适用于植物照明的高均匀度LED面光源设计

针对目前植物照明灯具混光混色均匀度差、难以满足植物工厂高效生产作物产品的问题提出了一种高均匀度的植物面光源的设计方案。利用一种棱锥状的光学元件将LED发出的光线划分为透射、反射和直射3部分,增加了光线的耦合程度,进而提高了出光面上的混光和混色均匀度。进一步采用照度均匀度代替光量子通量密度的均匀度并且联同混色均匀度作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对光源均匀度的影响,得出实验结果后进行优化,最终获得了一个照度均匀度为92.13%、混色均匀度为89.72%的植物照明面光源。     

高均匀度超导磁体系统有限元分析

提出了用有限元方法设计高均匀度超导磁体系统。利用ANSYS优化模块,建立数学模型和完整超导磁体系统分析过程,优化高均匀度超导磁体系统。优化分析时,将螺线管线圈尺寸作为优化设计变量,可得到合适的线圈尺寸,再检查设计序列验证结果准确性。     

高均匀度超薄直下式LED平板灯混光元件的设计与研究

为了设计更好的LED平板灯光学结构,解决现存的直下式LED平板灯厚度大,光源密度大的缺点,提出了两种兼具反射、投射作用的混光元件结构:椎台结构和半球型结构,并将其应用于超薄直下式LED平板灯的设计,以增加光线的耦合距离来提高出光均匀度.借助Tracepro软件研究两种不同结构混光元件应用于LED平板灯时的出光均匀度和光效率,运用Taguchi方法设计实验进行研究.结果表明,带有棱锥型结构元件的灯具均匀度达到95.42%,光效率达到92.72%,而带半球型结构元件灯具均匀度达到97.67%,光效率达到92.65%,其均匀度高于棱锥结构的原因是棱锥形状混光元件反射面的定向反射导致光线方向过于集中.     

用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计

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。     

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。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm×200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到172 %。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。     

基于LightTools的大口径月球模拟器设计与准确度分析

为了满足月球敏感器和导航敏感器对月球目标的观测需要,设计了大口径高辐亮度月球模拟器,其有效辐照面积为Φ2 000mm.利用照明分析软件LightTools,通过建模与追迹方法对模拟器的月相、辐亮度和均匀度进行设计、仿真和分析.设计月相目标与月球亮度控制系统,对14种典型月相及其辐亮度进行实时控制,提出LED灯阵的辐亮度修正方法提高系统均匀度.测试结果表明:经过修正后,模拟器的辐亮度均匀度优于15.7%.该模拟器可作为月球观测目标供敏感器识别.     

基于光量子学的植物照明用自由曲面底板LED光源设计

基于光谱的光量子学照明系统评价方法,能使现代农业发光二极管(LED)植物照明系统具有可重复性,具有实用意义。基于光量子理论,采用高出光效率、高均匀度的自由曲面底板设计方法,并使用脉冲宽度调制驱动方法,设计了一款应用自由曲面底板的红蓝光LED植物照明用灯具,并对其参数进行测量。将仿真结果与实验结果进行对比详细分析了传统照明设计方法在LED植物照明中的意义。实验结果表明,所设计的灯具光量子通量密度均匀度约为80%,灯具最高温度约为50℃。由于没有使用扩散板等二次配光手段,灯具出光效率可视为100%,比使用扩散板的情况提高了34.5%以上,大大减少了植物照明的能耗。扩散板的引入会降低所设计灯具的光量子通量密度均匀度,而对混光均匀度影响不大。因此,在植物照明使用的红蓝光LED组合中,使用自由曲面底板的一次配光方法比使用扩散板的二次配光方法更为简便有效,更符合植物照明的设计需求。     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响

 讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比（腔长与直径之比）对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响北大核心CSCD

讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比(腔长与直径之比)对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

机器视觉中均匀照明成像的LED环形阵列设计

提出一种用于机器视觉的能获得高质量图像的发光二极管(LED)环形阵列结构的优化照明设计方法。所提方法由成像理论和Taguchi方法组成,以获得均匀的照明分布。根据成像理论,推导出图像对比度与照度均匀度之间的关系。在此基础上,获得了影响照度分布的主要参数,并在直交表中设计模拟实验的参数组合,利用TracePro软件进行仿真模拟。然后,得到各参数对均匀性的最佳参数组合和影响程度,在模拟实验中优化后的参数组合的照度均匀度达89.31%。最后,设计了一种性能良好的机器视觉光源,相关实验证明,该灯具可以满足机器视觉的光照需求,均匀度可达80.35%。所提方法可有效解决关于机器视觉的光学设计问题。     

