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。     

用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.     

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%。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

基于序列光线追迹原理的快速优化照明设计

为解决LED扩展光源照明系统设计时,优化时间较长且多软件数据传输繁琐等问题,提出了一种仅用Matlab软件进行快速优化设计的方法。该方法将成像设计中的序列光线追迹原理应用于照明设计中,并利用菲涅尔公式与照度补偿理论,提高了照度拟合速度。同时,通过该方法可将光线追迹与反馈优化紧密相连,实现对照明系统的一站式优化设计。以一紧凑型（h/d=2.5:1）匀光透镜设计为例进行试验,结果表明:给定光源和目标面的参数后,获得匀光透镜数值解的优化时间仅为8 min,优化时间缩短近一个数量级;经SolidWorks成型和TracePro仿真测试,目标面上的均匀度和光效分别达到86.75%和88.42%,照明效果提高明显。     

紫外光LED固化面光源光学系统设计

为解决紫外光LED固化面光源光斑均匀性差及辐照强度低的问题,提出一种阵列式紫外光LED固化面光源光学系统的设计方法。基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论,完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导,结合理论公式计算出透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距。结果表明:透镜有效控制了光线的发散,提高了阵列面光源所产生光斑的辐照强度及照度均匀度,使阵列结构更加紧凑。当光源半值角分别为27.5°和15.5°时,照度均匀度分别为95.3%和98.6%,辐照强度分别是理想朗伯型光源阵列的2.5倍和6.4倍。进一步分析了工作距离和芯片形状及其尺寸对面光源光学系统的影响,并通过实验对模拟结果进行验证,为紫外发光二极管的应用及光学系统设计提供了一定的理论依据。     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

具有曲面反射面的高均匀度LED植物光源

目前植物工厂培养架所使用的LED光源模块光学结构简单,照度均匀度和混色均匀度难以保证,导致农作物的品质参差不齐。为了提高种植物品质,需要优化植物光源的照明效果,设计高均匀度的植物光源。本文针对这一问题提出并研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案。将LED灯珠安置在种植面同侧,并结合曲面反射顶面对LED发出的光线进行进一步均匀分配,在植物培养架有限的种植空间内增加光线耦合距离和耦合程度,提高了培养架植物光源的均匀度。经过多次结构优化后,最终获得了一个照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%的高均匀度植物照明培养架。然后基于优化得出的植物光源,研究植物生长过程对照明效果的影响后表明植物在生长过程中均可获得良好的照明环境。最后研究了不同形状和不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度和光能利用率的影响。     

自由曲面匀光透镜的建模误差分析及补偿设计

自由曲面匀光透镜被广泛应用于发光二极管(LED)照明中。传统的基于几何近似的自由曲面求解方法,由于存在建模误差,导致求解的面型不够精确,照明面均匀性下降。提出了一种误差分析及补偿方法,通过建立面型误差和出射角度误差之间的联系,结合光线追迹,实现了面型误差的准确量化和修正。采用该方法,针对1000 mm工作距离,直径200 mm照明范围的景观照明透镜进行了补偿设计,并用Lighttools软件进行了仿真。结果表明:点光源模拟情况下,相对于传统几何近似求解方法,照明均匀性(最小照度/平均照度)由68.0%提升到98.5%;1 mm×1 mm尺寸LED光源模拟情况下,在直径160 mm的照明范围内,均匀性达到91.8%,具有良好的实用性。     

基于近场均匀照明的LED二次曲线阵列的研究

基于几何光学与辐辐射照度理论,对满足均匀近场照明的半导体发光二极管(LED)二次曲线阵列进行分析,推导了光源照射到屏上的总辐射照度表达式。依据斯派罗法则,利用Matlab数值优化工具包对表达式计算,并结合TracePro软件对所设计的阵列进行光线追迹仿真。结果表明,与平面阵列相比,二次曲线阵列可以得到更大角度的光场分布。对两种特殊二次曲线的二维和三维阵列进行分析和模拟,使照明面上的均匀度得到优化。该方法为LED照明模组的设计提供了重要参考。     

