对光学设计中照度计算公式的讨论

分析并指出了教科书及光学软件中光学系统照度公式的不恰当地方,推导出了更符合实际的光学系统照度公式.假设透镜系统为无源传输模式,通过对教课书中以及光学设计软件中的照度分布计算公式进行了推导分析,得出轴外视场相对轴上视场照度为cos4 ω'关系.当像方视场角减小时,通过模拟得到了与实际相背的无源传输系统能量放大的结论.建立了以入瞳模式为参考的计箅模型,对照度公式重新进行推算得到新的与实际相符的照度公式,得出像面照度分布取决的是物方视场角.通过仿真模拟.验证了像面上轴外视场的照度与对应物方视场角的cos4 ω成止比.     

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。     

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.     

物镜像面相对照度计算方法

为了找到更加精确的广角物镜系统像面相对照度计算方法,分析了现行像面照度公式成立条件的局限性,提出了基于孔径光阑约束模式的矢量光线追迹计算光通量的方法。通过矢量分析和推导,给出了孔径光阑约束的轴外视场光束在第一光学面上形成的照射区的特征点坐标及照射区面积表达式;依据朗伯体辐射条件和规律,从物镜系统物方着手,建立了两种共轭条件的物镜像面照度分析模型;针对具有物方大视场角特征的相似成像物镜系统和非相似成像物镜系统,分别推导出了像面照度及相对照度表达式;指出了光学设计过程中提高像面相对照度的基本策略。     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

大视场光学系统像面照度均匀性优化

为提高大视场光学系统像面照度的均匀性,从理论上分析了光学系统像面照度的影响因素,提出使用中心遮拦产生的轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比对像面照度进行优化的思路。以理想系统建立数学模型,得到了中心圆形遮拦影响下不同视场角光束截面积比值的变化规律,并分析了遮拦对调制传递函数(MTF)的影响。进一步提出采用Zemax与Matlab软件动态数据交换(DDE)进行像面照度自动计算优化的方法。以某焦距56mm,相对孔径=1/5.6,视场角2ω=80°的航测镜头为例进行了优化,通过在光学系统第5表面上增加半径为4.384mm的中心遮拦,像面照度的不均匀性由优化前的22.3%降低至3.5%,均匀性明显改善。在优化实例中讨论了MTF曲线的变化,指出采用中心遮拦后的传函指标仍满足CCD探测器成像使用要求。     

光电子技术与器件 光电成像与器件

TN386.52006010552大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术研究=Re-search on measuring technique for i mage sensors′uniformi-ty of the CCDi mage-forming system with large-field angle[刊,中]/张鑫(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系.北京(100081)),林家明…∥光学技术.—2005,31(6).—846-848,853以光度学为理论基础,研究了大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术。论述了600~800mm非对称、双半球不等半径积分球的设计方案。对像面均匀性测试系统的积分球出口进行了测试,出口处的照度不均匀性不高于2.3%,照度不稳定性不高…     

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

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。     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

相干点源照明时消球差光学系统的像场结构

利用矢量傅里叶变换和稳相法获得了相干点源位于光轴上任意位置时，消球差光学系统像场结构的积分表达式，详细研究了使用线偏振光照明时像平面上大物方孔径角对像场结构的影响.模拟计算表明，在像空间垂直于光轴的平面上，如果物方孔径角较大，磁场分布绕光轴旋转90°后不再与电场分布相同，电场能量密度、磁能量密度和玻印亭矢量分布的等高线始终近似为椭圆，并且物方孔径角是导致玻印亭矢量分布失去圆对称性的主要因素.同时当使用小像方孔径角时，电场能量密度分布形状的长轴方向垂直于物空间电场的振动方向；随着像方孔径角逐渐增大，电场能量密度分布形状的长轴方向将逐渐变为与物空间电场的振动方向相同.这些结论完全不同于以前理论所预测的结果. 关键词： 成像系统 像场结构 矢量傅里叶变换 稳相法     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

光源角度对金属表面图像边缘的影响分析

在机器视觉的图像处理中影响图像优劣的因素有很多,其中光源照射角度是主要因素之一。为了得到更好的图像数据,对视觉系统中光源照射最佳角度进行了仿真分析与实验研究,实验中采用单一变量法,只改变光源照射角度,通过理论计算、模拟仿真和实验验证相结合,得到了最佳的光源照射角度。结合Sobel算法检验在最佳角度下和其他角度下的图像边缘质量,结果表明在光照角度为57.17°的倾角下图像光照数据和边缘图像表现最好。该实验结果对更深层次的图像处理和图像采集具有指导意义。     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.     

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。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

High-fidelity image reproduction using angular distribution of reflected spectral intensity

A method to reproduce images of an object under various observation conditions is presented. In this method, a series of multispectral images is captured by rotating the object under a point light source of which spectral power distribution and the position are known. The captured images are decomposed into diffuse and specular reflection component images based on the dichromatic reflection and the Lambertian models. Next, the incident angle of the illumination light and the angle between viewing direction and regular reflection are calculated based on observation geometry. Finally, the image under observation geometry is synthesized using the light-ray rearrangement technique. The experiments are carried out using two-dimensional objects, leather and fabric. Most of the synthesized images are shown to be the same as the images actually captured under the assumed illumination geometry, even if the object has complex reflection like fabric for which it is difficult to apply the reflection model used in computer graphics.     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。