基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

像面照度均匀的环带式菲涅尔透镜设计

为了解决太阳光经传统菲涅尔聚光镜聚光后太阳能电池接收面上的光强分布不均匀问题,设计了一种环带式菲涅尔聚光镜。根据菲涅尔环带设计方法,把接收面划分为与之对应的环带,使光线在经过菲涅尔聚光镜的表面环带后进入相应的接受面环带,减少了光能损失并提高了光强分布均匀性。给出了在350 nm ~760 nm波段范围内太阳张角角度为0.54°、口径200 mm、高宽比为0.65、聚光比为400的菲涅尔聚光系统设计实例,通过Tracepro模拟并分析了菲涅尔聚光镜的光学能力。结果表明:在接收面尺寸相同的情况下与参数相同的的传统匀光菲涅尔聚光镜相比,此环带菲涅尔透镜光斑能量分布均匀性达到75%。     

菲涅尔太阳能聚光镜的设计

讨论并设计了一种超薄的菲涅尔聚光镜,根据费玛原理设计出以非球面为截面的中心折射区域和T IR(内部全反射)棱镜为锯齿部分的折反区域,用ZEMAX软件优化得到最佳聚光态,并利用ZEMAX软件模拟出菲涅尔聚光镜聚光性及其能量分布,最终得到总厚度仅为30 mm的折反复合型菲涅尔聚光镜。实验结果表明:折反复合型菲涅尔聚光镜不仅能提高太阳能的利用率,同时也使会聚到光电池表面上的能量分布更均匀,复合式菲涅尔聚光镜的性能优于传统的菲涅尔聚光镜。     

等厚型平板菲涅尔透镜设计与研究

针对当前曲面菲涅尔透镜普遍存在的加工工艺复杂、面型精度难于控制、制作成本较高等问题,在研究非等厚型平板菲涅尔透镜设计方法的基础上,提出一种中心透镜为球面、外侧环带为倾斜面的等厚型平板菲涅尔透镜的设计方法,给出了具体的设计实例,并进行了建模和光学仿真,模拟结果表明:该菲涅尔透镜设计的光学效率达到90.7%。     

菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术

该文提出了一种基于菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术,可实现病变组织早期的定性诊断与定量监测。主要研究内容包括：采用透射方式,以慢度作为反演参量,将正演与反演的透射时间差作为迭代判据,基于菲涅尔区域法实现乳腺组织的二维反演成像;根据柱面传感阵列的分布特点,将乳腺三维超声成像问题转为二维成像问题,进而实现乳腺三维超声成像;计算三维病变成像声速及尺寸误差,并分析菲涅尔区域法的成像分辨率以及入射频率对成像分辨率的影响。该文研究结果证明基于柱面传感阵列的菲涅尔区域法可实现乳腺三维超声成像并有效实现病变早期监测与诊断。     

注水型菲涅耳聚光器的设计和初步试验

研发低成本的聚光器是大规模降低太阳能热利用成本的重要途径之一.为了降低材料成本,提出注水型菲涅耳聚光器的设计新思路.注水型菲涅耳聚光器采用由薄平板玻璃组成的中空三角形棱柱,通过在中空部分注入纯净水来减少透镜材料的使用,从而降低成本.研究该聚光器的设计理论并建立相应的光学模型,采用蒙特-卡罗光线追迹方法研究不同太阳入射角...     

