合成全息作为一种重要的显示媒介,是指将一系列用普通摄影术得到的物体的二维底片,通过全息方法记录在一张全息干版上,再现时实现原物准三维显示的技术[1]。常用的合成全息图制作的过程主要有两种,即一步法合成全息[2]和两步法合成全息。激光直写合成全息即是基于一步法合成全息的原理提出的,简单易行,具有较高的实际应用价值,而在激光直写合成全息中应用全息光学元件能有效改进图像质量,提高光能利用率。
基于上述分析,本文提出了研制激光直写合成全息光学元件的制作技术,并通过实验对其性能进行了初步验证。
激光直写拍摄合成全息图时,通过空间光调制器系统[3]将我们所需要的原始图像投射到柱面透镜上,使图像会聚于一条细长狭缝上。由于衍射的缘故,柱面透镜焦平面上的强度分布不均匀,因而这种方法要求干板的振幅透过率-曝光率曲线在光强很强和很弱时都有良好的线性,否则这些强度不均会引起曝光过度和信息丢失。在实际操作的流程当中,由于所需要的图案大小不一,因而柱面透镜的尺寸也要相应变化,同时由于物光要紧贴干板,透镜的焦距也不易过长。以上问题的存在使得采用柱面透镜进行激光直写合成全息图拍摄的实际可行性不高。
理想情况下,图像被聚焦或散射后,在记录干板上的光强分布应尽可能的成条状,与狭缝形状吻合,同时从图像的每个部分获得等量的光强,并可最大限度地利用光能。然而传统的光学元件并不能够满足上述要求,必须研究新的方法。即制作图像柱面压缩全息光学元件来代替光路中的柱面透镜,克服柱面透镜光强分布不均匀的缺陷和透镜尺寸、焦距受限的不足。
全息光学元件是用全息学的方法在记录材料薄膜上记录点光源的干涉条纹,再经过处理制成光栅条纹结构的薄膜光学元件,它的作用是基于光的干涉和衍射等物理光学原理,完成普通光学元件的功能,也称为衍射元件[4]。
本文的目的,是制作一个用于激光直写合成全息图拍摄的核心元件――图像柱面压缩全息光学元件(HOE),要求完成普通光学柱面透镜的功能,并具有大面积、短焦距、会聚光均匀分布的特点。
从光路分析可知,该全息光学元件需要完成的功能是将空间光调制器投射的图像会聚到干板上,形成一条细长狭缝,还可以将入射光集中且均匀地投射到指定区域,与紧贴干板放置的狭缝形状吻合,以保证全部的原始图像透过狭缝,最大限度地利用光能,既改进合成全息图的图像质量,又不可能会引起干板上的光强明显减弱。同时,要求光束光轴与元件平面垂直,即入射光束光轴与全息干版法线为同一方向,这一条件在一般全息元件的拍摄中是不常遇到的,为此,采用了具有狭缝的半透半反镜结合毛玻璃散射,对光束传播方向进行了调整控制。
根据全息元件的成像原理[4],能够获得此全息元件的制作原理,如图2所示。
参考了大量国内外有关文献,经过长期实验摸索,逐步形成了适合我实验室真实的情况的行之有效的全息光学元件的制作技术和工艺。
为实现激光直写合成全息中柱面透镜的光学功能,同时避免其坏因的影响,我们制作了图像柱面压缩全息光学元件。为了使所制全息光学元件适用于激光直写合成全息图的拍摄,我们第一步根据全息拍摄系统的相应几何参数,确定制作全息光学元件光路的各项参数。这些参数包括:全息光学元件上图像大小,投影屏与全息光学元件的距离,狭缝的宽度等。
具体实验光路如图3所示,激光经分束镜分为两束,一束作为物光,经反射镜反射后与干板互相垂直,再经过柱面镜将光束压缩成一个竖条(柱面透镜有利于增大透过条形毛玻璃的光通量,同时避免大面积的激光散斑),完全打在半透半反镜上的一块条形毛玻璃上,再经过毛玻璃条的散射,均匀地打在干板上。另一束作为参考光,经过扩束滤波打在大透镜上,经过两个大透镜的会聚,打到半透半反镜上,最后由半透半反镜反射到干板上,在干板上与物光发生干涉。同时为了获得较大的会聚角,在光路中应尽量使半透半反镜与干板成45°角。
需要指出的是,合成全息图中应用的全息光学元件应该依据所需拍摄合成全息图设计,以保证最终的图像不会失线 利用全息光学元件拍摄激光直写合成全息图
我们用图4所示的装置拍摄激光直写合成全息图,检验所制全息光学元件的光学性能。
图5所示为图像柱面压缩全息光学元件在激光直写合成全息实验中的应用,图的左侧为图像柱面压缩全息光学元件,右侧中间的亮条纹为会聚条纹,上下的两道光为未经衍射的光,在实验过程中需要挡掉。图6所示为应用图像柱面压缩全息光学元件拍摄出的全息图,从这不同视角的两幅图也能够准确的看出,应用自制图像柱面压缩全息光学元件拍摄出的全息图,具备比较好的水平视差和较大的视场角,并具有较高的衍射效率。
实验证明,我们在激光直写合成全息中引入这种全息光学元件取得了良好的效果。
实验和理论分析表明,用本文所提出的图像柱面压缩全息光学元件来代替传统的光学元件进行激光直写合成全息图的记录是可行的,该办法能够有效改进图像质量,提高光能利用率。本次实验让我们正真看到了全息光学元件在全息领域的重要性,由于全息光学元件在提高实验效果、降低实验成本和简化实验步骤等方面有许多普通光学元件不能够比拟的优点,因此研究和制作全息光学元件能进一步推动全息显示技术的发展。
1 引言 随着空间技术和军事技术的发展需要，探测仪器的分辨率要求慢慢的升高。在深冷的条件下，当需要探测的目标信号十分虚弱时，探测仪器的背景辐射大多数来源于仪器本身的光学系统和支撑结构，探测仪器灵敏度严重受到系统本身辐射的影响，为减少这一热噪声，冷却光学系统是必需采用的方法。只有把光学系统冷却及其相关部件冷却到某些特定的程度，才能够有效地减少背景光子的通量，发挥背景极限探测器的作用，大幅度的提升探测器灵敏度。在低温状态下工作的光学系统要解决一系列问题，这些问题涉及材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等，这就形成了一门新兴学科——低温光学。
