研究组近年来的主要研究成果

1. 小F数自由曲面离轴三反系统的设计、装调与测试

2. 基于逐点设计思路的自由曲面成像系统设计框架

3. 基于逐点构建与迭代的自由曲面系统设计方法的研究

4. 基于CI方法的高性能系统设计

5. 离轴非球面系统的全视场逐点设计方法的研究

6. 自由曲面高精度拟合方法的研究

7. 高性能动态星光模拟器的研究

8. 基于微纳结构提升LED发光效率的研究

 
1. 小F数自由曲面离轴三反系统的设计、装调与测试

      反射式光学系统已经在很多领域得到了广泛的应用。与透射式光学系统相比,反射式系统没有色差,可以工作在较宽的光谱范围内。离轴系统通常采用视场离轴或孔径离轴方式避免中心遮拦,这可以提高系统的光能利用率,同时抑制杂散光。F数在光学成像系统中是一个重要参数,特别在红外系统中,这一参数对系统成像的影响更为显著。较小的F数可以提高系统的信噪比,进而改善系统的成像质量。对于采用非制冷红外探测器的系统来说,小F数离轴反射式系统具有很高的实用价值。在设计该类型的光学系统时,采用自由曲面有助于校正大孔径带来的较大的像差,提高系统成像质量。因此有必要研究具有小F数的自由曲面反射系统的设计方法。

      在通常的离轴反射系统结构中,各个反射镜彼此分离,距离较远,必须为每一面反射镜单独加工元件。当引入自由曲面之后,由于自由曲面通常没有中心对称轴,加工后的元件将难以找到基准位置,这给系统的装调带来了很大的难度。为了解决这一问题,我们采用的思路为通过减少装调过程中的自由度来简化装调,具体的说,本课题组采用了“主镜三镜一体化加工”的设计思路,即通过合理的设计使主镜三镜在空间近似相切,创造条件令主镜三镜两面反射镜能够加工在同一个元件上,则在装调过程中只需调整次镜的空间位置以完成装调。研究组针对易于装调的小F数自由曲面离轴三反成像系统提出了一种设计方法。具体来说,该方法推导了同轴球面三反系统的求解方法,即通过初阶特性参数求解同轴球面系统,采用多维搜索曲率半径数值以缩小镜间距的取值范围,将主三镜一体化加工的条件引入设计过程以简化系统装调,以分步优化、设置复杂边界条件方式逐步将面形改为非球面、自由曲面等,最终通过设计软件优化得到符合设计指标的系统。

      在完成小F数自由曲面离轴三反成像系统设计的基础上,本课题组进一步实现了该系统的实物化与实用化,完成了系统样机的加工、装调与测试。与此同时,课题组创造性地提出了一套自由曲面成像系统的装调与测试方法,解决了该领域的一项技术难题。另外,该款离轴三反成像系统可服务于国防建设,迎合国家重大需求。

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2. 基于逐点设计思路的自由曲面成像系统设计框架

      为了显著地减少光学设计过程耗费在搜寻初始结构与后续优化两个阶段的人工参与,研究组提出了一种基于逐点设计方法的自由曲面成像系统自动化设计框架。注意这里提到的“自动化”设计与光学设计软件中的“自动优化”的概念是不同的。软件中的“自动优化”更多是指以一个结构与参数相近且带光焦度的初始结构为起点,利用阻尼最小二乘法等优化算法,自动修改系统结构参数,不断提升系统像质的过程。这是一种辅助设计手段,优化过程中仍需要人工参与。其中自由曲面的形状是靠优化面形系数变量得到的。而研究组给出的“自动化”设计框架,是指从极简单的、无光焦度的初始平面系统到像质较高的系统的自动化设计。在此设计框架中,自由曲面的形状是通过逐点设计方法得到的,不需要丰富设计经验和大量人工参与。不同于传统光学设计分成初始结构选取和后续优化两个相对独立的阶段,此处给出的自动化设计框架是一个整体,搜寻初始结构和后续优化两个过程在此框架中并没有明显的界限。设计者在设计之初仅需要给出初始平面系统、要实现的物像关系以及需要满足的约束条件,通过逐点自动化设计,可直接得到像质较好的系统。此设计框架大大降低了光学设计对已有初始结构的依赖性。设计工作基本由计算机自动完成。此逐点设计框架给光学系统自动化设计开辟了一条新的途径,并可以应用到很多领域。

