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.     

光路自动准直中的全自动化控制算法

基于光路准直的基本原理,借助反射镜伺服系统的精密调节和计算机的自动控制,提出了全新的光路自动准直控制算法。在此基础上,建立了光路自动准直单元,编制了控制程序,对光路自动准直算法进行了实验验证。结果表明,采用该算法的光路自动准直单元完全实现了光路的自动准直,具有良好的通用性。提出了几种提高光路自动准直效率的方法。     

光路自动准直中腔镜及反射镜控制算法

激光装置光路准直系统通过多块腔镜及反射镜的角度调整,使光路的指向和位置达到物理指标要求。为提高远近场光路准直的效率,减少电机调整次数,提出一套准直算法,腔镜准直使用正圆调整算法,反射镜准直将关联系数矩阵由传统的2维改进为4维。通过准直光学实验平台,验证了该算法收敛速度快,电机调整步数更精确,移动次数更少,小于3次就满足准直精密度要求。     

用粒子群算法设计非球面准直透镜的方法

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法,该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜,为了证明准直透镜的准直效果,用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示,点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60,0.8 mm0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91,表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比,该设计方法意义更直观,实施更简单。     

MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析

红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键,准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对MEMS红外光源设计CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射;由MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径r＝6.48 mm,透镜焦距f＝7.2 mm,透镜厚度d?≤2 mm,用Zemax光学软件仿真优化,得出中间层厚度d＝0.309 mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证,为定向辐射 MEMS 红外光源研发提供最优的原型尺寸参数,极大提高设计效率。     

微型准直透镜的研究与设计

自聚焦透镜与多模光纤的折射率分布都遵从平方律分布,基于这个事实,进行了以多模光纤生产工艺制造微型准直透镜的研究和设计。结果表明,该微型准直透镜用作单模光纤准直器,具有良好的准直性能,该器件较之自聚焦透镜,尺寸更小且制造工艺简单。     

大型激光装置光路准直并行控制模型设计

大型激光装置中的光路准直部分涉及大量的精密控制检测设备元器件,对控制的可靠性和控制时间有极高的要求。本文就多光束准直的并行化设计进行了详细阐述,完整地给出了大型激光装置并行光路准直在软硬件中的解决方案,包含总体控制结构、运动控制、图像采集和处理等并行化处理和设计。该模型在光学实验平台上得到了很好的验证和应用,为即将开展的准直控制流程、图像处理以及运动控制并行算法在激光装置光路准直工程中的实现提供了技术支持和保障。     

激光二极管准直中非球面透镜的应用

激光二极管(LD)准直打线的过程中,影响线宽的主要因素主要有:准直透镜的像差、焦距以及准直透镜后面柱面镜的曲率半径。主要分析了准直透镜对LD准直打线性能的影响。首先用Zemax软件模拟了非球面透镜和球面透镜组在LD准直打线的性能;并用高斯光传播公式在不考虑像差的情况下推导出线宽和透镜焦距的关系;最后对9款不同焦距的LightPath非球面透镜进行了LD准直打线的实验。实验结果表明与计算结果基本相符,并且在小像差系统中线宽与准直透镜的焦距成反比关系。     

基于同轴照明和光栅取样的激光束准直远场监测系统

利用高功率激光装置空间滤波器小孔成像和取样光栅的衍射,结合插入的负透镜发散激光来同轴照明小孔,设计出一套新型光路远场监测方案.该方案利用光栅衍射可以灵活取样激光远场,并且在实验平台上进行了实验验证.实验结果表明,其远场监测系统的准直精度达到小孔直径的1.42%,能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求.     

采用光束扫描的透射仪测量光路自动准直系统

能见度是航空、航海及其他领域关系到安全保障的重要气象要素之一,透射式能见度仪在安装和使用过程中测量光路的准直状态,对能见度测量精度有重要影响。根据其光学系统的特点提出了一种基于扫描方式的透射仪测量光路自动准直方法,并基于该方法设计了自动准直系统。系统通过电机驱动发射端探测光束与接收端接收视场分别在两个垂直方向上进行扫描,计算发射端与接收端的准直方位角,进而实现透射仪测量光路的对准。系统测试表明,系统可以实现透射仪测量光路的自动对准,方位角定位最大误差为66rad,准直时间小于10 min,系统具有准直精度高、过程自动化、易于安装等特点。     

湍流大气中激光回波到达角起伏

本文运用几何光学近似,导出了湍流大气中束状反射回波的到达角起伏表达式.结果表明:当准直光束和聚焦于反射器的光束照明后向反射器时,回波不存在到达角起伏,而当准直光束照明平面反射器时,到达角起伏是相同条件下视线大气传输光束到达角起伏的一倍.     