自上世纪七十年代开始，美国首先对低温光学技术进行研究，最初主要用于各种观察、测量系统，例如低温红外望远镜、空载干涉仪器等。从机载、球载到星载，大多数系统都成功有效地完成了对外空的各种探测任务。欧洲一些国家也对低温光学系统的观察仪器进行了研究。国内起步于上世纪八十年代末，由于国内航天及其国防事业的发展要求有高灵敏度的探测器，而这些仪器将不可避免地用到低温光学系统。
我国的未来光学遥感系统采用了十几个光学元件，这些系统要求冷却到150K，并且对光学元件的控温范围要求非常严格，因此就需要研制一套低温真空实验装置对相关的光学元件进行低温实验。
2 系统实验装置的建立 该光学系统的最主要部件之一是动镜装置部分。基于反射镜的温度要冷却到150K并对反射镜的变形进行研究的目的，就需要建立一套高真空和低温应用的实验系统，该系统还要满足进行其它光学元件的低温实验需要。系统实验装置由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。
低温真空光学实验装置系统示意图如图1所示，1-机械泵 2-预阀 3-分子泵 4 -高阀 5 -铜带 6 -低温线 -直线- 监控计算机 13 -温控电路 14- 铂电阻 15- 电热器 16- 液氮箱 17 -活性炭 18- 氮气19 液氮 20 低阀。低温真空腔体是实验系统的核心部分，其示意图见如图2，1—抽气管 2-液氮桶 3-上腔体 4-铜带 5-引线-O形圈 12-动镜支撑框架 13-O形圈 14-活性炭 15-出气管16-进液管。腔体总高461mm，外壳直径284mm。内有圆柱形液氮容器，可以储存液体约4升。其中的光学元件支撑框架是专门为动镜设计的，其高度177mm。整个腔体可以测试直径小于250mm,高度小于200mm的各类反射镜和光学元件。
液氮桶下面用铜带接光学元件装置，当液氮桶灌注液氮后，冷量通过铜带传导给光学元件装置。下腔体的石英玻璃光学窗口直径为64mm.光学元件支撑结构由支撑平台和固定夹板组成。用固定夹板是为了防止光学元件框架移动，并保证光线垂直射到动镜表面上。由于动镜需要电机驱动，而电机的发热量为3-5W，而这部分热量辐射对动镜 有很大影响，因此就用导热率较高的紫铜支撑把一部分热量尽可能的传递给系统外部。由于光学元件装置部分需要冷却因此就需要尽量避免它与外界和腔体传递热量，因此就考虑用梯形支撑，由于梯形支撑壁很薄，就起到了很好的隔热作用。
真空抽气系统由机械泵和分子泵组成。由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，在光学测试的同时，关掉机械泵和分子泵。在关掉机械泵和分子泵的期间，还要维持真空腔体内的真空，故考虑在腔体内加活性炭以维持腔体内的真空度。为了去处活性炭中的水汽和其它气体，需要对其进行烘烤预处理。活性炭在加工的时候已经固定于上组件中，所以把整个上组件放在DZF-6210线小时使得线Pa，然后再做线 ZYGO激光平面干涉仪器
非平面的光学元件可以用He-Ne仪器进行光学测量，而平面型光学元件只能用ZYGO干涉仪如图3进行测量，由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，因此就需要防震措施。如图3为ZYGO激光平面干涉仪及其防震装置。
干涉测量的光线要通过窗口，所以就要考虑窗口的厚度对测量误差的影响，应尽可能使光学窗口厚度最小，同时还要能承受外部一个大气压的作用。在外部一个大气压，内部几乎为真空的条件下，综合考虑窗口折射带来误差的影响和其强度的大小，要求石英玻璃窗口的最大变形小于一个波长λ（λ=0.53μm）。
通过ANSYS软件建立动镜的有限元模型，并施加边界条件，改变动镜的厚度，进行变厚度有限元分析。如图4-图6是其中比较有代表性的三个分析结果。从有限元分析结果可以得到不同厚度玻璃窗口最大变形比较。光学窗口厚8mm时其最大变形0.989μm远超过一个波长，当其厚度从10mm变到12mm,起最大变形都小于一个波长，但是变化值并不大。窗口厚度变大，其折射带来的误差就大，为了保证其强度，综合这两个因素选择10mm厚，径厚比为6.4∶1的玻璃窗口。
梯形支撑是连接真空腔体和支撑平台的关键部件，如图7为其示意图, 图中 为热端温度， 为冷端温度。它一方面要求满足尽量减少导热，起到“绝热”的作用，另一方面又要求其强度能满足实验的要求。
式中： ——从支撑热端温度到冷端温度之间支撑材料的平均热导率；其表达式为：
由公式4可以看出传热量与材料屈服强度与材料导热系数之比成反比。欲使传热量越小，就应该选择越大的材料，即材料的屈服强度尽量大，材料的导热系数尽量小。由文献[2]和[3]并且考虑到加工成本经济性，选择不锈钢作为梯形支撑的材料。并计算选取梯形支撑的壁厚1mm。参阅金属材料数据库可得到不锈钢的低温导热系数，对温度区间20K∽300K进行拟合可以得到不锈钢的导热系数拟合公式如图8所示。即
微型化和智能化始终代表着现代工业和科技的主要发展方向。微电子、微机械、微光学等一连串“微工程”的兴起和发展，将科学技术带进了一个全新世界。