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3. 基于逐点构建与迭代的自由曲面系统设计方法的研究

      常规的自由曲面成像系统设计方法,主要是从专利库寻找初始结构,逐步优化得到设计结果。但有时已有系统的结构、元件数量、系统参数与设计值相差很大。对于一些离轴非对称或较为特殊的系统,可供选择的初始结构十分有限,甚至没有。如此导致优化很可能花费大量的时间甚至失败。针对上述问题,研究者提出自由曲面直接设计方法,即根据系统成像要求,逐点求解自由曲面上的点并通过拟合得到待求自由曲面。将此系统作为初始结构进行优化,得到最终结果。然而现有直接设计方法,或者只考虑单个视场点(或非常有限的视场)设计,或者考虑全视场主光线进行设计,限制了它们的实际应用。

      一般的成像系统针对一定的物体大小与一定的光束宽度成像。尤其是对于自由曲面来说,它们经常用于较大面视场以及大孔径系统中。因此设计自由曲面成像系统的一个基本要求是控制来自全视场与不同孔径位置的光线。直接设计自由曲面最好满足预期物像关系与结构要求,并实现离轴消遮拦。提出一个满足上述两个要求的自由曲面设计方法,对自由曲面光学设计是一个挑战,但十分必要,有重要的意义。

      本课题组提出了一种基于逐点构建与迭代的自由曲面成像系统设计方法(Construction-Iteration method,CI method)。该方法在一定程度上是一种通用的自由曲面与系统的逐点直接设计方法,可以用于小F数系统、面视场系统、以及有特殊结构约束的系统等各种自由曲面离轴系统设计。该方法考虑了不同视场不同孔径位置光线的同时控制,符合实际成像系统针对一定大小物体(不是单一视场)与一定宽度光束成像(非单一孔径)的要求。系统设计以一组离轴倾斜的平面为起点。首先,经过一个初步构建过程,基于物像关系(或更一般的光线映射关系)逐点计算出待求自由曲面上的数据点的坐标与法向,并将其拟合成自由曲面。随后通过一个迭代过程,大幅提升系统的像质(或实现更好的光线映射关系)。此设计结果可以作为供后续优化的良好的初始结构。

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4. 基于CI方法的高性能系统设计

      本课题组基于CI方法,设计完成了多种自由曲面成像系统,如高精度扫描系统设计、小F数矩形视场自由曲面离轴反射系统设计、易装调的自由曲面离轴三反系统设计、特殊球形轮廓系统设计、超大视场角系统自由曲面系统设计、带实出瞳的自由曲面成像系统设计、无焦系统设计、双视场系统设计,实现像面平移的自由曲面棱镜设计,等

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5.离轴非球面系统的全视场逐点设计方法的研究

      设计离轴非球面系统的主要思路是先找到合适的初始结构,然后进行优化设计。后续的优化过程是很重要的,一个好的初始结构对于后续优化也是很重要的。常用的初始结构设计方法有三种:第一种为从镜头库中选取;第二种为使用近轴光学理论计算;第三种为逐点设计法。W-W微分方程法和SMS多曲面同步设计方法是两种常用的逐点设计法,但是二者在考虑的视场和孔径数量方面具有局限性。能同时满足视场与孔径数量要求的逐点设计方法(CI-3D)目前只适用于自由曲面光学系统的设计。因此我们希望有一种基于逐点计算的,能同时满足视场和孔径数量要求的离轴非球面光学系统的设计方法。

      本课题组针对这种需求提出了一种全视场逐点直接设计方法来设计离轴非球面光学系统。该方法考虑了来自不同视场、不同孔径的光线。非球面拟合过程被加入到数据点的计算过程中,通过不断重复求特征数据点-非球面拟合的步骤,并引入中间点来计算待求曲面,在拟合过程中同时考虑了坐标偏差和法向偏差的影响。计算得到的离轴非球面系统可以作为良好的初始结构进行后续优化,最终的系统可以被快速地优化得到,不需要太高的优化技巧。我们提出的方法是一种通用的离轴非球面设计方法,不需要太多的设计经验,降低了离轴非球面系统的设计难度。

