基于全内反射透镜的扩展光源准直照明系统特性研究

在理论上,全内反射透镜可对所有光线进行收集,因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构.利用光学软件进行仿真和实验测试,分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性,包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率,并揭示了出射光束发散特性的决定机制.研究发现:与同口径平凸准直透镜的配光效果相比,全内反射透镜的光通量利用率提升显著,但出射光束发散角也明显增大,使得二者出射光束光强无明显差别;且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同,故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差.     

非相干LED白光产生无衍射光的光源设计

非相干光源产生无衍射光束的实验中,入射光束的均匀性对产生无衍射光束的质量有很大影响。文中以非相干光源白光LED为例,通过对LED自身发光特性的分析,对光线传播过程进行数学建模,用非成像光学光通量守恒原理,对均匀照明设计方法进行理论推导,得到了一种基于非成像光学产生均匀光束的透镜设计方法。用三维建模软件进行建模并用光学仿真软件进行光线追迹,确定用该方法设计的透镜能满足实验对入射光束均匀度的要求,并初步实验获得较高质量的零阶无衍射Bessel光,验证了该设计方法的合理性。     

变折射率三角棱镜产生无衍射线结构光

提出一种可产生中心光斑较强的无衍射线结构光的新型光学元件——变折射率三角棱镜。变折射率三角棱镜的折射率分布呈阶跃式变化,可以用于解决折射率均匀三角棱镜产生的无衍射线结构光能量均匀分布、中心光斑能量利用率较低的问题。采用几何光学理论分析了产生中心光斑较强的无衍射线结构光的原理,计算了中心光斑较强的无衍射线结构光的相关参数。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的光强分布特性。研究表明,平面波正面入射新型光学元件可以产生中心光斑较强的无衍射线结构光。     

高分辨率投影光刻机光瞳整形技术

在高分辨光学光刻技术中,光瞳整形技术针对不同的掩模图形产生特定的光瞳光强分布模式,从而实现分辨力增强,获得更好的成像性能。概述了高分辨率投影光刻机照明系统中基于衍射光学元件(DOE)、微透镜阵列(MLA)和微反射镜阵列(MMA)的3种光瞳整形技术,并对这些技术的工作原理、设计制作方法和性能特点进行了归纳与总结。     

振幅自由度对衍射光学元件成像的影响研究

为了在衍射光学元件设计中提高再现像光强分布均匀性, 改善成像质量, 利用光场传播过程中一定存在泄漏的现象, 为目标图像增加了混合型振幅自由度, 优化了设计算法, 并设计了傅里叶变换型衍射光学元件, 验证了方法的有效性。结果表明, 增加振幅自由度后设计的元件的再现像光强不均匀性从14%左右降到了1%以下, 均方误差从10%左右降到了0.1%以下。该方法对Gerchberg & Saxton(GS)算法和模拟退火算法均适用。     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

折射/衍射长焦距红外系统的设计

基于衍射光学原理的衍射元件(DOE)有着传统光学元件无法比拟的特点,其独特的色散性质有利于校正系统色差.通过理论分析得到衍射元件设计方法,并以此为基础设计仅含有两片锗透镜的红外成像系统.系统焦距达到300 mm,系统F数1.5,像高20 mm.设计结果表明,红外折射/衍射系统与传统红外系统比较,在要求的光谱范围内系统成像质量有明显提高.     

均匀照明用衍射光学器件的空间频域优化设计方法

为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。     

双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm宽波段光学系统中的应用

双层衍射光学元件能够在宽波段光谱范围内工作并具有较高的衍射效率。提出了工作在一定入射角范围内的双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。设计了一种工作波段为0.4~0.9 μm的含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统。其焦距为28 mm,F/#为2,视场达到18°。该系统采用Petzval物镜结构,由四片透镜组成。在60 lp/mm处,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.67。所用双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm波段内的带宽积分平均衍射效率高于91%。系统中入射到衍射面上的角度为0°~8.62°。该双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率为97.36%。与传统的折射式宽波段光学系统相比,含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统的结构更简单,分辨率更高。     

