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.     

基于互信息的高动态范围成像系统成像质量分析

为了优化高动态范围成像系统的设计,完善地评价系统性能,将信息论应用于高动态范围成像系统中,把高动态范围成像系统看作通信系统,采用端到端的互信息量来评价高动态范围成像系统的成像质量.在COMS采样成像模型的基础上引入空间光调制器反射式硅基液晶的影响,建立了基于互信息的高动态范围成像系统数学模型.利用该模型分析了反射式硅基液晶与CMOS阵列像素数比、像素开口率、相对平移、相对旋转对系统互信息量的影响及造成系统成像质量下降的原因.通过仿真计算,分别得到了像素数比例、像素开口率大小、相对平移量、相对旋转角度与互信息量的相互关系曲线,并定量分析了这些因素变化对系统互信息量的影响程度.仿真结果表明反射式硅基液晶和COMS阵列的最佳匹配条件是：反射式硅基液晶和CMOS像素的占空比尽可能大,CMOS像素尺寸尽可能小,避免相对平移和相对旋转,反射式硅基液晶像素数和CMOS像素数之比为1:1.     

基于互信息的高动态范围成像系统成像质量分析

为了优化高动态范围成像系统的设计,完善地评价系统性能,将信息论应用于高动态范围成像系统中,把高动态范围成像系统看作通信系统,采用端到端的互信息量来评价高动态范围成像系统的成像质量.在COMS采样成像模型的基础上引入空间光调制器反射式硅基液晶的影响,建立了基于互信息的高动态范围成像系统数学模型.利用该模型分析了反射式硅基液晶与CMOS阵列像素数比、像素开口率、相对平移、相对旋转对系统互信息量的影响及造成系统成像质量下降的原因.通过仿真计算,分别得到了像素数比例、像素开口率大小、相对平移量、相对旋转角度与互信息量的相互关系曲线,并定量分析了这些因素变化对系统互信息量的影响程度.仿真结果表明反射式硅基液晶和COMS阵列的最佳匹配条件是:反射式硅基液晶和CMOS像素的占空比尽可能大,CMOS像素尺寸尽可能小,避免相对平移和相对旋转,反射式硅基液晶像素数和CMOS像素数之比为1∶1.     

改进宽银幕投影显示照明系统的设计方法

照明系统是投影显示系统的重要组成部分,决定着整个系统的亮度和照明均匀性。复眼系统是一种常见的液晶投影显示系统照明结构。传统的复眼照明系统设计方法中,复眼小透镜具有与液晶板相同的长宽比,可以获得能量利用率和均匀性都比较好的照明光斑。但研究发现,利用这种方法设计宽银幕投影显示设备的复眼照明系统,会引起一定的光能损失。针对这一问题,通过对复眼系统设计理论的分析和对实际复眼照明系统的模拟,创新性地提出了在照明系统中引入柱面透镜改变复眼小透镜的长宽比的设计方法,能够有效的提高投影系统能量利用率。模拟计算结果表明,引入柱面透镜的复眼照明系统与传统方法设计的复眼系统相比,能量利用率可以提高5％到10％。     

用于LED照明的反射型复眼设计方法

设计了一个高亮度LED光源照明的反射型复眼照明系统.通过软件模拟，整个复眼系统长度小于20 mm，物面的光照均匀度达到80％以上，光源照明输出光能利用率为75％.应用高亮度LED的反射型复眼具有体积小，光强分布均匀，像差小等特点.在小型便携式投影仪中有广阔的应用前景.     

液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析

介绍了液晶投影显示复眼照明的工作原理,采用扩展4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀性作为系统的评价标准,对复眼透镜的制造误差和位置误差进行计算机模拟分析,分析表明,双排复眼透镜相对位置误差对系统性能影响大于加工误差,而第一排复眼透镜的加工误差对能量利用率的影响大于第二排复眼透镜,第二排复眼透镜的加工误差对照明均匀性的影响大于第一排复眼透镜.     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器的研制

为了产生制导武器仿真系统中所需的逼真的目标背景图像,建立了基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器。给出了模拟器图像输出的实际效果图以及光学参量的测试方法和数据。测试表明,该装置有较好的亮度、对比度和均匀性,与传统的阴极射线管显示技术相比有效减轻了图像闪烁问题,能够提供稳定的视频输出,更有利于仿真系统中对动态目标的识别,是一种较为理想的图像模拟装置。同时给出了双复眼光学系统初始结构的计算方法并推导出简单的计算公式,该算法可以应用于其他双复眼照明系统中。     

可调谐液晶法-珀滤光片的研究

提出了一种可用于密集波分复用系统中的新型可调谐滤光片的设计方法,该设计利用了液晶的双折射现象,以及液晶盒内法-珀效应,从理论上分析了器件的光谱特性,计算了液晶分子的折射率调制和其分子转动角度的关系.并对器件进行了性能测试.实验结果与理论吻合较好.     

