实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

LED路灯的自由曲面二次透镜设计

配光是LED路灯应用的主要技术问题之一。道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑,在道路外无污染,无眩光。采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程,借助Matlab工具,采用差分法求解建立的偏微分方程,得到自由曲面的数据组,用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模,通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果,并对所得结果进行分析。设计一款内表面为椭球面,外表面为自由曲面的LED路灯透镜,实现了路面光照总均匀度0.75,纵向均匀度0.85的效果。     

Aspheric surface lens for LED collimating illumination with low Fresnel loss

Optical Review - An aspheric surface lens is presented to realize collimating illumination with low Fresnel loss based on Fresnel equations and Snell’s law. The smooth 2D contour of...     

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。     

等厚型平板菲涅尔透镜设计与研究

针对当前曲面菲涅尔透镜普遍存在的加工工艺复杂、面型精度难于控制、制作成本较高等问题,在研究非等厚型平板菲涅尔透镜设计方法的基础上,提出一种中心透镜为球面、外侧环带为倾斜面的等厚型平板菲涅尔透镜的设计方法,给出了具体的设计实例,并进行了建模和光学仿真,模拟结果表明:该菲涅尔透镜设计的光学效率达到90.7%。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。     

基于棱镜二次聚光的高倍聚光模组聚光特性与三结电池光谱响应匹配与优化

目前Ⅲ-Ⅴ多结高倍聚光(HCPV)太阳电池实验室效率记录已高达46%,而相对应的模组效率与之相差仍较大,其中由于模组中聚光非理想性引起的损失就高达20%.本文通过建立光学模型和非均匀光照的三维电池电路网络模型,以Ⅲ-Ⅴ族三结电池为例,研究了菲涅耳透镜一次聚光、棱镜二次聚光的HCPV模组的聚光特性和光电特性.结果发现.由于光线非平行入射和-菲涅耳透镜的色散现象,使得沿光轴方向短、中、长波段聚光发散及聚光不均匀,从而造成了三结电池的上、中、下各子电池光谱响应失配损失,模组光电转换性能下降;进一步,通过采用棱镜二次聚光,能较好地改善聚光和温度均匀性;通过对光轴方向上短、中、长波段的聚光特性与三结电池光谱响应匹配优化,使得模组输出功率提高10%以上.模拟结果己得到实验验证.     

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。     

波长漂移对菲涅尔透镜影响的严格矢量分析

为了严格分析入射光波长相对相位型菲涅尔透镜的设计波长发生漂移时对其聚焦特性的影响,采用时域有限差分方法作为严格的矢量分析工具,得到了相位型菲涅尔透镜的光焦度与入射光波长以及衍射效率与入射光波长的关系曲线。仿真结果表明：与标量理论结果类似,菲涅尔透镜光焦度随入射光波的增加总体呈线性上升趋势,衍射效率随入射光波长漂移时设计波长下降,且衍射效率低于标量理论分析结果。     

基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计

对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。     

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%。     

Synchronized parameter optimization of the double freeform lenses illumination system used for the CF-LCoS pico-projectors

A novel synchronized optimization method of multiple freeform surfaces is proposed and applied to double lenses illumination system design of CF-LCoS pico-projectors. Based on Snell's law and the energy conservation law, a series of first-order partial differential equations are derived for the multiple freeform surfaces of the initial system. By assigning the light deflection angle to each freeform surface, multiple surfaces can be obtained simultaneously by solving the corresponding equations, meanwhile the restricted angle on CF-LCoS is guaranteed. In order to improve the spatial uniformity, the multi-surfaces are synchronously optimized by using simplex algorithm for an extended LED source. Design example shows that the double lenses based illumination system, which employs a single 2 mm×2 mm LED chip and a CF-LCoS panel with a diagonal of 0.59 inches satisfies the needs of pico-projector. Moreover, analytical result indicates that the design method represents substantial improvement and practical significance over traditional CF-LCoS projection system, which could offer outstanding performance with both portability and low cost. The synchronized optimization design method could not only realize collimating and uniform illumination, but also could be introduced to other specific light conditions.     

高倍聚光模组系统研究与设计

聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统,该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计,并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟,决定选取两侧面夹角α的角度为117°,平顶到球面的间隔g为0.2 mm,球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%,能量均匀度为0.812,并进行实验验证,得出实际聚光效率为83.1%。     

Design of off-axis reflective projection lens using spherical Fresnel surface

In this paper, an off-axis reflective projection lens with single Fresnel reflective surface and three aspheric surfaces were designed. The design method of reflective lens using spherical Fresnel surface is discussed. The MTF (Modulation Transfer Function) of the off-axis reflective lens, with optical magnification 100×, F-number 2.5 and field of view 120°, is over 40% at 0.6 lp/mm on the image side, the distortion is less than 2%. This design method can provide reference for application of Fresnel surface in wide field of view imaging, and possesses a bright future with the continuous development of fabrication technique.     

