积分球辐射光源照度均匀性研究

 针对CCD等焦面阵列光电器件常被置于积分球辐射光源出口平面进行测试的误区,研究了积分球辐射光源照度分布的均匀性,得到了合理使用积分球光源测试光电器件的依据。基于数值解析方法和蒙特卡罗方法,建立了理想积分球辐射光源照度均匀性数学模型和非理想积分球辐射光源照度均匀性仿真模型,分析了与积分球光源出口不同距离处光电器件受光面上照度分布情况,并实验测试了两套积分球辐射光源照度分布情况,得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。研究表明：当光电器件受光面直径小于积分球光源出口直径一半、光电器件和积分球出口之间的距离与积分球出口直径的比值在3至5之间时,可在光电器件受光面上获得均匀性优于99%的照度场。     

用于细胞及组织培养的中等强度LED生物光源

研制出可用于细胞及组织培养的中等强度发光二极管光源,介绍了光源的光路原理和简要结构,测试了该光源的辐射照度及其强度分布,使用统计分析软件SPSS拟合得到该光源的辐射照度经验公式。     

应用于Mini-LED背光的双自由曲面透镜设计

提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法,根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息,建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵,通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布,最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39 mm×30 mm、混光距离为6 mm且目标面光斑半径为40 mm为例进行设计。仿真结果表明,所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时,目标面照度均匀性达到87.45%,对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度,无需大量的后续优化工作,为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。     

CCD摄像机照度检测装置的研制

为了研制一种照度检测范围宽、结构简单、操作简便,并能产生均匀光辐射分布、自动调光的照度测量装置,通过对传统照度测试方法所使用的结构形式和光源进行分析,提出了一种采用曲面反光灯杯加内置灯的光源以及单片机自动控制的新型CCD摄像机照度检测装置的设计方法。并在文中详细介绍了光源设计、照度探测器设计、控制电路设计以及试验等研制过程,最终研制成功的新型CCD摄像机照度检测装置实现了光源的均匀辐射、自动调光等功能,适用于各类CCD摄像机1.0×10-1lx~1.0×105lx照度范围的检测。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.     

亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究

针对路灯照明系统,设计了一种照度均匀和亮度均匀的LED路灯透镜。通过分析LED光源角度分布与目标面照度的关系引用了一种简化的线性校正函数。不同的道路亮度系数,选用合适的K值,设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真,结果显示中间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布有利于路灯照明亮度的均匀。通过注塑成型工艺加工了该透镜,并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照度分布的矩形光斑照明。采用Dialux软件对路灯照明效果进行评估,显示该路灯透镜设计,横向和纵向亮度均匀性达到0．6以上,满足道路照明的亮度均匀性要求。     

用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计EI北大核心CSCD

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法,这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程:1)设计初始结构,以准直激光光束作为输入光束,采用能量网格划分法,设计自由曲面整形透镜,将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构;2)逆向反馈优化法,以带有一定发散角的光束作为输入光束,用上一步获得的透镜作为初始结构,采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法,以束腰为10mm,发散半角为2.5°的发散激光光束为例,将其整形为40mm×40mm的方形光束,辐射照度均匀度达到了90.4%。最后,对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明:透镜表面面形误差在±5μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响;透镜安装时,纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。     

激光光源汽车远光灯自由曲面透镜设计

根据激光光源的特点,设计了一种基于蓝色半导体激光器的汽车远光灯系统。采用以Monge-Ampere方程为基础的自由曲面透镜设计,解决了激光光源能量密度高、发光面积小的问题;依据非成像光学理论,建立了透镜表面与目标面的映射关系;通过求解Monge-Ampere方程得出自由曲面上的坐标点,拟合坐标点得到自由曲面透镜模型;采用光学软件Tracepro进行了仿真分析。结果表明:照度最大值值为119.3lx,中心点照度为117.6lx,完全符合GB25991-2010标准,且光型分布均匀。     

用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法,这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程:1)设计初始结构,以准直激光光束作为输入光束,采用能量网格划分法,设计自由曲面整形透镜,将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构;2)逆向反馈优化法,以带有一定发散角的光束作为输入光束,用上一步获得的透镜作为初始结构,采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法,以束腰为10mm,发散半角为2.5°的发散激光光束为例,将其整形为40mm×40mm的方形光束,辐射照度均匀度达到了90.4%。最后,对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明:透镜表面面形误差在±5μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响;透镜安装时,纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。     

