实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

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。     

基于复眼透镜的大面积均匀照明方案研究

为了实现大面积矩形均匀光斑,提出一种基于双排复眼透镜的设计方案。使用TracePro软件对该照明系统方案的效果进行建模仿真,分析了复眼透镜组的间距、后工作距离等参数对光斑面积和均匀性的影响。结果表明,复眼透镜间距越小、后工作距离越大,得到的光斑面积越大;而当间距控制在微透镜焦距附近时,光斑均匀性最佳。利用该设计方案,可在1 m的后工作距离得到尺寸350 mm200 mm的光斑,光斑中心280 mm160 mm范围内光照度均匀性＞0.85,该部分面积超过光斑整体面积的60%。该匀光方案有望在医用光疗、路灯照明等大面积均匀光照明领域得到广泛应用。     

一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计

以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射 全反射(TIR)光学系统,通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导入Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明：目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.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Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

紫外LED阵列匀光照明中失效安全设计

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响,提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计,再通过LED位置误差研究推广至LED阵列,实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真,设计了一款曝光光源,并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2mW/cm~2,均匀性为86.9%,完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效,进行了辐照度均匀性实验.结果表明,少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内,甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性,更适用于实际生产.     

实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

白光LED光斑均匀性的改进

用于照明领域的白光LED,其出射光斑的色度均匀性对于产品性能有着更加重要的意义.介绍了目前工业上制作白光LED主要采用的荧光粉灌封点胶工艺.并在目前主流灌封点胶工艺的基础上通过改善荧光粉层结构形状,以提高白光LED器件的出射光斑均匀性.并通过九点法对不同工艺结构下LED出射光斑的空间色度分布进行了测量和分析.通过分析,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性.但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,现有的荧光粉层灌封点胶工艺存在很大的弊端.荧光粉层的可控性是影响色度均匀性(即光斑均匀性)的主要因素,包括单个器件内的光斑和器件之间的颜色一致性都不理想.     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

轴锥镜光强分布的角谱衍射数值分析法

针对理论上推导轴锥镜的衍射光场分布解析式较为困难,且用菲涅耳衍射理论分析时存在近轴近似及不能适用于近场衍射光场分析的问题,采用了严格遵从标量衍射亥姆霍兹方程的角谱衍射波前重建方法,对轴锥镜在单色和准单色高斯光波照射下的横向和轴向衍射光强分布特性,以及在单色均匀平面光波照射下的轴向衍射光强分布进行了数值计算和分析。结果表明,轴锥镜后单色光衍射光强分布在几何光束重叠的菱形区域内为近似无衍射贝塞尔光强分布,轴上光强沿光轴方向呈振荡变化,轴上光强分布规律与入射光波的垂轴横向光强分布有关;入射光的准单色性使得贝塞尔衍射条纹对比度略下降、轴上光强沿光轴方向振荡程度减小,但分布规律与单色光一致。     

Caustics,pseudocaustics and the related illuminated and dark regions with the computational method of quantifier elimination

The method of caustics is a powerful experimental method in elasticity and particularly in fracture mechanics for crack problems. The related method of pseudocaustics is also of interest. Here we apply the computational method of quantifier elimination implemented in the computer algebra system Mathematica in order to determine (i) the non-parametric equation and two properties of the caustic at a crack tip and especially (ii) the illuminated and the dark regions related to caustics and pseudocaustics in plane elasticity and plate problems. The present computations concern: (i) The derivation of the non-parametric equation of the classical caustic about a crack tip through the elimination of the parameter involved (here the polar angle) as well as two geometrical properties of this caustic. (ii) The derivation of the inequalities defining the illuminated region on the screen in the problem of an elastic half-plane loaded normally by a concentrated load with the boundary of this illuminated region related to some extent to the caustic formed. (iii) Similarly for the problem of a clamped circular plate under a uniform loading with respect to the caustic and the pseudocaustic formed. (iv) Analogously for the problem of an equilateral triangular plate loaded by uniformly distributed moments along its whole boundary, which defines the related pseudocaustic. (v) The determination of quantities of interest in mechanics from the obtained caustics or pseudocaustics. The kind of computations in the applications (ii) to (iv), i.e. the derivation of inequalities defining the illuminated region on the screen, seems to be completely new independently of the use here of the method of quantifier elimination. Additional applications are also possible, but some of them require the expansion of the present somewhat limited power of the quantifier elimination algorithms in Mathematica. This is expected to take place in the future.     

LED显示屏高光效高画面填充比光学设计与研究

针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点,基于非成像光学理论,提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩,从而避免了外表面全反射损耗,大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配,提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例,根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块,利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹,并对设计结果进行了分析。结果表明,系统光能利用率大于70%,画面填充比接近100%,单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。     

基于Etendue和显色特性的内窥镜LED照明系统的设计

根据内窥镜的使用要求,以Etendue的分析为基础,提供了一种内窥镜光纤照明系统。采用多个白光LED (W-LED)作为光源,提高了光通量,并对W-LED缺陷波段进行补色,通过移动补色光中心波长位置和调节光强度,有效地提高了显色指数。采用环形光纤,改善了光场角分布和白光与青色光的混光。给出了理论分析与计算、光学系统的优化设计与仿真的结果。实验得到了远场175.421m的光能量和87.7的显色指数,完全可以满足内窥镜照明系统的使用要求。     

可实现任意形状的高效Zernike照明器

 基于Zernike的零级谱位相修正法能将单束激光以几乎是100％的高效 率转换成规则或不规则的振幅阵列,我们给出了位相和照明孔径空间压缩比之间的关系, 并用一对位相板在实验上实现效率达89%, 3/4空间压缩比的3×3方形照明阵列。     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

任意发光类型的多色光照明下光栅塔尔博特效应的研究

利用部分相干光理论对多色光源照明下光栅的菲涅耳衍射进行了理论分析,得到了适用于任意发光类型(脉冲或连续发光)的多色光源的衍射光强的一般公式,理论结果表明菲涅耳衍射区的平均衍射光强的形式只与光源的频谱分布有关,这对借助于连续发光光源来研究脉冲光源照明下光栅的塔尔博特效应以及用来确定脉冲光源的性能参量提供了有力的参考依据。此外,详细讨论了光源的频谱分布对光栅塔尔博特效应的影响并进行了相应的数值计算。实验中通过选用不同频率的激光分别照明光栅,拍摄到对应于不同频率的衍射光强分布图像,从而间接获得多色光同时照明光栅时总的衍射光强分布。实验结果表明,理论和实验符合较好。     

有分压电阻和e偏振非相干背景光辐照的光折变晶体中非相干耦合空间孤子对

为了得到光折变晶体中非相干耦合空间孤子对统一理论的结果,基于单光子光折变空间光孤子的基本理论模型,建立了稳态条件下有分压电阻和e偏振非相干均匀背景光辐照的单光子光伏光折变晶体中非相干耦合空间孤子对理论.研究表明:这种孤子对是由两束偏振方向和波长都相同的互不相干光束耦合形成的,孤子对两光束都能在晶体中稳定传播;当分压电阻、e偏振背景光、外加电场和光伏场取不同值时,可获得14种光折变非相干耦合空间孤子对.本文的结果对完善和充实光折变空间孤子理论体系有重要意义.