Distortion correction for imaging on non-planar surface using freeform lens

The method of designing a freeform lens which can image on a formula describable non-planar surface with low distortion was proposed aimed on distortion correction. In this method, the Snell's law and the correspondence between the coordinates of object and the distortion free image are used to establish the partial differential equation which characterizes the freeform surface, and the partial differential equation can be solved to form the freeform surface. Take projection on spherical surface for example, a freeform lens is designed. After adding this lens to the ordinary projection lens at a certain position, the system (ordinary projection lens and freeform lens) can project an image on sphere with absolute distortion about 2 mm for an observer at half of the projection distance, and the MTF on sphere is analyzed in detail after.     

Hybrid approach for the design of mirror array to produce freeform illumination sources in immersion lithography

Source and mask optimization (SMO) has emerged as a key resolution enhancement technique (RET) for 45 nm technology node and below in lithography. The design method of freeform illumination sources predicted by SMO is significant for the scanner development. We present a hybrid approach combining simultaneous and sequential approaches to optimize the tilt angles of the mirrors to produce multi target freeform illumination sources accurately and quickly. The size of spot reflect by plane mirror can be easily controlled by changing different microlens arrays with appropriate focal length, which reduce the complexity of the system and makes it more flexible to produce the specific freeform sources compared to curving the mirrors used in previous work. The relationship between the tilt angles of plane mirrors and the positions of the spots in the pupil is obtained by chief ray tracing. Using the hybrid approach the freeform illumination sources required by SMO can be designed by merely adjusting the tilt angles of mirrors without changing other parameters of optical elements, which is most effective for both lithography tool manufacture and its applications. The real ray tracing results demonstrate that our design method is capable of creating multi freeform illumination sources with high transmittance, and confirm that the effectiveness of the hybrid approach for optimized design and control of mirror array in immersion lithography system.     

高倍聚光光伏模组中三结太阳电池沿光轴方向光电性能与优化

目前,在高倍聚光光伏模组设计中,由于对菲涅耳透镜聚光后各波段的光强分布及其非均匀特性缺乏研究和认识,通常认为在菲涅耳透镜的聚光焦平面处多结太阳电池输出功率最大.本文通过光线跟踪模拟的方法,计算并分析菲涅耳透镜聚光下不同波段的光照能量分布和非均匀特性.同时,结合三结太阳电池电路网络模型,研究在高倍聚光光伏模组中,沿光轴方向不同位置处三结太阳电池的发电性能.结果表明:模组输出功率最高位置在焦平面沿光轴方向上下两侧的位置,优化后模组输出功率比常规设计提高20%以上.该模拟结果得到了实验结果的验证.     

渐进多焦点镜片的逐点定向曲率补偿优化设计

提出一种利用逐点定向曲率补偿法对渐进多焦点镜片初始模型进行整体优化以减小周边散光区（俗称盲区）的优化设计方法。推导出自由曲面任意方向法曲率的计算公式、确定主曲率和主方向的方法,求出镜片初始模型上各点的曲率差和最大曲率方向、最小曲率方向,通过迭加由不同曲率、不同轴向微小柱面构成的自由曲面,来实现逐点定向曲率补偿,使镜片各点的曲率差适当减小,从而减小散光。给出具体优化步骤和一个优化设计实例,并进行实际加工制作与检测。对比优化前后的光焦度和散光度的面形分布图。结果表明,逐点定向曲率补偿法能有效减小渐进多焦点镜片初始模型的最大散光并明显扩大视远区清晰视觉范围。     

基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计方法

为在平面上实现所需的照明,满足照明系统的要求,需要对光学系统进行二次设计。传统的设计方法往往用规则曲面指定透镜的一个表面,并以此为基础来设计另个一表面,这样会导致其表面形状复杂,不方便加工或装配。对此,提出了一种基于单曲面迭代计算的透镜曲面设计方法,即适当设计指定光线从透镜的一个表面到另一个表面的光路分布,再以此分别迭代计算透镜的各个表面。该设计方法采用两个自由曲面配合成曲面透镜,较以往的设计方法更加灵活、方便,设计得到的曲面镜头较以往更加简单光滑,便于加工和装配。结合一陈列灯镜头设计,给出了基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计计算结果。