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。     

二氧化硫检测仪光源系统的优化设计

为了解决国内传统二氧化硫检测仪在光路上存在荧光数量少、采集精确度低等问题,提出了一种改进的光路系统。点光源通过透镜进行平行准直及会聚,利用窄缝减弱杂散光的干扰,改善了传统光路结构上光会聚效果差的缺陷,提升了检测精度。运用Zemax对新光路和传统光路进行仿真,通过对比点列图、探测视图得出新光路的方均根半径减小到35.439μm,几何最大半径减小到50.194μm,气体与光源接触区域的光强提高。对其进行实验检测,数据表明改进后的光路系统的二氧化硫浓度示值误差由传统仪器的2%缩减为1%,提高了检测精度。新研制的光路系统能有效解决上述问题,适用于二氧化硫检测仪的设计。     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

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。     

Design of a novel LED collimating element based on freeform surface

A novel element for collimating LED light is designed based on non-imaging optics. It is composed of a refraction lens and a reflector. The upper surface of the lens is freeform and calculated by geometrical optics and iterative process. The lens makes the rays in the range of 0°-45°from the optical axis collimated. The rays in the range of 45°-90°from the optical axis are collimated by the reflector. The inner surface of the reflector is parabolic with its focus located in the LED chip. The designed element is applicable to LED source of any emitting type. For a certain application, the simulation results of the designed element in Tracepro show that it has a very compact structure and good collimating performance. Just investigating the loss in the lens surfaces, this element has high light output efficiency of nearly 99%. Most lighting area radii are no more than 20 mm when the illuminated plane is 5 m away from the LED source.     

基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究

针对目前采用单个球面镜压缩激光时存在发散角效果差或者球面镜片数过多的问题,通过ABCD矩阵法从理论上对高斯光束经过单透镜时的传输特性进行了分析,得出了单透镜无法实现半导体激光光束理想准直的结论。提出了一种基于ZEMAX的半导体光源准直镜的设计方案,并给出了设计与优化方法。结合工程中常用的808nm半导体激光器,设计了双片型808nm半导体激光准直镜,并在ZEMAX中使用合适的优化函数和权重对像差进行了校正。通过采用非球面镜获得了较好的准直效果,发散角达到了0．032mrad。该设计使用的镜片数较少,结构简单。     

固体浸没透镜几何参数测量的自准直方法

本文介绍一种测量固体浸没透镜（SIL）几何参数的自准直方法。平行激光束经显微物镜会聚后入射到SIL上,SIL在三个不同的轴向位置处,其球面和底部平面的反射光再通过显微物镜后会形成自准直光束。由SIL三个自准直位置可获得它的曲率半径,折射率等几何参数。本文给出这些自准直位置的表达式以及对两个SIL测量的结果。     

Lenses and graded films for focusing and guiding acoustic surface waves

Two novel schemes for guiding acoustic surface waves along curved paths on isotropic substrates are described. One involves the deposition of a slowing film of graded thickness along the intended path on a dielectric substrate. Paraxial-ray equations are developed to describe the ray paths adjacent to the axis of the guiding film, which are determined by the slowing factor resulting from a variable-thickness deposited film. Diffraction is taken into account through an approximation developed by Pierce for optical beams. It is shown that very thin films are sufficient for a substantial amount of directional control. The other guidance system employs a series of lenses in analogy with the lens guides developed for millimeter waves and optical beams. Some comments are made about thin-film lenses and the theory is developed for the focusing action of a lens formed by a spherical depression in (or protrusion from) the surface of a substrate. A simple analog for determining ray paths over generally nonplanar surfaces is described and applied to nonspherical depressions to evaluate their focusing properties.     

基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究

基于涡旋光与球面波的干涉原理,提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路,其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光,另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上,两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变,螺旋干涉条纹发生旋转,通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化,同时可以有效计算物体的微位移。实验中,测量物体的产生位移量为27 nm,通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm,误差为1.25 nm。