基于微机电系统(MEMS)光栅光调制器在静电压驱动下可改变其衍射效果, 并在光学4f系统中实现光信息处理, 从而应用于投影显示。在典型4f光学系统基础上, 优化设计了基于MEMS光栅光调制器的投影显示系统, 根据菲涅耳衍射分析了该系统; 分别利用两种光栅光调制器实验样品在设计的光学系统中进行了显示实验研究。结果表明, 该系统可实现投影显示; 配以驱动电路可实现动态显示, 并可进行工作电压、吸合电压、响应频率等特性测试。

讨论了二维光栅光调制器阵列的表面弯曲度对衍射光学特性的影响。利用实测的表面结构数据建立了阵列模型, 利用Matlab软件计算了不同弯曲度对频谱面上衍射光强的分布影响, 得到了弯曲度与对比度之间的关系。结果表明暗态时光栅面的弯曲度对成像对比度的影响很大, 如果将光栅面的中心弯曲度控制在0.1λ以内, 在像面上将获得1000以上的对比度。并通过实验动态显示器件的明暗态调制, 得出减少光栅面弯曲度的优化方案。

针对一种新型的光调制器——光栅光调制器, 研究用LED作为其照明光源时对光学调制特性的影响。以部分相干光理论为依据, 结合MATLAB仿真, 推导出用LED照明光栅光调制器时, 光源带宽对成像对比度具有较大的影响, 通过滤色片将光源带宽减小到13 nm时, 像面上的对比度约为150, 进一步减小带宽至10 nm, 对比度将达到225。光源的尺寸在与光源到光栅光调制器之间的距离相比小于0.03时, 对光栅光调制器的光学信息处理不会有影响, 并通过实验加以证实, 从而说明采用LED作为光栅光调制器照明光源的可行性。

基于标量衍射理论分析了二维光栅光调制器的衍射特性,提出了投影系统的光学处理方法,利用Matlab软件进行了仿真分析。分析结果表明,二维光栅光调制器的衍射光强分布是单个像素衍射光强的干涉叠加,其分布趋势与单个光调制器的衍射光强分布类似;通过反傅里叶变换可将各个调制器的衍射光重新分开而成像。如果用±1级衍射光的成像,相位为2kπ的调制器在投影面得到一个明亮的像,而相位为(2k-1)π的调制器在投影像面上得到一个黑暗的像。通过一个基于静态微光电系统光栅光调制器的投影光学系统得到了一幅明暗调制的像,证明了光栅光调制器用于投影显示的可行性。

依据傅里叶光学理论,采用在频谱面上放置两种空间滤波器的方法进行信号处理,分析了光栅平动式光调制器在成像面上的强度分布情况,实现了对光能量的调制.分析表明:当滤出±1级谱时,像面上可以得到完全均匀的暗场;但是由于边框和悬臂梁的影响,得不到完全均匀的亮场;当滤出零频谱时,由于边框和悬臂梁的影响,得不到完全均匀的暗场和亮场.设计时,为了要在像面上得到更高的亮度均匀性,需要满足可动光栅栅条宽度为光栅周期的一半,同时应尽量减少悬臂梁和边框的宽度.

基于MOEMS(Micro-opto-electro-mechnical Systems)的光栅平动式光调制器依靠结构中的蟹型悬臂梁在静电力作用下的上下运动来改变可动光栅和下反射面的距离,从而实现对光能量的调制.本文依据傅里叶光学对光栅平动式光调制器(Grating Moving Light Modulator,GMLM)工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真.分析了可动光栅的光栅周期数为偶数和奇数时,由于几何中心的不同,使得采用傅里叶光学分析时透过率函数不同的问题,并对GMLM衍射光能量的分布进行了详细的理论推导;重点讨论了GMLM结构中边框和蟹型悬臂梁对对比度的影响.结果表明,为了得到较高的对比度,应减小边框宽度、悬臂梁的宽度和长度,文章用图形给出了直观说明.

提出了一种用于显示的,基于透射型法布里珀罗干涉的微机电系统(MEMS)光学调制器。基于多光束干涉原理分析了调制器的光学特性,推导出了调制器结构的特征参量。分析表明,当调制器的腔长为λc/4时,透射光可以实现暗态显示;当调制器的腔长取为零或λc/2时,透射光可以实现亮态显示。通过控制法布里珀罗腔长,就可实现调制器的明暗调制。理论上证明了该调制器用于显示的可行性。设计了一种基于微机电系统的透射型法布里珀罗光学调制器结构,该调制器的理论衬比度达到150。仿真结果表明,该调制器具有2.4 V的低电压静电驱动性能。

基于微机电系统(MEMS)的光栅平动式光调制器(光栅平动式光调制器)调制性能的实验研究关系到其进一步应用。设计了光栅平动式光调制器的相干光学信息处理系统实验方案,He-Ne激光器出射的光束经扩束器和准直透射后成为平行光入射光栅平动式光调制器,被测光栅平动式光调制器放置在相干光学信息处理系统的输入面,滤波器在频谱面上,显微镜放大像面上的信号,经CCD在计算机上记录存储;实验结果和理论分析吻合。对光栅平动式光调制器进行方案优化,将可动光栅边框和悬臂梁表面处理成不反光,使可动光栅和下反射镜构成的整个反射面为光栅周期的整数倍。经理论计算,在光栅周期为8 μm,光栅占空比为0.5,光栅边距为2 μm,周期数为6的条件下,光栅平动式光调制器图像填充率为74.67%,光学效率为81.06%,衬比度大于5000∶1。

从多光束干涉的基本原理出发,分析了光源光谱对光纤法布里珀罗应变传感系统的影响.通过分析发现光源光谱的高斯分布会使光纤法布里珀罗应变传感系统产生测量误差,并从理论上推导出了这种误差的计算公式;通过计算机仿真发现光源的影响使应变测量结果出现了连续周期性的跳变,并通过实验验证了这种变化规律.