微纳光学在基础研究和设计制造技术方面的进步，变革了传统光学与技术的发展路线，促进了光学系统微型化、集成化的发展，在生命科学、生化、通信、数据存储、新能源利用等领域都表现出巨大的应用价值和市场潜力。
电子科技大学物理电子学院教授、博士生导师付永启，多年从事微纳光学研究，在微细加工、纳米加工、衍射光学、微光学、表面等离子体光学及近场光学等领域取得了多项研究成果，始终参与和推动着“微世界”中的无限精彩。
“微纳光学”顾名思义分为微米光学（简称微光学）和纳米光学两部分，即微米和纳米尺度上的光学研究。”付永启在接受采访时，首先谈到了微纳光学的研究情况。
据付永启介绍，微光学是基于微细加工技术、研究微米尺度的微光学元器件设计、制作以及应用的学科。而纳米光学主要研究光的空间传播范围在纳米尺度时的倏逝波特性，并通过基于近场光学结构的纳米探针来描述和控制的过程及应用。
“在纳米光学研究中，作用于近场的光学系统突破了传统的衍射极限限制，能够对纳米光学结构进行空间分辨率在纳米量级的分析；同样，通过基于亚波长光学结构或器件，能够实现高密度的数据存储，不但可以实现微米范围的成像，也可以实现高清晰度的相位合成、单分子探测以及局部区域光谱分析。”
正是这些独特的优势，使微纳光学自产生之日起，便始终处于研究者关注的中心，并愈发活跃。
虽然我国在微纳光学领域已经取得了一定的成果，但同国际相比，无论在基础研究还是应用转化方面都存在一定差距，总的来看原创性技术太少，能够转化为产业、推动光电子产业发展的更少。
付永启认为，要使微纳科学与技术为人类造福，必须从基础研究做起，打下坚实基础的同时，紧密结合产业领域发展需求，准确把握市场方向，重点攻关，进而带动全面发展。
而付永启的研究成长过程，也恰巧暗合了微纳光学从基础研究到产业应用，以点带面的发展路线。
1994年，付永启在中科院长春光机所研读博士，“当时是跟导师一起做国家航天‘921’项目中的一个子项目―‘动态目标发生器’的研究，我主要负责曲面光刻的研究。”那是他接触到微光学并逐渐对微光学元器件的设计制作产生兴趣的开始。
在博士后研究阶段，付永启又接着在衍射光学元件的设计制作方面开展了深入研究。随后为了开阔视野、提升研究能力，付永启于1998年赴新加坡南洋理工大学精密工程与纳米技术中心作研究员，借助当地优越的软硬件条件继续深入开展微光学以及后期纳米光学领域的研究工作。
在新加坡，通过与科研院所及工业界的合作，付永启开展了多个横向和纵向项目研究，接触到了微电子、微机电系统（MEMS）、微纳加工、纳米计量、及生化分析等多学科领域的知识，先后完成了多项重大研究课题，并取得了许多创新性成果。
2001年，付永启将目光专注到了一种新的微纳光学元件一步加工制作方法―聚焦离子束制作技术上，经过两年的反复研究、实验，终于获得成功并使技术逐渐成熟。
付永启利用纳米加工技术实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，即利用聚焦离子束技术直接一步将微光学元器件甚至纳米光子元器件与光电子器件集成于一体，从而达到直接控制光束的目的。这一技术摆脱了传统的采用离散光学元件对激光束进行准直或聚焦的方法，不但减少了系统元件数，而且节省了空间，更容易实现系统的轻量化和小型化，对微系统的开发具有重要意义。
同时，他还发现了两种材料，它们在聚焦离子束轰击下具有材料自组织成型特性，该特性可直接用于微光学元件的结构成型。以该技术为基础，能够制作出几种特定的微光学元件，包括微正弦光栅、微闪耀光栅等。
此外，付永启还利用聚焦离子束直接写入法和辅助沉积法成功实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，为光学系统的小型化、微型化、平面化提供了制作技术保障。该集成一体化元/器件已经广泛应用于生命科学、生化、通信、数据存储等领域，至今仍在应用，还没有其他方法能够替代。
值得一提的是，聚焦离子束技术在微电子行业的广泛应用，大大提高了微电子工业上材料、工艺、器件分析及修补的精度和速度，目前已经成为微电子技术领域必不可少的关键技术之一。同时，由于它集材料刻蚀、沉积、注入、改性于一身，有望成为高真空环境下实现器件制造全过程的主要加工手段。
2007年，付永启放弃国外优越的待遇和生活，带着累累硕果和先进理念回国，受聘于电子科技大学物理电子学院。9年的国外工作和生活经历，使付永启真正体会到“国家”二字的含义，而回国发展也正是其心之所向。
随着科技的进步和需求的转变，目前国内微纳光学技术研究主要集中在基于特异性材料的微波天线、隐形技术、纳米光刻等几部分，研究趋势也朝着更加实用性发展，包括军用和民用。而在产业方面，付永启认为应重点结合能源和生命科学等热门领域的需求，积极探索，主动推进，研发出具有代表性的产品，如高效率光伏电池、光热疗法治疗癌症、多通道微型生化传感器等。
在学校和所在团队的支持下，付永启在纳光子结构、元器件及其应用方面取得多项国家自然科学基金项目的资助，目前主要在纳光子结构的精细聚焦及成像研究，包括基于纳光子结构的超分辨聚焦成像、负折射材料的制备及应用、近场表征等方面开展进一步的深入研究，并推进其尽快走向应用。
多年从事理工科学研究的付永启，处处透着浓郁的人文气息。他看重学生的做事态度胜过考试成绩，鼓励学生积极与其他学科的人员交流，在学科交叉中探寻思维方式的改变和新的研究切入点。
