空中目标激光照明的数值模拟

采用较短波长(如近红外)激光束对空中(或空间)目标主动照明,是对空中(空间)远距离(合作或非合作)目标进行高精度成像和跟踪的一种新技术,具有重要的国防和民用价值.由于大气湍流、光束均匀性和激光相干闪烁等原因,靶上照明光强分布会出现不同程度和不同尺度的起伏,对成像质量和跟踪精度有较大影响.本文对目标照明光学特性的几个描述参数进行了分析.根据成像探测器的分辨特点,提出了采用照明光强功率谱分布来评价目标照明光强均匀性的方法.我们以湍流相位屏技术、菲涅尔衍射积分公式和快速傅里叶变换为基础,建立了空中目标激光照明的物理模型和计算方法,对几种典型参数进行了数值模拟和分析.结果表明,大气相干长度、照明激光束的模式是影响照明目标光学特性的主要因素.采用多束非相干光束照明,并提高照明光束近场均匀性,是改善目标上的照明光强分布均匀性的有效手段.(OG19)     

光刻照明系统中新型均匀性补偿器的设计

在超大规模集成电路中,为了满足波长193 nm数值孔径为1.35的45 nm节点紫外光刻曝光光学系统对高分辨率的要求,设计了一种新型的均匀性补偿器件,用于提高照明系统的出射光均匀性从而实现光刻线条的高度均一性。该照明均匀性补偿器的主要功能是实现对照明视场的能量分布进行微调,从而减小系统的残余不均匀性,保证系统在掩膜面及硅片面上的能量分布均匀性达到更高指标的要求。此外,使用CODE V软件对该照明系统的均匀性进行仿真分析,研究发现采用新型均匀性补偿器可以在传统照明和离轴照明模式下同时的光刻照明系统对掩膜面的非均匀性均低于0.5%。与传统匀光单元相比,该新型均匀性补偿器在不增加光刻照明系统机械设计和控制难度的基础上可明显提高光刻照明系统的均匀性,故该器件具有更好的应用价值和实用意义。     

高空间照明均匀度植物光源系统的设计

传统的植物照明设计只针对单一参考面均匀度进行评价，难以满足植物在整个生长过程中对均匀光照环境的需求。针对这一问题，首先提出了空间照明均匀度评价体系，并基于该体系设计了一种复合光源模块的立体化照明系统，以期构建照明均匀的植物生长空间。进一步利用Taguchi方法优化实验过程，在结合ANOVA分析的基础上，获得了最优结构参数。最后对所得最优解进行灯珠形状分析和植物生长过程中的照明效果测试。实验结果表明:最优结构可提供一个水平参考面照度均匀度为87.22%，混色均匀度为90.11%；竖直参考面照度均匀度93.02%，混色均匀度91.43%的均匀照明空间。该植物光源系统可满足植物生长过程中对均匀空间照明环境的需求。     

基于LED的光栅光调制器照明系统的优化设计与实现

设计了一种基于LED照明的光栅光调制器(GLM)照明系统,以自由曲面TIR透镜、光棒、聚光透镜组为主要光学元件来提高LED光能利用率,并实现光场均匀化。通过仿真得出,照明系统的光能利用率为78.7%,光照均匀性为85%,实验与设计结果基本一致。这表明,优化后的光栅光调制器的照明系统,解决了基于LED的照明系统光照不均匀和光能利用率低的问题。     

用光刻胶作记录材料的全息图象拍摄

光刻胶常用作模压全息母版拍摄的记录材料。本文在叙述了它本身和模压工艺的特点后,指出要拍摄出质量好的光刻胶母版应当注意到的问题。诸如拍摄参数的选择应同时考虑到衍射效率和信噪比,照明的均匀性问题,必须用逆共轭光再现的问题,以及消偏振,相干长度,外界振动对拍摄的影响问题。最后分析说明拍摄的主要矛盾在于,只有用相干性好的大功率激光束,才能提高拍摄的信噪比,获得高质量的全息图片。本文是在大量的实验和检测的基础上写成的.     

