一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法,并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程,利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模,进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:该光学系统能够实现均匀照明,并对最终光线可实现准直出射。     

光谱仪光源双光束准直的自由曲面透镜

为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围,利用非成像原理设计了自由曲面透镜,将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光,实现探测器上光谱的折叠分布.首先,根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系,建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组;然后,采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解,得到自由曲面离散采样点,进而构建得到自由曲面透镜,将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟,在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布;最后,将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中,将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束,经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面,形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱,光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明,采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围,且使光谱仪的结构更加紧凑.     

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。     

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。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

自由曲面LED汽车后位置灯的光学设计

为使汽车在夜间行驶时能够被别的车辆识别,避免交通事故的发生,设计了聚光器带有花纹的新型后位置灯光学系统.基于非成像光学理论,采用照度优化方法,利用公式计算自由曲面反射镜各个点的坐标值.根据法规对后位置灯的配光要求,合理划分反射面,使其达到配光要求.通过蒙特卡洛方法对光线进行追迹,实验模拟结果显示:配光效果达到国家标准G...     

基于自由曲面的大视场天基探测光学系统

设计了一种大视场空间光学探测系统,结合空间目标特性及探测器性能指标计算了系统参数,确定了系统的技术指标,实现了对空间255 km处目标9等星的探测。系统采用离轴三反式光学结构,工作波段为400～900 nm,焦距为64 mm,视场角为30°×30°。系统的主镜和三镜分别采用Zernike多项式和XY多项式自由曲面进行设计,对系统进行光线追迹获取了自由曲面的离散点数据,利用Matlab对获得的离散点进行拟合,得到了主镜和三镜的自由曲面面型。系统的能量集中度高,成像质量良好。     

独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计

为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。     

基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法

原位测量是提高光学自由曲面面形精度的重要手段,对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要意义。由于面形的复杂性,光学自由曲面原位测量一直是超精密测量领域的难题。提出了一种基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法,测量系统由LVDT气浮式传感器、红宝石探针和数据采集部件组成,采用螺旋线方式进行加工及测量路径的设计,通过运动控制接口实现机床坐标和测量数据的实时同步采集,快速精确地获取测量数据。实验结果表明,所加工的双正弦自由曲面的面形误差在±0.5μm范围内。     

Free-form lens design for wide-angle imaging with an equidistance projection scheme

An algorithm of free-form lens design is presented that can realize wide-angle imaging in conjunction with conventional imaging devices. The wide-angle image obtained through the free-form lens and the camera is not affected by distortions. The formula for the free-form lens surfaces is derived. The surface profile of the free-form lens can be generated through solving a differential equation expressing the camera-viewing angle as a function of the angle of incidence on the free-form lens surface. The surfaces preserve a linear relationship between the angle of incidence of light onto the surface and the angle of refraction into the imaging device.     

快速实现矩形准直光束的高集光效率LED透镜设计

为了实现LED矩形准直光束,提出一种快速构建高集光效率LED透镜的设计方法。基于分步法、边缘光线定理和几何光学定律,分步设计两个自由曲面轮廓线,快速获取两个自由曲面并构建透镜。结果表明:当LED距透镜内曲面尺寸与LED尺寸的比值为6时,系统的半峰全宽为2.3°×1.15°,集光效率为82.6%,可以有效地实现矩形准直光束。随着比值的增大,透镜的尺寸变大,但是半峰全宽变小,透镜集光效率变高。根据设计参数加工了透镜并对仿真结果进行了实验验证。该方法为实现LED矩形准直光束提供了一种有效途径。     

基于自由曲面的裸眼3D显示柱透镜光栅设计

设计了一种用于裸眼3D显示屏的低串扰新型双面柱透镜光栅板,光栅板的入射面为等间距排列的与显示器子像素数量相同的凹形自由曲面光栅结构,出射面为斜置的凸形自由曲面光栅结构.根据裸眼3D显示原理和几何光学原理推导了双面光栅板的光栅单元自由曲面设计公式和光栅参数计算公式.通过MATLAB编程计算和SolidWorks软件建模得到光栅板模型.用TracePro软件对所设计的光栅板模型进行光线追迹仿真,结果表明:参数优化后的6视点斜置柱透镜双面光栅3D显示在最佳视角的图像串扰度为0.068%,与传统6视点斜置柱透镜光栅的最佳视角图像串扰度相比降低了2个数量级,并且在观看距离2 000mm~3 000mm范围内图像串扰度基本不变.     

对复杂自由曲面的纹理重建方法

提出一种基于马尔科夫优化策略复杂自由曲面的纹理重建方法,该方法利用实验室研制的三维数字化设备对目标物体的深度数据和纹理数据进行采集,将局部采集的深度像数据匹配到全局坐标系下,建立物体的几何模型;然后通过坐标变换,把采集的纹理照片映射到重建的几何模型表面,并进行曲面纹理融合处理,实现自由曲面的纹理重建.该方法对物体的形貌没要求,能实现结构复杂的自由曲面的纹理重建,得到高保真质量的真实感模型.采用该算法对几种不同的实物进行数据采集和真实感三维重建,实验结果验证了算法的可靠性和有效性.     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜设计

提出一种基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜的设计方法。通过非成像光学设计,以光学扩展量与折射定律为理论基础,自由曲面迭代优化,实现光源与光纤之间的低损耗耦合。仿真结果表明:以LED芯片作为光源,该透镜可以将光通量传导效率提高至89%以上,具有良好的应用和发展前景。     

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。     

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

 针对强激光光学元件的应用要求，对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析，并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应，提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在，对材料的定量去除进行了实验，提出了亚表面缺陷的去除方法。