大型LED矩形阵列光斑照度的均匀性研究

应用LED芯片的照度公式以及大型LED矩形阵列照度分布的对称性,建立了研究大型LED矩形阵列照度均匀度的物理模型,推导出计算大型LED矩形阵列照度均匀度的公式。利用该公式研究了大型LED矩形阵列照度均匀度随目标距离、长宽比以及m值的变化规律。得出：照度均匀度随目标距离的增加而非线性地减小;照度均匀度随长宽比的增加而非线性地增大;照度均匀度随m值的增加而近似成线性地增大。这些规律为提高大型LED矩形阵列的照度均匀性提供了理论依据,也为大型LED矩形阵列的照度均匀性设计提供了研究方向和计算方法。弥补了之前研究LED阵列照度均匀性方法上的不足。     

光量子体系下基于粒子群算法的LED植物照明光源设计

在现代农业生产中,常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光,为提高LED植物照明阵列光源的均匀度,本文在光量子体系下,提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模,运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标,设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列;在三维情况下,为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题,采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计,并使用Tracepro对两种设计方案进行验证,与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明,与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比,通过粒子群算法寻优的设计方法,二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%,较等间距逐行排列设计提高了9.1%;三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%,较二维设计方案提高了3.9%,较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性,在简易设计流程的同时,提高了工作效率。     

具有凸台结构的高照明均匀度倒置型植物光源设计

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状,提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式,将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上,并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用,提高光线耦合程度,从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响,再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后,最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响,最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明,遮挡问题几乎可以忽略不计。     

基于粒子群与遗传算法的矩阵式梯度线圈优化设计

磁共振成像系统中的梯度线圈产生用于选层、频率编码和相位编码的梯度磁场.目前常用的梯度线圈是通过目标场法设计得到的.近些年来,由多个形状相同的线圈组成的矩阵式梯度线圈的梯度磁场均匀度和功率等指标也达到了较为满意的效果.本文首先提出了一种基于粒子群与遗传算法的、适用于开放式永磁型磁共振成像系统的矩阵式梯度线圈设计方法.然后对三个方向上的矩阵梯度线圈的电流分布进行了设计,每个方向上的矩阵式梯度线圈系统由224个大小相同的圆形线圈组成.最后利用有限元仿真软件对设计方案进行仿真计算,得到x、y方向上的平均非均匀度为0.851%,z方向上的平均非均匀度为1.013%,验证了本文提出的方法的有效性.基于该方法可以有效快速地对开放式磁共振成像系统的矩阵梯度线圈进行设计.     

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.     

导光板散射网点的布局与出光均匀性的研究

从背光模组的基本结构出发,通过理论分析确定了影响导光板散射网点排布的公式,证明了散射网点的排布规律对背光模组出光均匀度有影响。对一款背光模组商品建立了简化模型,通过光学软件TracePro模拟分析以及实验验证,证明了背光模组商品的出光均匀度还有提升的可能性。在此基础上,又重点分析了散射网点行间距的变化值,散射网点直径和散射网点初始行间距对导光板出光均匀度的影响。经过反复仿真模拟,取得了一组参数值,可以使优化后的导光板出光均匀度比背光模组商品的出光均匀度好。研究的结论可作为导光板散射网点设计的参考,对背光模组的设计具有指导意义。     

基于Taguchi法设计带有圆锥台元件的超薄直下式LED平板灯

针对直下式LED平板灯厚度大、光源密度大的缺点,设计了一种带有圆锥台光学元件的超薄直下式LED平板灯,利用漫反射背板和反光圆锥台结构增加LED的混光距离,提高平板灯均匀度.应用划分单元的思想,以一个六角形光源为单元进行研究,采用Taguchi实验方法设计正交试验组并借助Tracepro软件仿真;考量六角形光源的圆锥台元件上下表面半径、厚度、距LED高度以及LED间距5个因子对该灯具均匀度和光效率的影响,并运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度,进而优化灯具的各项结构参量,最终设计出一款厚度仅15mm,均匀度达95.3%,光效率达92.97%的直下式LED平板灯.     

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。