1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 长春国科精密光学技术有限公司，吉林 长春 130033
为了设计低投射比的超短焦投影物镜，本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后，分析了系统的性能。仿真结果表明：超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3 048 mm尺寸的大屏幕投影，系统的投射比低至0.19，系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点，可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。
光学系统设计 超短焦投影系统 自由曲面 optical system design ultra-short-focus projection system freeform surfaces
Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
Polarization aberration caused by material birefringence can be partially compensated by lens clocking. In this Letter, we propose a fast and efficient clocking optimization method. First, the material birefringence distribution is fitted by the orientation Zernike polynomials. On this basis, the birefringence sensitivity matrix of each lens element can be calculated. Then we derive the rotation matrix of the orientation Zernike polynomials and establish a mathematical model for clocking optimization. Finally, an optimization example is given to illustrate the efficiency of the new method. The result shows that the maximum RMS of retardation is reduced by 64% using only 48.99 s.
birefringence polarization aberration projection lens Chinese Optics Letters
2020, 18(6): 062201
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 超精密光学工程研究中心, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春国科精密光学技术有限公司, 长春 130033
为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题, 提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法, 即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面, 基于多视场下物像的对应关系, 并根据反射面的法线方向, 通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜, 可将0.65 inch的数字微镜器件芯片在230 mm投影距离处放大为100 inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43 lp/mm处优于0.4, 最大畸变优于1%.该方法简单易行, 可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.
几何光学 光学设计 设计方法 自由曲面 超短焦投影系统 Geometric optics Optical design Design method Freeform surfaces Ultra-short-focus projection system
Author Affiliations
Abstract
1 Engineering Researcher Center of Extreme Precision Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Calcium fluoride is widely used in optical lithography lenses and causes retardation that cannot be ignored. However, few studies have been conducted to compensate for the retardation caused by calcium fluoride in optical lithography systems. In this Letter, a new index based on orientation Zernike polynomials is established to describe the value of retardation. Then, a method of retardation compensation is described. The method is implemented by clocking calcium fluoride lens elements, and the optimal rotation angles are calculated using a population-based stochastic optimization algorithm. Finally, an example is provided to validate the method.
220.3740 Lithography 260.1440 Birefringence Chinese Optics Letters
2018, 16(3): 032201
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
为了去除拼接干涉检测中支撑对面形检测的影响，提出了利用最大似然估计法计算支撑造成的面形误差的方法。首先，保持支撑工装不动，旋转待测镜检测各子孔径面形；然后，用最大似然估计法计算出支撑造成的面形误差；最后，各子孔径面形数据减去估算出的支撑面形误差，利用拼接算法拼接出全口径面形。以全口径直接测量结果为基准进行对比实验，验证了该方法可去除支撑造成的面形误差，提高了拼接检测精度。
测量 干涉检测 子孔径拼接检测 支撑 测量误差 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 041204
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 超精密光学工程研究中心, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
根据散斑产生的机理, 利用像素点之间干涉的概念, 提出了通过限制光场的位相分布范围来抑制投影图像中散斑对比度的方法.在部分发展散斑的条件下, 推导了位相均匀分布情况下的散斑对比度公式, 揭示了当相位分布范围在0.6π～2π之间时, 散斑对比度随相位分布范围的变化而震荡变化, 当把相位分布范围限制在0.6π以下时, 散斑对比度会随相位分布范围的减小而迅速下降.建立了理想仿真模型和实际仿真模型来验证该方法的正确性和可行性.在理想仿真模型中, 当位相分布范围从2π变到0, 所得散斑图样对比度从66.44%降到0; 在实际仿真模型中, 模拟了实际激光投影系统的光路结构, 并运用了两片衍射光学元件, 一片用于激光整形匀化, 一片用于光场的位相分布范围限制, 散斑图样对比度从92.78%降低到2.09%.该方法稳定性高、耗能低、使用元件尺寸小, 为全息投影显示的散斑抑制提供了参考.
衍射光学 散斑抑制 位相调制 衍射光学元件 全息投影显示 Diffractive optics Speckle Phase modulation Diffractive optical element Holographic projection display
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所超精密光学工程研究中心， 吉林 长春 130033
激光投影显示通常需要解决光束整形匀化和散斑抑制的问题。基于此，提出利用硅基液晶（LCoS）空间光调制器（SLM）同时解决上述问题的方法。利用衍射光学元件（DOE）精细化设计思想设计所需整形DOE的相位分布，可以同时较好地控制采样点与采样点以外的光场强度分布，将圆形高斯分布照明激光束整形成平顶矩形光场；在不同的初始相位条件下，设计得到的多幅DOE生成具有相同强度分布、不同相位分布的衍射图样。当SLM依次调制出这些衍射图样，通过时间积分将这些衍射图样相叠加，不仅可以进一步提高光斑均匀性，同时还可以抑制散斑。仿真结果表明，通过叠加16幅衍射图样，该方法可使照明光斑均匀性从74%提高到92.57%，屏幕上图样散斑对比度由0.991减小为0.2508。该方法稳定性高，能耗低，且所用器件尺寸小，为微投影显示结构设计提供了有益参考。
激光光学 衍射光学 散斑抑制 空间光调制器 衍射光学元件 激光投影显示 中国激光
2016, 43(12): 1201001
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室 超精密光学工程研究中心，长春 130033
为保证数字微镜器件(DMD)的温度水平满足要求，采用计算和试验相结合的方法，对DMD 热设计进行了研究。通过设计强迫液体冷却的散热方案，计算DMD 各个测温点的温升，得出反射红、绿、蓝光的DMD 最大温升分别为14.4 ℃、11.3 ℃、10.2 ℃，通过试验对热设计方案及计算结果进行了验证，试验结果与计算结果最大偏差不超过2.5 ℃，试验表明，所设计的热设计方案可靠，温升计算正确，为整机热设计和优化提供了理论依据。
热力工程 数字微镜器件 数字光处理 热设计 thermal engineering digital micro-mirror device (DMD) digital light processing (DLP) thermal design
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室超精密光学工程研究中心, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心, 长春 130033
为评估日盲紫外像增强器的带内响应能力及带外截止能力, 基于标准替代法, 设计并实现了宽光谱大动态范围的日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统。系统选择宽波段、高亮度、高稳定性的激光泵浦白光光源作为基本光源, 与单色仪配合构建了单色辐照场, 并采用可溯源于美国 NIST标准的硅陷阱探测器作为参考探测器, 通过高精度静电计和多种抗干扰手段进行微弱电流测量, 实现了对日盲紫外像增强器绝对光谱响应的高精度测试。实验结果表明: 系统可覆盖光谱范围 200 nm~630 nm, 动态范围达 106, 测试不确定度低于 5.5%。该测试系统稳定可靠, 精度高, 基本满足日盲紫外像增强器筛选的应用需求。
日盲紫外 像增强器 绝对光谱响应 宽光谱 SBUV image intensifier absolute spectral response wide spectrum
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室超精密工程研究中心,长春 130033
为了实现高精度平面面形绝对检测,对传统的立式三平板绝对检测方法进行了重力变形补偿.通过有限元软件仿真了平板在水平放置于工装上的重力变形,并将其加入到平面绝对标定的计算中.把平面标定分成旋转对称项和旋转非对称项分别标定后进行综合,并与旋转平移绝对检测方法的测量结果进行了对比,去除离焦项对比结果均方根小于1nm.为了进一步验证离焦项的标定,对一平板在不同口径环形支撑下的形变量进行了检测和仿真,对比结果的峰谷值小于9nm,达到较高的离焦项测量精度.实验结果验证了基于重力变形补偿的立式三平板绝对检测方法能够实现立式下平面的高精度绝对检测.
光学检测 绝对检测 干涉术 重力变形 有限元方法 计算仿真 Optical testing Absolute test Interferoetry Gravity deformation Finite element method Computer simulation 光子学报
2015, 44(11): 1112003
