激光光斑照度的散射成像测量方法

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

基于双柱透镜慢轴准直激光二极管堆栈光束匀化系统

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形,提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩,降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径,减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围,并通过像差分析对双柱透镜进行了优化,实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74。结合成像型多孔径光束积分器,设计了激光二极管堆栈的匀化系统,并进行了实验测试。实验结果表明,在中心光斑尺寸约为6 mm6 mm范围内,光斑不均匀性为8.11%。     

基于复眼透镜的大面积均匀照明方案研究

为了实现大面积矩形均匀光斑,提出一种基于双排复眼透镜的设计方案。使用TracePro软件对该照明系统方案的效果进行建模仿真,分析了复眼透镜组的间距、后工作距离等参数对光斑面积和均匀性的影响。结果表明,复眼透镜间距越小、后工作距离越大,得到的光斑面积越大;而当间距控制在微透镜焦距附近时,光斑均匀性最佳。利用该设计方案,可在1 m的后工作距离得到尺寸350 mm200 mm的光斑,光斑中心280 mm160 mm范围内光照度均匀性＞0.85,该部分面积超过光斑整体面积的60%。该匀光方案有望在医用光疗、路灯照明等大面积均匀光照明领域得到广泛应用。     

紫外LED阵列匀光照明中失效安全设计

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响,提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计,再通过LED位置误差研究推广至LED阵列,实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真,设计了一款曝光光源,并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2mW/cm~2,均匀性为86.9%,完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效,进行了辐照度均匀性实验.结果表明,少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内,甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性,更适用于实际生产.     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究

针对路灯照明系统,设计了一种照度均匀和亮度均匀的LED路灯透镜。通过分析LED光源角度分布与目标面照度的关系引用了一种简化的线性校正函数。不同的道路亮度系数,选用合适的K值,设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真,结果显示中间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布有利于路灯照明亮度的均匀。通过注塑成型工艺加工了该透镜,并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照度分布的矩形光斑照明。采用Dialux软件对路灯照明效果进行评估,显示该路灯透镜设计,横向和纵向亮度均匀性达到0．6以上,满足道路照明的亮度均匀性要求。     

基于RGBW光源的舞台灯变焦透镜设计

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点,在全反射式透镜结构的基础上,基于变焦透镜组原理,设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片,并且使用SolidWorks软件,依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测,此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后,上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外,设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%,可在0 mm~15 mm的调焦范围内,光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

大功率高光斑均匀性半导体激光复合光源

 为了获得具有更高输出功率和良好光斑分布均匀性的半导体激光光源,根据半导体激光优良的偏振特性,利用偏振分光棱镜将2束大功率激光束合成为一束更大功率的光束,通过一个发射系统投射。在光束合成前采用非球面光学系统对每个激光器慢轴方向的光束进行扩束,使其与快轴方向光束发散角基本一致。实验证明,此种半导体激光复合光源具有良好的光斑均匀性,其输出功率是2个半导体激光器输出功率之和,完全满足激光制导等军用系统对激光功率和光斑均匀性的要求。     

随机位相菲涅耳透镜阵列激光束匀化

为降低干涉带来的影响,将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列,对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化,打乱阵列位相的周期性排布,减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟,设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm,焦距为6mm,阵列数目为20×20,光斑整体均匀度达到90%,光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064nm波长的激光光束进行匀化,均匀度为83%,光束能量利用率为89%.研究结果表明,通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响,提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.     

利用部分相干光和同心角偏差透镜列阵实现二维靶面均匀辐照

提出利用部分相干光通过透镜列阵系统实现靶而的均匀辐照, 透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑, 透镜列阵的适当同心度偏差又使各子束的斑纹相互稍微错开, 使干涉斑纹变密, 而入射的激光是空间相干性减少了的部分相干光, 可进一步抑制了透镜列阵系统焦斑的小尺度不均匀性. 使用广义衍射积分理论, 对高斯-谢尔光束通过透镜列阵光学系统的焦斑光强分布进行了详细的二维模拟研究, 比较了完全相干光与部分相干光经过透镜列阵的匀滑效果. 数值模拟表明, 应用同心度偏差和适当离焦时, 可实现焦斑均匀性和能量利用率同时达到最佳的效果.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。     

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。     

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光（PLIF）实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性〈4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。     

紫外光LED固化面光源光学系统设计

为解决紫外光LED固化面光源光斑均匀性差及辐照强度低的问题,提出一种阵列式紫外光LED固化面光源光学系统的设计方法。基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论,完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导,结合理论公式计算出透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距。结果表明:透镜有效控制了光线的发散,提高了阵列面光源所产生光斑的辐照强度及照度均匀度,使阵列结构更加紧凑。当光源半值角分别为27.5°和15.5°时,照度均匀度分别为95.3%和98.6%,辐照强度分别是理想朗伯型光源阵列的2.5倍和6.4倍。进一步分析了工作距离和芯片形状及其尺寸对面光源光学系统的影响,并通过实验对模拟结果进行验证,为紫外发光二极管的应用及光学系统设计提供了一定的理论依据。     

集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计

集成化导光板下表面微结构分布是影响背光模组出射光均匀性的关键因素,因此是背光模组设计的重点之一.本文针对微棱镜一维分布设计中存在的大面积同一性影响背光模组亮度均匀性的问题,提出一种集成化导光板下表面微棱镜二维分布的设计思想,以提高背光模组的亮度均匀性.利用光学软件Lighttools对5.0英寸集成化导光板下表面微棱镜结构的较佳二维分布进行优化探索,通过与较佳的一维分布仿真结果对比分析可知,优化后的二维分布模式下,背光模组的光能利用率、照度均匀性、亮度均匀性分别达到92.03%,87.07%和91.94%,满足行业标准;其中,照度均匀性比一维分布提高了10%;同时,从亮度图观察,背光模组的整体亮度均匀性得到了有效提升.该研究结果对于背光模组轻薄化、集成化开发具有一定的参考价值.     

改进宽银幕投影显示照明系统的设计方法

照明系统是投影显示系统的重要组成部分,决定着整个系统的亮度和照明均匀性。复眼系统是一种常见的液晶投影显示系统照明结构。传统的复眼照明系统设计方法中,复眼小透镜具有与液晶板相同的长宽比,可以获得能量利用率和均匀性都比较好的照明光斑。但研究发现,利用这种方法设计宽银幕投影显示设备的复眼照明系统,会引起一定的光能损失。针对这一问题,通过对复眼系统设计理论的分析和对实际复眼照明系统的模拟,创新性地提出了在照明系统中引入柱面透镜改变复眼小透镜的长宽比的设计方法,能够有效的提高投影系统能量利用率。模拟计算结果表明,引入柱面透镜的复眼照明系统与传统方法设计的复眼系统相比,能量利用率可以提高5％到10％。     

余弦-高斯光束的焦平面及其位置

在余弦_高斯光束通过薄透镜聚焦系统的光场分布函数的基础上,利用二阶矩定义导出了聚焦余弦_高斯光束的光斑函数的解析表达式,由此求得束腰宽度及位置,进而给出了余弦_高斯光束的相对焦移的解析表达式。分析了光学系统参数以及光束参数对实际焦平面位置的影响并作了数值计算。