微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

365nm紫外LED二维空间阵列光学系统设计

针对紫外固化技术领域中新型大功率365nmUV—LED光源进行了拓展性应用研究．提出了空间阵列排布实现能量累加的技术方案,给出了其优化设计原理与软件实例仿真结果．结果证明：该二维空间阵列光学设计方案的正确性和可行性,完全可以实现应用现场的实际光学技术指标（辐照度、光斑尺寸、后工作距离、光斑等）;其中指标要求在辐照面实现50mm×10mm线状辐照光斑,后工作距离≥50mm,辐照度≥1W／cm^2,辐照面光斑分布均匀,设计出的空间阵列光学系统在结构上实现了最高优化设计．     

365 nm紫外LED二维空间阵列光学系统设计

针对紫外固化技术领域中新型大功率365 nm UV-LED光源进行了拓展性应用研究.提出了空间阵列排布实现能量累加的技术方案,给出了其优化设计原理与软件实例仿真结果.结果证明:该二维空间阵列光学设计方案的正确性和可行性,完全可以实现应用现场的实际光学技术指标（辐照度、光斑尺寸、后工作距离、光斑等）;其中指标要求在辐照面实现50 mm×10 mm线状辐照光斑,后工作距离≥50 mm,辐照度≥1 W/cm2,辐照面光斑分布均匀,设计出的空间阵列光学系统在结构上实现了最高优化设计.     

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。     

微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究

为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.10×10柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角(?)_0及各环线像素光通量之比φ.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角θ分别为13°,15°和17°时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

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。     

多源分布式稳态太阳模拟器设计

太阳模拟器是光伏和材料降解研究中的关键设备,能够为光浸泡与耐久度测试提供稳定可控的特征辐照度光谱。基于大功率、单晶窄带小发光面的LED光源采用超半球齐明透镜进行全孔径集光,设计曲面分布式光学结构,从而高效实现目标靶面上的光谱匹配及1个太阳常数（辐照度为100 mW/cm²）的辐照度。实验结果表明,本文所设计的太阳模拟器在1000 h的时间内的辐照度波动低于1.15%,靶面中心60 mm×60 mm的正方形区域内辐照度不均匀性为1.98%,80 mm×80 mm区域内辐照度不均匀性为4.99%,光斑的光谱匹配度达到A级。该系统结构紧凑,可扩展性强,可用于长期稳态测量。     

基于双复眼透镜的三基色激光合成均匀白光束

为获得高亮度均匀白光束,基于复眼透镜光束匀化原理,设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组,第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑,第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真,并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析,结果表明所得光束为均匀白光束,理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路,分别在距离系统1、2、5 m处对合成白光束进行测量,结果表明合成光束照度均匀性均大于90%,色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势,有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。     

基于激光振镜的高稳定辐照度定标光源

获取高均匀性、高稳定性的光源是太阳绝对辐射计辐射照度定标的关键技术,实验室现有光源无法同时满足均匀性与稳定性。因此,该文提出通过振镜扫描的方式来获取高均匀、高稳定的面光源方案。首先,建立二维激光扫描模型,设计以快速扫描振镜和离轴抛面镜为核心的光学系统;其次,根据振镜扫描系统建立驱动,开发控制软件,设计三种扫描路径;最后,选取合适的扫描路径进行实验验证,并开展其均匀性、稳定性等方面的测试。实验结果表明：振镜扫描光斑的不均匀性优于±1%,发散角小于±0.26°,光源稳定性优于0.02%。验证了激光振镜扫描光源可作为绝对辐射计辐照度定标光源的可行性,为实现高精度太阳辐照度定标提供关键技术支撑及实验依据。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

用于头显液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED发散角较大,大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费,故需要对LED进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED组成的阵列。对单个LED设计了双曲面透镜,形成了8 mm直径的均匀圆形光斑。对单个透镜进行切割,以形成矩形光斑。但由于切割面的全反射,矩形面积内存在亮斑。对透镜进行了优化设计,获得了亮度均匀的矩形光斑。4个矩形透镜拼接成透镜阵列。为消除杂散光斑,对透镜再次进行了优化设计。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。测试结果表明:和传统背光结构相比,采用两层扩散膜和透镜阵列后,背光亮度提高了96.4%,非均匀性由23.8%略提高到23.1%,半亮度视角由39°降低到23°。满足头盔显示器液晶像源背光的要求。     