基于阵列式连体透镜的LED二次光学设计

针对LED照明系统中单颗LED及其透镜组合设计的发光量小,照射范围有限,不能满足实际照明需求的问题,提出了一种阵列式连体透镜的LED二次光学设计.根据阵列式LED的特性建立多颗了LED光学模型,并运用光学仿真软件TracePro对该二次光学设计进行模拟与仿真.结果表明,阵列式连体透镜在改善光照均匀性方面具有较好的效果,...     

Synchronized parameter optimization of the double freeform lenses illumination system used for the CF-LCoS pico-projectors

A novel synchronized optimization method of multiple freeform surfaces is proposed and applied to double lenses illumination system design of CF-LCoS pico-projectors. Based on Snell's law and the energy conservation law, a series of first-order partial differential equations are derived for the multiple freeform surfaces of the initial system. By assigning the light deflection angle to each freeform surface, multiple surfaces can be obtained simultaneously by solving the corresponding equations, meanwhile the restricted angle on CF-LCoS is guaranteed. In order to improve the spatial uniformity, the multi-surfaces are synchronously optimized by using simplex algorithm for an extended LED source. Design example shows that the double lenses based illumination system, which employs a single 2 mm×2 mm LED chip and a CF-LCoS panel with a diagonal of 0.59 inches satisfies the needs of pico-projector. Moreover, analytical result indicates that the design method represents substantial improvement and practical significance over traditional CF-LCoS projection system, which could offer outstanding performance with both portability and low cost. The synchronized optimization design method could not only realize collimating and uniform illumination, but also could be introduced to other specific light conditions.     

Optical characteristics of LGP depending on the scattering pattern orientation for flat-type LED lighting

In flat-type light-emitting-diode (LED) lighting systems, a planar light is formed using a luminance source positioned on the side of the system and light guide panel (LGP) or reflecting plates. Thus, such systems are favorable for their thinness, which allows a relatively small number of LEDs to be used. However, the application of a high-power LED light to a large-area lighting system yields Lambertian luminaires; therefore, a point or a discomfort glare is produced, which generally causes degradation of the luminance efficiency and uniformity. In this study, we solved the problems of luminance non-uniformity and inefficiency by adjusting the orientation of an applied LGP scattered pattern and removing the remaining glare. Through computer simulation, optical characteristics that increase the efficiency even in the case of low-output LEDs were found. Specifically, a scattered pattern vertically oriented relative to the direction of the incident light improves the luminance uniformity at the side of the system, while a scattered pattern oriented parallel to the direction of the incident light plays the role of a waveguide. We implemented a flat-type LED lighting system by fabricating a large-area LGP based on the computer-simulation results and using an extremely sensitive laser. The optical characteristics observed using the laser-processed LGP were identical to those obtained in the computer simulation. Therefore, for large-area flat-type LED lighting systems, we confirmed that adjusting the orientation of the LGP scattered pattern can increase the luminance efficiency and uniformity.     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.     

基于正交试验法的显微镜上照明设计

根据LED光源特性和目标面光强的分布要求,采用正交试验法,对显微镜的LED照明系统进行优化设计。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Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.7%,能量利用率达到52.8%。该结构简单,成本低,易于实现。     

High uniform illumination of light-emitting diodes lighting with applying the multiple-curvature lens

Light-emitting-diode (LED) sources will play a very important role in the future. Nowadays, there are many traditional light sources gradually being replaced by LED sources. From the viewpoint of illumination, different environments have the same requirement uniformity of illumination. The basic reason for this is to insure human comfort. Therefore, the promotion of illumination uniformity is an especially important key issue. In this article, we propose one effective design to improve the uniformity of illumination of LEDs with Lambertian radiation profiles by inserting into the lighting system, multiple-curvature lens. The enhanced illumination uniformity of LEDs, in this system, is due to energy redistribution by controlling the direction of incident light, using geometrical optics theory. Ray tracing was applied for the simulations required. Finally, the uniformity of illumination is 76.17% in LEDs using multiple-curvature lens, which is twice the uniformity of conventional LEDs. Furthermore, the phenomenon of overload in the multiple-curvature lens is reduced by increasing the numbers of rings on the lens. The overload is less than 0.02 lm in the case of lens designed with 23 rings.     

实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究

 LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用,如何合理分配LED的能量,在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析,通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程,分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明,其中圆形照明面照度均匀性达到85%,矩形照明面照度均匀性达到75%,并建立了自由曲面透镜三维模型,结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明：提出的方法满足相应的照明标准,验证了理论设计的合理性。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

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。