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。     

大角度直下式LED背光透镜的设计

液晶显示领域不断提出缩减成本方案,对于液晶电视LED背光系统,提出了一种大角度背光透镜设计方案,即在目标接收屏面具有较大照度辐射角度的背光透镜设计。采用特定的双自由曲面设计,入光孔设置为类椭圆型结构面将光源出射的光通量进行等角度划分,根据接收屏面的理想照度分布与入光孔每一角度出射光通量对应关系计算出出光面自由曲线。借助底部微结构处理,再根据模具及产品成型要求补全外观结构,得到符合设计指标的方案,有效地解决了因增大角度引起的黄斑问题,并达到目标接受面均匀度的要求。针对32英寸（81 cm）的液晶电视背光模组,采用12颗最大正向电流为350 mA的LED灯珠,在模组高度为30 mm的系统中,设计的背光透镜模组达到了要求的亮度及均匀度。     

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。     

同时实现路面照度与亮度均匀性的LED光源光学系统研究

对于道路照明,人眼观察到的是路面的亮度而并非路面照度。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。从发光二极管(LED)道路照明中路面亮度与照度的关系出发,提出了一种基于路面反射特性同时实现路面照度与亮度均匀性的设计方法。首先根据国际照明委员会(CIE)标准给出的简化亮度系数表计算路面上所有点的亮度系数;然后利用最小二乘法对路面照度和亮度同时进行分析,得到路面最优照度分布;最后采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,根据目标照度分布进行三维自由曲面光学系统设计,得到实现路面照度均匀与亮度均匀的光学透镜。将此设计应用于双车道的C1路面,实现了路面93.47%的照度均匀度,各车道观察到的路面总亮度均匀度为86.94%和89.26%。     

应用在大尺寸LCD背照明的LED元件设计

传统的薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor liquid crystal display,TFT-LCD)通常采用冷阴极荧光灯(cold cathode fluorescent lamps,CCFL)作为背光光源。相比较而言,由于发光二极管(LED)TFT-LCD背光源系统色彩还原性好、对比度高、亮度高,其色域是传统CCFL背光源的150%以上,最近几年,RGBLED背光源已经逐渐成为大尺寸背光源发展的主要方向。大尺寸LED背光系统结构主要采用直下式和侧式结构。直下式背光源具有结构简单、光利用率高的特点,是目前大尺寸液晶显示背光源的首选。以RGBLED作为光源,通过对LED光场分布的模拟分析,提出一种新的直下式背光源的光学设计。背光源模拟表明,该背光源亮度均匀性大于80%,色差小于0.01。     

用于头显液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED发散角较大,大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费,故需要对LED进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED组成的阵列。对单个LED设计了双曲面透镜,形成了8 mm直径的均匀圆形光斑。对单个透镜进行切割,以形成矩形光斑。但由于切割面的全反射,矩形面积内存在亮斑。对透镜进行了优化设计,获得了亮度均匀的矩形光斑。4个矩形透镜拼接成透镜阵列。为消除杂散光斑,对透镜再次进行了优化设计。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。测试结果表明:和传统背光结构相比,采用两层扩散膜和透镜阵列后,背光亮度提高了96.4%,非均匀性由23.8%略提高到23.1%,半亮度视角由39°降低到23°。满足头盔显示器液晶像源背光的要求。     

LED近场光学模型与直下式背光源透镜的设计优化

LED光源自身物理模型的准确测量和建模对光学设计和计算机软件仿真模拟结果至关重要。分析了常用光源模型的特性,对白光LED与理想点光源的偏差和原因进行了研究,比较分析了在直下式背光源透镜光学系统中由于LED实际光源特性偏离理想点光源和简单面光源而造成的设计偏差,并以白光LED光源近场测量的光线文件为基础,采用反馈修正逐次逼近的方法,优化设计了背光系统距高为5.5的内外折射曲面光学透镜,在实际发光面积为1.7 mm×1.7 mm的条件下,光斑均匀性为0.83。     

机载平视显示器数字像源背光组件设计

随着COB封装技术发展,采用LED芯片构建液晶显示器背光组件成为一种新的思路;提出了LED芯片COB板结合配光透镜阵列的透镜阵列型COB新颖背光组件;通过LIGHTTOOLS软件构建了3.8Inch机载平视显示器数字像源背光组件模型,仿真分析照度均匀性达到98%,空间亮度均匀性超过85%,光能利用率超过90%。与LED芯片COB板背光组件、及机载平视显示器正用数字像源LED灯珠阵列背光组件照度、空间亮度和强度视角分布进行了仿真对比,在同样输出3150Lumen情况下,透镜阵列型COB背光组件照度超过6.6×10~5 Lux、空间亮度接近2.0×10~6 Nit,远远超过其他两种背光形式,同时保持了与LED灯珠阵列背光基本相同的视角包络。     

集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计

集成化导光板下表面微结构分布是影响背光模组出射光均匀性的关键因素,因此是背光模组设计的重点之一.本文针对微棱镜一维分布设计中存在的大面积同一性影响背光模组亮度均匀性的问题,提出一种集成化导光板下表面微棱镜二维分布的设计思想,以提高背光模组的亮度均匀性.利用光学软件Lighttools对5.0英寸集成化导光板下表面微棱镜结构的较佳二维分布进行优化探索,通过与较佳的一维分布仿真结果对比分析可知,优化后的二维分布模式下,背光模组的光能利用率、照度均匀性、亮度均匀性分别达到92.03%,87.07%和91.94%,满足行业标准;其中,照度均匀性比一维分布提高了10%;同时,从亮度图观察,背光模组的整体亮度均匀性得到了有效提升.该研究结果对于背光模组轻薄化、集成化开发具有一定的参考价值.     