他认为创新更加需要自由开放的教育环境和多维度的思维模式，有源之水才能长久，有本之木才会繁茂。
他喜欢历史、地理、天文、摄影等偏重人文的内容，注重精神层面的丰富与充实，并认为这才是人做事的动力和源泉。
他热爱音乐、喜欢旅游，在音乐中净化心灵、陶冶情操，在大千世界里感悟自然的伟大与生命的可贵。
随着空间技术和军事技术的发展需要，探测仪器的分辨率要求越来越高。在深冷的条件下，当需要探测的目标信号十分虚弱时，探测仪器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，探测仪器灵敏度严重受到系统本身辐射的影响，为减少这一热噪声，冷却光学系统是必需采用的方法。只有把光学系统冷却及其相关部件冷却到一定程度，才能有效地减少背景光子的通量，发挥背景极限探测器的功能，大大提高探测器灵敏度。在低温状态下工作的光学系统要解决一系列新问题，这些新问题涉及材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等，这就形成了一门新兴学科——低温光学。
自上世纪七十年代开始，美国首先对低温光学技术进行探究，最初大多数都用在各种观察、测量系统，例如低温红外望远镜、空载干涉仪器等。从机载、球载到星载，大多数系统都成功有效地完成了对外空的各种探测任务。欧洲一些国家也对低温光学系统的观察仪器进行了探究。国内起步于上世纪八十年代末，由于国内航天及其国防事业的发展要求有高灵敏度的探测器，而这些仪器将不可避免地用到低温光学系统。
我国的未来光学遥感系统采用了十几个光学元件，这些系统要求冷却到150K，并且对光学元件的控温范围要求很严格，因此就需要研制一套低温真空实验装置对相关的光学元件进行低温实验。
该光学系统的最主要部件之一是动镜装置部分。基于反射镜的温度要冷却到150K并对反射镜的变形进行探究的目的，就要建立一套高真空和低温应用的实验系统，该系统还要满足进行其它光学元件的低温实验需要。系统实验装置由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。
低温真空光学实验装置系统示意图如图1所示，1-机械泵2-预阀3-分子泵4-高阀5-铜带6-低温线-监控计算机13-温控电路14-铂电阻15-电热器16-液氮箱17-活性炭18-氮气19液氮20低阀。低温真空腔体是实验系统的核心部分，其示意图见如图2，1—抽气管2-液氮桶3-上腔体4-铜带5-引线-O形圈12-动镜支撑框架13-O形圈14-活性炭15-出气管16-进液管。腔体总高461mm，外壳直径284mm。内有圆柱形液氮容器，可以储存液体约4升。其中的光学元件支撑框架是专门为动镜设计的，其高度177mm。整个腔体可以测试直径小于250mm,高度小于200mm的各类反射镜和光学元件。
液氮桶下面用铜带接光学元件装置，当液氮桶灌注液氮后，冷量通过铜带传导给光学元件装置。下腔体的石英玻璃光学窗口直径为64mm.光学元件支撑结构由支撑平台和固定夹板组成。用固定夹板是为避免光学元件框架移动，并保证光线垂直射到动镜表面上。由于动镜需要电机驱动，而电机的发热量为3-5W，而这部分热量辐射对动镜有特别大的影响，因此就用导热率较高的紫铜支撑把一部分热量尽可能的传递给系统外部。由于光学元件装置部分需要冷却因此就需要尽可能避免它和外界和腔体传递热量，因此就考虑用梯形支撑，由于梯形支撑壁很薄，就起到了很好的隔热功能。
真空抽气系统由机械泵和分子泵组成。由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，在光学测试的同时，关掉机械泵和分子泵。在关掉机械泵和分子泵的期间，还要维持真空腔体内的真空，故考虑在腔体内加活性炭以维持腔体内的真空度。为了去处活性炭中的水汽和其它气体，需要对其进行烘烤预处理。活性炭在加工的时候已经固定于上组件中，所以把整个上组件放在DZF-6210线小时使得线Pa，然后再做线ZYGO激光平面干涉仪器
非平面的光学元件能用He-Ne仪器进行光学测量，而平面型光学元件只能用ZYGO干涉仪如图3做测量，由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，因此就需要防震办法。如图3为ZYGO激光平面干涉仪及其防震装置。
干涉测量的光线要通过窗口，所以就要考虑窗口的厚度对测量误差的影响，应尽可能使光学窗口厚度最小，并且要能承受外部一个大气压的功能。在外部一个大气压，内部几乎为真空的条件下，综合考虑窗口折射带来误差的影响和其强度的大小，要求石英玻璃窗口的最大变形小于一个波长λ（λ=0.53μm）。
通过ANSYS软件建立动镜的有限元模型，并施加边界条件，改变动镜的厚度，进行变厚度有限元分析。如图4-图6是其中比较有代表性的三个分析结果。从有限元分析结果能够获得不同厚度玻璃窗口最大变形比较。光学窗口厚8mm时其最大变形0.989μm远超过一个波长，当其厚度从10mm变到12mm,起最大变形都小于一个波长，但是变化值并不大。窗口厚度变大，其折射带来的误差就大，为了能够更好的保证其强度，综合这两个因素选择10mm厚，径厚比为6.4∶1的玻璃窗口。