基于非成像光学环带法的反射器设计

应用非成像光学的原理,介绍一种简单、实用的旋转对称反射器的自由曲面设计方法环带法。提出环带法的设计思路,将光源的出光分布和灯具光学组件的出光分布分别按一定的角度间隔平均划分为不同的环带区间,根据不同环带区的光通量值差异进行一系列的对比分析,从而确定光源出射光线与灯具出射光源的对应关系,最终确定反射面的斜率,求解由斜率构成的二元一次方程组便可得到反射曲线的线形。描述了环带法的详细设计步骤和细节,并通过针对LED光源的具体应用实例加以验证,最终实现对光源的精确配光,设计吻合程度可达98.4%。     

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。     

基于菲涅尔偏振反射理论的消眩光分析与实验验证

以菲涅尔偏振反射理论为依据,将入射光进行电矢量分解,推导出影响眩光强度的偏振因子,并分析该因子在眩光消除中所起的主导作用.根据成像检测模型,推导出决定眩光位置和眩光区域大小的位移因子,并分析该因子在眩光消除中起的辅助作用.测量工业上某种工件在相同环境中不同条件下的图像,将所得图像数据进行抽样对比,得到在不同偏振和不同位置情况下的图像灰度变化曲线.分析灰度变化曲线与偏振及位置的关系,并对所提出的理论加以验证.结果表明眩光消除的本质是降低眩光区域与邻域区域之间的光强对比度,对位移因子和偏振因子的联合调动可实现对眩光几乎完全的消除.     

Design of double freeform-surface lens for LED uniform illumination with minimum Fresnel losses

In this study, we demonstrated a double freeform-surface lens to realize uniform illumination and minimum Fresnel losses for light-emitting diode (LED). In the present design, the inner surface and outer surface of the freeform lens were designed simultaneously, thus the light path can be controlled more flexibly. The detailed calculation and design process were presented. Monte Carlo ray-tracing simulation and Fresnel losses calculation were conducted to validate the present freeform lens. The simulation and calculation results indicated that the present freeform lens could enhance the illumination uniformity greatly and realize minimum Fresnel losses as low as 7.67%.     

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.     

LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法

利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光,并由光学扩展量给出准直器的理论光效,最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义,以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明,准直器的发散角小于±2.26°,整体光效达到0.79,理论与仿真光效的误差小于2.5%,在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9,平顶光效为0.56,效果良好。     

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%。     

近场照度均匀的LED阵列设计

通过分析多颗LED组成的各种阵列在近场平面上的照度分布,来设计可实现近场照度均匀的LED排列方式和距离。基于LED的光强分布,构建单颗LED的光强分布模型（并非朗伯分布）,给出了方程和等式用于计算不同排列方式下的LED分布距离和封装密度,以实现近场平面上的照度均匀。     

一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计

提出了一种对大功率LED出射光实现定向控制的投射器设计方法。根据LED的出射光分布以及预定的光分布范围选用折射-全反射(TIR)光学系统。首先利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法求得TIR各折射面和全反射面轮廓曲线上点的坐标,然后再在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。结果表明:用该种方法设计的投射系统结构紧凑、光能传输效率高;能有效地实现对LED出射光的收集和定向控制;有助于LED的应用和照明系统的后续设计。     

用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.     

A Simple Design Approach of a Fresnel Lens for Creating Uniform Light-Emitting Diode Light Distribution Patterns

Abstract

Devising an efficient method for distributing high-radiance light-emitting diode emissions onto target surfaces is a continuing challenge. Most current design methods are mathematically complex and require intricate optimizations. In this article, a simple and highly accurate geometric optics analysis is described for creating a free-form total internal reflection collimator lens and a Fresnel exit lens, which can be fabricated easily for producing a specific intensity distribution. A powerful application is the ability to create various high-efficiency and uniform illumination patterns from a standard widely used MR16 light bulb by simply attaching a Fresnel exit lens onto the face of the bulb.     

线性菲涅耳反射聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算

利用光线追迹的方法,考虑太阳形状、余弦损失、阴影及遮挡损失的影响,建立线性菲涅耳反射（LFR）聚光器的三维光学几何模型,给出其光斑能流密度分布的计算式,采用Matlab软件编程实现该算法。将计算结果与美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的SolTrace软件仿真结果相对比,光斑能流密度分布曲线基本吻合,证明了该算法的正确性。为了获得更高的镜场聚光效率,对比了不同反射镜面型对LFR聚光器的影响。