基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜设计

提出一种基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜的设计方法。通过非成像光学设计,以光学扩展量与折射定律为理论基础,自由曲面迭代优化,实现光源与光纤之间的低损耗耦合。仿真结果表明:以LED芯片作为光源,该透镜可以将光通量传导效率提高至89%以上,具有良好的应用和发展前景。     

COB光源的窄光束均匀照明设计

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明：窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。     

基于ZEMAX的LED光源与光纤的耦合系统设计

在原有金属卤化物光源与光纤耦合结构的基础上,提出了一种新的光纤耦合方案,为了满足光供电系统的光功率需求,根据几何光学的理论,提出一种新的LED光源阵列排布方案。在对LED的发光特性研究的基础上,设计了一种新的光学准直方法,运用ZEMAX软件进行仿真,并对透镜参数进行了优化,准直结果角度控制在了±4°范围内。针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了聚焦耦合设计,弥散斑的RMS尺寸大小为7.410μm,GEO点尺寸为16.091μm,光学系统95%以上的能量集中在20μm范围之内,达到了很好的耦合效果。     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

侧入式LED背光模组中光耦合模块的设计与实现

现有的液晶显示器(LCD)背光模组大多采用侧入式发光二极管(LED)作为背光源,其要求导光板厚度始终大于LED发光截面宽度。为解决这一问题,提出一种用于侧入式LED背光模组的自由曲面光耦合结构,包括浸入式准直透镜与自由曲面反射器,光源出射光先由浸入式准直透镜收集并准直,再经自由曲面反射器反射并聚集到导光板入光面。利用斯涅尔定律、微分几何法以及等光程原理对该模块进行设计,并通过光学仿真验证设计的可行性。实验结果表明,当采用有效发光面积为0.4 mm×0.4 mm的LED芯片作为光源时,导光板厚度减少0.6 mm,导光板入光面处光能利用率达到96.23%,相对于传统结构,光线利用率提高11.22%。该光耦合模块实现了背光模组中导光板的薄型化,同时改善了导光板入光面处光热点现象。     

基于LED光源与聚合物光纤束的能量均匀透镜耦合器设计

研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法,基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。     

一种LED光能收集光学系统的设计

LED作为照明光源在现代光电仪器中得到广泛应用,光能利用效率与光学系统形式密切相关.针对将大发散角LED的光高效会聚到光纤接收端面的需求,提出了一种椭球面和聚光透镜组合光学系统设计的思路.推导了椭球面几何参数、聚光透镜高斯参数等的计算公式,讨论了此类光学系统设计必须满足的约束条件.实例验证了设计方法的可行性.     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。     

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%。     

基于荧光显微镜单色光源系统的椭球反射镜的设计

为了实现胞内钙离子浓度的检测，设计了一种新型的荧光显微镜单色光源系统。系统采用短弧氙灯作为发光源，利用椭球面反射镜聚焦后得到模拟的点光源，经过准直及闪耀光栅分光、汇聚后，耦合到光纤中形成单色光输出。在荧光显微镜照明激发系统中，单色光源的输出功率和光谱纯度是仪器的2个技术关键，其中非球面反射镜是设计的重点。通过优化算法和光学仿真模拟，对系统的光能效率进行了分析和计算，设计了用于单色光源系统的椭球面反射镜，并研制成整套系统。经实验验证，效果良好。     

半导体激光激发荧光粉转换白光照明系统设计

单管蓝光半导体激光器功率相对较低,为了获得高功率激光,利用多单管光纤耦合技术实现10 W蓝光激光输出,输出的激光激发荧光粉片合成的白光光源作为汽车远光灯光源。根据汽车照明法规要求设计了汽车远光灯照明系统并详述了抛物面反光罩、双凹透镜和荧光粉片的光学结构及对反光罩曲线参数、双凹透镜和荧光粉片的放置位置对光源色温均匀性及照度的影响。模拟设计了顶端19 mm×31.6 mm椭圆形开孔、底部直径5 mm圆形开孔、高60 mm的椭圆抛物面反光罩,荧光粉片置于距反光罩底部15 mm处时,在距光源25 m处的接收面上得到了5 m×12 m的椭圆光斑,白光光源的光通量为1 025 lm,中心色温为5 880 K,中心色坐标为(x=0.322 6,y=0.369 2),该汽车远光灯照明系统满足汽车照明法规要求。     

基于像散与理想光源成像原理的高亮度半导体激光器光纤耦合设计方法

运用像散原理和理想光源成像原理,讨论了半导体激光器消像散设计.提出了一种基于消像散的高亮度半导体激光器光纤耦合系统的设计方法.以波长为808 nm,输出功率为10 W的半导体激光器的光纤耦合为例,给出了详细的计算方法和设计步骤.结果表明:采用该方法将半导体激光器光束耦合入数值孔径为0.22,芯径为50 μm的光纤中,耦合后输出功率为9.712 W,耦合效率为97.12%,功率密度为1.1224×10⁶ W/cm².该方法不仅原理简单,而且设计的耦合系统耦合效率高、体积小,具有较强的实用价值.     

Estimation of coupling efficiency of optical fiber by far-field method

Coupling efficiency to a single-mode optical fiber can be estimated with the field amplitudes at far-field of an incident beam and optical fiber mode. We call it the calculation by far-field method (FFM) in this paper. The coupling efficiency by FFM is formulated including effects of optical aberrations, vignetting of the incident beam, and misalignments of the optical fiber such as defocus, lateral displacements, and angle deviation in arrangement of the fiber. As the results, it is shown the coupling efficiency is proportional to the central intensity of the focused spot, i.e., Strehl intensity of a virtual beam determined by the incident beam and mode of the optical fiber. Using the FFM, a typical optics in which a laser beam is coupled to an optical fiber with a lens of finite numerical aperture (NA) is analyzed for several cases of amplitude distributions of the incident light.     

多芯片半导体激光器光纤耦合设计

应用ZEMAX光学设计软件模拟了一种多芯片半导体激光器光纤耦合模块,将12支808nm单芯片半导体激光器输出光束耦合进数值孔径0.22、纤芯直径105μm的光纤中,每支半导体激光器功率10 W,光纤输出端面功率达到116.84W,光纤耦合效率达到97.36%,亮度达到8.88MW/(cm2·sr)。通过ZEMAX和ORIGIN软件分析了光纤对接出现误差以及单芯片半导体激光器安装出现误差时对光纤耦合效率的影响,得出误差对光纤耦合效率影响的严重程度从大到小分别为垂轴误差、轴向误差、角向误差。