梯形支撑是连接真空腔体和支撑平台的核心部件，如图7为其示意图,图中为热端温度，为冷端温度。它一方面要求满足最好能够降低导热，起到“绝热”的功能，另一方面又要求其强度能满足实验的要求。
由公式4能够准确的看出传热量和材料屈服强度和材料导热系数之比成反比。欲使传热量越小，就应选择越大的材料，即材料的屈服强度尽量大，材料的导热系数尽量小。由文献[2和[3并且考虑到加工成本经济性，选择不锈钢作为梯形支撑的材料。并计算选取梯形支撑的壁厚1mm。参阅金属材料数据库可得到不锈钢的低温导热系数，对温度区间20K∽300K进行拟合能够获得不锈钢的导热系数拟合公式如图8所示。即
在设计载荷为500N,平安系数取1.5,不锈钢的屈服强度为210MPa,支撑高度为0.046m,高温端为300K,低温端取150K。由公式（4）计算得漏热量为0.042W,可以忽略不计。
现代技术的发展对观测和成像设备的工作波段和空间分辨率都有很高的要求，低温真空技术越来越受到关注。本文探究了小型低温光学实验装置的相关技术。重点讨论了真空低温腔的结构、光学窗口影响及其有限元分析和梯形支撑的设计，并给出了实验装置的系统示意图，对相关技术进行了探索，为近一步的低温光学探究打下了基础，并在以后的工作中不断完善。
[3宋键朗杨奋为袁文彬等《材料手册——金属》上海航天局第八零七探究所1992
光机热集成分析是综合结构力学、光学和热力学等多种学科方法的一种分析技术.利用有限元软件对红外光学系统和热分析建模，模拟恶劣环境对光学系统的具体影响，然后将模拟得到的参数代回光学设计软件中进行光学成像分析，得到在可用温度范围内成像稳定的光学系统.[1-2]
有限元法基本思想是将求解区域离散为一组有限多个、按照一定的方式相互连接在一起的单元组合体.由于单元形状和大小可以各不相同，所以能非常好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性以及复杂的边界条件，能将计算数学、计算机软件和弹性理论等有机地结合在一起.有限元法可以对很多种工程状况进行分析，对于红外光学系统来说，热分析是必不可少的.环境温度变化时，结构表面和内部会产生热应力，当应力达到一定值的时候，结构件屈服强度就会出现变化，内部将产生膨胀或者收缩变形，也称为热变形.通常，热变形只产生线）式中：α为材料的线膨胀系数；Ф为弹性体内任意点瞬时温度；Ф0为初始温度.如果物体被约束或者各部分温度变化不均匀，热形变就不能够自由进行，就会产生热应力，当热应力达到一定的值的时候，结构的内部就会产生微观裂缝，影响结构的功能.[3-4]
本文的研究对象是一个能在4.4～5.4 μm和7.8～8.8 μm波段下工作的双波段红外光学系统，有效焦距为183 mm，视场为3°×2.25°，F#为2.68，工作温度为-40～60 ℃，镜子材料自左到右第1，4，5，6，7镜采用的是锗，2镜采用硒化锌，3镜采用氟化钙，镜筒材料为铝合金[5]，系统光路及MTF见图1，在25线.根据双色红外光学系统的实际指标要求，通过选择衍射光学元件的适当参数和设计波长，以及通过镜子材料的选取和光焦度的合理分配已经完成了系统的双色红外消热差的设计任务，而且基于衍射光学元件设计出的双色红外消热差光学系统不仅结构简单，镜片数量少，重量符合要求[6]，而且透过率较高，F#可以减小，增加光能利用率，有利于在不同的环境范围内和各种天气状况下对不同目标进行高精度的探测.
红外系统对温度的影响很敏感，为得到性能可靠的红外光学系统，对红外光学系统做光机热集成分析.对某红外双波段光学系统进行光机结构设计，基于有限元分析方法利用MSC Nastran & Patran对系统进行建模和热载荷分析，研究系统中主要元件的改变对系统整体性能的影响.结果表明系统的无热化效果很好，在设计温度下系统性能表现良好，成像质量也很好，满足设计要求.通过光机热集成分析，对系统热适应能力进行评估，大大提高设计效率，降低风险和成本，验证设计者的设计要求.光机热集成方法是分析红外光学系统的一种行之有效的手段.
[1]刘小波. 光机热集成分析法在红外光学系统中的应用[J]. 半导体光电， 2008， 29（6）： 973-975.
[2]杨怿， 张伟， 陈时锦. 空间望远镜主镜的热光学特性分析[J]. 光学技术， 2006， 32（1）： 144-147.
[3]高明， 王占军. 微光夜视仪空间棱镜架有限元分析[J]. 西安工业大学学报， 2011， 31（1）： 18-23.
[5]吴凡. 红外成像光学系统无热化设计[J]. 光电技术应用， 2005， 20（5）： 4-6.
[6]贾永丹. 基于衍射光学元件的双色红外消热差光学系统研究[D]. 长春： 长春理工大学， 2011.
[7]刘国庆， 马文礼. 大口径轻质镜支撑的有限元分析[J]. 光电工程， 2001， 28（5）： 14-17.
[8]于亚婷， 杜平安， 王振伟. 有限元法应用现状研究[J]. 机械设计， 2005， 22（3）： 6-9.
[9]杜平安， 甘峨忠， 于亚婷. 有限元法原理、建模与应用[M]. 北京： 国防工业出版社， 2004.
[10]张军伟， 冯斌， 周忆， 等.大口径光学元件环境稳定性的有限元分析[J]. 强激光与离子束， 2007（8）： 1295-1298.
[11]， 刘立人， 徐荣伟， 等.大型光学镜子热弹性分析的有限元分析[J]. 激光与光电子学进展， 2005， 145（1）： 28-31.
