复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合

分析讨论了复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合效率和集光器设计之间的关系，提出了采用截底法和截顶法提高集光器与多模光纤耦合效率的方案。     

LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法

利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光,并由光学扩展量给出准直器的理论光效,最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义,以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明,准直器的发散角小于±2.26°,整体光效达到0.79,理论与仿真光效的误差小于2.5%,在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9,平顶光效为0.56,效果良好。     

紫外通信中复合抛物面聚光器的优化

为了提高紫外通信系统中接收机探测信号的灵敏度和效率,设计光学天线增强对大气中微弱信号的收集能力。结合紫外光通信系统的实际工程背景,对光探测中的复合抛物面聚光器（CPC）进行旋转、平移、截顶和截底4种优化,并做了详细的计算、模拟与仿真;通过对不同优化方法的最大入射角、接收光通量效率以及入射角与采集率关系的计算分析,得出不同参数优化后的工程适用条件,即负向旋转法可用于视线直射远距通信,截底法适用于非视线散射近距通信,而截顶法可用来替换标准CPC并达到节约材料成本的目的。     

一种基于复合抛物面聚光器的面向大尺寸LED的反射器设计方法

为设计一款使大尺寸LED光源在一定距离内满足特定角度范围均匀照明的反射器,提出了一种基于复合抛物面聚光器聚光原理、边缘光线原理以及几何光学轴外光线追迹原理的新方法。该方法可以从理论上定量地推导出适用于大尺寸LED的反射器的结构,实现高光效、高均匀度的照明效果。通过光学设计软件ZEMAX仿真验证了该方法的合理性。     

组合式发光二极管路灯反射器的设计

设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管（LED）路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器（CPC）。基于“边缘光线原理”和”裁剪法”,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96％以上。理论模拟证明：在高度为10m,范围为10m×30m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0．5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。     

LCOS微型投影系统的LED照明设计

随着LCOS(Liquid Crystal on Silicon)技术的发展,投影仪趋于微型化,传统的UHP(Ultra High Performance)光源已经不适合作为微投系统的光源。使用LED阵列作为微投系统的光源,分别采用CPC(Compound Parabolic Con-centrator)集光器和锥形光棒来耦合光束,使光源发出的光束会聚在LCOS上。分析结果表明,这两种照明系统都具有很好的调节光束角度和收集光束的能力,并在微型投影仪中实现高效的均匀照明。     

增加复合抛物面聚光器(CPC)最大聚光角的几种方法及结果比较

本文简单阐述了复合抛物面聚光器(CPC)的结构与设计原理,介绍了三类增加CPC最大聚光角θmax的方法:平移、截底和旋转,给出了各方法中最大聚光角θmax随几何尺寸变化的计算公式.对不同聚光比的实际CPC,给出了.在三类方法变化情况下,最大聚光角增量δθmax随几何变量的变化曲线,并对影响CPC最大聚光角变化的关键因素进行了讨论与分析.     

基于TIR结构的矩形区域照明LED透镜的设计

研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法,即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计,采用数值积分迭代法计算,Matlab编程得到全反射部分的轮廓线;透射部分用试错法设计,用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明:透镜匹配扩展光源后,光学效率高于85%,半光强角可达9°×135°,可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。     

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。     

LED照明的透射-全反射型复合曲面二次光学透镜的设计

 二次光学元件是LED照明灯具的关键组成部分,其决定了灯具的光学效率和配光特征。依据斯涅尔定律、边缘光线原理、光束扩展度守恒等原理,根据照明灯具在X、Y方向的非对称配光的要求,提出一种复合曲面的数值设计方法,建立起LED 光源出射光线的角度与照明平面上的照明点的坐标的对应关系。根据对应关系迭代计算出复合曲面上其他点的空间坐标,把点坐标值导入CAD软件进行曲线重构,结合中间的凸透镜,就可以建立全反射复合曲面透镜的三维实体模型。在光学软件中对三维实体模型进行照明模拟,结果表明：通过复合曲面二次光学透镜作用于LED,可以在路面上形成均匀照明的矩形光斑。     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。     

基于MATLAB的LED阵列的研究与仿真

由于单颗LED的功率很小,作为照明光源使用时需要采用LED阵列形式。首先推导LED阵列的照度叠加公式,根据叠加公式对阵列进行仿真,以圆形为例分析LED在平面上的均匀分布以及以球表面为例分析LED在曲面上的均匀分布。给出两种LED阵列分布的仿真结果,得出不同阵列的分布特点。指出圆面阵列的照射范围比较集中,此类阵列分布的灯具适用于照射面较小且比较集中的照射领域;球表面上的阵列的照射分布范围比较广,呈圆面,此类阵列分布的灯具适用于照射面较大但照度要求不是很高的照射区域。该结果为LED灯具设计提供了依据。     

基于LED光强分布的摩托车信号灯配光设计

为了解决目前LED摩托车信号灯光效低、成本高的问题,提出了一种基于LED光强分布数学模型的新方法。在推导了曲面LED阵列光强分布数学模型的基础上,将其应用于LED摩托车信号灯配光设计。进一步采用Tra-cepro光学仿真软件对该方法设计的LED摩托车制动灯进行了模拟实验,结果证明曲面LED阵列光强分布的数学模型正确,能够满足国家摩托车配光标准的要求,从而对实现了LED摩托车信号灯的配光设计。     