LED阵列诱导叶绿素荧光的均匀性研究

为了获得高均匀性的叶绿素荧光主动诱导激发光源,获得更有对比性的叶绿素荧光参数,针对不同高度、不同距离下样品区域的辐照度分布,提出以样本范围内辐照度最小值与辐照度平均值之比做激发光均匀性指标.通过对不同个数组成的三种基础LED阵列A0,A1,A2进行空间模拟仿真,结果表明,辐照度均匀性与LED阵列高度和LED间距呈正相关...     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

阵列型紫外LED匀光照明系统设计

为实现曝光系统均匀照明的目标,基于非成像光学,提出了一种阵列型模组的匀光照明系统优化设计方法。该方法首先通过对单模组的光学设计,实现半发散角度和阵列间距的初步计算,然后通过Trace Pro软件的Scheme宏语言和优化引擎相结合,实现对模组阵列间距的进一步优化,从而实现对整个光学系统的均匀照明设计。光源采用日亚紫外LED STS-DA1-2394E,阵列模组个数为5,阵列纵向间距为28 mm,横向间距为24 mm。该光学系统通过Trace Pro软件模拟仿真和实验结果表明:在距光源300 mm的距离处,可实现目标面积上的均匀照明,其非均匀性均小于5%,准直角度约为4°。     

一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统

为解决发光二极管(LED)作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于LED的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行模拟仿真,结果显示屏幕上光斑的均匀度优于85%,系统效率高于82%。     

线扫描缺陷检测系统中的LED光源设计

光源是影响机器视觉输入系统的重要因素,直接影响输入数据的质量和至少30％的应用效果。在线扫描缺陷检测系统中,对光源的亮度、均匀性、直线性、寿命、光谱范围都提出了较高的要求。鉴于LED光源在机器视觉中具有许多优点,以LED线形光源为例,探讨了线形阵列LED光源照明光场分布的影响因素,结合柱面镜对光源单方向约束的特性,介绍了LED阵列和柱面镜组合的聚焦条形照明光源的设计方法。通过仿真,证明了该设计可满足线扫描系统对光源的要求。     

LED阵列型植物光源的均匀性研究

基于现有的LED植物光源在植物培育中光照不均匀的问题,对目前的植物工厂中使用较为广泛的红、蓝LED阵列型光源进行优化设计。通过对比四种不同的LED阵列排布方式,采用9点法进行PPFD值的测量和光谱的测量,进一步观察平面上光量子通量密度的均匀性和光谱分布的均匀性,进而寻求效果较好的LED阵列排布方式。结果表明:红蓝LED芯片交差分布和阵列行列交错分布的排列方式有利于提高光源阵列光谱的均一性。     

基于果蝇优化算法的三维LED光源阵列优化设计

为了在现有研究基础上使LED阵列光源的照度均匀度进一步提高,提出了一种新的LED阵列优化途径。根据Ivan Moreno提出的二维LED阵列优化设计方法,本文设计了以两种不同方式分布排列的二维优化LED阵列。利用果蝇优化算法对二维优化LED阵列芯片的位置参数进行进一步优化,实现LED阵列位置参数的三维空间的优化设计,使LED阵列光源的照度均匀度更优。使用Trace Pro对LED阵列的三维优化结果进行验证。研究结果表明,基于果蝇优化算法,经三维优化后的圆形LED阵列的照度均匀度可达到96.0%,相较于二维优化后的圆形LED阵列提高了25.3%;经三维优化后的正方形LED阵列的照度均匀度可达到97.4%,相较于二维优化后的正方形LED阵列提高了7.7%。该优化方法被证明是可行的,相较于传统优化方法,该方法节约了大量人力物力成本。     

激光光斑照度的散射成像测量方法

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。