摘要：设计了一种自由曲面车载抬头显示器(Head-up Display,HUD)光学系统.在HUD光学系统初始结构设计中,基于种子曲线扩展算法,对HUD中两个自由曲面上的采样数据点进行计算,并拟合成扩展多项式.将设计的HUD光学系统初始结构进行光线追迹,验证了设计结果.结果表明,在0.5mm光线采样间隔下,初始光学系统的性能达到了衍射极限,可作为进一步全视场优化的起点.对系统进行优化,利用多重结构模拟人眼在孔径光阑移动范围(眼动范围)内的观察情况,对于不同的孔径光阑位置,光学系统的调制传递函数在6lp/mm下均大于0.5,接近衍射极限,并且系统畸变小于2%.最后对系统中的自由曲面反射镜进行面形公差分析,两个曲面在其各自面形公差峰谷值分别为0.42μm和0.62μm下的调制传递函数均高于0.3,完全满足现在自由曲面加工精度.

摘要：提出了一种用于扩展发光二极管(LED)光源配光的自由曲面透镜设计方法。利用加权叠加点光源透镜的母线,设计得到了自由曲面透镜,构建了反映照度均匀性的评价函数,自变量为三个权重因子。利用粒子群算法优化权重因子,使评价函数达到最小值,此时照度的均匀性最高。目标面上的均匀度从初始结构的78.93%提高到90.67%,同时光效保持在92%以上。对透镜分别进行加工误差分析和横向公差分析,结果表明,当加工误差在-1.0～1.0μm范围内、横向位移误差在0.0～0.2mm范围内时,目标面照度均匀度所受影响较小。

摘要：提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法,这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程:1)设计初始结构,以准直激光光束作为输入光束,采用能量网格划分法,设计自由曲面整形透镜,将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构;2)逆向反馈优化法,以带有一定发散角的光束作为输入光束,用上一步获得的透镜作为初始结构,采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法,以束腰为10mm,发散半角为2.5°的发散激光光束为例,将其整形为40mm×40mm的方形光束,辐射照度均匀度达到了90.4%。最后,对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明:透镜表面面形误差在±5μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响;透镜安装时,纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。

摘要：设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统,不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀,而且可以控制输出波前和扩束率。通过设置两个约束条件和初始条件,获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系,从而计算整个自由曲面上所有采样点。利用软件对系统进行验证,将16mm×16mm的方形高斯束分别整形为80mm×80mm的方形均匀光斑和120mm×20mm的矩形均匀光斑,出射光束均为准直光束。结果表明:方形光斑均匀度为90.74%,光束扩束率为5;矩形光斑均匀度为94.75%,水平方向扩束率为7.5,竖直方向扩束率为1.25。

摘要：提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法,该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面,对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子,对加权之后的自由曲面进行叠加,叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化,获得最优权重因子,使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控,模拟结果表明,使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%,比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。

摘要：为使LED阵列在目标面上产生均匀的照度分布,构建一个均匀度评价函数.通过优化阵列中各LED的位置,使得评价函数产生最小值,此时阵列在照明面上的均匀度最高.采用模拟退火算法对LED集成圆形阵列、4×4和4×5的矩形阵列进行优化,优化后的阵列在目标面上均产生了均匀照度分布,对应的均匀度分别为97%、96%和95%.对LED阵列中影响目标面均匀照度的参量进行研究,结果表明圆形阵列的最佳半径与LED的颗数无关,阵列面和目标面之间的距离与阵列的最佳半径呈线性关系;矩形阵列中,相邻LED之间的最佳距离与阵列面和目标面之间的距离呈线性关系.该方法与现有解析方法所得结果一致,且算法简单便捷,可用于计算机自动优化设计.

摘要：针对强激光系统中常用的1 053nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比,分析显示偏振光栅周期为600nm,占宽比为0.535~0.55,槽形深度为1 395nm^1 420nm时,可保证其在1 053nm波长下,透射率高于95%,消光比大于1 500。基于分析结果,利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模,并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移,制作了底部占宽比为0.54,槽形深度为1 400nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%,消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比,采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺,不但简化了制作工艺,而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅,特别利于在强激光系统中应用。

摘要：本文通过优化白光LED阵列的结构,实现在目标面上产生均匀的色温分布。通过收集系统中每颗LED的色温坐标矩阵与照度矩阵,根据色温叠加公式,计算LED阵列在目标面上叠加后的色温分布,构建目标面上色温均匀度评价函数,评价函数反应目标面上色温分布的均匀性。通过优化阵列中LED的位置,使得评价函数的值最小,即目标面上色温均匀度最高。运用这种方法我们优化设计了两个实例:(1)相同规格的9颗白光LED方形阵列;(2)不同规格16颗圆形白光LED阵列,优化后色温均匀度均达到了95%以上。利用这种方法同样可以在目标面上同时实现均匀的色温分布与照度分布,设计9颗相同规格的白光LED以3×3方形阵列方式排布,优化后色温均匀度从78%提升到88.7%,照度的均匀度从42%提升到87.6%。分析实际加工制造过程产生的误差对色温均匀度的影响,随着制造误差的增大优化后色温均匀度下降,但均优于优化前色温分布均匀性。

摘要：为实现45°入射情况下K9基底上双波段截止分色的特性(截止带波长0.5~0.68μm、0.73~0.79μm,通带波长0.83~0.87μm),采用F-P型的带通滤光片膜系结构为初始结构,与常规设计理念相比有效减少了膜层的数量,薄膜的高折材料采用Ti O2,低折材料采用Si O2,以实现双波段截止的目的。膜层的设计层数为23层,总厚度为2.278μm,借助电子束蒸发物理气相沉积法实现了镀制,利用分光光度计对镀制样品的透过率进行评估。测试结果显示,截止区(0.5~0.68μm和0.73~0.79μm)平均截止深度分别达到了12.57%和20.39%,通带0.83~0.87μm波段内的平均透过率达到了91.35%,样品测试曲线与设计相比,"蓝移"将近10 nm。薄膜样品基本实现了设计目标,具有双波段截止、高通带透过率的特性。在环境测试中:薄膜表现出显著的稳定性,膜层间匹配度适宜。该双波段截止分色滤光片能够应用在一些极端的情况下。

摘要：为了实现人工晶状体植入人眼后在远、中、近三个视距范围内均清晰成像,帮助白内障患者获得更好的视觉体验,设计了多焦点菲涅耳透镜,其环带面采用自由曲面的形式。通过每个环带交替控制焦距的方法,避免了随着瞳孔收缩而出现的焦点丢失的问题。基于折射定律的矢量形式,采取迭代计算的方法,设计了自由曲面形式的菲涅耳透镜,并模拟了不同焦点处的能量分布。基于ISO 11979-2标准眼模型模拟了自由曲面菲涅耳三焦点人工晶状体植入眼成像系统,附加光焦度分别为+1.66D和+3.32D。通过光线追迹计算了不同光焦度下的调制传递函数;计算结果表明:在空间频率为50lp/mm时,远焦点、中焦点及近焦点处调制传递函数均在0.2以上,满足患者的使用需求。