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%。     

3片独立自由曲面式LED汽车近光灯光学设计

为了使车辆驾驶员在夜间能够得到充足的照明,并且避免对面会车司机眩目,设计了具有明暗截止线的近光系统。根据GB25991 2010汽车用LED前照灯配光标准,尝试使用大功率白光LED和结构简单、光学利用率高的自由曲面反射镜（FFR)来实现前照近光灯的设计。以非成像光学为理论基础,建立了LED光源出射光角度和照明面上坐标的对应关系,结合折反射定律计算自由曲面上点的坐标。合理划分基础面,并优化调整各子面的面型数据,实现配光要求。采用3颗LED共同实现近光功能,每颗LED均有各自独立的光学系统。测试结果表明:设计的光学系统效率达到54%,且近光截止线清晰,满足标准对各测试点照度的要求。     

基于近场侧面均匀照明的LED投射器研究

在LED双面平板照明灯具中,为实现侧入式近场均匀照明,研究了一种LED柱面透镜阵列自由曲面投射器。根据非成像光学理论中的边缘光线原理,采用直接法和重叠法设计投射器的表面形状,利用反射旋转面和折射旋转面以及柱面透镜阵列将LED光源发出的朗伯光重新分配。建立侧面近场均匀照明的柱面透镜阵列自由曲面投射器模型,用TracePro软件对所设计的模型进行光线追迹仿真,结果表明,当不考虑反射损耗时投射器的出光效率达到96.03%,在投射器侧面的面板上面积为240mm×360mm的照度均匀度达到95.6%。     

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

二维三角晶格光子晶体波导的出射光集束传播

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。     

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。     

基于自由曲面的产生五向准直光束的元件

为了实现光束沿多向准直出射的要求,提出了基于自由曲面的光学器件设计方法。该光学器件是四个侧面为自由曲面、上表面为准直透镜的空心梯形台。基于微分几何理论和折射定律,建立梯形台侧面轮廓曲线上的点所满足的方程,结合Matlab软件数值计算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,进而得到梯形台侧面的实体模型;运用CodeⅤ软件设计出上表面准直透镜。将自由曲面面型数据和准直透镜数据导入到Lighttools软件中进行了仿真模拟,结果表明,该光学器件可实现光线五向准直出射。     

LED天幕灯的光学设计

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明,天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论,首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型,然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计,使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理,建立直射和反射的有效叠加和补偿,依此设计得到反射面面型,实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真,结果表明,满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明,其照明均匀度可达到85%以上,能量利用率可达到80%以上。     

等光程非球面子午截线的参数方程

以入射光束"孔径高度"为参数,根据等光程原理,通过光线追迹法建立了参数和坐标点(两个分量)一一对应的关系式,称为等光程参数方程。在该方程中,参数是连续的实变量,参数方程给出的曲线是连续的实线,即非球面子午截线,截线的轴旋转曲面为光学系统的等光程折射面。子午截线是"孔径高度"的高次曲线,等光程参数方程分别为二元二次方程(出射光聚焦一点)或二元一次方程(光线平行出射),该方程不用二次模拟曲线和高次修正项,能准确地描写多拐点的曲线,如长焦距系统,大口径系统,施密特校正板等,并且都能实现零球差设计。     

基于CCD的电玩具中LD和LED光斑尺寸测量

根据高斯光束的传输特性,搭建了一套测量电玩具中LD和LED光束质量和光斑尺寸的测量系统。该系统以CCD作为光斑采集的关键设备,利用自行编写的软件同步控制CCD和数控位移平台,采集LD和LED所发出光束在不同位置的光强分布图样。利用二阶矩计算光束的束宽,并由双曲线拟合得到光束轮廓曲线,计算出光束的M2因子,进而推算出LD和LED光束任一位置的光斑尺寸,实现对电玩具中LD和LED发光光斑尺寸的精确测量。     

激光谐振腔内激活介质像差效应的数值分析

根据气体激光器谐振腔的衍射理论和Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式，导出了谐振腔光场振幅分布表达式。用数值分析的方法研究了在不同的相位扰动下，稳腔和非稳腔功率和模式分布曲线。     

调制偏振光在光学相位延迟测量中的频谱分析

介绍了光调制器的调制原理,在时间域和频率域对其调制特性进行了理论分析,得到了相应的光强分布曲线。基于偏振光调制理论,提出了一种新型光学相位延迟测量方法,并对该方法从时域和频域两方面进行了分析。频谱分析的结果表明,当出射光信号的奇次谐频分量为零时,满足完全补偿条件,此时可由补偿器的补偿量直接得到待测器件的光学相位延迟量。这种方法能够对光学相位延迟量进行直接量的测量,和其他间接测量方法相比有其明显的优势。在理论分析的基础上,还进行了相应的实验,并得到了高精度的实验结果。     

由阴、阳极电压及入射光强及频率确定光电流

根据费米-狄拉克统计,本文推导出了一个光电效应中光电流作为阴、阳极电压的函数关系.应用本文所提供的函数所得计算结果同实验结果非常好地符合.其次,建立了入射光强对光电流贡献的数学表现,最后,从数学上得到了入射光频率与光电流的关系,从而能够预测光电流.     

