设计了一种在发光二极管(LED)光源照明下, 基于4f信息处理系统的光栅光调制器的投影物镜。对经光栅光调制器的衍射光进行滤波处理, 实现对调制后像的投影放大显示。设计结果表明：该物镜总长70.71 mm, 最大口径12.40 mm; 整体像差控制在理想范围之内, 可以满足成像要求。根据设计结果搭建实验系统, 实验结果与理论分析一致, 说明了设计的可行性。

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。 文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。 该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。 设计了该光谱探测系统的光学结构, 论述了系统光谱探测原理, 并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、 波长准确性、 系统稳定性、 器件响应频率等特征参数测试实验。 结果表明, 该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内, 分辨本领小于10 nm,波长准确性小于1 nm, 系统稳定性小于0.5%, 光栅光调制器的响应频率为5kHz。 实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性, 为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。Light Modulators

提出一种利用三色激光作为照明光源时,基于单片光栅光调制器(GLM)的彩色投影显示方案。阐述了该投影系统的彩色显示原理利用色度学相关理论;分析了红、绿、蓝三色激光合成标准D65 白光源的原理;综合考虑显示色彩还原度、投影亮度和激光器输出功率3 个重要指标,对激光光源进行了优化选择。分析结果表明,峰值波长分别为635,532 及457 nm的三色激光器组合为光源的最优设计方案。搭建了相关实验系统,通过收集±1 级衍射光进行了静态光栅光调制器彩色投影实验。实验得到了红、绿、蓝及合成白色光源照明下的投影图案,初步证明了该彩色投影方案的正确性。

提出了一种改进型的可应用于微型光谱仪的光栅光调制器(GLM),器件由可动光栅和底层反射层组成。通过静电驱动由多个GLM组成的线阵单元,下拉栅条至不同高度可实现对不同波长光进行开关选通调制。介绍了该器件的工作原理、结构和工艺流程,利用Coventor软件对器件进行建模。通过有限元分析了器件的机电耦合特性,得到了器件的吸合电压和响应频率,并得出不同结构参数对器件栅条平坦度的影响关系。仿真结果表明:通过增加栅条厚度,改进底电极结构,且采用减薄的折叠型支撑梁,能够有效改善光栅面平坦度,使其较好地实现对光的开关选通。

研究了用LED作为光栅光调制器的照明光源时,三基色光源数目之比和光源相干性对显示质量及颜色复现能力的影响。利用部分相干光和色度学的相关理论,比较了不同光源带宽对显示对比度和色彩显示的影响。结果表明光源带宽越小,显示对比度越高,色品图中的色三角的面积越大;此外,研究还发现三基色光源数目之比对色彩显示影响较大,当红绿蓝三色光源数目之比为2:1:1时,混色白场在色品图中的坐标与标准光源的白场坐标位置接近,并进一步得到在该比例下光源带宽和一般显色指数的关系:光源的一般显色指数随着光源带宽的减小而减小。从而为光学系统的设计提供了一个光源选择的优化方案。The influence of display quality and ability of color discrimination on different ratio of RGB light source number and different coherence of light source is analyzed,when LED is used as the lighting source for grating light modulator. By using partially coherent light and colorimetry theory,the display contrast and color display on different bandwidth is compared. The result illuminates the contrast and the area of color triangle is increasing as the bandwidth is becoming narrower,and the ratio of RGB light source number affects the quality of color display largely. The coordinate of white field is highly closed to the position of standard white light source,when the ratio of RGB light source number is 2:1:1. Meanwhile the relation between general color rendering index and bandwidth is acquired in this situation. It shows that the general color rendering index becomes less as the bandwidth is narrower. Above all,an optimized project based on the choice of light source for the design of optical system is proposed.<英文摘要>

光学信息处理是投影系统设计的关键环节,利用部分相干光理论分析了具有一定光斑尺寸的激光照明下滤波面上的光学特性并进行了数值仿真。结果表明,滤波面上的衍射光强分布是调制器透过率函数傅里叶变换模的平方与激光光斑尺寸在滤波面上几何投影间的卷积;滤波面上各衍射级次出现了展宽,并产生了混叠;各级次混叠的程度随滤波面与调制器间距的增大而减弱。搭建了相关实验系统观察到了滤波面上的衍射图样,实验结果和理论分析一致。最后提出了在光栅光调制器与滤波面间设置一个会聚透镜来减小系统光学尺寸,提高系统信息处理效果的方法,并通过实验得到了最优方案,为研究光栅光调制器的微型化投影系统提供了理论基础与实验指导。

为了讨论交叉效应对无源矩阵驱动的光栅光调制器的影响,建立了无源矩阵驱动光栅光调制器的电学模型。介绍了光栅光调制器的工作原理和驱动电压。利用基尔霍夫的电流定理和电压定理,对该无源矩阵驱动阵列的电学模型进行化简分析,得到了交叉效应中半选点像素、非选点像素与全选点像素之间的电压关系。实验测得器件的驱动电压,并对加工的阵列器件进行交叉效应验证,得到这3种像素的±1级衍射光强与全选点像素驱动电压的关系。最后,提出两种抑制交叉效应的方法。实验结果显示:光栅光调制器的工作电压为8 V,吸合电压约8.5 V时;对于加工的16×16阵列,半选点像素电压约为全选点像素电压的1/2,且远大于非选点像素电压,结论与交叉效应理论分析一致。结果表明:交叉效应会降低阵列的光学对比度和光利用率,而器件较低的驱动电压有利于与有源矩阵电路实现单片集成,消除器件的交叉效应。

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。

A novel grating light modulator for projection display is introduced. It consists of an upper moveable grating, a bottom mirror, and four supporting posts between them. The moveable grating and the bottom mirror compose a phase grating whose phase difference is controlled by the actuating voltage. When the phase difference is 2k\pi, the grating light modulator will switch the incident light to zero-order diffraction; when the phase difference is (2k-1)\pi, the grating light modulator will diffract light to first-order diffraction. A 16\times16 modulator array is fabricated by the surface micromachining technology. The device works well when it is actuated by a voltage with 1-kHz frequency and 10-V amplitude. The fabricated grating light modulator can show blackness and brightness when controlled by the voltage. This modulator has potential applications in projection display system.

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。