激光束的分类

对激光光学中一个十分有意义的论题,即激光束的分类作了综述和分析。基于二阶矩方法和维格纳分布函数,激光束可以按照其空间对称性分为无像散光束、简单像散光束和复杂像散光束。另一方面按空间相干性激光束可分为部分空间相干光和完全空间相干光。对各类激光束的独立特征参数及其联系作了分析。     

激光淬火过程激光束模式的影响

为了检测激光淬火过程中CO2激光束能量的空间分布变化,研究不同激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响,采用基于焦热电相机的在线激光束分析仪实时监测激光淬火过程中的激光束模式。结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致光斑左右两侧硬化层深浅不一致。从显微组织发现,硬化组织结构的均匀性和激光束模式有着非常紧密的关系,均匀的激光能量分布产生较为均匀的组织。     

激光淬火过程激光束模式的影响

为了检测激光淬火过程中CO2激光束能量的空间分布变化,研究不同激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响,采用基于焦热电相机的在线激光束分析仪实时监测激光淬火过程中的激光束模式.结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致光斑左右两侧硬化层深浅不一致.从显微组织发现,硬化组织结构的均匀性和激光束模式有着非常紧密的关系,均匀的激光能量分布产生较为均匀的组织.     

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。     

浸没式光刻照明系统的照明模式变换器

研究了NA1.35浸没式光刻照明系统中照明模式变换模块的设计和测试。采用衍射光学元件实现包括传统照明、二极照明、四极照明的照明模式变换系统的设计和分析。给出了不同照明模式的衍射光学元件的设计结果,并对设计结果进行了模拟分析和实验分析,证明了设计的可行性。研究结果表明:当输入光场被分割的阵列数为2020单元时,二极和四极照明模式下衍射元件台阶数为32,传统照明模式下台阶数为128的情况下,衍射光学元件作为照明模式变换器的均匀性及衍射效率都能够满足设计要求。从原理、实验上验证衍射光学元件激光模式变换器设计的正确性及可行性。研究结果能够应用于浸没式光刻照明系统中照明模式变换结构中,具有一定的理论价值和工程意义。     

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。     

视觉检测系统LED光源照度优化方法

针对当前视觉检测系统LED光源照度优化研究中存在的照度效果评价因素单一、照度优化方法通用性不足等问题,以芯片封装质量视觉检测为例,提出一种基于改进樽海鞘算法的LED光源照度优化方法。该方法在单个LED光源照度数学模型基础上,建立标准条形LED阵列光源照度数学模型,获取条形LED阵列在任意空间位姿与被测面的照度值;基于照度均匀度、照度梯度变化与对中度、平均照度、目标与背景区分度等因素建立平面照度效果评价函数;提出改进樽海鞘算法,通过改进算法收敛系数、速度、领导者与追随者位置等更新策略,增强区域搜索的多样性;应用改进樽海鞘算法对平面照度效果评价函数进行优化求解,获取具有最优照度效果的空间位姿参数。实验结果表明:考察优化区域的相对照度分布,文中提出的LED光源照度优化方法所得照度分布与实际测量所得照度分布结果基本一致,目标区域理论照度均匀度在98.78%以上,误差在5.57%以内。因此文中提出方法优化目标合理,可用于视觉检测系统具有最优照度效果时光源位姿信息参数的获取。     

A laser beam shaper for homogeneous rectangular illumination based on freeform micro lens array

An effective design method of freeform micro lens array is presented for shaping varied laser beams into prescribed rectangular illumination. The variable separation mapping is applied to design concave freeform surfaces for constructing a freeform lens array. Several dedicated examples show that the designed freeform optical lens array can achieve a prescribed rectangular illumination pattern, especially without considering the initial states of incident laser beams. Both high collection efficiency and good spatial uniformity can be available simultaneously. Tolerance analysis is also performed to demonstrate that this optical device can well avoid fabricating difficulty in actual applications.     

