融合光学椭率判据的自由曲面望远镜设计方法

光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋转对称像差的关系,提出了椭率关联性较强的像差分量优先校正原则,开拓了主要离轴像差校正后通过MZDDE在评价函数中融入椭率判据的设计思想,结合离轴三反系统中像差节点与椭率节点在优化过程中的演变规律,建立了自由曲面面型Zernike项的优化策略。据此设计了离轴三反自由曲面天文望远镜,系统有效焦距为600 mm,口径为200 mm,视场为4°×4°。通过波像差和椭率的联合优化,成像像质及光学椭率得到了同步有效控制,波像差近衍射极限,椭率最大值为0.030 3,平均值为0.015 6。与从低阶项到高阶项的传统像差校正优化方法相比,该方法采用相对较小的自由曲面偏差,设计的自由曲面望远镜成像质量和椭率性能得到了同步控制,充分发挥了自由曲面的效能,设计效率优势明显。     

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。     

自由曲面成像光学系统的设计方法及其应用

得益于自由曲面更多的设计自由度和强大的像差校正能力，人们设计出了众多具有超高性能、紧凑结构及新奇功能的成像光学系统。但自由曲面的数学复杂性以及非旋转对称性也对传统的成像光学系统设计方法提出了很大的挑战。简要概括了自由曲面成像光学系统的发展历史和现状。详细介绍了自由曲面成像光学系统的多种设计方法。分类总结了具有高性能、新结构和新功能的自由曲面成像光学系统在各领域的应用。最后，对自由曲面成像光学系统未来的发展方向进行了展望。     

高平滑度自由曲面激光束整形透镜设计

利用泊松网格优化算法设计了激光束整形自由曲面透镜，通过4次迭代，目标面的网格分布就接近于最优分布。使用该最优的目标面网格，基于输入光束与输出光束之间的能量映射关系，计算自由曲面各采样点的法向矢量，基于泊松面形构建算法获得自由曲面矢高，从而构建自由曲面透镜。为了验证所提方法的可行性，针对正方形目标面和矩形目标面分别设计了自由曲面透镜，这两种透镜在目标面上的辐射照均匀度分别达到91%和93%。为了验证自由曲面的平滑性，使用一个6阶9项多项式进行拟合，拟合后的均方根误差达到1.394×10^-3，表明所设计的自由曲面具有很高的平滑度。使用拟合数据建立自由曲面透镜，其目标面辐照均匀度几乎保持不变。采用随机统计分析方法对自由曲面透镜装配公差进行分析，结果表明在给定的公差范围，大部分样本的辐照均匀度保持在88%左右。     

基于双自由曲面的LED均匀照明准直透镜设计

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论,提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法,并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面,该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上,采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现,相比传统的单自由曲面准直透镜,双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性,而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明,采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间,改善LED透镜的光学性能。     

超短焦投影系统中自由曲面的多视场优化迭代 设计方法

为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题,提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法,即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面,基于多视场下物像的对应关系,并根据反射面的法线方向,通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜,可将0.65inch的数字微镜器件芯片在230mm投影距离处放大为100inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43lp/mm处优于0.4,最大畸变优于1%.该方法简单易行,可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.     

基于双自由曲面高距高比照度均匀的光学系统设计

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。     

一种自由曲面光学视觉重构方法研究

通过对物体摄像来提取表面 3D信息正成为一种新兴的反求建模方法。传统的视觉算法是基于特征对应的 ,要求物体表面具有几何特征或色彩纹理 ,不适于无纹理自由曲面的重构。将计算机视觉方法与CAGD技术紧密结合 ,对无纹理自由曲面提出了一种新的视觉重构方法。首先将物体表面分割为N边域曲面片 ,经由边缘线提取、匹配 ,重构出曲面片的边界曲线 ;然后通过反射模型、图像光亮度分析求出曲面片的跨界切矢 ;最后综合上述信息 ,构造出光滑的曲面模型     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

实现LED准直照明的优化设计

为了有效地利用光源能量,满足LED远场照明系统要求,提出了一种实现LED大视场角准直照明的自由曲面透镜设计方法.运用ZEMAX软件序列模式下的多重组态建立透镜结构,在ZEMAX的二次开发环境下,采用宏语言编写自定义优化函数,实现对光学系统的自动优化.通过得到的自由曲面面型数据,借助光学仿真软件进行模拟,模拟光源采用圆面...     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

