用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计EI北大核心CSCD

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法,这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程:1)设计初始结构,以准直激光光束作为输入光束,采用能量网格划分法,设计自由曲面整形透镜,将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构;2)逆向反馈优化法,以带有一定发散角的光束作为输入光束,用上一步获得的透镜作为初始结构,采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法,以束腰为10mm,发散半角为2.5°的发散激光光束为例,将其整形为40mm×40mm的方形光束,辐射照度均匀度达到了90.4%。最后,对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明:透镜表面面形误差在±5μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响;透镜安装时,纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。     

支撑曲面法设计自由曲面照明透镜

利用能量守恒建立光源与目标之间的网格映射可以用来设计自由曲面照明透镜,然而这种方式设计透镜表面的连续性依赖于映射是否可积。其根本原因是这种预先设定的映射并非照明问题的真实解。为了得到连续的透镜曲面,首先使用支撑曲面法利用一定数量的笛卡尔卵形面构造非连续的自由曲面透镜。以这个透镜为初始设计,通过拟合建立光源与目标面的网格映射。由于初始设计的透镜为照明问题的真实解,因此这个映射满足可积条件。光学仿真表明这种方法设计的透镜可以在目标面达到目标面达到0.77的照度均匀性以及81.6%的光学效率,同时透镜的表面连续。     

基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜设计

提出一种基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜的设计方法。通过非成像光学设计,以光学扩展量与折射定律为理论基础,自由曲面迭代优化,实现光源与光纤之间的低损耗耦合。仿真结果表明:以LED芯片作为光源,该透镜可以将光通量传导效率提高至89%以上,具有良好的应用和发展前景。     

应用于Mini-LED背光的双自由曲面透镜设计

提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法,根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息,建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵,通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布,最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39 mm×30 mm、混光距离为6 mm且目标面光斑半径为40 mm为例进行设计。仿真结果表明,所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时,目标面照度均匀性达到87.45%,对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度,无需大量的后续优化工作,为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

用于LED集鱼灯稳定照明的自由曲面透镜设计

进行海上灯光诱鱼作业时,船体横摇改变了发光二极管(LED)集鱼灯的照明角度,导致海面光照不断变化,对吸引和聚集趋光性鱼类产生不利影响。提出了一种利用自由曲面透镜实现扇形光强分布的方法,在Y-Z和X-Y平面上的发散角分别为110°和10°。分析了LED集鱼灯在渔船横摇角度变化范围(-10°～10°)内的目标面相对照度分布的相似性和误差率。模拟结果和实验结果的正交归一化相似性(NCC)分别大于98.50%和99.53%,均方根误差(RMSE)分别小于5.56%和4.60%。与普通LED集鱼灯和金卤灯比较,本设计显著提高渔船横摇时LED集鱼灯的光照稳定性。结果表明,在不同照明角度下,LED集鱼灯的自由曲面透镜能很好地实现海面上的稳定光照。     

双自由曲面LED均匀照明准直透镜设计

为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光程条件,同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明:对1mm×1mm的白光LED芯片,84.55%的能量集中在±2°内,近场照度均匀性达到94.59%,远场照度均匀性为89.01%;当LED芯片尺寸不超过2.0mm×2.0mm时,±4°内的能量利用率大于83.5%,近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明,公差符合装配要求,光能利用率高.     

基于全内反射结构的多自由曲面准直透镜设计

为了有效地收集半导体发光二极管大范围的出射光以实现光能的高效利用,设计一款基于全内反射结构的多个自由曲面准直透镜,该透镜的初始结构是根据Snell定律和能量守恒定律等光学原理的算法设计而成.将该透镜的初始结构导入Creo软件中并进行360°旋转以得到3D实体模型,将其转入TracePro光学软件中进行蒙特卡洛光线追迹的...     

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。     

基于半导体激光器的线性整形自由曲面反射镜设计

在许多测量系统以及激光焊接的系统中,拥有一字线图案的激光器发挥着重要的作用。为了提高传统一字线激光器光学系统的光能利用率和改善光学照明效果,研究设计了一种自由曲面反射镜,使得光线在细线的宽度方向准直出射,在长度方向以大角度扩散,同时也保证照度均匀性。通过建立自由曲面模型、构建偏微分方程,得到自由曲面点云的数值解,从而拟合得到自由曲面面型。仿真结果表明,发散角在高达150°时,照度均匀性高达90%,在不考虑反射率损失时能量利用率在99%以上。     

基于非球面柱透镜的激光束整形

提出了一种基于非球面柱透镜的激光束整形系统.该系统采用一组正交放置的非球面柱透镜实现对高斯光束的整形,能够获得较大长宽比、等光强分布的矩形光束输出.理论分析了高斯光束整形原理,由能量守恒定律推导出高斯光束整形系统中任意光线在入射面和出射面的坐标变换关系,使用ZEMAX编程语言编写坐标变换的ZPL宏指令并生成优化函数,设计并优化了整形系统.仿真设计得到了光强均匀度高于95%,能量利用率在90%以上的准矩形光输出.结果表明该方法整形效果理想、计算量小、简单实用.     

自由曲面光学系统设计及其应用

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。     

基于自由曲面的LED全反射准直透镜的设计

为在特定角度范围内实现所需照明,满足各类LED照明系统的要求,提出一种适用于扩展光源的透射 全反射复合曲面的LED透镜设计方法。根据光源的大小由非成像光学原理确定反射面面型并计算光源发散角度,再根据照射的角度要求进行自由曲面的透镜设计。文章给出了设计思想及方法,并设计了一款出射半角为2.5的透镜实例,分析了误差对实际结果的影响。     

应用于投影光刻离轴照明的自由曲面设计

离轴照明是现代投影光刻中的一种重要的分辨率增强技术.针对不同的照明模式要求,提出了一种利用自由曲面来实现离轴照明的方法.根据入射面和目标面之间的坐标拓扑和能量守恒关系,利用数值求解法得出自相应的折射式自由曲面并对结果进行模拟,分别设计了环形、二极和四极照明,照明效率均达到90%以上,照明均匀性均优于93%.结果表明,可...     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

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。     

太阳模拟器用自由曲面聚光镜设计

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题,设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型,根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论,建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系;依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程,通过龙格-库塔法求解微分方程,计算出离散点数据;拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线,旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线,利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化,从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统,结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升,辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%,辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%;通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

基于加工公差约束的自由曲面棱镜设计

自由曲面棱镜是轻型头盔显示系统的核心光学器件,其巧妙的设计以及精密的加工方法历来备受研究者的关注。目前有关自由曲面棱镜的研究主要集中于视场角和成像质量上,而忽略了公差设计,尤其是加工误差对棱镜的影响。针对这一现象,在详细分析了自由曲面棱镜的加工误差来源之后,提出了基于公差约束的自由曲面棱镜优化设计方法,以保证在加工精度允许的前提下得到最佳的成像质量。通过光学仿真实验及成像质量分析,验证了该方法的有效性。     

激光光源汽车远光灯自由曲面透镜设计

根据激光光源的特点,设计了一种基于蓝色半导体激光器的汽车远光灯系统。采用以Monge-Ampere方程为基础的自由曲面透镜设计,解决了激光光源能量密度高、发光面积小的问题;依据非成像光学理论,建立了透镜表面与目标面的映射关系;通过求解Monge-Ampere方程得出自由曲面上的坐标点,拟合坐标点得到自由曲面透镜模型;采用光学软件Tracepro进行了仿真分析。结果表明:照度最大值值为119.3lx,中心点照度为117.6lx,完全符合GB25991-2010标准,且光型分布均匀。