激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究北大核心CSCD

针对激光投影出现的色均问题,本文首先对照明主体进行了设计,通过加入反射镜增加蓝光光程,缩短绿光光程,并在不同位置加入扩散片实现对色均的降低,并在此照明主体的设计之上,完成整体激光投影显示系统的设计,通过仿真搭建激光显示系统来研究三基色光源通过不同角度,类型,位置的动态/静态扩散片后所成图像的色均问题,并依据仿真结果进行实验。仿真以及实验结果表明,色均明显降低,搭配Diffuser 2高斯2°情况下色均小于0.01,照度均匀性大于93%,达到行业领先水平。     

Dynamics of electric-field domains and chaos in semiconductor superlattices

A discrete drift model of sequential resonant tunneling in weakly-coupled doped or undoped GaAs/AlAs superlattices (SL) under d.c. or d.c. + a.c. voltage bias and laser illumination is analyzed. In agreement with experiments our model shows an oscillatory I-V diagram for large enough values of the doping and/or laser illumination, multistability and hysteresis between stationary solutions and self-sustained time dependent oscillations of the current. Numerical and asymptotic analyses of the model show that these current oscillations are due to the formation, motion, annihilation and regeneration of negatively charged domain walls on the SL. For appropriate d.c. + a.c. voltage bias, chaotic current oscillations with loss of spatial coherence of the electric field will appear due to random nucleation of domains in the SL.     

部分相干成像系统分辨极限研究

部分相干理论的引入丰富了光学成像分辨领域的研究,相较于理想情况下的完全相干和完全非相干光照明两点成像系统,部分相干成像系统的分辨率显著提升。本文设计了部分相干光照明两点成像系统,建立像面光强分布的数学模型,利用MATLAB仿真模拟不同空间相干性光源产生的辐射特性和两点间距对成像分辨的影响;并给出部分相干成像系统分辨极限的判定方法:当且仅当像面光强分布的峰值和谷值相等时可判定两点光源恰可分辨;以及不同相干度的光源照明成像系统分辨率的计算方法和差异。同时设计并搭建实验平台,实验结果验证了相干度分别为0、0.9和1.0时,成像分辨极限分别为1.0 mm、1.4 mm和1.5 mm,误差范围小于5%,说明实验结果与理论结果吻合。     

用透镜列阵实现大焦斑面的均匀照射

用近百个相同透镜组成的列阵,插入到普通的聚光系统中,能够显著改善靶面照射均匀性.并且基本上不受激光束近场分布的影响.文中给出了透镜列阵的几何光学和物理光学的分析结果,并与实验结果作了对比.     

脉冲和连续多色光源照明下光栅泰伯效应的等价性

利用部分相干光理论对多色光源照明下光栅的菲涅耳衍射进行了理论分析，得到了任意谱相干度照明下光栅衍射光强分布的一般公式，并对脉冲激光光源和连续的多色光源照明下光栅的菲涅耳衍射进行了相应的数值计算，进而讨论了光源的频谱分布对光栅泰伯效应的影响。理论结果表明超短脉冲的有限弛豫时间对光栅自成像的影响与多色连续光源的谱分布对光栅自成像的影响完全等价。这一等价性为借助于连续多色光照明下光栅的菲涅耳衍射来研究超短脉冲激光照明下光栅的菲涅耳衍射提供了理论依据。实验中选用发光二极管(LED)作为照明光源，对连续多色光照明下光栅的自成像分布进行了测量，实验结果和理论分析相符合。     

Far-Field Nonmodal Laser Emission for Low-Speckle Laser Projection

In this letter, we discuss how the nonmodal emission regime's far field of a broad-area vertical-cavity surface-emitting laser (BA-VCSEL) can be used for low-speckle laser projection. A microlens beam homogenizer is used to exploit the low spatial coherence of the VCSEL's far field in the nonmodal emission regime. Using far-field instead of near-field illumination of the homogenizer has some important advantages for a practical projection system: the field emitted by the VCSEL can be directly projected onto the homogenizer without the need for additional lenses or accurate alignment. Speckle contrast values as low as 2.5% are measured and in good agreement with modeled contrast values.