Contact binaries: I. An inspection of the HSB contact binary model by comparison of relationships obtained from theoretical light curves with that from astronomical observations

The light curve is one of the most important photometric characteristics of variable stars, which can supply physical information about many stars. So, light curves are the best candidate to inspect a theoretical model of binaries. One important feature of the light curve is the difference of two light minima of the light curve, namely the difference between the primary eclipse depth and the secondary eclipse depth (DED). In this paper, the secondary eclipse depths of theoretical and observational light curves are studied. Firstly, a method to calculate the theoretical light curves of an eclipsing binary with non-spherical components is proposed, which can be put into the HSB contact binary model [Huang R Q, et al. Chin J Astron Astrophys, 2007, 7: 235–244; Song H F, et al. Chin J Astron Astrophys, 2007, 7: 539–550]. Theoretical light curves and the DED of the binary can be obtained at every evolutionary phase. The relationships of DED with mass and luminosity are presented and show special features for the contact binaries. Secondly, a large amount of observational data is collected, from which 11 massive, intermediate-mass contact binaries and 9 low-mass contact binaries are chosen and the two relationships are obtained using theoretical light curves. Finally, in order to check whether the HSB contact binary model can be used in contact binary systems with massive, intermediate-mass and low-mass components, a comparison is performed for the above mentioned relationships obtained from theoretical light curves with those from the astronomical observations. The results show a good agreement for contact binary systems with all different masses.

     

聚焦光在亚表面损伤介质中的散射特性

针对光学元件的亚表面缺陷,结合基于激光共焦层析的亚表层检测方法,建立聚焦光束在亚表面损伤介质中的传输模型,并采用有限元分析方法,仿真研究K9玻璃光学元件亚表层缺陷对聚焦光束的散射调制特性,特别对颗粒状和微裂纹两类特殊缺陷的光学调制特性进行研究和分析,探索了波长、缺陷大小、缺陷折射率及缺陷方向对聚焦光束散射特性的影响规律,通过分析包含亚表面损伤缺陷信息的光场分布图和强度变化曲线,获得了亚表面损伤缺陷的信息,并对其进行评价。     

Measurement of Principal-Stress Directions from Photoelastic Experiment Using Generalized Phase-Shift Method

A generalized phase-shift method is developed for automatic measurement of principal-stress directions in the whole field of a model from photoelastic experiments. This method uses a set of light intensities obtained from the rotation of polaroids in dark-field plane polariscopes at each point. To investigate the accuracy of the measurement, time-series light intensity curves with different noise and different numbers of data which constitute the curves are used in computer simulation. The error of the measurement of the principal-stress directions obtained by the method is not greatly affected by noise when the number of data exceeds 50. This method is applied to a circular disk subjected to a concentrated load. The principal-stress directions obtained by the method are found to be in good agreement with the theory.Presented at 1996 International Workshop on Interferometry (IWI ‘96), August 27–29, Saitama, Japan.     

Depth of focus estimation based on exposure dose distribution

A defocusing exposure dose distribution model is established with the integral effect of light intensity on time taken into account for laser direct writing on a thin photoresist with total reflection substrate. Exposure dose distribution curves are established using the established model for different photoresist depths. A side slope angle is established for each defocusing amount in accordance with the exposure dose distribution curves, and so depth of focus can be estimated by simply checking to see if the maximum side slope angle with the horizontal is in the range of 80-100°. Simulation results indicate that when laser direct writing is done on a thin photoresist with total reflection substrate using a laser with wavelength equal to 442 nm and a lens with numerical aperture equal to 0.5, the depth of focus estimated using the proposed method is 1 μm, which is just 1/3 of the depth of focus estimated using the method based on intensity distribution. It is therefore concluded that it is the integral effect of light intensity on time that causes the depth of focus estimation error, and the proposed method can be used to achieve a more accurate depth of focus estimation compared to the intensity distribution based method.     

测量金属膜粗糙度的表面等离子激元光谱方法

介绍了确定金属膜表面粗糙度的表面等离子激元光谱方法。测量了二种银膜在表面等离子激元激发条件下的光散射强度分布。通过与理论计算的拟合，得到了描写这二种银膜／空气同粗糙界面的特征参数。     

基于LabVIEW的LED三维特性检测的研制

为了解决传统配光曲线只能反映LED发光二维特性、立体感太差及不便于人为观察比较的难题,提出一种新的基于高级图像编程语言(LabVIEW)的LED三维特性(光强空间分布)快速检测方法。在传统光强空间分布检测方法的基础上,采用多路光度探测单元同步测试,可在0.2s内一次性由31个探测单元同步测得LED光源的二维光强空间分布（配光曲线）。通过增加旋转机构转动待测LED样品,依次测得i(i=180°/α)条配光曲线。最后由自研软件将i条配光曲线进行数据汇总处理,便可得到LED光源的光强空间分布的三维立体图。该检测方法具有速度快、精度高、信息量大等优点,并且具有实时性和直观性。     

基于神经网络的粗糙表面双向反射分布函数建模

分析粗糙表面双向反射分布函数的测量方法,提出一种使用人工神经网络技术建立目标表面材料双向反射分布函数模型的方法。给出测量样品多个入射角度下的BRDF随散射角变化的曲线,从中选取部分曲线输入到神经网络,使用贝叶斯正则化方法训练网络,最终获取双向反射分布函数和入射角、散射角的映射关系模型。使用网络模型计算参与训练和未参与训练的输入角度的散射分布曲线,与实验测量曲线进行比较,结果表明：建立的模型正确,具有应用价值。