激光投影显示中光棒匀光的照明光路设计

在方棒照明系统的基础上,根据激光光源的发光特性和准直性,设计了一款用于激光投影显示的,基于光棒匀光的照明光路系统。此系统具有结构简单、开发周期短、加工成本低的优点。仿真结果表明:设计的激光投影机光能量利用率达到78%,均匀度达到85%,满足激光投影显示中对集光和照明的设计要求。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

基于自由曲面透镜结构的紫外发光二极管固化系统光学设计

传统印刷业中用于固化的光源多采用高压水银灯和金属卤素灯等,传统光源的紫外固化技术已经趋于成熟,不过由于光源本身和光学系统的局限,它们会聚出来的线形光线辐照度较低,且光场均匀度不够高,因此固化效率不够高。提出一种自由曲面透镜的设计方法,将发光二极管灯源和自由曲面透镜结合,可以有效实现光线聚焦的效果,提高光效和均匀性。使用三维机械设计软件SolidWorks设计透镜的初始结构,将透镜模型导入光学优化软件LightTools中对透镜进行光线追迹模拟。通过建立目标函数,执行优化方案,对出射光的均匀度、辐照度不断进行优化,实现出射光为高亮度、高均匀度的线形光。     

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％。     

复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究

研究了复眼透镜阵列实现均匀照明的原理,模拟分析了复眼透镜的列数、入射光发散角、光源尺寸对照明效果的影响。仿真表明,入射光的发散角越小,光源尺寸越小,照明效果越好,而且适当地选取复眼透镜的列数能提高照明效果。     

微透镜阵列的制备与应用研究进展

微透镜阵列是一种多功能的微光学元件,可以对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制,进而实现大视角、低像差、小畸变、高时间分辨率和无限景深等,在光电器件和光学系统的微型化、智能化和集成化方面具有重要的应用潜力.介绍了微透镜阵列的光学原理和发展历程,综述了喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等微透镜阵列制备技术,总结了微透镜阵列在成像传感、照明光源、显示和光伏等领域的应用进展,最后对微透镜阵列的发展方向进行了展望,讨论了曲面微透镜、叠加复眼系统以及微透镜与新型光电材料结合等新方向的发展趋势和未来挑战.     

DMD微投影显示的LED光学引擎设计

提出了基于矩形CPC的微投影显示匀光方法,设计了由LED、CPC、矩形复眼透镜及微显示芯片DMD构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件分析了圆形CPC和矩形CPC对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形CPC的光学引擎相对于基于圆形CPC的光学引擎有如下优点:体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率高达到43%以上,满足微显示芯片DMD的要求。     

基于BreedPSO算法及交叠法的紧凑型大角度双自由曲面透镜设计

为了获得LED扩展光源大角度均匀照明,采用双自由曲面,设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散,根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型,通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统,均匀度和光效分别为88.12%和84.54%,照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在[0,0.3mm]内,均匀度及光效分别在85%及84%以上,纵向安装位移误差在[-0.04mm,0.05mm],均匀度及光效均在82%以上。     

用于投影机的发光二极管照明单元

目前的投影机光源——高压汞灯存在寿命短、色温高、存在有害光线、发热集中等缺点，严重制约了投影机进入家庭应用领域。发光二极管的最近发展为其作为高压汞灯的替代光源提供了可能性。提出了一种由一个发光二极管、一个准直镜、一个前蝇眼透镜和一个后蝇眼透镜组成的用于投影机的发光二极管照明单元，由数个照明单元加上会聚透镜则构成一个基本的照明系统。发光二极管的发光经准直镜压缩光束发散角后被前蝇眼透镜分割为多个细光束，会聚透镜将每个细光束都叠加会聚到显示芯片上，实现光能量的会聚和光场再分布．以满足投影机对光通量和光场均匀性等方面的要求，后蝇眼透镜用于与后续光路的匹配。作为照明单元的一个应用实例，文中分析了一种单片式硅上液晶投影机。     

Design of fly's-eye lens for LCOS laser display

Design of optical system in laser display has always been an important research topic. From the aspect of decreasing the system volume and improving the light efficiency, it can be found that when the size of fly's-eye lens and the value of f/# are definite, the more fly's-eye arrays there are, the more useful it will be to the decrease of the optical engine size, which means that more honeycombs on fly's-eye lens and better dodging effect can be more beneficial for the decrease of the system size. After the optimal design for the rectangular elements on sub-fly's-eye lens and then doing 4000 ray tracing, the light transmittance turns out to be good with little parasitic light and scattering light.     

