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微光学应用研究进展

徐平  黄海漩  张旭琳  孙一翎  周育成  段守富  韩峰  李孟珏  叶恩  梁钱  
【摘要】:二元光学元件具有微型化、轻型化、可复制、价格低、可设计产生任意形状的波前,可把多种功能集中于一个器件上等其它器件不可比拟的优点。近年来,我们对微光学与二元光学器件的实际应用方面进行了下列三方面的探索研究:(1)提出用深浮雕微闪耀光栅列阵实现PS变换的理论方法,利用二元光学技术成功制作出一块可简单、高效实现1-D PS变换的列阵元件,将此微光学元件与高速光开关集成构建循环级联光互连二维Omega网络。在此基础上,我们进一步研究光学实现2-D PS变换的新方法,提出仅用一块微闪耀光栅列阵元件实现2-D PS变换,设计结果表明,该器件结构简单,光能利用率较高,便于集成、实用化;将此元件与高速光开关集成创建新型循环级连三维Omega网络,进行了路由算法控制研究,解决该网络路由控制问题。该交换网络具有处理容量大、速度快、结构紧凑、成本低廉等优点,可实现全光型无阻塞任意光交换,有望成为新一代数字光计算和光交换系统的基础模块。(2)应用微光学、二元光学技术在导光板上下表面设计并制作微光学阵列结构,实现目前典型背光系统中双层正交棱镜膜、扩散膜、导光板及平面反射膜五层复杂结构导光板膜系的功能,亮度和均匀性与传统方法媲美,突破国外专利限制及技术垄断,具有自主知识产权。本方法只用一层导光板就可以代替传统棱镜膜,扩散膜的功能,实现光的均匀分布,光能利用率高。具有集成化,轻薄化,高亮度特点,并且可以大规模复制、生产,降低成本。提出顶端带有微凹的圆锥结构的微阵列结构;提出利用微棱镜反射膜取代平面反射膜;研究导光板下表面直接熔合微结构后,出射光亮度峰值方向的调制机理,得到初步的理论结果;提出导光板上表面熔合非球面半柱状微结构;提出导光板增亮膜上表面类圆台微结构,可以实现现行手机背光系统中的扩散膜和双层正交棱镜膜的功能。(3)将微光学元件与平面光学系统结构相结合,提出了一种新型微光学平面集成相关器,能够实现系统的集成化、微型化、实时处理。通过对初级及二级像差的分析以及对斜入射点扩散函数表达式的推导,得到微光学透镜相位调制函数的表达式;采用微光学透镜设计基于4f结构的平面光学相关器中的傅立叶变换透镜,并利用ZEMAX对该系统进行优化设计使其达到衍射极限;提出基于综合鉴别滤波器(SDF)的对物体频谱与滤波器中心的横向偏移有容错能力的滤波器设计方案,并采用菲涅尔方法设计了光学相关器的滤波器;成功搭建了斜入射光路,将用菲涅尔衍射方法设计的等效匹配滤波器加载到光路实验中,可以分别对角度旋转范围为(-5°~5°)或畸变范围为放大或缩小5%的目标图像进行有效识别。本项目的研究对促进光学相关器微型化、集成化并降低生产成本有重要的学术意义和应用价值。

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