光学扩散片是液晶显示器中的关键元件,兼具广角、高透过率、高均匀性的扩散片一直是液晶显示领域的重要研究目标。基于Helmholtz-Kirchhoff 理论,推导了激光透过粗糙表面的散斑强度频谱分布,提出通过特定入射角度的多个光束依次照射粗糙表面形成散射场叠加曝光的全息扩散片设计方法。该方法拓宽了全息扩散片的散射角度,提升了散射强度的均匀性。搭建了全息扩散片的制作光路,采用上述方法制作了全息扩散片,测量获得的远场强度分布与仿真结果能很好地吻合,散射角的半峰全宽达到130°,透过率达到90%以上,扩散系数达到92%,同时实现了广角、高透过率和高亮度均匀性,在液晶显示中具有潜在的应用前景。

铵(NH+4)的光谱检测有着重要的意义, 随着微流控领域的发展, 以快速性、 便携性以及多组分检测为目标的微流控光谱分析成效卓著。 但是分析中存在的指示剂浪费问题一直没有得到解决。 锌卟啉作为一种天然的自发光分子, 能够实现NH+4的可逆性检测, 解决这一问题, 但却存在选择性低的缺点。 针对这些问题, 实验设计了一种耦合微流控芯片, 由反应芯片、 气体扩散芯片和检测芯片组成。 其中反应芯片用于将NH+4转化为NH3, 由聚二甲基硅氧烷制成; 气体扩散芯片使NH3扩散进入待测溶液, 由上下两片玻璃芯片及夹在中间的一层PDMS材质的气体透过膜制成; 而检测芯片则通过多层结构将指示剂固定在其中。 指示剂是通过将锌卟啉永久染色在离子交换树脂上制作而成的, 在遇到NH3分子时会产生由绿到紫的变化, 而当周围变成纯水环境时, 又能够实现从紫到绿的逆向变化。 以此耦合芯片为分析平台, 搭建了一套小型化的光谱检测系统, 以便携式光谱仪为分析器件, 通过测量450 nm处的透射光谱强度变化, 实现了NH+4的定量检测, 同时研究了影响检测结果的三个参数: 气体透过膜厚度, 流速和指示剂用量。 首先通过光谱强度随时间的变化, 我们证明了指示过程的可逆性, 因而解决了指示剂浪费的问题, 时间响应也说明了指示过程的快速性; 接着通过与对照实验的对比, 说明检测过程具有很高的选择性, 能够排除干扰物的影响, 光谱变化仅仅是因为NH3的存在; 通过改变气体扩散芯片中气体透过膜的厚度, 得到了膜厚和光谱强度变化之间的关系, 膜的厚度增加使得检测效果变差, 但当膜厚小于10 μm时效果基本不变, 考虑到机械强度, 选择了10 μm作为膜的最佳厚度; 随即研究了耦合芯片中流速对于光谱强度变化的影响, 发现流速的增加会使得光谱强度变化减小, 但流速小于5 μL·min-1时效果基本不变; 最后又研究了指示剂用量对于光谱强度变化的影响, 证明指示剂过多和过少都会影响检测效果, 以5 mg为最佳。 这套以耦合芯片为平台的光谱分析系统具有体积小, 经济性高, 响应迅速的特点, 能够实现NH+4高选择性、 可逆性的定量测量。

为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量, 提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法, 对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体的低表面张力及流动特性, 通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补; 结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺, 将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面, 从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明: PV、RMS分别为1.347 μm和340 nm的粗糙表面, 通过二次抛光其粗糙度可降低至75 nm和13 nm; PV、RMS分别为61 nm和8 nm的表面, 其粗糙度可降低至9 nm 和1 nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度, 可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。