多曲面反射体的计算机辅助设计及优化

研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和方法.根据反射器的尺寸、位置以及配光要求按点光源设计得到曲面型值点初始坐标后,将双三次B样条曲面引入照明系统的设计,反算出控制顶点.给出了空间任意一条入射光线与反射器区块的交点及其曲面法线向量的求法,为了提高光路追迹的效率,针对多曲面反射体给出了一种快速判断相交区块的算法.探讨了用阻尼最小二乘法对B样条曲面反射器进行优化设计的方法,通过优化运算修正控制顶点Z轴坐标,使得曲面在使用扩展光源时光形分布尽可能满足设计要求.     

面光源矩形匀光照明反射器数学建模分析

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制,用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口,出光面背对目标面的结构,提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源,将微面光源视为点光源,根据矩形匀光照明配光条件,建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律,建立反射器的数学模型,只要给定参数,无需进行反馈优化,即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例,用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析,结果表明,在有效照明区域内均匀度可达到80%以上,光能利用率达到90%。     

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。     

Direct excitation of the Tamm plasmon-polaritons on a dielectric Bragg reflector coated with a metal film

Tamm plasmon-polariton is a surface state or surface wave formed at the boundary between a metal and a dielectric Bragg reflector. In order to directly excite the Tamm plasmon-polaritons with unit transmission, we design a structure of Bragg reflector coated with a metal film. Through the Bloch theorem of periodic structures and transfer matrix method, we deduce the existence conditions of the Tamm plasmon-polaritons. For a a finite structure, the Tamm plasmon-polaritons can be excited, which is dependent on the thickness of metal, the period number of the Bragg reflector, the incident direction and frequency. On proper conditions, a perfect transmission for the Tamm plasmon-polariton mode can be achieved without the use of attenuated total reflection prism coupling or diffraction grating.     

蒙特卡洛法模拟G型辐冷器抛物面屏辐射的新算法

提出了筛选法模拟辐射能束随机发射位置的新算法 ,解决了模拟 G型辐冷器抛物面屏这种立体曲面辐射能束随机发射位置的难题 ,并以切平面为发射基础 ,推导出辐射能束随机发射方向的求解算法。通过上述算法 ,模拟了辐射过程 ,计算了相应的耦合因子 ,并对结果进行了误差分析。计算结果表明 ,基于新算法的蒙特卡洛法准确模拟了 G型辐冷器辐射过程 ,计算精度高、速度快     

Ellipse detection and phase demodulation for wood grain orientation measurement based on the tracheid effect

The methods of ellipse detection and phase demodulation for determining wood grain orientation are proposed. These methods are based on the tracheid effect—laser beam impinging upon a wood surface forms an elongated laser spot with its direction indicative of the grain orientation. Experimental results show that the method of ellipse detection is suitable for the grain orientation measurement on planed softwood surfaces, while the method of phase demodulation is capable of extracting the grain orientation precisely from laser images with low signal-to-noise ratio, such as the images on the surfaces of hardwood species or roughsawn materials.     

Curvature energy of a focal conic domain with arbitrary eccentricity

The most frequently observed focal conic domains (FCD's) in lamellar phases are those based on confocal paris of ellipse and hyperbola. Experimentally, the eccentricity of the ellipse takes a broad range of values 01 (under the constraint of a fixed major semiaxis of the ellipse); exceptions include situations with large saddle-splay elastic constant and small domains where the applicability of the elastic theory is limited. In realistic cases, a value of eccentricity smaller than 1 is stabilized by factors other than the curvature energy: by dislocations emerging from the FCD's with e not equal0, compression of layers and surface anchoring.     

物理光学法分析反射面天线辐射场

利用物理光学方法分析天线的远区辐射场具有计算速度快和内存需求少的特点,目前已被广泛应用于反射面天线的远区辐射场计算中。推导了利用斯特拉顿-朱兰成远场积分方程计算天线远区电场的表达式,计算了某一偏馈反射面天线的方向性,与文献中已有结果比较表明,方向图结果是正确的。馈源的方向图模型设置为余弦函数的q次方,利用增益公式近似推导了天线的增益,将这一计算方法应用于赋形反射面天线的远场分析中,通过对比反射面天线赋形前后波束扫描过程中不同扫描角度处的方向图,验证了赋形设计对于提高天线增益平坦度的有效性。