基于深度学习和程能映射的自由配光设计

在激光投影、结构光和光束整形等特种照明或光电应用中,常需要一个非成像光学系统来实现特定的配光设计。建立一个配光方程来描述该光学系统,并通过对光束、光学面和目标面的离散化处理,利用子面光程K与目标点能量E之间的映射关系得到程能映射下的配光方程。尽管程能映射中相邻子面光程之间存在复杂的非线性竞争,但K与E之间存在良好的单调映射关系,这为引入深度神经网络来拟合程能映射提供基础。利用深度学习实现配光方程逆问题的求解,获得所需要的自由光学曲面。以英文字母和阿拉伯数字为训练集,输入点阵规模为28×28,通过对三层神经网络进行多维度调参和训练,实现了相应字符照度分布的光学曲面设计。光学仿真结果的结构相似度达到了99.97%,这表明深度神经网络通过学习可以记住(或存储)各个字符的光学曲面,相当于建立了一个高效且可扩容的智能光学字符库。基于复杂介质建立的基础配光方程可为现有配光方法提供一个基础理论框架,有助于形成非成像光学理论的系统性表述。     

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.     

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.     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

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。     

支撑曲面法设计自由曲面照明透镜

利用能量守恒建立光源与目标之间的网格映射可以用来设计自由曲面照明透镜,然而这种方式设计透镜表面的连续性依赖于映射是否可积。其根本原因是这种预先设定的映射并非照明问题的真实解。为了得到连续的透镜曲面,首先使用支撑曲面法利用一定数量的笛卡尔卵形面构造非连续的自由曲面透镜。以这个透镜为初始设计,通过拟合建立光源与目标面的网格映射。由于初始设计的透镜为照明问题的真实解,因此这个映射满足可积条件。光学仿真表明这种方法设计的透镜可以在目标面达到目标面达到0.77的照度均匀性以及81.6%的光学效率,同时透镜的表面连续。     

激光光源汽车远光灯自由曲面透镜设计

根据激光光源的特点,设计了一种基于蓝色半导体激光器的汽车远光灯系统。采用以Monge-Ampere方程为基础的自由曲面透镜设计,解决了激光光源能量密度高、发光面积小的问题;依据非成像光学理论,建立了透镜表面与目标面的映射关系;通过求解Monge-Ampere方程得出自由曲面上的坐标点,拟合坐标点得到自由曲面透镜模型;采用光学软件Tracepro进行了仿真分析。结果表明:照度最大值值为119.3lx,中心点照度为117.6lx,完全符合GB25991-2010标准,且光型分布均匀。     

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。     

应用于Mini-LED背光的双自由曲面透镜设计

提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法,根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息,建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵,通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布,最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39 mm×30 mm、混光距离为6 mm且目标面光斑半径为40 mm为例进行设计。仿真结果表明,所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时,目标面照度均匀性达到87.45%,对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度,无需大量的后续优化工作,为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。     

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.     

X射线纳米成像单毛细管椭球镜的设计与检测

设计并成功研制了单毛细管椭球镜,并通过光学及X射线方法测试了它的特性。椭球镜的面形误差为15μrad,能量为9keV时聚焦光斑直径为40μm,聚焦光斑发射角为1.75mrad。基于研制的椭球镜,在上海光源X射线成像线站搭建X射线纳米成像系统,并实现了纳米成像,这表明该椭球镜可满足X射线纳米成像的需求。     

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。     

基于非成像光学的发光二极管汽车后转向灯透镜设计

针对现有发光二极管（LED）汽车后转向灯存在的配光性能不准确、能量利用率低等问题,设计了一款准直配光一体化的LED后转向灯透镜。该透镜根据非成像光学原理和斯涅尔定理,通过迭代求解的方法设计而成,其高度为8．32mm,直径为12．64mm。利用光学软件TracePro对实际光源和后转向灯透镜进行光线追迹模拟,结果表明：在z方向4-80°,Y方向4-80。的矩形区间,发光强度均大于1．6cd;在x方向±20°,Y方向±10°内发光强度呈近似矩形分布,且各测试点结果均满足GB17905-2008要求。该透镜可精确控制LED发出光线,有利于提高配光性能及能量利用率。     

