用于激光背光源电视的扫描分光与消散斑系统

针对单颗激光二极管光功率过高不能直接用于激光液晶电视光源阵列的限制,本文设计了将高功率激光束分为多束功率接近的子光束的扫描分光系统,从而为液晶电视提供激光背光。系统中激光器发出的准直光束经过扫描振镜进行二维扫描后,经凸透镜和柱面透镜会聚成一条细线型光束耦合进一维多模光纤阵列,从而达到分光的目的。此外,基于扫描振镜和多模光纤实现了系统散斑的抑制。实验结果显示,11根光纤的平均单根出射功率为674.13μW,离散系数为16%,平均散斑对比度为0.162。使用激光作为背光源的激光液晶电视因其优秀的显示性能而具备强大的市场竞争力和广阔的市场前景。     

动态散斑对比度颗粒测量法

提出了基于线阵CCD相机的动态散斑对比度颗粒测量方法和系统,用于解决动态光散射研究涉及的动态光散射软件相关算法运算量大、实时性较差,以及不能测量高黏度溶液中颗粒的问题。首先,从传统动态光散射理论出发,基于光学统计理论,建立了动态散斑对比度的模型。然后,根据Siegert公式,推导了动态散斑对比度与动态散射光场自相关函数的关系。最后,得到了低浓度和高浓度下动态散斑对比度与颗粒粒径的关系。分别对粒径分布为(490±20)nm的标准乳胶球颗粒水溶液和纳米二氧化钛粉体(粒径分布:450~500nm)甘油溶液进行了测量。结果表明:动态散斑对比度测量法的运算量小,且能测量高黏度溶液中的纳米颗粒,重复测量误差小于2%,满足了动态光散射的国标要求。     

激光显示中散斑的减弱

为减弱激光显示中散斑的影响,在对散斑对比度进行理论分析的基础上,提出了一种利用位相光学元件减弱散斑的方法。实验以绿光为光源,让激光束通过位相光学元件,再经过CCD相机和图像处理系统处理,得到屏幕上散斑对比度和光强的变化。实验结果表明:散斑的对比度降低到3.7%,可满足激光显示中对散斑减弱的要求。该方法具有简单易行、成本低、适合批量化生产等优点。     

精密测量中激光成像系统散斑的抑制因素

对采用激光照明的测量系统中散斑形成的三个重要因素,即入射光束的相干性、相位差和偏振特性进行了详细的理论分析,并给出了这些因素与散斑对比度的变化关系。计算表明,相干长度降到低于1 mm时,散斑对比度减小到0.5左右,得到的图像细节相对比较清楚,易于检测。基于计算分析,提出了相应的解决及优化方法,为抑制散斑、提高激光照明质量和测量准确性提供了理论依据。     

微粗糙光学表面与多个镶嵌粒子差值散射场特性

本文基于时域有限差分算法,研究了微粗糙光学表面与多个镶嵌粒子的差值场光散射问题。将光学基片视为微粗糙光学表面,利用蒙特卡洛方法解决了光学表面存在粗糙度的问题,并将差值场散射理论加入到计算模型中,更好地分析了缺陷粒子的散射特性,将计算区域划分成上下两个半空间,建立了微粗糙光学表面与镶嵌多体粒子复合散射模型,并与矩量法计算结果比较验证了理论的有效性。运用此模型分析了入射角、镶嵌粒子尺寸、粒子间距、粒子个数等物性特征对微粗糙光学表面与镶嵌多体粒子差值散射场的影响。实验结果表明:在一定激光入射角下,以相同回波探测角度间距20°对光学表面进行测量能够有效地检测出缺陷粒子。本文结果为光学无损检测、光学薄膜、微纳米结构的光学性能设计等提供了理论依据和技术支持。     

基于散斑纹理变差函数的平磨表面粗糙度测量技术

粗糙表面调制激光散射从而形成散斑。从计算机纹理分析的角度出发,对平面磨削加工金属表面激光散斑图像纹理特征与表面粗糙度之间的关系进行了研究。在研究中采用激光照射平磨表面,用CCD获取散斑纹理图,再对散斑图变化窗口进行变差函数的纹理分析和归一化统计分析,分别提取散斑纹理中的平均值、方差、能量和熵4个特征,表征磨削表面粗糙度。研究和实验结果表明,对于不同大小的窗口,上述4种纹理特征与磨削表面粗糙度Ra之间均存在良好稳定的单调关系。     

