3D打印机LED固化面光源设计

紫外光LED在3D打印、印刷、油墨固化等行业光固化领域具有广泛的应用.本文针对近场情况下光固化3D打印机面光源照度均匀度差、辐照强度低等问题,基于几何光学和能量守恒定律,采用透镜表面离散点和LED面光源照度函数的迭代方法,提出并设计了一种提高紫外光LED阵列照度均匀度的透镜方案.     

不同发光半角的圆形LED阵列辐照特性

为了探究不同发光半角对圆形LED阵列辐照特性的影响,利用单颗LED芯片的照度公式推导出圆形阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式。使用Tracepro软件对不同发光半角的圆形LED阵列仿真并利用MATLAB进行函数数值拟合。结果表明:在有效光斑区域下,随着单颗LED发光半角的增大,圆形阵列的中心照度值逐渐降低,降低的速率近似线性增长;光斑半径和发散角逐渐增大,变化率先增大后减小。辐照均匀度随着单颗LED发光半角的增大而增大,而后保持稳定,单颗LED发光半角为60°时,圆形阵列辐照均匀度最好,且相同发光半角时接收面面积越小辐照均匀度越高。这些结论对实现圆形LED阵列照明设计提供了定量的参考和理论依据。     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究

为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.10×10柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角(?)_0及各环线像素光通量之比φ.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角θ分别为13°,15°和17°时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.     

基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计

为了提高光能利用率和照度均匀性,减小炫光的产生,需要对LED路灯进行二次光学配光设计.本文以空间光折射定律为基础,对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分,结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜,实现矩形光斑输出.仿真结果表明,配光后的LED整体光能利用率为90.4%,能量基本被限制30m×13m的矩形区域内,水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%.当LED以30m间隔平行排列时,可以在路面形成宽度约为14m的光斑,垂直照度均匀度提高为77.2%.据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型,横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx,满足国家道路照明标准,实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性.     

大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统

为解决发光二极管(LED)作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于LED的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行模拟仿真,结果显示屏幕上光斑的均匀度优于85%,系统效率高于82%。     

基于果蝇优化算法的三维LED光源阵列优化设计

为了在现有研究基础上使LED阵列光源的照度均匀度进一步提高,提出了一种新的LED阵列优化途径。根据Ivan Moreno提出的二维LED阵列优化设计方法,本文设计了以两种不同方式分布排列的二维优化LED阵列。利用果蝇优化算法对二维优化LED阵列芯片的位置参数进行进一步优化,实现LED阵列位置参数的三维空间的优化设计,使LED阵列光源的照度均匀度更优。使用Trace Pro对LED阵列的三维优化结果进行验证。研究结果表明,基于果蝇优化算法,经三维优化后的圆形LED阵列的照度均匀度可达到96.0%,相较于二维优化后的圆形LED阵列提高了25.3%;经三维优化后的正方形LED阵列的照度均匀度可达到97.4%,相较于二维优化后的正方形LED阵列提高了7.7%。该优化方法被证明是可行的,相较于传统优化方法,该方法节约了大量人力物力成本。     

基于紫外LED阵列光催化降解抗生素的研究

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响,光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。在光催化降解抗生素过程中,光源对其降解效率至关重要,与传统的汞灯催化光源相比,紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗,使光催化工艺发生了巨大的变化。首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台,采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间,其主波长为275 nm,由于光场叠加效果,光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大,装置轴向位置光照强度分布较为均匀;其次通过三维超景深显微镜、UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析,同时使用半导体求导公式对TiO₂粉末进行禁带分析,结果显示TiO₂为球形,由于空气中相对湿度过大,水在TiO₂微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力,因此有团聚现象产生,其禁带宽度为3.1 eV;最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源,P25型TiO₂为催化剂分别对甲基橙、磺胺类抗生素进行光催化降解,使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线,进而对抗生素降解率进行分析。结果表明,甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解,分别经过160和240 min的催化降解过程后,降解率分别达到70%和36%,符合一级动力学方程,经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0.007 5和-0.113 5 min-1,对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0.001 9和-0.019 4 min-1。因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时,汞灯降解速率高于紫外LED阵列;由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同,对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法,即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析,对于甲基橙,汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED,但对于抗生素,紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。依据以上各类光谱分析和应用结果,紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源,此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。     

COB光源的窄光束均匀照明设计

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题，基于光电一体化二次光学设计，提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源，通过混光棒和微结构进行匀光，最后利用抛物面镜实现光线的准直输出，基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化，实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

用于CF-LCoS投影偏置LED照明光棒的角度分割原理及其偏振复用系统

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理,籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸,再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计,然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构,确保LED发散角范围内光能的偏振复用,并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎,在1W LED功耗下实现12.8lm投射亮度(114lm/W),均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,在保证均匀性的前提下,提升了微型投影系统的光效率,丰富了光棒偏振复用的内容.     

i线投影光刻曝光系统的光学设计

叙述具有同轴对准特性的光学投影物镜双远心结构和均匀照明光学系统原理。为了满足ｉ线光刻所需的光学传递函数要求，讨论了光刻分辨率和数值孔径的关系。设计了一种新的双远心投影物镜，其数值孔径ＮＡ＝０．４２，放大倍率Ｍ＝－１／５，像场尺寸１５ｍｍ×１５ｍｍ（直径２１·２ｍｍ），共轭距Ｌ＝６０２ｍｍ。用光学设计程序ＺＥＭＡＸ－ＸＥ计算此ｉ线物镜的像质。设计结果说明，整个视场内波差＜λ／４，ＭＴＦ＞０．５５，当空间频率为７１５ｐａｉｒｌｉｎｅｓ／ｍｍ，使用波长为３６５士３ｎｍ时。可以实现０．７μｍ光刻分辨率；照明均匀器，由８１个小方型透镜组成一方列阵。用本文模拟计算软件ＯＰＥＮＧ计算被照像平面上的光能分布，说明实际系统的照明不均匀性为土２％。     

基于RGBW光源的舞台灯变焦透镜设计

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点,在全反射式透镜结构的基础上,基于变焦透镜组原理,设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片,并且使用SolidWorks软件,依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测,此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后,上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外,设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%,可在0 mm~15 mm的调焦范围内,光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。     

光学助降器模拟光源设计

舰载机降落着舰时,有时需要用到光学着舰助降系统。本光源模拟器采用卤钨灯光源,紧贴卤钨灯光源加入光学均匀器,然后依据光源的出射光束分布情况加入光束整形锥腔,再依据光源视场角的要求,在一定距离处加入柱面阵列光学系统,在光学柱面阵列系统后加入光学滤光器和光学衰减器就形成了光学助降光源模拟器。本光源模拟器具备红、绿、黄三色光谱,水平视场达到30,竖直视场达到20,光强大于10 000 cd,光源均匀性优于8％,光强可调。     

Optimisation of the light transmission and irradiance distribution of an aspherical lens for 3-D time-of-flight sensors

The irradiance distribution and power transmission in a 3-D sensor, which is based on the principle of time-of-flight (TOF) and uses modulated active illumination, should be optimised because of a large light energy damper and low signal-noise ratio at the receiver detector array. A numerical design of a spherical–aspherical lens with large numerical aperture has been presented to generate a homogeneous irradiance on a measure object from an LED source. Based on the design and analysis of reflection loss, optimisations have been taken to maximise the optical transmittance of the lens. The results show that the total transmittance can be improved by optimising the shape and material of the lens.