基于傅里叶光学的基本原理和稀疏孔径光瞳结构,建立了子镜与衍射拼接主镜厚度误差间的关系模型。在子镜无衍射结构一侧微变形情况下,给出了任意低阶面形误差引入的相位差的一般表达式。以球面变形为例,分析计算了面形误差的容许范围,并采用ZEMAX光线追迹法对结果进行了交叉验证。对于子镜双侧无变形的特殊情况,运用蒙特卡罗方法讨论了子镜间厚度的一致性对拼接主镜成像质量的影响,给出了正态分布条件下衍射拼接主镜相干成像时子镜厚度误差的方差与极值范围。根据理论设计结果加工了两片离轴衍射子镜,开展了双子镜拼接成像性能实验。实验结果表明,衍射拼接主镜能提高等效分辨率。

多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作,但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法,正向得到了子镜沿自身x'轴倾斜、y'轴倾斜、z'轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型,可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解,运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算,验证了该方法的精度及可靠性,为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。

以理想坐标面为参考面, 建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型; 其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式, 分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围; 最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式, 得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据, 对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.

基于衍射光线追迹和波前再现的方法,建立了薄膜衍射主镜基底面形误差所引起波前误差的物理仿真模型。并以边缘褶皱面形和中心向外凸出球面面形两种典型的薄膜基底形变类型为例,分别研究了两种面形误差对衍射主镜成像质量的影响,讨论了这两种典型薄膜形变所引起的主要像差类型,分析了衍射主镜波前均方根误差、面形峰谷值与光学系统斯特列尔比(SR)的相互关系,为进一步研究薄膜衍射主镜的装配夹持和像差补偿提供了理论支撑。

基于复合变焦光学系统原理,提出了一种新型复合变焦光学系统结构。该结构将连续变焦与两档变焦结合,可以增大变焦光学系统的焦距变化范围,实现更大的搜索范围和更远的跟踪距离。建立了新型复合变焦系统光学设计的数学模型。在该模型的指导下,针对像元数为320×240,像元尺寸为30 μm×30 μm的长波红外非制冷焦平面探测器,设计了一款新型复合变焦光学系统。该系统工作波段为8~12 μm,焦距变化范围为10~360 mm,在10~60 mm时,F数为2,在60~360 mm时,F数为4。对光学系统凸轮曲线和性能进行了分析。结果表明,该系统具有变倍比大、结构简单、像质好和变焦轨迹平滑等优点,验证了该数学模型的有效性。

提出了一种基于瑞利-索末菲衍射理论的设计方法, 用于近场大衍射角衍射光学元件的设计.研究在大衍射角条件下, 衍射光学元件面和输出面采样点之间应满足的空间位置关系.采用无远场和傍轴近似的正、逆向衍射计算方法对传统盖师贝格-撒克斯通算法进行改进, 得到近场大衍射角衍射光学元件的设计方法.以“田”字形目标光强为例, 将传统设计方法、现有大衍射角衍射光学元件设计方法和本文提出的设计方法进行对比, 结果表明: 在近场区域, 本文方法可以准确重构出大衍射角衍射光学元件的目标光场, 其他两种方法则会导致重构光场产生明显的畸变或者模糊化.

为实现在聚酰亚胺薄膜上制备连续面形的微透镜结构, 开发了一种薄膜光刻刻蚀的工艺方法.首先利用移动掩模曝光得到连续面形的光刻胶微浮雕结构, 再通过反应离子刻蚀技术将微结构高保真度、低粗糙度地转移到PI薄膜上.为解决刻蚀过程中最关键的等比刻蚀问题, 分别研究了刻蚀气体组分的优选、气体组分配比和气体流量的优化等对等比刻蚀的影响.实验结果表明: 在一定的刻蚀条件(如射频功率、腔室压强和自偏压)下, O2+SF6的混合工作气体中, O2为一定值, 随着SF6占的比例增加至13.04%, 总流量为46sccm的优化值时, 实现了刻蚀速率和刻蚀比分别为136 nm/min和1∶1.02, 刻蚀误差仅为2.3%的较好各向异性刻蚀.通过实验室搭建的焦距测试系统, 证明了该方法在PI薄膜上制备的微透镜阵列与石英上具有相同的光学特性.