随着信息技术的高速发展和电子产品的升级换代，传统的手工PCB设计方式逐渐被计算机辅助设计所取代。Protel作为一款功能强大的EDA软件，在PCB设计中有着十分广泛的应用，在相关专业教学中引入基于Protel的PCB设计及制板方法，对于增强学生专业实践能力具有重要作用。
高频元件连接时，连线应尽可能短，以降低电磁干扰；相互之间容易产生干扰的元件应该尽量分开，不宜靠得太近；对于存在高电位差的元件，必须满足相应的安全标准；重量较大的元件尽量不要安装在电路板上，以免损坏PCB板体；对于容易发热的元件，不宜安装在热敏元件附近；可调节元件要安放到便于调节的位置，如果是机外调节，则必须安放到与外壳旋钮相对应的位置。
其次，根据电路功能要求，在没有特别要求的情况下，应尽量根据原理图中的元件安排进行布局，让信号从左输入、从右输出；从上输入、从下输出。根据电路流程，合理布置各电路单元的方位，确保信号传输顺畅无阻，并避免出现信号方向上的冲突。
另外，元件布局应以各功能单元为核心，均匀、有序、紧凑地分布在核心电路附近；数字电路与模拟电路要彼此分开；元件和电路板边缘不宜靠得太近，一般应保持3mm以上。
2.导线）线长。铜膜线越短越好，尤其是在高频电路中。铜膜线变向时，尽量采用圆角或斜角，而不宜出现尖角或直角，特别是布线密度较高时更要如此，否则会影响电气性能。对于双面板布线，要尽量使两面的导线彼此垂直或斜交，以防导线平行而出现寄生电容。
（2）线宽。铜膜线的宽度要满足两方面的要求，一是便于生产，二是达到相应的电气性能规定。通常而言，铜膜线）间距。两条铜膜线之间要保持一定的安全距离，该间距至少应该能够承受线上的峰值电压。另外，出于生产方面的考虑，线的间距要尽可能的宽，特别是布线密度较低时，更要保持较大的间距。
（4）屏蔽及接地。公共地线要尽量设计到PCB板的边缘位置，同时，在电路板上要尽量多地留一些铜箔作为地线，以增强其屏蔽功能。此外，地线要尽可能设计成环形或网格形。
确定焊盘内孔尺寸时，应从元件引线直径、公差尺寸、镀锡层厚度、孔径公差多个方面进行综合考虑。一般而言，可在金属引脚直径的基础上增加0.2mm作为焊盘孔径，并以该孔径加上1.2mm作为焊盘外径。当焊盘的孔径小于0.4mm时，应确保焊盘外径与焊盘孔径的比值在0.5～3之间；当焊盘孔径大于2mm时，应确保焊盘外径与焊盘孔径的比值在1.5～2之间。另外，特殊情况下也可以使用椭圆、方形等其他形状。
热转印法需要使用美纹胶纸、覆铜板、剪刀、油性笔等工具和材料。制板前应输出并打印图形文件。
热转印法的工艺流程如下：下料、抛光、水洗、烘干、贴图、转印、冷却、取纸、腐蚀、水洗、烘干、钻孔、抛光、裁边、打磨边缘。
（4）腐蚀液可以采用1：4的三氯化铁水溶液，也可以采用浓盐酸和过氧化氢的混合水溶液（HCl：H2O2：H2O=1：2：4）；
（5）采用手工钻孔时，必须挑选规格适宜的钻头，且尽可能将孔钻到焊盘中心。
感光板曝光法需要用到菲林底片、感光板、剪刀、油性笔、透明胶等工具和材料。制板前应输出图形文件并打印菲林底片。
感光板曝光法的工艺流程如下：裁板、贴图、曝光、显影、腐蚀、脱模、钻孔、抛光、钻孔、裁边、打磨边缘。
（4）褪膜时应采用1：20的脱模液，温度以50～55℃为宜，没有脱模液时，也可用酒精等替代，经擦拭即可褪膜。
Protel是目前广泛采用的一种PCB设计软件，利用Protel设计PCB时，对于元件布局、导线布线、焊盘尺寸等方面都有一定的要求，学生在学习PCB设计时，要严格遵循这些原则，并熟练掌握热转印法和感光板曝光法这两种实验室常用制板方法，切实提高自身动手能力，为将来走向工作岗位奠定扎实基础。
目前全高清家用投影机正进入许多高端消费者的家庭。我们针对这种市场需求开发了一款1080P输出的全高清家用投影机产品。
本方案提供多种输入接口：AV、S端子、高清分量、PC、HDMI，支持AV输出；支持多种信号格式，最高支持1080P；能够通过串口实现软件升级和调试。
整个系统如图1所示，分为电源单元、结构／散热单元、中央控制单元、图像信号处理单元、图像光学显示单元和镜头调节单元等六个部分。
图2为硬件系统的原理框图，红域为信号输入接口部分，蓝域为AV输出、调试串口、遥控键盘等杂项接口，黄域为光学镜头调节单元，品红域为图像光学显示单元。其余的中央控制单元和图像信号处理单元都集成于PW392芯片的内部。
图像信号处理单元包括各种信号的输入接口、各种信号输入到图像处理芯片的连接通道以及图像处理芯片内部的信号通路、图像处理芯片内部对图像信号的处理，如模数转换、HDMI解码、视频解码、缩放、去隔行、视频增强、垂直楔形校正等。
AV、S-Video、HD、PC的所有视频信号，都通过PW392的模拟前端送到相应的模拟输入口等待选通。软件控制芯片前端选通目前需要的信号通过。如当前输入信号是AV，则信号先进行模数转换，再进行视频解码，最后生成数字RGB信号。如果当前输入信号源是HD／PC信号，则信号经过模数转换后不需要再进行视频解码就直接生成了数字RGB信号。所生成的数字RGB信号，再统一送入PW392的Input Port1等待选通。
HDMI输入的信号，经PW392内部的HDMI解码模块解码，生成的数字RGB信号，直接送到PW392的Input Port O等待选通。
