平面LED阵列远场条件研究与实验验证

平面LED(light-emitting diode)阵列远场条件是实现其光度学参数正确测量的前提,为了确定不同平面LED阵列的远场条件,基于点光源发光强度的测量原理建立了面光源光轴上的不同距离下照度与距离平方乘积的函数关系模型,用其表征面光源光轴上光场的分布规律.在此基础上利用照度平方反比定律,以及平面LED阵列远场...     

3D打印机LED固化面光源设计

紫外光LED在3D打印、印刷、油墨固化等行业光固化领域具有广泛的应用.本文针对近场情况下光固化3D打印机面光源照度均匀度差、辐照强度低等问题,基于几何光学和能量守恒定律,采用透镜表面离散点和LED面光源照度函数的迭代方法,提出并设计了一种提高紫外光LED阵列照度均匀度的透镜方案.     

基于均匀照明的LED反射器的设计

为了创造良好的视觉环境,并提高光能利用率,设计了一种基于均匀照明的LED反射器。之所以选用球面环形阵列LED光源,第一是为扩大照明范围,其次是为了避免面光源垂直照射产生光强过强而导致的眩晕。设计的反射器是运用划分网格的方法获得自由曲面面型,运用机械建模软件拟合曲面的实体模型,进行了照明仿真模拟及分析。结果表明,与传统的反光器相比,自由曲面的反射器能较大程度地利用光源发出的能量,而且均匀性也有很大的提高。     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

基于光源近场模型的LED光学扩展量测量方法

基于精确的LED光源近场模型,提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据,可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线,直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例,对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线,可以对UV-LED的光束质量作出判断,并为阵列面光源的优化设计提供帮助.     

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。     

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。     

一种LED照明光源均匀度设计

为了满足数字摄像法能见度测量仪均匀光源的要求,提高半导体发光二极管照明的均匀性,该文提出一种基于数字图像分析技术的设计方法。首先测量单颗LED在模组区域的亮度分布,进而拟合分布函数,再运用多颗LED亮度叠加原理,计算出不均匀度最小的多颗LED阵列方式,或固定均匀度对应的最佳尺寸。对仿真数据和实测数据进行对比分析,结果表明,该文计算出的LED阵列方式,与单边阵列相比,均匀度显著提高,最高可达95%以上。     

阵列型LED灯具远场距离分析

LED灯具通常为阵列式排布的面光源,为实现对灯具光强分布进行准确测量,照度探测器需要距离待测灯具足够远,使得面光源可近似为点光源,该距离即为远场距离。针对目前对远场距离进行规定的多项国家标准相互间不统一,且标准只考虑灯具发光面最大尺寸单一参数等问题,对阵列排布式LED灯具的远场距离进行研究,计算了不同配光分布、阵列排布方式、阵列密度、阵列尺寸下灯具的远场距离,并详细分析各参数对远场距离的影响,给出远场距离设定的建议,为确定阵列型LED灯具远场距离的光强分布的准确测量提供参考。     

基于LED反光杯系统的优化研究

在照明系统设计中,接收面的均匀照明以及光能的充分利用一直是光源设计急需解决的问题。目前在LED光源设计领域中,通常采用斯派罗法则分析和微分方程计算的方式进行照明效果优化,这些方式的优化层面较单一,周期长且误差较大。为了加强LED光源系统优化效率,同步提高光源系统的光照均匀度和能量利用率,论文提出了基于光照均匀度评价函数、能量利用率评价函数和综合性评价函数的优化设计算法。运用数值分析方法对单光源系统的反光杯第二面圆锥常数K与曲率半径R进行优化调整,实现整个反光杯光源系统的光照均匀度和能量利用率的同步优化。研究结果表明：利用该文算法优化后的系统比未优化的光源系统光照均匀度提高了14.2%,能量利用率提高了16.75%,与理想值的接近度提升了14.42%,验证了优化方法的可行性。在此基础上,论文进一步研究多光源系统阵列间距对系统光照均匀度和能量利用率的影响,得出光源阵列系统的最优阵列间距,在此间距下的光照均匀度与理想值的接近度为44.84%,能量利用率为88.84%,最终实现了光照均匀度和能量利用率均较好的矩形阵列光源系统。     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

登陆艇光学对中方法及LED引导光源设计

设计了基于引导光源颜色/相对位置的登陆艇光学对中方法,登陆艇驾驶员通过不同颜色引导光源间的相对位置判断其是否偏航以及偏航的程度,从而提高登陆艇快速入舱的精度和安全.引导光源以横纵向90°视场角的光束对最远200m海面进行均匀照明,采用CREE XPE型号的LED,通过改进的网格映射法设计自由曲面透镜以获得要求的矩形照明光场,仿真与实验结果表明,所设计的LED引导光源可以满足登陆艇光学对中系统的照明要求.     

A study of extended optimization of U-type rod for LED projectors

The paper proposes a new U-type integral rod for a miniature DLP projector's optical engine with a high-power LED source and L-type optics in order to minimize volumetric size of optical engine. In addition, Taguchi method is applied in this research in order to extendedly optimize the performance of optical engine after initial optimization by damped least square (DLS). A miniature optical engine with LED light source has the advantages of good power consumption, useable projected image, reasonable brightness and uniformity, compactness in volumetric size and decent performance specifically for high spatial frequencies. However, there are still rooms for development with regard to light efficiency and uniformity due to non-uniformity of LED light distribution. Two critical design methods are proposed in this research. Firstly, a “U-type integrator” working with high-power LED which not only causes rays to make a “U-turn” in order to minimize volumetric size of optical engine but also, after optimization, controls output uniformity well after extended optimization by Taguchi method. With regard to gain of optical efficiency, we also consider the factors of a U-type integrator: shape and length with a Taguchi optimizer. It is concluded that the newly developed design achieves good results for the performance and volumetric size of the module. Extended optimized parameter design is able to improve the luminous flux by 4.84%, the illumination uniformity 5.62% and the packing size by 12%.     

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.     

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。     

Optimisation of the light transmission and irradiance distribution of an aspherical lens for 3-D time-of-flight sensors

The irradiance distribution and power transmission in a 3-D sensor, which is based on the principle of time-of-flight (TOF) and uses modulated active illumination, should be optimised because of a large light energy damper and low signal-noise ratio at the receiver detector array. A numerical design of a spherical–aspherical lens with large numerical aperture has been presented to generate a homogeneous irradiance on a measure object from an LED source. Based on the design and analysis of reflection loss, optimisations have been taken to maximise the optical transmittance of the lens. The results show that the total transmittance can be improved by optimising the shape and material of the lens.     

二元光学元件和新型超分辨光盘读写头的设计研究

本文采用杨-顾相位恢复算法数值模拟设计了一个用于光盘读写头的二元光学元件,并构思了一种新型超分辨光盘读写头,在现有光盘读写头的激光波长处和数值孔径基础上,利用该二元光学元件实现光学超分辨,从而提高光盘存储容量.     

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。