利用多层表面微结构提高DOE宽波段衍射效率

针对单层衍射光学元件的不足,介绍了一种新型的多层衍射光学元件,通过层叠多个具有不同材料色散特性与相位高度的单层表面微结构,增加元件相位分布函数中的可变因子,实现波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2?仔的整数倍,双层衍射光学元件在0.4~0.8 μm可见光波段的理论衍射效率可以达到96%以上。利用双层衍射光学元件替代萤石透镜校正混合光学系统的二级光谱,设计并制作了一套长焦距物镜,并利用系统调制传递函数评价了多层衍射光学元件衍射效率,测试结果表明衍射效率在整个设计波段内以较高的数值平均分布。     

双曲柱面-平面透镜对半导体激光光束的准直性能

根据光线传播的基本原理,位于偏心率恰为相对折射率的双曲折射面外侧焦点上的点光源所发出的发散光,经折射后可成为较为理想的准直光束、因而可以制作用于半导体激光二极管条快轴方向准直的双曲柱面-平面透镜。本文通过计算和推导,用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过双曲柱面-平面透镜后的半宽度、光强分布和光能转换效率,为正确认识和使用微双曲柱面-平面透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散,提高光束质量提供了理论依据。     

波前分割DOE阵列半导体激光器光束的品字形整形

半导体激光器（LD）输出光束受工作电流、个体差异的影响,发散角、输出光强出现波动。常规衍射光学元件（DOE）的激光光束整形设计只针对特定的输入输出光场,使用宽容度比较小。文中在LD 的整形中利用DOE 阵列化的处理,输入光场被分割成许多小单元,不同强度的光重新在成像平面内预定的区域内叠加,实现对光束的整形。用均匀平面波设计阵列DOE 每个单元,把高斯分布的球面波整形成品字形光强分布,衍射效率为90.53%,均匀性大约为96%;发散角在快、慢轴方向上2~16的范围内变化,均匀性为95.8%以上、衍射效率为90%以上;在离焦量16 m 内,光束质量变化不大。阵列DOE 提高了LD 光束整形系统的稳定性。     

衍射微透镜阵列用于半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列。采用菲涅耳衍射公式,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了成像型微透镜阵列匀化系统,并研究了微透镜口径及相位台阶数对焦斑均匀性的影响。结果表明:当衍射微透镜的口径D=0.27 mm、相位台阶数L=16 时,可获得不均匀性约为5%、系统能量可利用率达97%的均匀焦斑。     

一种新型的高性能近红外平行光管的研究

采用长焦距单透镜方案,研制了一种新型的高性能近红外平行光管。以单模光纤导出的近红外激光(λ=1053nm)为光源,设计了满足光强均匀性要求的准直物镜焦距,使用新型的近红外消光涂料消除了杂散光的影响,并运用双平板剪切干涉技术完成了平行光管的不可见光束调校。采用自制的1053nm近红外干涉系统测试了平行光管的光学质量,结果表明,准直后的出射光束波面峰谷值(PV)达到0.045λ,光强的均匀性达79.2%。     

圆柱透镜对半导体激光光束准直性能的改进

根据光线传输的基本原理，通过计算和推导，用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。说明了安装位置直接影响到准直效果；透镜半径、折射率和介质损耗不仅影响到准直后光斑的大小、光强分布和光能转换效率，而且影响到偏振状态的重新分布，因此，要获得最佳准直效果必须略微离焦安装；还需根据具体使用要求综合考虑各参数对光斑大小、光强分布和光能转换效率的影响，以采用适当的参数，并考虑是否进行增透处理。为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散，提高光束质量提供了理论依据。     

Optoelectronic multichip module integration for chip level opticalinterconnects

We have integrated an 850-nm vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), its driver, and a diffractive lenslet array onto a single substrate to produce an integrated optoelectronic multichip module for signal fan-out and distribution. The diffractive element performs optical fan-out of the output beam from the VCSEL into an array of focused spots at a plane 1, 416 μm from the surface of the VCSEL. This corresponds to 160 μm from the surface of the diffractive lens. System design, fabrication, integration, and experimental characterization is presented     

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。     

水下无线LED光通信中圆形阵列光源性能研究

为了研究水下无线LED光通信中圆形阵列光源性能,以6个LED组成的圆形阵列光源为对象,基于单个LED空气中照度分布模型推导出其相对照度分布数学模型;以水下照度计为工具,用点阵测量法研究其在水下的实际空间照度分布,并分析了实验数据。结果表明,该光源出射端口处光照度值随着加载信号的频率增加而增加,光源的水下辐射照度整体分布不对称;当光信号传播到一定距离后,在光接收平面上,照度值各向趋于均匀分布。     

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。