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。     

基于非成像光学环带法的反射器设计

应用非成像光学的原理,介绍一种简单、实用的旋转对称反射器的自由曲面设计方法环带法。提出环带法的设计思路,将光源的出光分布和灯具光学组件的出光分布分别按一定的角度间隔平均划分为不同的环带区间,根据不同环带区的光通量值差异进行一系列的对比分析,从而确定光源出射光线与灯具出射光源的对应关系,最终确定反射面的斜率,求解由斜率构成的二元一次方程组便可得到反射曲线的线形。描述了环带法的详细设计步骤和细节,并通过针对LED光源的具体应用实例加以验证,最终实现对光源的精确配光,设计吻合程度可达98.4%。     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

新型矿灯二次配光系统的仿真研究

将光纤照明技术运用到矿灯领域中,需要根据光纤照明的特点设计相应的二次配光系统,以满足实际配光的需求。利用光学仿真软件TracePro开展了对新型光纤LED矿灯系统的二次配光问题的仿真研究。配光器件主要采用单个反光腔、透镜及其组合。从反光腔形状、深度和口径、透镜类型和尺寸等方面入手,探讨了各个因素对配光效率、光斑大小、光照均匀度的影响。通过对仿真结果的比较和分析发现,反光腔主要影响配光效率,而透镜主要影响光照均匀度和光斑大小。得到了合适的新型光纤-矿灯的二次配光系统,即锥形腔配合菲涅尔透镜。结果表明,该组合具有配光效率高、光照度均匀、光斑大小适中、实际尺寸小、方便井下作业等优点。     

一种基于子面拼接的光线追迹算法

为解决自由曲面设计过程中多个软件之间数据传输引起的限制和繁琐,提出了一种基于子面拼接的光线追迹算法.该算法首先用三角形微面元来拟合光学器件表面,然后从光学器件出发分别建立和光源及探测目标面的映射关系,以各微面元的空间位置、法向矢量及面元所对应的立体角来计算该面元可接收到的光源辐射功率,并据此得到探测面上的照度分布.为验证本文算法的有效性,基于Matlab 7.14平台编写了相应程序,并与Trace/Pro进行了对比仿真实验.结果表明,该追迹算法具有较高的追迹效率和精度,易于与计算模块融合成为闭环的反馈优化设计系统,实现曲面设计的自动优化,以取得更好的设计效果,并节约仿真和优化时间,具有广泛的实用价值.     

365nm紫外LED二维空间阵列光学系统设计

针对紫外固化技术领域中新型大功率365nmUV—LED光源进行了拓展性应用研究．提出了空间阵列排布实现能量累加的技术方案,给出了其优化设计原理与软件实例仿真结果．结果证明：该二维空间阵列光学设计方案的正确性和可行性,完全可以实现应用现场的实际光学技术指标（辐照度、光斑尺寸、后工作距离、光斑等）;其中指标要求在辐照面实现50mm×10mm线状辐照光斑,后工作距离≥50mm,辐照度≥1W／cm^2,辐照面光斑分布均匀,设计出的空间阵列光学系统在结构上实现了最高优化设计．     

365 nm紫外LED二维空间阵列光学系统设计

针对紫外固化技术领域中新型大功率365 nm UV-LED光源进行了拓展性应用研究.提出了空间阵列排布实现能量累加的技术方案,给出了其优化设计原理与软件实例仿真结果.结果证明:该二维空间阵列光学设计方案的正确性和可行性,完全可以实现应用现场的实际光学技术指标（辐照度、光斑尺寸、后工作距离、光斑等）;其中指标要求在辐照面实现50 mm×10 mm线状辐照光斑,后工作距离≥50 mm,辐照度≥1 W/cm2,辐照面光斑分布均匀,设计出的空间阵列光学系统在结构上实现了最高优化设计.