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。     

通用型数字鱼眼镜头检测系统的设计

设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统，由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜，起到了缩小系统体积，提高光能利用率和照明均匀性，以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺，用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm~φ36.3 mm，照度均匀度达到91%，光通量大于5 000 lm，且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″~1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试，降低了检测成本，通用性强。     

远距离投射照明光源设计

针对车辆回复反射器光度性能的测试需求，为了满足测试光源在远距离照射面上高均匀度光斑的要求，设计一种远距离投射照明光源。光学系统采用了反光碗氙灯光源、导光管以及准直透镜的设计型式，能够实现光能的有效利用及远距离传输，可在远距离处形成均匀的接近于平行光的照射面。光学系统设计中加入了旋转调节机构，可完成照明系统连续调焦功能，能够实现在远距离照射面上对均匀光斑尺寸进行连续调节，在照明距离为30 m~40 m的不同照射面上均得到不同尺寸的均匀光斑，照射面上Φ250 mm~Φ300 mm内的光斑不均匀性小于5%。     

Finite size panoramic optical system integrated design

Aiming at the present situation of the panoramic target detection field, one laser target panoramic optical system on finite size is designed. The laser transmission optical system proposes a partition beam layout method, namely 360° omnidirectional detection can be realized by 6 fan-shaped light beams with 60° × 1° field angle. The receiving system position and size can be determined based on calculation the transformation of the Gaussian beam through the lens. After the computing and optimizing the lens curvature radius and other optical parameters, the integrated design of the transmission and receiving optical system is completed. The system echo signal experiment is carried out, and the experimental results show the error of the actual value and theoretical value is less than 4.8%. The system works stably and the anticipated design effect is achieved.     

半导体激光激发荧光粉转换白光照明系统设计

单管蓝光半导体激光器功率相对较低，为了获得高功率激光，利用多单管光纤耦合技术实现10 W蓝光激光输出，输出的激光激发荧光粉片合成的白光光源作为汽车远光灯光源。根据汽车照明法规要求设计了汽车远光灯照明系统并详述了抛物面反光罩、双凹透镜和荧光粉片的光学结构及对反光罩曲线参数、双凹透镜和荧光粉片的放置位置对光源色温均匀性及照度的影响。模拟设计了顶端19 mm×31.6 mm椭圆形开孔、底部直径5 mm圆形开孔、高60 mm的椭圆抛物面反光罩，荧光粉片置于距反光罩底部15 mm处时，在距光源25 m处的接收面上得到了5 m×12 m的椭圆光斑，白光光源的光通量为1 025 lm，中心色温为5 880 K，中心色坐标为(x=0.322 6，y=0.369 2)，该汽车远光灯照明系统满足汽车照明法规要求。     

激光白光光源及其光学系统解析

为进一步推广激光白光光源在汽车大灯、投影、背光显示等领域的应用，对激光白光光源的合成方式进行了介绍，从泵浦源、光转换材料、光学系统3个方面详细解析了激光照明系统的关键组成要素。通过理论分析，计算出了激光照明系统中最高理论光光转换效率为498 lm/W。然而，受困于技术和工艺难题，目前激光照明系统的最终效率仅约为17%。随后，在对适用于高亮度激光照明系统的光转换材料进行总结后，创新性地利用一种棒形(长度> 10 mm)YAG陶瓷(Ce < 0.1 at%)来匹配高流明密度蓝光；并从光学设计的角度，提出一种光转换材料的“透镜型”结构来综合提升光效。最后，结合专利分布情况，对激光照明系统在激光显示、可见光通信等领域的前景与应用进行了展望。     

激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.