基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

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。     

加工缺陷对非连续自由曲面光学性能的影响

本刊讯 由于大功率LED的朗伯配光特性,往往难以直接满足不同照明要求,需要通过二次光学系统改善其光学性能。自由曲面透镜具有光能量控制准确、出光效率高等优点,已成为LED二次光学设计的主要发展趋势之一。武汉光电国家实验室MOEMS研究部根据改进的算法,设计了一款能实现均匀矩形光斑的LED非连续自由曲面透镜,并制作了PMMA材料与BK7玻璃材料两种样品。实验发现透镜在加工过程中主要存在两种缺陷：微米级表面粗糙度与非连续区域间圆滑构形误差。研究小组结合Monte Carlo光线追迹模拟仿真与实验测试,     

LED天幕灯的光学设计

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明,天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论,首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型,然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计,使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理,建立直射和反射的有效叠加和补偿,依此设计得到反射面面型,实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真,结果表明,满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明,其照明均匀度可达到85%以上,能量利用率可达到80%以上。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

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%。     

与LED发光面平行平面上多向准直光束的研究

提出发光二极管(LED)多向准直透镜的设计方法,利用多个自由曲面的全反射实现多向准直。基于LED的朗伯型配光展开研究,采用光学透镜配光,运用Matlab软件进行数值计算,得到自由曲面上的多个点坐标值,结合3D软件及TracePro设计出多向准直透镜。所得多向准直光束在同一个平面,该平面与LED发光面平行,各准直光束发散角均仅约3°。     

一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法,并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程,利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模,进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:该光学系统能够实现均匀照明,并对最终光线可实现准直出射。     

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%。     

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。     

On maximum-principle-satisfying high order schemes for scalar conservation laws

We construct uniformly high order accurate schemes satisfying a strict maximum principle for scalar conservation laws. A general framework (for arbitrary order of accuracy) is established to construct a limiter for finite volume schemes (e.g. essentially non-oscillatory (ENO) or weighted ENO (WENO) schemes) or discontinuous Galerkin (DG) method with first order Euler forward time discretization solving one-dimensional scalar conservation laws. Strong stability preserving (SSP) high order time discretizations will keep the maximum principle. It is straightforward to extend the method to two and higher dimensions on rectangular meshes. We also show that the same limiter can preserve the maximum principle for DG or finite volume schemes solving two-dimensional incompressible Euler equations in the vorticity stream-function formulation, or any passive convection equation with an incompressible velocity field. Numerical tests for both the WENO finite volume scheme and the DG method are reported.     

Non-Relativistic Derivation of the Non-Euclidean Nature of Space

The non-Euclidean nature of space (relative to a rotating observer) is derived non-relativistically. Only the law of conservation of energy, Planck's formula, and the equivalence principle are used in the derivation.     

Conservation laws of nonconservative nonholonomic system based on Herglotz variational problem

The generalized variational principle of Herglotz type provides a variational method for describing nonconservative or dissipative processes. The purpose of this letter is to extend this variational principle to a first order linear nonholonomic system and study the conservation laws of the nonconservative nonholonomic system based on Herglotz variational problem. A new differential variational principle of the nonconservative nonholonomic system is proposed, which is based on Herglotz variational problem. And the differential equations of motion of the system are also obtained. Then, according to the condition for the invariance of the differential variational principle, the conservation theorem based on Herglotz variational problem for the nonconservative nonholonomic system are obtained. The theorem contains the conservation theorem of the nonconservative holonomic system as its special case, which can be reduced to the first Noether's theorem based on Herglotz variational problem under proper conditions. The inverse theorem of the conservation theorem is also provided and proved. An example is given to illustrate the application at the end of this letter.     

时间平移对称性与能量守恒

从对称性原理出发，证明了能量守恒定律，并对时间平移对称性与能量守恒作了简单的几何表述。     

机械能守恒定律及动量守恒定律演示仪器的制作

制作一种可以同时验证机械能守恒和动量守恒的实验装置,并通过这两个实验现象的对比更显著地体现了两个实验的物理现象与原理,有利于学生对机械能守恒与动量守恒原理的理解与认知。     

Quantum geometry from coordinate transformations relating quantum observers

The relativity principle that the law of propagation for light has the same form for all macroscopic observers is extended to include quantum observers; i.e., observers who may be large, but not infinitely large, by comparison with quantum mechanical systems. This leads to the extension of the covariance group from the diffeomorphisms to the conservation group (which is the largest group of coordinate transformations under which conservation laws are covariant statements) and, thus, to the quantum geometry and quantum unified field theory considered in a previous paper.     

Neutrino data,exotic quarks and higher groups

It is pointed out that the principle of natural conservation of strangeness and present neutrino data motivate the consideration of models with exotic quarks or the enlargement of the unifying gauge group beyond SU(2) ? U(1).     

100米无衍射光束的实现

超长距离的准直细光束在大地测量和空间测量中有广泛的应用价值。用能量守恒法设计的无衍射器件是对数面形,很难用传统的方法加工。采用二元光学方法制成的器件实现了沿光轴方向１０ｍ～１２０ｍ这１１０ｍ的超长距离内,无衍射光束的光斑直径小于５ｍｍ。     

Immiscible cellular-automaton fluids

We introduce a new deterministic collision rule for lattice-gas (cellular-automaton) hydrodynamics that yields immiscible two-phase flow. The rule is based on a minimization principle and the conservation of mass, momentum, and particle type. A numerical example demonstrates the spontaneous separation of two phases in two dimensions. Numerical studies show that the surface tension coefficient obeys Laplace's formula.