上述送到PW392内部Input Porto和InputPort1的两路信号，分别在PW392内部的两路通道中各自独立的进行同步解码、逐行化、色彩增强、2D边沿增强、视频增强、视频缩放等处理，然后再统一送到图像管理模块中进行色空间转换、图像混合、叠加OSD信息等一系列的处理，再送到显示输出口模块里面进行Gamma调整、色空间延伸等处理，才最终从显示口输出。结合后续的光学显示单元的驱动芯片的输入信号格式的要求，本方案设置PW392的显示口输出的信号以双点频10位LSB LVDS格式输出数字信号以供后续的芯片继续处理。
因本投影机产品主要面对高端客户，其家中一般都有专门的音响系统，无需在投影机上输出声音。对非HDMI信号的音频信号不具体处理，本方案仅仅提供了音频输入的输入接口，在硬件电路板上面直接将所有的非HDMI信号的音频输入的信号都送到一个两路选择器的其中一个输入端口等待选通。对HDMI数据包信号中的音频信号，本方案通过PW392内部的HDMI解码模块解码出12S，送到CS42L52进行DAC转换为两路模拟立体声音频信号，送到上述两路选择器的另一个输入端口等待选通。软件控制这个两路选择器选择上面的两路中的一路进行输出，然后将这个输出信号直接送到投影机的声音输出接日上面最终输出到用户的音响系统上。
本投影机使用的液晶面板，其液晶单元已经按照1080P的分辨率在液晶面板上整齐排列好了。
目前3LCD投影机一般采用超高压汞灯作为投影机的光源，由光源发出的光包含了有害的会引起液晶面板受热变形的红外线和会导致液晶单元受辐射加速老化的紫外线，因此必须使用滤光片去除，然后经过一系列的聚光镜、偏振镜、复眼镜等光学镜头转化为均匀、平行、偏振的光束，再通过分色镜和反射镜后形成了独立的RGB三种颜色的光束，分别照射到RGB三基色的液晶面板上。图像显示信号的RGB三个分色信号分别送到相应的RGB三基色液晶面板上，控制相应像素点对应液晶单元的开启、闭合，从而控制了该像素点的光的透射，使三基色背景光在通过相应的三基色液晶面板后形成了明暗相间的三基色的图像，这三幅图像再通过二向色棱镜汇合到一起，形成了最终的彩色显示图像，由最终的投影镜头投射到屏幕上输出。
中央控制单元接受用户的遥控／按键的调节投影镜头的指令后，控制相应的电机动作，电机带动投影镜头向用户期望的方向移动，从而最终实现投影到屏幕上面的图像进行上下／左右、聚焦／缩放等图像调节功能。
从PW392显示口输出的LVDS的双点频数字信号，通过DS90C3202芯片进行电平转换，生成10位的TTL电平的显示数据的双点频数字信号，送入E07120KOA芯片。以上信号在E07120KOA芯片内部进行相应的处理，转换为分别驱动红绿蓝三路液晶面板的10位的显示数据的数字信号、TFT-LCD显示面板的行场同步信号、显示信号输入输出使能信号、移位时钟信号等，送入三颗L3C07U-75G00芯片。这些信号在L3C07U-75G00内部进行相应的处理，生成液晶面板控制信号，控制本路液晶面板的各个像素点的开关，再通过灯泡和镜头投影出去，形成本路颜色的最终显示图像。红绿蓝三路图像在投影屏幕上重合叠加，最终形成了消费者肉眼看到的高清显示图像。
另外，L3C07U-75G00芯片没有直接焊接在PCB板上，而是和锁存器一起都焊接在连接液晶面板的柔性线路板上面，这样可以节省PCB板的面积和减少排版难度。
投影机产品在使用中会受到摆放位置的影响，特别是在垂直方向上面的空间位置的限制，从而导致投影出来的图像会产生楔形失线内部，提供了垂直楔形失真的校正模块，通过芯片内部对图像进行预先的反方向的楔形缩放，从而抵消因空间摆放位置产生的失真，最终实现通过投影镜头投影出去的图像是几乎没有几何失真的正常图像。
整个镜头的平移、光圈的调节见图2的黄域部分，是进行图像调节的最后环节，包括了GPIO的扩展和镜头平移调节电机和自
因投影镜头的移动、聚焦、缩放以及散热风扇和温度传感器的状态检测等功能需要的通用输入输出引脚(GPIO)较多，PW392提供的GPIO已不够用，故本方案选用Philps的PCA9555芯片来扩展GPIO，该芯片通过12C总线的GPIO口，却能提供16个GPIO以满足需求。
本方案使用了两个驱动电机完成投影镜头的调节功能，一个电机负责镜头水平／垂直平移调节，另外一个负责镜头聚焦／缩放调节。这两个电机都是各自分别由一颗LBl934T芯片控制，而这两片LB1934T芯片又是受上述的PCA9555扩展出来的GPIO口控制，从而整个投影镜头的调节功能都受控于系统的主控制芯片PW392。
投影机产品一般都采用了大功率的投影灯泡来获得较强的光输出，但是高亮的投影光源在显示背景较暗的图像的时候，整个图像背景仍然会被投影灯泡照得比较轻微泛白。
本方案采用了自动光圈系统，在投影灯泡和液晶面板之间增设了一道光圈，该光圈系够自动根据图像的亮度来调整光圈的开度，来改变透光量，从而解决了上述的问题。
自动光圈系统能够以每秒60次的速度来检测图像的亮度，根据图像的亮度来驱动电机带动光圈动作从而实时的控制光圈的透光量，实现整个图像的高质量显示输出。
自动光圈的驱动电机受UPD168111A芯片控制，该芯片又是受上述的PCA9555扩展出来的GPIO口控制，从而整个自动光圈系统的调节功能都受控于系统主控制芯片PW392。
