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。     

LED天幕灯的光学设计

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明,天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论,首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型,然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计,使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理,建立直射和反射的有效叠加和补偿,依此设计得到反射面面型,实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真,结果表明,满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明,其照明均匀度可达到85%以上,能量利用率可达到80%以上。     

目视助航灯具光度参数测试研究

根据目视助航灯具光源特性和灯具检测存在的问题,介绍了一种基于线阵CCD的检测助航灯具出射光强分布的系统;系统以线阵CCD为光电探测元件采集出射光束各个方向的光信号,再由数据采集系统转化、实时采集并传输到上位机进行处理;通过寻找并优化相关的插值算法,对系统检测得到的数据进行数据处理,最终绘制光束的等光强曲线并求解得到出射角的范围;实验证明:通过检测系统得到的数据经算法求解后得到的结果,与测试标准进行对比,验证出该检测系统的可行性以及优化后算法的优越性, 能满足测量的实际需要。     

基于Taguchi法设计带有圆锥台元件的超薄直下式LED平板灯

针对直下式LED平板灯厚度大、光源密度大的缺点,设计了一种带有圆锥台光学元件的超薄直下式LED平板灯,利用漫反射背板和反光圆锥台结构增加LED的混光距离,提高平板灯均匀度.应用划分单元的思想,以一个六角形光源为单元进行研究,采用Taguchi实验方法设计正交试验组并借助Tracepro软件仿真;考量六角形光源的圆锥台元件上下表面半径、厚度、距LED高度以及LED间距5个因子对该灯具均匀度和光效率的影响,并运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度,进而优化灯具的各项结构参量,最终设计出一款厚度仅15mm,均匀度达95.3%,光效率达92.97%的直下式LED平板灯.     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质,不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性,二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用,对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和 关键词： 纳米集成光路 扫描近场光学显微术 光波导 光增强     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

超细激光束准直器设计的新数学模型

为了获取长距离超细激光束，采用几何能量守恒法设计出一种衍射光学元件，推导出高斯光入射时衍射光学元件位相函数。根据建立的数学模型，设计超细激光束准直器，并模拟高斯光入射时出射激光束的光斑形状及光强分布，最后计算了能量利用率。     

用数值方法分析微孔激光器出射光的近场特性

微孔激光器作为应用于近场光信息存储系统中的一种新型光源，它的出射光斑的近场特性对于近场光存储是十分重要的。针对纳米孔径运用角谱进行Fox-Li数值迭代，得到不同孔径微孔激光器的基模光强分布，然后运用二维非线性时域有限差分法分析微孔激光器出射端即微孔金属膜的近场光学性质，模拟计算了不同孔径和厚度的微孔金属膜的光强近场分布，从应用于近场光存储的角度，给出反映其近场光学特性的相关数据。发现由于TM模式下金属存在局域表面等离子增强效应，使得其出射强度比TE模式高一个数量级，从而更适于作为实际中近场光存储系统和原理试验的光学头。     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB 25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40~50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5%以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40～50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5％以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

多曲面反射体的计算机辅助设计及优化

研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和方法.根据反射器的尺寸、位置以及配光要求按点光源设计得到曲面型值点初始坐标后,将双三次B样条曲面引入照明系统的设计,反算出控制顶点.给出了空间任意一条入射光线与反射器区块的交点及其曲面法线向量的求法,为了提高光路追迹的效率,针对多曲面反射体给出了一种快速判断相交区块的算法.探讨了用阻尼最小二乘法对B样条曲面反射器进行优化设计的方法,通过优化运算修正控制顶点Z轴坐标,使得曲面在使用扩展光源时光形分布尽可能满足设计要求.     

平面反射元件的安装误差对光学成像质量的影响

在折转光路中,由于安装误差,平面反射元件会存在三维方向的微偏角.根据棱镜调整理论,分析了由于平面反射元件的安装误差所导致的光束转向、光轴偏离系统光轴的情况,并推导出相应的精确表达式.讨论了光轴偏离后,光斑在靶面上的漂移情况.给出了一种用于修正平面反射元件在光学安装中存在轴向偏转的调整方法,并通过实验验证了该方法的可行性...     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

LED照明系统的光照均匀性设计

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能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

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。     

一种基于离轴椭球面的小光程差波面整形系统

为了实现空间中一定距离的近似等光程光束传输,设计了一种包含离轴椭球面反射镜的波面整形系统。基于几何光学与初级像差理论,结合Zemax光学设计软件,分析了椭球面反射镜圆锥系数、离轴量对像面处光程差的影响;设计了平面-椭球面反射镜和双椭球面反射镜2种光学结构的波面整形系统,并比较了2种结构的公差。分析结果表明:平面-椭球面反射系统和双椭球面反射系统均实现了空间中1 m距离的光束传输,且2种结构系统在3 mm物高视场和孔径角为6°条件下,各视场光瞳之间的光程差分别为0.14 mm和0.04 mm,因此,双椭球面反射结构整形效果优于平面-椭球面反射系统,但双椭球面反射结构对公差的敏感度更高。     

Transflective liquid-crystal display using low-twisted vertically aligned mode

We present the design of a transflective and low-power LCD using a low-twist vertically aligned liquid crystal (LC) cell, achieved by blending a chiral additive with a patterned reflector in a single-domain configuration. Unlike the conventional single-domain transflective LCD, in which it is possible to optimize only one of the transmissive and reflective regions, the device suggests that it is possible to optimize both the transmission and reflection design to obtain favorable results in both reflective and transmissive light conditions by optimizing the chiral pitch and twist angle. From the parameter space diagram (PSD) method, which does not include the information on chiral pitch and the nonuniform LC director tilt angle, optimization focused on the transmissive region is performed. By analyzing the relation between the transmittance and the chiral pitch under the applied voltage, the optimized twist angle and chiral pitch are proposed. It is described that the optimized twist angle is also available for the reflective region by the dynamic PSD method by considering the average tilt angle under applied voltage.     

反光板(合作目标)反射率测量仪

本文介绍了反光板（合作目标）反射率测量仪的研制。仪器采用对称双光路比较测量法，给定两束相等光通量的光束，分别作为参考光束和测试光束，并用分束器实现原光路取样，从而解决了合作目标反光板入射光线与反射光线重合不能用常规测试方法来检测的难题。由于采用对称双光路的方法，入射光通量是相对恒定的，不受外界因素影响，从而使反射率测量仪达到精度高、重复性好和环境要求低的设计要求。     

点光源反射镜法向标校技术

针对基于反射式点光源进行在轨辐射定标过程中反射镜法向标校建模不够完善的问题,提出基于反射镜与相机几何模型的反射镜法向标校及矢量控制算法.通过解算模型求解相机与反射镜间的几何误差,建立了太阳图像质心坐标与反射镜法向之间的关系,可实现多点自动化标校反射镜法向,提高镜法向标校及系统指向精度.实验结果表明,利用解算后的几何模型反解不同时刻质心坐标进行多点反射镜法向标校,相机观测太阳像素角分辨率标准误差分别为:X轴方向0.02165°、Y轴方向0.01982°,综合角分辨率误差为0.02936°,优于太阳观测器对反射镜法向标校精度.实现了相机观测太阳取代人工借助太阳观测器观测太阳的自动化镜法向标校,扩展了标校灵活度,系统综合指向精度优于0.1°,为固定实验场联网自动化集中控制不同能级梯度的点光源阵列在轨辐射定标和调制传递函数检测奠定基础.