基于自由曲面的产生五向准直光束的元件

为了实现光束沿多向准直出射的要求,提出了基于自由曲面的光学器件设计方法。该光学器件是四个侧面为自由曲面、上表面为准直透镜的空心梯形台。基于微分几何理论和折射定律,建立梯形台侧面轮廓曲线上的点所满足的方程,结合Matlab软件数值计算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,进而得到梯形台侧面的实体模型;运用CodeⅤ软件设计出上表面准直透镜。将自由曲面面型数据和准直透镜数据导入到Lighttools软件中进行了仿真模拟,结果表明,该光学器件可实现光线五向准直出射。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

基于双自由曲面的LED均匀照明准直透镜设计

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论,提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法,并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面,该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上,采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现,相比传统的单自由曲面准直透镜,双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性,而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明,采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间,改善LED透镜的光学性能。     

双自由曲面LED均匀照明准直透镜设计

为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光程条件,同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明:对1mm×1mm的白光LED芯片,84.55%的能量集中在±2°内,近场照度均匀性达到94.59%,远场照度均匀性为89.01%;当LED芯片尺寸不超过2.0mm×2.0mm时,±4°内的能量利用率大于83.5%,近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明,公差符合装配要求,光能利用率高.     

光谱仪光源双光束准直的自由曲面透镜

为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围,利用非成像原理设计了自由曲面透镜,将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光,实现探测器上光谱的折叠分布.首先,根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系,建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组;然后,采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解,得到自由曲面离散采样点,进而构建得到自由曲面透镜,将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟,在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布;最后,将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中,将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束,经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面,形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱,光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明,采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围,且使光谱仪的结构更加紧凑.     

基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。     

基于表面微结构的超薄背光模组透镜设计

根据全反射原理设计了一款基于表面微结构的超薄透镜，由自由曲面将光源出射的光线进行准直，随后利用微米级表面微结构将准直光线反射到底部，再配合底部的反射膜将光线进行二次反射，从而能够在较小的混光距离（OD）下有效增大光斑尺寸。利用边缘光线原理，改善了扩展光源下光线经自由曲面后准直性劣化问题。仿真结果表明，该透镜应用于超薄背光模组时，能够在OD为3 mm、距离-高度比（DHR）为15 mm的3×3阵列下获得82%的均匀性，相比传统双自由曲面透镜均匀性提升40.7%。该透镜设计方法简单，避免了双自由曲面透镜尺寸较小时加工误差的影响，无需后期大量复杂的优化工作，具有较大的实际应用价值。     

基于双自由曲面高距高比照度均匀的光学系统设计

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。     

实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题,基于边缘光线理论和网格划分法,设计了内曲面为椭圆型,外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散,外曲面对出射光线方向进行控制,实现大角度均匀照明,并减少全反射损失,提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真,并利用反馈优化法对外曲面进行优化,提高近场的照度均匀性.研究表明:在相同近场距离条件下,出光角度为143°、151.8°时,单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40,出光效率为92.0%和80%,而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85,出光效率为98.8%和95.0%,照明效果明显改善.     

Optical design and analysis of illumination system based on augmented reality北大核心CSCD

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分,其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量,因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究,重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系,在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上,对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解,结合偏微分方程法和划分网格法,设计了自由曲面透镜,该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon,LCoS）照明系统。仿真分析结果表明:系统照度均匀性达到91.96%,若不计偏振影响,照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点,满足增强现实眼镜的需求。     

登陆艇光学对中方法及LED引导光源设计

设计了基于引导光源颜色/相对位置的登陆艇光学对中方法,登陆艇驾驶员通过不同颜色引导光源间的相对位置判断其是否偏航以及偏航的程度,从而提高登陆艇快速入舱的精度和安全.引导光源以横纵向90°视场角的光束对最远200m海面进行均匀照明,采用CREE XPE型号的LED,通过改进的网格映射法设计自由曲面透镜以获得要求的矩形照明光场,仿真与实验结果表明,所设计的LED引导光源可以满足登陆艇光学对中系统的照明要求.     

快速实现矩形准直光束的高集光效率LED透镜设计

为了实现LED矩形准直光束,提出一种快速构建高集光效率LED透镜的设计方法。基于分步法、边缘光线定理和几何光学定律,分步设计两个自由曲面轮廓线,快速获取两个自由曲面并构建透镜。结果表明:当LED距透镜内曲面尺寸与LED尺寸的比值为6时,系统的半峰全宽为2.3°×1.15°,集光效率为82.6%,可以有效地实现矩形准直光束。随着比值的增大,透镜的尺寸变大,但是半峰全宽变小,透镜集光效率变高。根据设计参数加工了透镜并对仿真结果进行了实验验证。该方法为实现LED矩形准直光束提供了一种有效途径。     

Free-form lens design for wide-angle imaging with an equidistance projection scheme

An algorithm of free-form lens design is presented that can realize wide-angle imaging in conjunction with conventional imaging devices. The wide-angle image obtained through the free-form lens and the camera is not affected by distortions. The formula for the free-form lens surfaces is derived. The surface profile of the free-form lens can be generated through solving a differential equation expressing the camera-viewing angle as a function of the angle of incidence on the free-form lens surface. The surfaces preserve a linear relationship between the angle of incidence of light onto the surface and the angle of refraction into the imaging device.     

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。     

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。     

基于均匀照明的LED反射器的设计

为了创造良好的视觉环境,并提高光能利用率,设计了一种基于均匀照明的LED反射器。之所以选用球面环形阵列LED光源,第一是为扩大照明范围,其次是为了避免面光源垂直照射产生光强过强而导致的眩晕。设计的反射器是运用划分网格的方法获得自由曲面面型,运用机械建模软件拟合曲面的实体模型,进行了照明仿真模拟及分析。结果表明,与传统的反光器相比,自由曲面的反射器能较大程度地利用光源发出的能量,而且均匀性也有很大的提高。     

一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计

以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射 全反射(TIR)光学系统,通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导入Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明：目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。     

实现LED矩形均匀照明的透镜设计

 随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已得到普遍应用。设计一种以LED为光源实现矩形均匀照明的透镜,根据微分几何的理论建立透镜面型所满足的微分方程,然后根据能量映射关系和能量守恒定律建立面型与目标面坐标点之间的关系,并通过四阶龙格-库塔法求解微分方程得到面型数据,利用所得的面型数据在三维建模软件Rhinoceros中构建出所求透镜面型,并将透镜导入ASAP进行模拟。模拟结果表明：该光学系统效率达到94.01%,目标面照度均匀性优于92.73%。最后分析了自由曲面的连续性,指出能量映射关系决定着自由曲面的连续性。     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。