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15mm处形成半径40mm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。     

Bistable Optically Writable Image Memory Using Optical Feedback

A novel, parallel aligned optically addressed liquid crystal spatial light modulator has been used to implement an optically writable image memory. The memory uses a two-beam interferometer with optical feedback which exhibits thresholding, hysteresis, and bistability. We discuss the characteristics of the system, and present the results of an experimental demonstration.Presented at the International Commission for Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.     

非球面光学系统设计、加工及检验的综合考虑

某研究所要求研制一台夜间红外观测系统 ,观测波段为 3～ 5 μm ,焦距 f =90 0mm ,相对口径为 1∶4,视场角 2ω =0 8°。红外焦平面是已有的 ,其冷屏直径为Φ5mm ,冷屏至焦面的距离为 2 0mm。由于从设计开始 ,要求完成的时限很短 ,因此必须将缩短加工周期的问题作为重要因素来考虑。工作在 3～ 5 μm波段 ,首选的必然是非球面反射系统 ,而非球面的加工与检验的难易直接和其参数有关。因此在评价设计结果时 ,不能仅从像质好坏来看 ,还要看其需要的加工周期长短。接受到任务之后 ,首先找到了可行的方案 ,然后设计了几个具体的系统 ,在比较了两个最可行的设计结果之后 ,选择了其中之一。     

等宽圆环光瞳滤波器的超分辨性能研究

设计一种等宽圆环光瞳滤波器 ,并研究了它的超分辨性能。分析了光瞳中心半径和圆环数对斯特耳比、超分辨能力和旁瓣强度的影响 ,讨论了设计等宽圆环光瞳滤波器时中心半径和圆环数的优化问题。表明圆环数为奇数和偶数时 ,光瞳具有不同的超分辨性能 ;圆环数分别取 1和 2时 ,综合考虑超分辨性能较佳     

Optical Communications Research Activities at COM RD1 Siemens S.A.

This article summarizes the research activities carried out by the R&D Optical Networks Communications group (COM RD1), at Siemens S.A., in collaboration with both universities and other research institutes. These activities cover various aspects of advanced modulation formats, all optical wavelength conversion, optical quality of signal monitoring in transparent WDM networks, routing, and wavelength assignment in optical networks.     

Generation of Circular Optical Vortex Array

We report on a novel optical vortex array named circular optical vortex array, which is generated by the superposition of two concentric perfect optical vortices. The circular optical vortex array has a constant topological charge of +1 or ?1, the number and sign of which are determined by the topological charges of the two perfect optical vortices. Moreover, the radius of the circular optical vortex array is easily adjusted by using the cone angle of an axicon. Furthermore, the circular optical vortex array and multiple circular optical vortex array can be rotated by changing the initial phase difference of the perfect optical vortices on demand. This work demonstrates a complex structured optical field, which is of significance for applications such as optical tweezers, micro‐particle manipulation, and optical imaging.     

基于太赫兹光非对称解复用器结构的低开关能量、高线性度全光采样门实验研究

利用多量子阱结构的非线性半导体光放大器(SOA)构建的太赫兹光非对称解复用器(TOAD), 实验实现了一个开关能量低至25 fJ, 线性度高达0.99的全光采样门. 详细分析了采样脉冲功率和非对称偏移量分别对采样窗口形状、宽度和幅度的影响, 并研究了不同采样窗口宽度下TOAD的开关能量及线性度的变化规律.     

Optical Communications Research Activities at COM RD1 Siemens S.A.

Abstract

This article summarizes the research activities carried out by the R&D Optical Networks Communications group (COM RD1), at Siemens S.A., in collaboration with both universities and other research institutes. These activities cover various aspects of advanced modulation formats, all optical wavelength conversion, optical quality of signal monitoring in transparent WDM networks, routing, and wavelength assignment in optical networks.     

光纤通信光开关的物理基础

光开关是光交换系统的基本元件，也是一种基本的控光器件，本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光通信开关器件的物理原理，并给出各类光开关的阈值条件和典型参量。     

Cutting-Edge Technologies on Broadband and Scalable Photonic-Network—Packet switched networks based on all-optical label processing—

Ultra-high speed all-optical label processing methods are proposed and experimentally demonstrated. These methods dramatically increase the label processing capability. Optical packet switch (OPS) systems and networks based on OPS nodes are expressed as an application of optical processing technologies. First, the 40 Gbit/s/port OPS prototype with all-optical label processor, optical switch, optical buffer, and electronic scheduler is described. The feasibility of OPS networks is verified by experimental demonstrations.     

Efficiency improvement of optical pattern recognition in ultra-fast all-optical intensity equalizer

To cope with a larger intensity fluctuation of optical signals in optical communication networks, we have proposed and demonstrated an ultra-fast all-optical intensity equalizer based on an optical pattern recognition technique. To achieve higher transfer efficiency for this equalizer, we designed and fabricated a highly-efficient optical amplitude-phase filter using a diffractive optical element for optical pattern recognition. The fabricated amplitude-phase filter provides a diffraction efficiency of 85%, and the all-optical intensity equalizer is demonstrated to have higher transfer efficiency, when this filter is used.