向来实现光阀作用的。基于这一特点,通过精心安排分色棱镜和合色片的空间位置来实现对照明光束的分色以及对调制光束的合色功能。系统光学元件重量仅36 g,通过软件模拟本系统具有良好的色彩还原能力,光利用率达60%,还具有结构简单,对比度高等优点。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

紫外荧光法SO2监测仪激发光光路的设计仿真

为了解决国内传统的SO₂检测仪存在气室的荧光检测区域荧光强度低、进而导致仪器监测精度低的问题,设计了新的激发光光路结构。在该光路结构中,点光源通过平凸透镜准直,利用一窄缝消除竖直方向上的远轴光线,通过一双凸透镜汇聚到气室荧光采集区域的中心,并利用光阑减小杂散光的干扰。采用射线追踪算法作为严格矢量分析的工具,对设计的光路进行仿真分析。结果表明,优化后的光路使得激发光的能量损失降到了10%,且弥散斑也大为减小;用该光路与传统结构的光路进行实验对比,其示值误差由0.34%满量程变为0.18%满量程,质量浓度为100μg/L时的精密度由1.13μg/L变为0.53μg/L,质量浓度为400μg/L时的精密度由2.26μg/L变为1.1μg/L,两项指标均得到了提高。所设计的激发光光路结构能够有效解决传统光路的不足之处。     

Freeform optical element for uniform illumination

The energy from a source was rearranged through reflection or refraction by a freeform optical element in order to get the desired uniform illumination.The numerical results of first-order partial differential equation sets had been investigated to obtain the freeform optical element, and the equations could be used to get the characteristics of the light source and the desired illumination. For example, a light emitting diode (LED) with a Lambertian light emitting surface of 1 mm × 1 mm was applied as the light source. Two kinds of freeform reflectors and one freeform lens were designed for different illuminations, and the simulated uniformity was near to 90%. Considering the size of these freeform optical elements, the illumination system can be very compact and efficient if the freeform optical element is applied in the illumination system of projectors with LED as source.