该方案的软件平台基本可以分为四层：杂项层、平台层、硬件抽象层、驱动层。其中平台层为上层，硬件抽象层为中层，驱动层为底层。平台层包括窗口管理、用户界面管理、电源管理、光学单元控制管理等模块，硬件抽象层包括图像控制、OSD显示控制、用户输入控制、光学单元控制等模块，驱动层包括HDMI解码器、图像解码器、模数转换、存储器、逐行化器件、图像处理器件、光学单元控制芯片等的驱动程序。杂项层包括主循环、数学运算、信号量的处理、中断服务程序、消息传递、定时器、计数器、事件处理、总线协议、串口调试协议、内存块读写、模式表维护、屏参配置、CRC校验、全局变量、数据存储结构的定义等基本的功能模块。
整个软件系统层次清晰，模块采用结构化设计。为保证整个软件的逻辑性，每一层的模块均向自己的上层模块提供服务，直至平台层。每一层模块都将自己需要实现的功能提交给自己的下一层，直至物理硬件层。整个软件系统只能由上层逐层往下调用，不允许跨层次调用。杂项层因为提供各式各样的基本功能模块，各个层次的软件模块都有可能调用杂项层，杂项层也有可能存取各个层次的软件模块的一些变量等，所以杂项层可与其它三层相互调用。
2007电子峰会中，以主题演讲和讨论会等形式讨论未来MEMS(微机电系统)的发展，3G时代无线通信芯片，“三网合一”与“四网合一”以及未来汽车电子的发展。此外，会议专门有一天用于初创公司品牌的国际推广。
本刊从本期起将陆续介绍此次会议情况。本期是初创和新兴公司的介绍，它们主要集中于处理器，计算，MEMS，无线，SoC(系统级芯片)设计和燃料电池等方面。
Stretch：软件可配置处理器厂商。产品是S6软件可配置处理器(SCP)特点是在处理器内部放入可编程逻辑。因此，S6 SCP引擎能轻松实现3～10倍的性价比提高。引擎中的Xtensa-LX为300MHz的VLIW(超长指令字)处理器。S6105为S6 SCP引擎，四个数据口，价格25美元左右。
DRC：成立于2004年，主要产品是可编程协处理器及开发平台，用于以高性能计算(HPC)为中心的应用。据统计，HPC今年将持续增长，达到90亿美元的市场容量，DRC看好地理科学、财会、安全、搜索等市场。该产品利用加速技术，解决了内存带宽限制和经费紧张的问题。DRC提供了标准化的编程环境，采用AMD处理器、内存和母板技术，使用Xilinx的FPGA，可实现对标准改变的快速支持。RPU110-L200为强大的协处理器，有高密度FPGA，内存可达10.5GB，最高的内存带宽为19GB/s，可用于三维地震图像等处理系统中。
SiTime:成立于2004年。声称其硅机电振荡器可替代传统的石英晶振，原因是有更小的尺寸、节省成本、易于使用和高可靠性等特点。SITS002为可编程振荡器，输出频率1MHz～125MHz，频率精度50ppm～100ppm。SiT1***是固定频率的振荡器。该公司的MEMS-first和EpiSeal封装的发明清除了MEMS振荡器推向市场的障碍，解决了包括温度／频率滞后、长期稳定性及包装成本等问题。SiTime的MEMS振荡器基于SOI(绝缘体上硅芯片)CMOS的晶圆制造，含有一个CMOS驱动IC和MEMS谐振器，组成一个完整的振荡器。
TeraViata:主要做RFMEMS开关解决方案。据介绍，MEMS开关适用于要求高性能、单功能开关技术的场合，如自动测试设备、仪器、RF/无线通信和高性能RF开关等。TeraVicta公司总裁兼CEO Ray Burgess说，测试仪器业需要数GHz的处理器速度与数据率，降低信号电平，增加引脚数，确保信号完整性等挑战；无线通信也需要多带宽的应用，如宽带数据率，降低损耗，减少尺寸，可选择性和高灵敏性。该公司为此推出了世界第一款商用级RFMEMS开关，为7GHz单刀双掷开关。
Sonics:专为SoC设计提供互联IP(知识产权)，已经被授权采用了2亿次，用于无线通信的手机、笔记本，家庭中的平板电视、播放机汽车信息系统(Telematics)的移动眼(mobileye，位于车顶)等。TI的移动开放式多媒体应用平台(OMAP)，Broadcom的Wi-Fi/Bluetooth/FM接收器芯片组等都有Sonics的IP。
Novas:1996年成立。其软件为复杂的IC和SoC提供完整的调试(debug)解决方案。Novas的产品为工程师提供清晰的方法理解设计意图，更自动化的调试手段和统一的工作界面，提高设计效率。Siloti可视增强模块可实现时序准确的模拟，降低了@iil~的高额成本。
除此之外，还有MTI Micro公司的燃料电池(本刊第1期110页已有报道)等，在此不再累述。
光通信元器件的体积正在日趋细微化，通过采用纳米结构来增加功能、压缩尺寸光学元器件正在开发之中，便携式消费电子科技类产品、军事领域以及对重量和占用空间均很敏感的航天应用都将从中获益。
NanoOpto公司就是一家位于美国新泽西专门从事光学元器件开发的高科技公司。NanoOpto的产品囊括了光存储设备、数字影像、投影显示、光学感测和光通信市场。NanoOpto利用半导体晶片制造工艺在亚微米尺寸上制作元器件，它可以在不一样的材料(如玻璃、熔融石英、Ill-IV族材料、石榴石)、不一样的规格(如圆形、矩形)的基底上制作出各种形状(如轨道形、柱形、棱锥形、圆锥形)的器件。通过适当地选择材料、基底、形状、规格便可以在纳米结构上实现各种各样的光功能，如起偏、相位延迟、分束、滤波、光隔离等。
纳米光学组件还集成了射束分裂器和波长板(waveplate)等元件，从而使系统重量、元件数目和空间占用要求均会降低。将要推出的光学器件包括镜头、可变光学衰减器、偏光器以及针对通信和投影用途的光学元器件等。
