光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究

在光学读出红外成像的理论分析中, 通常将具有一定实际尺寸的非相干面光源简化为理想点光源, 导致了分析误差. 本文建立了面光源模型, 通过夫琅禾费衍射理论, 研究了面光源影响下的光学检测灵敏度, 发现了光学检测灵敏度随光源半径和焦平面阵列反光板长度的变化关系, 提出了面光源影响下的光源尺寸和反光板长度的优化设计准则. 针对理论分析, 进行了实验验证, 测试结果与理论分析一致. 关键词： 面光源 光学读出 焦平面阵列 非制冷红外成像     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

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。     

LED近场光学模型与直下式背光源透镜的设计优化

LED光源自身物理模型的准确测量和建模对光学设计和计算机软件仿真模拟结果至关重要。分析了常用光源模型的特性,对白光LED与理想点光源的偏差和原因进行了研究,比较分析了在直下式背光源透镜光学系统中由于LED实际光源特性偏离理想点光源和简单面光源而造成的设计偏差,并以白光LED光源近场测量的光线文件为基础,采用反馈修正逐次逼近的方法,优化设计了背光系统距高为5.5的内外折射曲面光学透镜,在实际发光面积为1.7 mm×1.7 mm的条件下,光斑均匀性为0.83。     

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。     

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%。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

三片式硅基液晶激光投影显示中光学引擎的设计

介绍了激光硅基液晶芯片的显示原理,针对硅基液晶光学引擎的特点,采用光学扩展量表征系统的光能利用率,并分析了光学扩展量的变化与光能利用率的关系。利用光学软件Zemax和Tracepro设计了三片式激光硅基液晶光学引擎。实验结果表明:此光学引擎体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率达到56%以上,满足设计要求。     

基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。     

基于紫外LED阵列光催化降解抗生素的研究

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响,光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。在光催化降解抗生素过程中,光源对其降解效率至关重要,与传统的汞灯催化光源相比,紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗,使光催化工艺发生了巨大的变化。首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台,采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间,其主波长为275 nm,由于光场叠加效果,光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大,装置轴向位置光照强度分布较为均匀;其次通过三维超景深显微镜、UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析,同时使用半导体求导公式对TiO₂粉末进行禁带分析,结果显示TiO₂为球形,由于空气中相对湿度过大,水在TiO₂微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力,因此有团聚现象产生,其禁带宽度为3.1 eV;最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源,P25型TiO₂为催化剂分别对甲基橙、磺胺类抗生素进行光催化降解,使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线,进而对抗生素降解率进行分析。结果表明,甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解,分别经过160和240 min的催化降解过程后,降解率分别达到70%和36%,符合一级动力学方程,经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0.007 5和-0.113 5 min-1,对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0.001 9和-0.019 4 min-1。因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时,汞灯降解速率高于紫外LED阵列;由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同,对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法,即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析,对于甲基橙,汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED,但对于抗生素,紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。依据以上各类光谱分析和应用结果,紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源,此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。     

二维空间紫外LED阵列实现单光斑辐照固化系统的设计

新型大功率紫外LED具有电光转化效率高、光谱纯度高和体积小等优点,但单管LED功率仍很难满足光固化的要求,针对单光斑辐照要求,提出采用空间阵列UV-LED排布实现能量累加的方案。该方案通过单管LED聚光系统与集成阵列系统综合设计实现了各单元单光斑辐照度在辐照面上的合成,最终得到的光斑辐照度分布均匀、尺寸合理,阵列系统后工作距离长,完全满足现场应用的具体指标要求。通过外围电子线路控制阵列LED的电流强度及通断状态可实现光斑辐照度在(1000～1800) mW/cm²可调,光斑尺寸为1cm²,后工作距离为10cm。     

基于étendue量的液晶投影物镜相对照度分析

基于非成像光学的étendue量对液晶投影显示照明系统和投影物镜进行匹配,对液晶投影物镜的相对照度进行分析,根据étendue量计算照明系统液晶板照明面的发光强度分布,与根据朗伯体服从余弦分布的计算相对照度的算法进行比较,并对相对照度的Rimmer算法进行修正,分析和实验表明,修正算法得到的投影物镜相对照度计算更符合实际情况,对于投影物镜确定渐晕系数、校正像差有利.     

New collection systems for multi LED light engines

Light emitting diodes (LEDs) have numerous advantages as light sources in projectors. LEDs are more compact, exhibit a larger color gamut, have a longer lifetime, and need a lower supply voltage. However, there is still one important disadvantage: the optical power per unit of étendue (luminance) of an LED is significantly low. As a result of the étendue limitations of LEDs, the projected flux on the screen will not be high. Despite this shortcoming, LED’s are still of great interest for low power applications because of their other superior properties. Thus we collect the available light flux optimally and combine multiple high luminance LEDs within the system. In this study we discuss three collection systems designed to collect the LED flux with high optical efficiency while retaining small device size. The best collection efficiency attained with our collection systems is 96%. The fabrication tolerance and cost of our collection systems are also analyzed.     

基于近场均匀照明的LED阵列的优化设计

基于几何光学与辐射照度理论,对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究,推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式,并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式,对LED阵列进行了仿真和对比分析,得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度,环形阵列的平坦范围较小,能量集中分布在一个圆形范围内,有良好的集光效果,蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小,可在一定程度上降低设计成本。     

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。     

Photonic crystal LEDs – designing light extraction

Photonic crystals (PhCs) have attracted much attention during the last decade as a solution to overcome the low extraction efficiency of as‐grown light‐emitting diodes (LEDs). In this review we describe the underlying physics and summarize recent results obtained with PhC LEDs. Here, the main focus is on diffracting PhC. In order to quantify the benefit from the incorporation of PhCs for diffracting light a comparison by simulations between a PhC LED and a standard state‐of‐the‐art LED is carried out. Finally, the impact of the PhC on the LEDs emission characteristics will be discussed with respect to étendue‐limited applications.     

LED灯具道路照明效果模拟与分析

为适应半导体产业的迅猛发展和环保节能的迫切要求,将LED作为一种新的能源方式应用到照明产业中。选取几种有代表性的LED路灯作为研究对象,根据各自不同形状的配光曲线,利用照明仿真软件Dialux对这些LED灯具在不同的布灯方式下在道路上的光照度分布情况进行模拟和分析比较,总结出适合于道路照明的LED路灯应具有的配光曲线特征,为LED灯具设计提供参考。