改进宽银幕投影显示照明系统的设计方法

照明系统是投影显示系统的重要组成部分,决定着整个系统的亮度和照明均匀性。复眼系统是一种常见的液晶投影显示系统照明结构。传统的复眼照明系统设计方法中,复眼小透镜具有与液晶板相同的长宽比,可以获得能量利用率和均匀性都比较好的照明光斑。但研究发现,利用这种方法设计宽银幕投影显示设备的复眼照明系统,会引起一定的光能损失。针对这一问题,通过对复眼系统设计理论的分析和对实际复眼照明系统的模拟,创新性地提出了在照明系统中引入柱面透镜改变复眼小透镜的长宽比的设计方法,能够有效的提高投影系统能量利用率。模拟计算结果表明,引入柱面透镜的复眼照明系统与传统方法设计的复眼系统相比,能量利用率可以提高5％到10％。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

基于正交试验法的显微镜上照明设计

根据LED光源特性和目标面光强的分布要求,采用正交试验法,对显微镜的LED照明系统进行优化设计。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明,在Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.7%,能量利用率达到52.8%。该结构简单,成本低,易于实现。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究

 LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用,如何合理分配LED的能量,在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析,通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程,分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明,其中圆形照明面照度均匀性达到85%,矩形照明面照度均匀性达到75%,并建立了自由曲面透镜三维模型,结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明：提出的方法满足相应的照明标准,验证了理论设计的合理性。     

DMD微投影显示的LED光学引擎设计

提出了基于矩形CPC的微投影显示匀光方法,设计了由LED、CPC、矩形复眼透镜及微显示芯片DMD构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件分析了圆形CPC和矩形CPC对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形CPC的光学引擎相对于基于圆形CPC的光学引擎有如下优点:体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率高达到43%以上,满足微显示芯片DMD的要求。     

基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析

介绍了重叠复眼及其优点。与并列型复眼相比,重叠复眼有更高的光能量利用率和更高的灵敏度。首次利用ZEMAX软件对重叠复眼进行了实例模拟,通过光线追迹,详细分析了其工作原理,并且将重叠复眼与并列复眼在灵敏度和光能量利用率两方面进行了对比,得到了前者比后者有更高的光能量利用率和灵敏度的结论。     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析

介绍了液晶投影显示复眼照明的工作原理,采用扩展4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀性作为系统的评价标准,对复眼透镜的制造误差和位置误差进行计算机模拟分析,分析表明,双排复眼透镜相对位置误差对系统性能影响大于加工误差,而第一排复眼透镜的加工误差对能量利用率的影响大于第二排复眼透镜,第二排复眼透镜的加工误差对照明均匀性的影响大于第一排复眼透镜.     

用于CF-LCoS投影偏置LED照明光棒的角度分割原理及其偏振复用系统

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理,籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸,再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计,然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构,确保LED发散角范围内光能的偏振复用,并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎,在1W LED功耗下实现12.8lm投射亮度(114lm/W),均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,在保证均匀性的前提下,提升了微型投影系统的光效率,丰富了光棒偏振复用的内容.     

光学仪器照明CAD软件设计

设计了一套照明CAD软件用于实现对光学仪器中照明光路照度分布模拟.对该照明CAD系统的光线追迹与光照度计算方法进行了理论探讨,其中在光照度计算方法中引入了线性同余组合发生器,大大提高了模拟的真实性.运用该软件对实际照明光路进行了分析,分析结果表明该软件获得了需要的照度分布模拟图,能较好地满足用户要求.     

基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器的研制

为了产生制导武器仿真系统中所需的逼真的目标背景图像,建立了基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器。给出了模拟器图像输出的实际效果图以及光学参量的测试方法和数据。测试表明,该装置有较好的亮度、对比度和均匀性,与传统的阴极射线管显示技术相比有效减轻了图像闪烁问题,能够提供稳定的视频输出,更有利于仿真系统中对动态目标的识别,是一种较为理想的图像模拟装置。同时给出了双复眼光学系统初始结构的计算方法并推导出简单的计算公式,该算法可以应用于其他双复眼照明系统中。     

基于VB的照明专用CAD软件设计

根据点光源和线光源基本模型与光线追迹理论,借助前台开发工具(Visual Basic6.0)和后台开发工具(Microsoft Office Access)开发了一套照明专用CAD软件。该软件既能成功模拟光线追迹,又能借助后台数据库进行光源模型选取、典型结构选取和打印报表等。可满足光学设计人员的需求。     

TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用

发光二极管（lighting emitting diode,LED）取代传统光源作为投影仪,特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器,并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据,对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计,采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件,克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator,CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础,利用RGB LED时序方式进行混色,设计了一套LED微投影显示系统,并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下,整体系统光能效率为2.38%,系统光学体积仅为125cm3,达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。     

Global brightness and local contrast adaptive enhancement for low illumination color image

An adaptive enhancement algorithm is proposed in the paper for low illumination color image which is low brightness and low contrast. The algorithm is realized through three steps: the global brightness adaptive adjustment, locally adaptive contrast enhancement and color restore. Experiments show that the brightness and local contrast of low illumination color image can be effectively enhanced. The details, especially in the dark region of enhanced image are more prominent and the enhanced image is more vivid than some other methods for low illumination color image enhancement.     

用于LED照明的反射型复眼设计方法

设计了一个高亮度LED光源照明的反射型复眼照明系统.通过软件模拟,整个复眼系统长度小于20 mm,物面的光照均匀度达到80％以上,光源照明输出光能利用率为75％.应用高亮度LED的反射型复眼具有体积小,光强分布均匀,像差小等特点.在小型便携式投影仪中有广阔的应用前景.     

Monte Carlo analysis of the internal structure of light scattering particles with slit-scan illumination

An algorithm based upon a Monte Carlo procedure for calculating the scattering and absorption by a host particle containing a distribution of particulate inclusions is described. The host particle is sufficiently large so that ray optics can be applied. The inclusions are too small for ray optics but sufficiently large so that the full boundary-value formalism must be used. A major consideration is to determine whether the internal structure is better resolved when slit-scan illumination is utilized rather than plane wave illumination. The algorithm is tested for a layered sphere for which the boundary value solution is available.     

环形透镜暗场落射照明系统设计及其焦移特性的研究

环形透镜暗场落射照明系统越来越多被应用在特型显微镜上.该系统设计的难点是当采用现有的光学设计CAD软件设计计算时,由于环形透镜所具有的焦移特性的影响,难以保证预期的设计效果,也在一定程度上制约了该系统的推广应用.通过理论分析、实验论证和用自编制的照明设计CAD软件进行光线追迹,较好地确定了该系统的焦移量.并在此基础上提出了照明设计CAD与光学设计CAD软件互动迭代的设计方法.