用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.     

椭圆反射式波带片光线追迹算法

提出了一种基于光栅衍射原理的椭圆反射式波带片(ERZP)光线追迹算法,分析了ERZP的衍射聚焦和能谱分辨特性。基于该算法,将ERZP光线追迹模块添加到光学仿真软件X-LAB中,使之具有了计算量小、效率高等优点,这对含有ERZP光学系统的设计和数值模拟具有重要意义。     

基于遗传算法的自由曲面优化设计

为解决传统点光源近似设计方法难以满足实际应用需求的问题,基于遗传算法提出了一种面向扩展光源的自由曲面优化设计方法.该方法以虚拟点光源的辐射分布函数、原点位置偏移量及目标面尺寸因子等参数作为优化对象,首先对种群中任意个体根据能量守恒定律及Snell定律建立并求解偏微分方程,得到对应于该组虚拟参数的自由曲面,然后以实际扩展光源进行光线追迹,并综合考虑目标面照度均匀度和系统传输效率得到个体适应度,据此对种群进行选择、交叉和变异,直至优化结果满足设计要求.设计了发散半角为10°的均匀照明系统,光源采用直径为30mm的圆盘朗伯源,在Trace/pro环境下与传统设计方法进行对比,结果表明:系统均匀度从58.3%提高到93.5%,辐射传输效率从61.8%提高到72.9%,且光束质量对目标面距离的变化具有很好的稳定性.该设计方法能较好地实现对扩展光源辐射在空间分布的调控,对扩展光源系统设计具有重要指导意义.     

用于自由曲面部分补偿干涉测量的可变形镜面形设计的优化方法

针对自由曲面面形干涉测量的需求,提出了一种部分补偿干涉测量的可变形镜面形设计的优化方法,以克服多变量优化易陷入局部最优以及无法有效约束可变形镜行程的问题。方法基于光线追迹原理建立自由曲面光学仿真系统,采用泽尼克多项式表征可变形镜面形,通过计算面形矢高约束其表面行程;以像面波前为优化目标,构建带约束条件的最优化求解问题模型;基于节点像差理论完成优化变量的筛选,结合模拟退火算法寻找全局最优解。针对典型自由曲面,设计了基于可变形镜的折反射式部分补偿器,仿真结果表明方法可以将系统的剩余波前峰谷值从32.20λ降到6.55λ,剩余波前斜率最大值从0.53(λ·pixel~(-1))降到0.11(λ·pixel~(-1)),满足部分补偿检测的要求。     

基于遗传算法的自由曲面优化设计EI北大核心CSCD

为解决传统点光源近似设计方法难以满足实际应用需求的问题,基于遗传算法提出了一种面向扩展光源的自由曲面优化设计方法.该方法以虚拟点光源的辐射分布函数、原点位置偏移量及目标面尺寸因子等参数作为优化对象,首先对种群中任意个体根据能量守恒定律及Snell定律建立并求解偏微分方程,得到对应于该组虚拟参数的自由曲面,然后以实际扩展光源进行光线追迹,并综合考虑目标面照度均匀度和系统传输效率得到个体适应度,据此对种群进行选择、交叉和变异,直至优化结果满足设计要求.设计了发散半角为10°的均匀照明系统,光源采用直径为30mm的圆盘朗伯源,在Trace/pro环境下与传统设计方法进行对比,结果表明:系统均匀度从58.3%提高到93.5%,辐射传输效率从61.8%提高到72.9%,且光束质量对目标面距离的变化具有很好的稳定性.该设计方法能较好地实现对扩展光源辐射在空间分布的调控,对扩展光源系统设计具有重要指导意义.     

基于双自由曲面的LED大角度光学透镜设计

针对直下式LED背光源的均匀照明系统,采用双自由曲面组合,设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布,再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明,相对于传统的单自由曲面设计,有效地避免了全反射的发生,提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真,通过对模拟结果的分析,在灯箱厚度为15mm时,单透镜均匀照明面积可以达到60mm。采用正三角阵列分布,整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式,提高了照明的均匀度,同时大大减少了箱体的厚度。     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。     

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。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

基于LED阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计

提出一种由平面LED阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。基于LED光源与理想漫反射表面的朗伯特性,构建照明系统的数学模型。根据目标平面预期的光强分布,建立一组微分方程,利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮廓,通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真,模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到90%以上,验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。     

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。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

用蒙特卡罗光子追迹方法分析闪光灯的结构设计

闪光灯反光罩结构设计的目标是使得所拍摄视场内的光能量分布尽量均衡。不同于基于几何光学理论的闪光灯计算和设计方法,采用了蒙特卡罗光子追迹法来分析闪光灯的结构设计。通过对照相机闪光灯几何结构的分析,引入余弦随机变量等方法,建立了闪光灯系统中光源、反光罩、菲涅耳透镜等部件的数学模型。先用蒙特卡罗光子追迹法模拟了单光子在闪光灯中飞行的各种可能状态,再通过产生大量光子仿真真实的情况。并对一个具体的闪光灯结构进行了计算,计算得到了光强和光子方向矢量在水平、垂直两个方向的投影角之间的分布曲线图。仿真结果符合设计要求并与实测曲线很接近,从而验证了蒙特卡罗光子追迹法在闪光灯结构设计中的可行性。     

基于大功率LED扩展光源的均匀光斑光辐射模拟器设计

基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想,结合复合抛物面聚光器和轴对称自由曲面透镜,设计并研制了大功率发光二极管扩展光源的反射/折射准直器.运用Tracepro软件对系统进行光束追迹模拟仿真和实验,研制出均匀光斑的光辐射模拟器.模拟器输出发散角为±12°光束,测量距离出射面50cm处光屏的光斑,在尺寸为14cm×14cm的光照范围内,测得光斑水平方向中心线上的光度均匀度优于4.1%,竖直方向中心线上的光度均匀度优于3.8%.     

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

光学设计软件X-LAB及其工程化应用

针对自由电子激光、同步辐射光束线以及惯性约束聚变、极端条件物理过程等X射线光学系统,开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-LAB。基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法,该软件集光线追迹仿真、矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能,具有界面友好、操作便捷、包含特殊光学模块、支持“用户定制”功能等特点,为开展X射线光学系统、光学元件概念设计、优化和研制提供了不可或缺的平台。目前,X-LAB成功应用于能谱分辨率优于1000、能谱范围10~100 eV的北京同步辐射3B1无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6 μm,视场500 μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系统——K-B镜系统的设计和优化中;具有复杂微结构光子筛版图绘制功能。     

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380～780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。