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6.自由曲面高精度拟合方法的研究

      区别于传统基于优化的自由曲面系统设计方法,直接设计方法(如微分方程法、多曲面同步法,以及本课题组提出的逐点构建迭代(CI)设计方法等)可以得到待求自由曲面上一系列的离散数据点,包括它们的空间坐标,以及在这些数据点处自由曲面的法向矢量。然而,常规的做法是基于最小二乘法,通过拟合这些离散数据点的空间坐标,构建出待求的自由曲面面形。不难发现,这种常规面形构建方法忽略了离散数据点的法向矢量,因而在面形构建过程中,常常对法向矢量偏差缺乏有效的控制。事实上,光线的折反射对曲面法向矢量十分敏感,因此这一常规面形构建方法的不足很有可能影响到自由曲面的光学性能,从而偏离我们的预期设计目标,有时偏离很大。

      我们提出了一种综合考虑离散数据点空间坐标和法向矢量的新型自由曲面面形构建方法。该方法基于最小二乘法和多目标最优化理论,通过对空间坐标拟合误差和法向矢量拟合误差的加权合成,实现对两者的综合有效控制。该新型面形构建方法具有一定的普适性,它统一涵盖了成像自由曲面、照明自由曲面的面形构建,以及多种常用多项式自由曲面(如XY多项式、Zernike多项式等)的面形拟合。

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7.高性能动态星光模拟器的研究

      进行了高性能动态星光模拟器的研究,研制成功高精度、多星等的星光模拟器。

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8.基于微纳结构提升LED发光效率的研究

     与其它光源相比,氮化镓(GaN)发光二极管(LED)具有节能、使用寿命长和稳定性高等优点。近年来,它在固态照明、全彩显示和打印等领域得到了广泛的应用。然而,它相对较低的发光效率已成为制约其发展的技术瓶颈。因此,提高其发光效率具有十分重要的意义。研究组以氮化镓发光二极管外延片为研究对象,以利用各种微纳结构改进其发光效率为研究目的,提出了几种不同的LED结构。这些微纳结构的加工基于介质或金属的蒸发、室温下的纳米压印、反应离子刻蚀、蓝宝石衬底的机械抛光或剥离等相对简单便捷、高效及较低成本的加工工艺。

     根据微腔谐振原理,我们研究了一种基于平板微腔结构的GaN-LED,给出了器件的理论分析与仿真结果。该结构包含一个“SiO2/Ag”反射镜和一个“Si”反射镜。当SiO2层和Si层的厚度取最优值时,该结构的垂直器件表面方向的出光强度是参考样片的9.5倍。当p-GaN层和n-GaN层的厚度取最优值时,该结构的法线方向的出光强度是参考样片的9.9倍。

     为了同时提高LED的内量子效率与光的提取效率,提出了基于多层膜结构的“表面等离子激元(SPP)”增强型LED。该多层结构包含一个高折射率的覆盖层、一层金属膜和一个低折射率插入层。该结构中的金属膜用来增强内量子效率、覆盖层用来提高SPP提取率与光的提取效率、插入层用来进一步提高SPP提取率。分析了该结构的透射率、SPP的等效折射率与场分布、Purcell增强因子。理论分析表明,相对于只覆盖银膜的参考结构,此结构的发光效率与SPP提取率都得到了提升。实验结果表明,该结构的顶部与底部的光致发光强度的峰值分别是只覆盖银膜的参考结构的2.5和1.8倍。

     为了利用光栅来进一步提升LED的光的提取效率和SPP提取率,把上述的多层膜结构与微纳光栅相结合,提出了基于多层矩形光栅及多层“M”形光栅的SPP增强型GaN-LED。调整了这两种结构的参数来保证较高的透射率,分析了它们的SPP模式的特性。理论分析表明,这两种结构都可以有效增强内量子效率并提高光的提取效率与SPP提取率。并且,与多层矩形光栅结构相比,多层“M”形光栅结构的透射率与内量子效率增强效应都得到了进一步的提升。实验表明,多层矩形光栅结构的光致发光强度的峰值是仅覆盖单层金属膜的矩形光栅的约2.5倍。多层“M”形光栅结构的光致发光强度峰值超过裸片的10倍。

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清华大学精密仪器系 · 光电工程研究所 · 光学设计及光学仪器实验室

最后更新  2017年5月