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。     

汽车前照灯用LED光源的光学设计

LED光源作为汽车照明系统的一门关键技术,LED汽车前照灯的配光设计是一个具有挑战性的研究课题。根据光通量及色度指标的要求选择LED光源,采用抛物面反射器并结合两者的偏移与旋转来分析光分布。每个LED光源拥有独立的光学系统,并负责配光屏上不同区域的照度,近光系统采用8个LED,远光系统采用10个LED。用CATIA三维设计软件画出组合反射器模型图,通过光学软件Tracepro反复调用不同的模型来追迹光线得到最后的配光效果。设计中无需配光镜、挡光板以及复杂的计算程序,设计周期短、配光效果好,给出的配光模拟照度值完全符合最新出台的GB4599-2007标准。     

基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计

对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。     

具有凸台结构的高照明均匀度倒置型植物光源设计

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状,提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式,将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上,并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用,提高光线耦合程度,从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响,再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后,最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响,最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明,遮挡问题几乎可以忽略不计。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

Application of PWM dimming based on Grassmann optical model北大核心CSCD

针对发光二极管（light-emitting diode,LED）光源颜色和光通量精准调控难度高,在生产应用中,调控操作需在电脑等设备上进行的问题,基于格拉斯曼颜色混合定律,结合脉宽调制(pulse width modulation,PWM)调控LED的特性,建立表示PWM与LED照度关系的数学模型,以STM 32微控制器为核心设计了三基色LED调光调色系统。对系统分别进行单色、双色和3色的混光照度实验,数字照度计的测量值与光照数学模型的理论值对比结果表明,该系统在0~370 lx区间内系统的光源照度误差≤4%,合成光色共16 777 216种,且对光源颜色和光通量的调控操作可直接在系统上完成,无需接入其他设备,减少了操作流程,满足工业视觉检测、农作物补光照明和文化旅游对光源颜色和照度的需求。     

面光源矩形匀光照明反射器数学建模分析

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制,用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口,出光面背对目标面的结构,提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源,将微面光源视为点光源,根据矩形匀光照明配光条件,建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律,建立反射器的数学模型,只要给定参数,无需进行反馈优化,即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例,用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析,结果表明,在有效照明区域内均匀度可达到80%以上,光能利用率达到90%。     

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%。     

基于遗传算法的自由曲面优化设计

为解决传统点光源近似设计方法难以满足实际应用需求的问题,基于遗传算法提出了一种面向扩展光源的自由曲面优化设计方法.该方法以虚拟点光源的辐射分布函数、原点位置偏移量及目标面尺寸因子等参数作为优化对象,首先对种群中任意个体根据能量守恒定律及Snell定律建立并求解偏微分方程,得到对应于该组虚拟参数的自由曲面,然后以实际扩展光源进行光线追迹,并综合考虑目标面照度均匀度和系统传输效率得到个体适应度,据此对种群进行选择、交叉和变异,直至优化结果满足设计要求.设计了发散半角为10°的均匀照明系统,光源采用直径为30mm的圆盘朗伯源,在Trace/pro环境下与传统设计方法进行对比,结果表明:系统均匀度从58.3%提高到93.5%,辐射传输效率从61.8%提高到72.9%,且光束质量对目标面距离的变化具有很好的稳定性.该设计方法能较好地实现对扩展光源辐射在空间分布的调控,对扩展光源系统设计具有重要指导意义.     

基于遗传算法的自由曲面优化设计EI北大核心CSCD

为解决传统点光源近似设计方法难以满足实际应用需求的问题,基于遗传算法提出了一种面向扩展光源的自由曲面优化设计方法.该方法以虚拟点光源的辐射分布函数、原点位置偏移量及目标面尺寸因子等参数作为优化对象,首先对种群中任意个体根据能量守恒定律及Snell定律建立并求解偏微分方程,得到对应于该组虚拟参数的自由曲面,然后以实际扩展光源进行光线追迹,并综合考虑目标面照度均匀度和系统传输效率得到个体适应度,据此对种群进行选择、交叉和变异,直至优化结果满足设计要求.设计了发散半角为10°的均匀照明系统,光源采用直径为30mm的圆盘朗伯源,在Trace/pro环境下与传统设计方法进行对比,结果表明:系统均匀度从58.3%提高到93.5%,辐射传输效率从61.8%提高到72.9%,且光束质量对目标面距离的变化具有很好的稳定性.该设计方法能较好地实现对扩展光源辐射在空间分布的调控,对扩展光源系统设计具有重要指导意义.