旋转粗糙圆柱的激光散射功率谱分析

建立了圆柱旋转激光散斑功率谱的理论模型以实现粗糙目标光学无损测量的方法。首先,根据粗糙面激光散射特征,研究了平行光束照射匀速旋转的圆柱表面时其反射空间形成的动态散斑特性,给出了接收场散斑强度起伏互相关函数及其功率谱密度函数的理论模型,以及动态散斑场的相干长度和接收信号带宽。接着,分析了旋转引起的散斑平移和散斑沸腾对接收信号带宽的影响。最后,测量了旋转圆柱准镜向及漫射部分的散斑图像。结果显示:当0.633μm入射光波照射半径为1mm的圆柱时,频率为10Hz的旋转圆柱自相关函数的相关时间约为4ms,而20Hz的旋转圆柱自相关函数对应的相关时间为2ms左右。结果表明,在动态散斑场中,多普勒效应和散斑平移效应引起的带宽约为同一个量级,而散斑沸腾效应可以忽略。     

空间激光主动探测离轴三反系统的猫眼效应

采用光线追迹法,分析了空间环境下离轴三反结构系统的猫眼效应。给出了离轴三反系统的像面倾斜、视场和离焦对猫眼回波效率和发散角的影响,证明了离轴三反系统像面倾斜量是决定能否发生猫眼效应的主要因素。提出利用阈值法实现激光主动探测猫眼信号的基本原理,并结合高阶余弦漫反射模型,分析了目标漫反射信号对猫眼信号检测的影响。估算了20km到120km探测距离下,理论上所需不同光束质量激光的最小脉冲能量。仿真表明,当发射光束的全角发散角为0.3mrad时,50km和120km探测距离下所需的最小激光脉冲能量分别为0.7mJ和3.1mJ。最后,通过原理实验,验证了空间激光主动探测法探测目标"猫眼"效应的可行性。     

基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统设计

设计了一种基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统。依据米散射激光雷达的原理,研究了激光光束与大气气溶胶的相互作用,设计并搭建了米散射激光雷达大气气溶胶检测实验平台,利用Zemax设计了一套具有滤波聚焦功能的光学望远系统。通过对光束进行扩束并利用可调谐式固定装置来增强回波信号强度。实验结果表明,设计的系统具有高的回波信号强度和低的杂散光干扰,能获得超高信噪比的激光回波信号。由此大大降低了后续算法的难度,使测得的气溶胶数据更加准确。     

水雾对激光引信的衰减

由于水雾会使激光信号产生严重的衰减,从而影响激光引信探测的应用,本文着重研究了绿激光在水雾中传输的衰减特性.首先,基于Mie散射理论,建立了水雾对0.532 μm绿激光光束的传输衰减模型;然后,通过仿真计算,对比分析了激光在不同能见度水雾下的衰减特性;最后,通过水雾模拟实验验证了衰减模型的准确性.理论分析和实验结果表明,激光光束的衰减明显受水雾能见度的影响,并随着能见度的降低而增大;0.532 μm激光在水雾中的穿透率较高,能见度在50 m时可以达到60％以上.实验测得的光能量的透射值与计算值基本一致,最大误差在4％左右,证明了水雾衰减模型的正确性.得到的结果为绿激光在水雾环境下的目标探测系统中的应用提供了理论和实验依据.     

光束诱导电压成像研究

在光束诱导电流（Light Beam Induced Current,简称LBIC）成像技术的基础上,我们从理论和实验上分析了光束诱导电压（Light Beam Induced Voltage,简称LBIV）成像的机理。通过建立光束诱导电压成像的理论模型,认为光束诱导电压成像的测量值是一个平衡电压值,而不是光照区域的局域开路电压,我们在一块复合分布不均匀的单晶硅太阳能电池上验证了这个结论。这为改进光束诱导成像技术奠定了基础。     

SPECKLE METHOD EVALUATION OF THE ROUGHNESS OF ELECTRODISCHARGE MACHINED SURFACES

Abstract

This paper describes the applicability of the speckle method to evaluate the roughness of surfaces produced by non-traditional machining processes such as EDM, ECM or USM, where material removal occurs randomly. The method is based on the digital correlation of two speckle images produced by interference phenomena arising when a coherent light beam is incident on a rough surface. The basic principle of the speckle pattern correlation is presented and the theoretical analysis based on a hypothesis concerning the morphology of the machined surface is reported. An experiment has been set-up in order to assess the feasibility of applying the speckle method to evaluate the roughness of machined surfaces. In the experimental tests, two speckle patterns produced from the same rough surface under two different illumination conditions have been correlated. The two different conditions have been obtained by varying the angle of incidence of coherent light on the surface being analysed. The roughness of electrodischarge machined surfaces, as measured by the speckle method, is found to be in good agreement with that of a stylus instrument.     