复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析

针对室内可见光通信的特点, 选择复合抛物面聚光器作为可见光通信系统光学天线, 介绍了复合抛物面聚光器的几何结构和光学特性, 利用光学仿真软件 TracePro对复合抛物面聚光器进行了设计、建模与仿真. 通过对不同光源条件下复合抛物面聚光器聚光特性的仿真发现: 在光源为朗伯辐射模型时复合抛物面聚光器的聚光性能更好, 且视场角越小增益越高; 但接收端与光源的相对位置对小视场复合抛物面聚光器的实际增益有明显影响, 在仿真条件下, 视场角为10°的复合抛物面聚光器实际增益为22.88, 比理论值降低了31%. 在此基础上, 在一个5 m×5 m×3 m的房间中对采用复合抛物面聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模, 分别得到了直射链路和非直射链路下房间内各个位置的光功率分布. 仿真结果表明, 采用一个视场角为60°的复合抛物面聚光器为光学天线, 两种链路下平均接收功率分别提高了4.29 dBm和4.77 dBm, 非直射链路比直射链路的平均接收功率提高了11.2%.     

可见光通信中的白光LED非线性噪声分析

针对LED的非线性特征,提出一种计算OOK调制可见光通信系统的非线性噪声的方法,进而求出传输信噪比以及误码率。运用Matlab仿真分析得出LED直流偏置点和误码率的关系曲线,并通过可见光通信系统图像传输实验验证了该曲线的正确性。该曲线对于LED的型号和最佳偏置点的选取具有很好的指导意义。     

原棉异纤维检测系统照明光源光照度分布研究

在基于机器视觉的原棉异纤维检测系统中,选择能满足检测系统的光源和照明方案是提高系统检测率和检出率的关键,使检测对象尽可能多地显现出特征信息。选用单芯片InGaN(蓝)/YAG荧光粉型白光LED作为照明光源,采用理论计算和非成像光学设计的方法对LED阵列的光照度分布进行了研究,并根据原棉异纤维检测系统对光源光照度的具体要求,设计出了LED正方形阵列和三角形阵列两种排列方式,并利用TracePro软件对两种阵列形式进行仿真。通过比较两种阵列形式光照度分布的结果,最终选用高光照度且均匀性好的LED三角形阵列作为原棉异纤维检测系统的照明光源,满足了机器视觉成像的要求。     

LED光源光谱对隧道出口段明适应的影响

随着我国经济的不断发展,高速公路隧道建设的发展也非常迅猛。前期在隧道的实际工程设计中,为完全保证隧道车辆通行安全,隧道内部全线灯具的输出功率和安装布置全部取决于一年四季中最大的洞外亮度值和车辆速度值。这样的设计尽管充分考虑了安全性,但盲目的增加隧道照明亮度,不能够缓解视觉适应的问题。随着LED在隧道照明中的应用, LED光源光谱的影响逐渐引起人们的关注。调查研究发现高速公路隧道在出口段交通事故发生率比较高,主要原因是隧道出口段内外亮度差较大,驾驶员在驶离时明适应时间较长。LED光源的光谱呈现双峰结构,在长波长范围内,光谱含量差异明显。明适应的能力主要与两个因素有关,一是瞳孔面积的变化;二是感光色素的光化学反应。不同色温的LED具有不同的光谱特性,进而通过影响感光色素的合成,来影响明适应的时间长短。现在市场上可用的隧道照明LED光源的色温可选范围比较广,所以实验选取了市场上可用的不同色温的大功率的LED光源作为研究对象,其色温分别是3 000, 3 500, 4 000, 4 500, 5 000, 5 700和6 500 K等7种。邀请了30名视觉功能正常,矫正视力1.0以上,且无色盲、色弱等其他眼疾的观察者参加了本次实验。地点选择在长9 m,高2.8 m,宽5 m的模拟隧道内。实验参数选取3组亮度值,分别为4, 8和12 cd·m^-2;2个灯具安装高度分别是2.0和2.4 m;3个安装角度分别是15°, 20°和25°。共评估了126种照明条件。实验结果表明:隧道出口段亮度越大,明适应时间越小;当亮度相同时,随着色温的增大,明适应时间减小;灯具安装角度和安装高度对光谱的影响很小,改变安装高度和安装角度并不能有效的减小明适应时间。从明适应的角度出发,通过分析不同色温LED灯的光谱,为隧道照明设计与应用中出口段LED光源的选择提供数据和理论支撑。     

梳状散热器结构和角度对大功率LED结温的影响

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent模拟了梳状肋片散热器的大功率LED灯的温度场分布。从散热器肋片高度、肋片间距以及灯具的照射角度三方面分析了散热器的散热效果。通过对比分析不同散热器的速度流场与温度场分布,得知当肋片高度为10mm、间距为4.1mm时散热器散热效果最佳。灯具的照射角度也会影响到散热器的散热性能,当照射角为90°时散热器性能最佳。