基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

基于均匀照明的LED反射器的设计

为了创造良好的视觉环境,并提高光能利用率,设计了一种基于均匀照明的LED反射器。之所以选用球面环形阵列LED光源,第一是为扩大照明范围,其次是为了避免面光源垂直照射产生光强过强而导致的眩晕。设计的反射器是运用划分网格的方法获得自由曲面面型,运用机械建模软件拟合曲面的实体模型,进行了照明仿真模拟及分析。结果表明,与传统的反光器相比,自由曲面的反射器能较大程度地利用光源发出的能量,而且均匀性也有很大的提高。     

基于双自由曲面的LED大角度光学透镜设计

针对直下式LED背光源的均匀照明系统,采用双自由曲面组合,设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布,再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明,相对于传统的单自由曲面设计,有效地避免了全反射的发生,提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真,通过对模拟结果的分析,在灯箱厚度为15mm时,单透镜均匀照明面积可以达到60mm。采用正三角阵列分布,整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式,提高了照明的均匀度,同时大大减少了箱体的厚度。     

基于近场侧面均匀照明的LED投射器研究

在LED双面平板照明灯具中,为实现侧入式近场均匀照明,研究了一种LED柱面透镜阵列自由曲面投射器。根据非成像光学理论中的边缘光线原理,采用直接法和重叠法设计投射器的表面形状,利用反射旋转面和折射旋转面以及柱面透镜阵列将LED光源发出的朗伯光重新分配。建立侧面近场均匀照明的柱面透镜阵列自由曲面投射器模型,用TracePro软件对所设计的模型进行光线追迹仿真,结果表明,当不考虑反射损耗时投射器的出光效率达到96.03%,在投射器侧面的面板上面积为240mm×360mm的照度均匀度达到95.6%。     

基于LED阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计

提出一种由平面LED阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。基于LED光源与理想漫反射表面的朗伯特性,构建照明系统的数学模型。根据目标平面预期的光强分布,建立一组微分方程,利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮廓,通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真,模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到90%以上,验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

用于激光光束整形的连续自由曲面的设计

设计一个有效的连续自由曲面,将给定的准直激光光束映射成任意模式的目标照明,仍然是一个具有挑战性的问题。提出一种基于光线映射来构造连续自由曲面的方法,通过计算光源与目标区域两者辐照度分布之间的光线映射关系,构造出光滑连续的自由曲面。对于准直输入光束,采用最优运输法计算光源与目标之间的光线映射;根据折反射定律和可积条件,推导出用于求解可积映射关系和连续自由曲面的一般条件;证明在小角度近似的情况下,基于最优运输法得到的光线映射关系可以满足可积条件;通过逐线积分法求解出满足一定边界条件的线性平流方程,从而完成连续自由曲面的构造。实验表明,利用逐线积分法求解标准积分方程构造出的连续自由曲面能实现任意模式的目标照明,能量利用率达98.95%。结果表明,基于最优运输法得到的光线映射关系在自由曲面和目标平面之间的距离较大时近似可积,提供了一种有效的构造连续自由曲面的方法。     

多曲面反射体的计算机辅助设计及优化

研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和方法.根据反射器的尺寸、位置以及配光要求按点光源设计得到曲面型值点初始坐标后,将双三次B样条曲面引入照明系统的设计,反算出控制顶点.给出了空间任意一条入射光线与反射器区块的交点及其曲面法线向量的求法,为了提高光路追迹的效率,针对多曲面反射体给出了一种快速判断相交区块的算法.探讨了用阻尼最小二乘法对B样条曲面反射器进行优化设计的方法,通过优化运算修正控制顶点Z轴坐标,使得曲面在使用扩展光源时光形分布尽可能满足设计要求.     

基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。     

自由反射面设计中的椭流面光滑化研究

基于配焦椭流面的光学自由曲面设计具有几何意义明确、设计灵活和优化思路清楚等优点,但也存在表面不光滑的弊端。为了将每个椭流面片尽可能地光滑拼接,从边缘一点为起始位置开始构建自由反射面,先在方向构建光滑的椭流面,然后通过调整能量分配的方法,减小曲面在方向的不连续性。通过仿真验证,此方法可在2 min内完成对40 000个椭球面片的计算处理,构建的曲面保证能量在目标面上均匀分配的同时在连续光滑性上也有很大提高。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

Freeform lens for off-axis illumination in optical lithography system

A method of designing a freeform lens for off-axis illumination (OAI) in an optical lithography system is proposed in this paper. Based on the Snell's law and conservation law of energy, a series of first-order partial differential equations are deduced. Coordinate relations are established with the energy mapping relations by the characteristics of the incident beam and the predetermined irradiance distribution on the target plane. The contours of the freeform lens are calculated by solving partial differential equations numerically. Moreover, the optical performance for OAI is simulated and analyzed. Simulation results show that the irradiance distributions can be well controlled with a maximum uniformity of 95.71% and a maximum efficiency of 99.04%. Tolerance analysis shows that the angular errors of the freeform lens are more sensitive than the coordinate errors.     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑,需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法,使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特-卡罗光线追迹方法,设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处,80mm直径的接收靶面上可接收10kW的辐射光能,光斑对称性和均匀性好,系统的传递效率为23.81%,80mm直径靶面内的平均能流密度为2MW/m2,50mm直径靶面内平均能流密度达到3.64MW/m2,对应的理论色温超过2800K。采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。