Cranz-Schardin camera with a large working distance for the observation of small scale high-speed flows

The Cranz-Schardin camera utilizes a Q-switched Nd:YAG laser and four single CCD cameras. Light pulse energy in the range of 25 mJ and pulse duration of about 5 ns is provided by the laser. The laser light is converted to incoherent light by Rhodamine-B fluorescence dye in a cuvette. The laser beam coherence is intentionally broken in order to avoid speckle. Four light fibers collect the fluorescence light and are used for illumination. Different light fiber lengths enable a delay of illumination between consecutive images. The chosen interframe time is 25 ns, corresponding to 40 × 10(6) frames per second. Exemplarily, the camera is applied to observe the bow shock in front of a water jet, propagating in air at supersonic speed. The initial phase of the formation of a jet structure is recorded.     

一种用于研究激光散斑血流成像方法的测试系统

激光散斑血流成像(laser speckle flowgraphy,LSFG)技术也称激光散斑衬比分析(laser speckle contrast analysis,LSCA)技术,该技术采用一种无需扫描的全场光学成像方法,可对血流变化进行定量分析。激光散斑衬比分析方法可分为空间衬比、时间衬比及时空联合衬比三种分析方法,但已有研究中缺乏对三种不同衬比分析方法的应用范围及处理结果准确性等因素的综合分析。通过采用含有TiO2悬浮颗粒的液体流经软管模拟生物体血液流动变化的实验,介绍了激光散斑成像技术原理,并对空间、时间及时空联合衬比分析方法进行了对比分析,实现对不同速度之间各种衬比运算结果的比较。实验结果表明,时空联合衬比分析方法相比于单纯的空间衬比或单纯的时间衬比测试范围广,在保证较高的时间分辨率和空间分辨率的同时,减少了数据处理的运算量,提高了散斑衬比的准确性。     

Contrast enhancement of negatively stained macromolecules and biomembranes by single sideband phase contrast interference.

A straightforward procedure is described for the production of contrast enhancement of negatively stained macromolecules and biological membranes by single sideband phase contrast interference (electron optical shadowing). The instrumental adjustment required to produce this type of phase contrast illumination is readily achieved by beam deflection from the strioscopic (dark field) mode. Part of the hollow cone of electrons from the annular condenser aperture that are unscattered by the specimen are permitted to pass through the objective aperture and interfere with the scattered beam. The electron optical shadowing effect is produced because only one side of the unscattered beam is used. Careful adjustment of the beam tilt control, with the ability to tilt in any azimuth, allows optimal illumination conditions to be achieved. The results presented show the increased image contrast obtained using as specimens the purified cylindrical macromolecule from human erythrocyte membranes, purified nuclear envelopes and collagen fibres.     

单光源双光路激光并行共焦测量系统设计

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应,提出将数字微镜器件（DMD）引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件,从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源,对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像;同时,考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用,并非高效的并行光源分束器件,本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置,利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明,两种光路下的正焦面位置仅相差2 μm,在一个泰伯间距范围之内,可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响,进而保证较高精度的并行共焦测量。     

针灸疗效评估中激光散斑衬比图像稳定性研究

激光散斑衬比成像技术可以为中医理疗提供无创、高效的疗效评估手段,但目前该评估方法的稳定性有待提高。基于能产生稳定散斑衬比的近红外激光光源,对针灸疗效进行散斑成像实验并获得原始实验数据,分析对比Roll算法与基于此算法加入时间抽样形成新的衬比处理RT(Roll with time-sampling)算法的数据处理结果。从衬比随时间分布的规律可以看出,RT算法处理所得的衬比分布更加均匀,消除了部分噪声干扰,因此RT算法能够提升激光散斑衬比分布的稳定性。     

视网膜细胞显微镜的照明系统

为满足视网膜细胞成像照明光束的高亮度、窄谱宽要求,提出了一种用于视网膜细胞成像的照明系统,将半导体激光器发出的632.8nm激光耦合到芯径为105μm的多模光纤中,用聚光镜将多模光纤的出光端汇聚到一个旋转毛玻璃上,再用一个投射物镜将毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮视网膜。试验发现该照明方法很好地消除了激光散斑,满足视网膜显微成像对高亮度光源的要求,光源有较窄的谱宽,成像系统色差很小,成像质量优于采用传统氙灯做照明光源的图像。该照明系统能较好地满足视网膜显微成像。