基于LED光源与聚合物光纤束的能量均匀透镜耦合器设计

研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法,基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。     

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。     

Improvement of Laser-Beam Irradiation-Intensity Distribution Using Multi Lens Array and Edge-Shaped Plates

A new concept for improving the laser intensity distribution on an inertial confinement fusion target using a phase-controlled multi lens array has been proposed. Circular and hexagonal element lens apertures have been examined, and the circular aperture which eliminated azimuthally asymmetric intensity distribution was chosen. The diffraction fringe of the elementary lens was mitigated in a one-dimensional lens array using edge-shaped plates of a super-Gaussian phase profile. Uniform beam profiles were obtained using a one-dimensional array with 7 spherical lenses and a two-dimensional array with 37 lenses. An approximately flat-top intensity distribution was realized with the lens array with 37 lenses.     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。     

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°。     

Two-Dimensional Multi-Lens Array with Circular Aperture Spherical Lens for Flat-Top Irradiation of Inertial Confinement Fusion Target

A two-dimensional multi-lens array 350 mm in diameter with spherical element lenses has been tested to improve the irradiation uniformity of a high power glass laser for inertial confinement fusion (ICF). A circular shape for the element lens aperture is chosen to eliminate azimuthally asymmetric intensity distribution. An approximate flat-top intensity distribution is obtained with a lens array of 37 lenses. Beam patterns of a coherent laser and partially coherent light (PCL) with the random phase plate (RPP) and the multi-lens array (MLA) are measured in a GEKKO XII glass laser system. Spherical mode structure of the irradiation nonuniformity of 5.6% with MLA is estimated with cos3 θ distribution of absorption coefficient in the target plasma.     

拉曼光谱编码的荧光液相生物芯片检测系统研究

随着医疗诊断需求的增加，生物分子检测技术越来越受到人们的重视，液相生物芯片技术作为一种高通量，多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片，并利用自行搭建的一套高灵敏度、高分辨率的光学系统，实现对液相生物芯片的定性与定量分析。光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光，通过二向色镜，带反反射镜与物镜汇聚到样品上，样品产生的拉曼散射光，经物镜，带反反射镜，二向色镜与拉曼滤波片，最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上，光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。荧光显微成像系统应用光学成像原理，通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离，使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上，样品激发出的荧光，通过物镜，带反反射镜，二向色镜，滤波片与相应的凹透镜，最后成像到面阵CCD上。改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片，在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测，以完成对每个编码玻片的定性识别，即解码；同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图，根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强，光谱分辨率更高等优点。该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体，解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题，并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析，提升了实验结果的准确性。     

多站观测空间目标可见光散射特性及相关性分析

 鉴于空间目标的光散射特性对目标的探测、跟踪与识别等空间突防技术具有十分重要的应用价值,利用双向反射分布函数（BRDF）将光辐射的入射照度和目标的散射亮度联系起来,结合目标的几何建模与轨道理论,计算出某时刻在东北3站观测风云卫星可见光散射亮度变化情况, 其峰值随时间依次达到或接近于7.5×10-3 W/cm2·sr,而新疆阿勒泰散射亮度在东北3站达到峰值时只有3.75×10-3 W/cm2·sr,得出东北3站点卫星光散射亮度趋势相似,只是由于纬度差异使变化趋势在时间上有所延迟,而在与之经度有很大差别的新疆地区的阿勒泰站点的亮度变化趋势则有很大不同。该方法已经在获取空间目标更多信息选择多站观测中取得应用。     

LED微阵列投影系统设计

为满足便携式投影仪的市场需求,设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元,利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构,全视场角为80°,焦距为8 mm,属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处,该物镜的调制传递函数大于0. 85,畸变小于2%,符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小,结构简单,投影效果好,易加工等诸多优势,可为第三代投影技术的发展提供参考。     

PS~(-1) Optical Interconnection of 2N×2N Using N×N Holographic Lens Array

ＰＳ（ＰｅｒｆｅｃｔＳｈｕｆｆｌｅ）ｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃａｎｃｏｍｐｏｓｅｄｖａｒｉｏｕｓｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ,ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅΩｎｅｔｗｏｒｋ．Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｉｔｓｃｏｎｖｅｒ...