离轴抛物面镜准直输出辐照度特性

基于离轴抛物面镜的准直光学系统因其无色差、材料易得、工作谱段宽、无中心遮挡等优点被广泛应用于传感系统校准、辐射测量、红外目标模拟器等系统中。为了分析设计的准直系统是否满足实际需求,对准直系统输出的辐照度特性进行了理论分析及仿真研究。基于辐照度传输模型给出了准直系统输出面辐照度分布表达式,并给出了准直光束发散角与抛物面焦距、光源口径及离轴角之间等的定量关系。采用光线追迹方法仿真分析了准直系统在不同光源口径情况下的输出面辐照度分布情况,并对输出辐照度均匀性进行了定量分析。文中所提出的分析方法对提高离轴抛物面镜的准直性和输出辐照度均匀性有重要的意义。     

光学积分器的元素透镜数量和形状对太阳模拟器均匀性的影响

光学积分器是实现太阳模拟器辐照面均匀 性的关键元件, 构成光学积分器的元素透镜的数量和形状直接影响太阳模拟器的均匀性。本文采用仿真分析 的方法研究了 6种不同数量的元素透镜对辐照面均匀性的影响,并得出了5个重要结论;同时研究了采用两 种不同形状 的元素透镜对辐照面均匀性的影响,指出当要求辐照面为圆形时,正六边形元素透镜较正方 形元素透镜的 结构更佳。本文研究结论可为太阳模拟器中光学积分器的设计和选型提供重要参考。     

基于LightTools的大口径积分球辐射特性仿真

为了研制辐射特性相对理想的大口径积分球,采用LightTools仿真分析了5种光源位置和3种照明模式,共15种直径为3 m积分球模型的辐照度面均匀性和朗伯特性。相比依靠经验设计积分球,计算机仿真研究具有周期短、成本低、重复性高等优点。仿真结果表明:照明模式和光源位置对积分球开口处辐照度面均匀性影响很小;而对开口处朗伯特性产生较大影响。首先,光源方向上的朗伯特性最差,其次,对称式照明模式则会改善朗伯特性,另外,随着光源与积分球前后半球交汇面的距离不断增加,积分球的朗伯特性逐步变优。最后,测试了直径为3 m积分球在不同照明模式下的辐照度面均匀性、光源方向和垂直方向的朗伯特性,实测辐射特性与仿真结果相吻合。     

提高太阳模拟器辐照均匀性的光学系统优化设计

针对提高太阳模拟器辐照均匀性的要求,提出对聚光镜及积分器进行优化设计的方法,在保证较高能量利用率的基础上,实现大幅提高辐照均匀性的目的。通过光学软件LightTools对设计结果进行仿真验证,并与原始设计的太阳模拟器的光学系统均匀性进行比较,证明了所采取优化方法的正确性与可行性。     

太阳模拟器用新型集束式光学积分器研究

针对当前太阳模拟器辐照均匀性难以提高的问题,设计了一种新型集束式光学积分器。在对称式光学积分器理论分析的基础上,介绍了集束式光学积分器的设计过程,用Light Tools软件对太阳模拟器光学系统进行模拟仿真。结果表明,使用集束式光学积分器后,太阳模拟器不均匀度显著降低,在Φ50 mm范围内小于0.2%,Φ(50~120)mm范围内小于1.5%,满足高辐照均匀性的使用要求。     

基于非成像光学的均匀光强反射器设计

目前,LED的应用越来越广泛,但在信号指示灯或室内照明等领域要求其光强均匀分布.提出了一种实现均匀光强反射器的设计方法,该方法根据能量守恒建立了LED光源与目标面的能量对应关系,采用差分的方法求解反射器面形,并利用光学仿真软件分析研究了反射器的出光角度与其结构参数、光强均匀度的关系.最后设计了一款半角为30°的均匀光强反射器,其光强平台均匀度为0.96,光强平台宽度比为0.86,能量利用率高达99.9％,接受面上光斑的照度均匀性也较好.该反射器同时实现了均匀光强和均匀照度.     

红外目标模拟器检定装置的研制

本文着重介绍红外目标模拟器检定装置的设计思想、测量原理、系统组成、系统标定、误差分析和测量实例。给出了目标模拟器检定装置的技术指标：可探测最小辐照度为９×１０￣（－９）Ｗ／ｃｍ￣２，光谱测量范围为１～３μｍ和３～５μｍ，辐照度测量不确定度为３％，光谱辐照度测量不确定度为６％，辐照度面均匀测量不确定度为５％和辐照平行度测量误差小于±７″。     

2.4m太阳模拟器设计

针对目标特性研究需求,设计了有效辐照面直径2.4 m的太阳模拟器。要求辐照面内的照度不小于0.3个太阳常数,出射光束准直角不大于1且被照面的不均匀度不大于3%,光谱失配误差达到Ｃ级。太阳模拟器主要由四个短弧氙灯、四个椭球面反射镜、两个平面反射镜、一组积分器和一个准直反射镜组成。对设计结果进行了软件仿真分析和实验测试。测试结果表明:太阳模拟器的有效光斑直径为2.43 m,被照面平均照度为3 382 lx,光束准直角0.97,不均匀度为2.8%,光谱失配误差达到Ｃ级,满足设计要求。     

宽动态范围红外积分球辐射源的优化设计与性能测试(特邀)

为满足红外遥感器高精度等效噪声光谱辐亮度的定标要求,在原有的设计基础上改进了红外积分球辐射源研制制造工艺,满足真空低温使用要求。该积分球辐射源采用8组碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,实现工作波段覆盖3~15 μm,可调辐射动态范围提升1倍。设计了辐射定标与测量光路,通过比对测量标准腔式黑体辐射源,实现红外积分球辐射源真空低温条件下的辐射定标。定标结果表明:红外积分球辐射源出光口法线Ф200 mm范围内的面均匀性为99.75%,±10°范围内的角度均匀性为99.81%,非稳定性为0.05%。实现了红外积分球辐射源光谱辐亮度输出等色温近线性可调功能,5 μm和10 μm辐亮度可调范围分别达到12.8 μW/(cm2·sr·nm)和1.6 μW/(cm2·sr·nm)。     

LED照明的光学器件设计与仿真

大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多,但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题,根据非成像光学理论,设定合适的初始参数,利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射,设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真,均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜,随着发光光源面积增大,照度均匀性都降低,当光源尺寸均设置为1 mm1 mm时,照明面上照度均匀性都达到95%以上,当光源尺寸增大10 mm10 mm时,照明面的照度均匀性下降到85%,符合对均匀性很高的室内照明设计标准。     

月球模拟器光源设计

针对传统的月球模拟器的设计原理复杂、成本较高、辐照特性差等缺点,应用液晶光阀技术设计了一种新型的月球模拟器,并重点对月球模拟器光源进行了研究。硅基液晶(LCOS)光学拼接技术的应用有效提高了月球模拟器的精度与模拟能力。通过控制程序对LCOS像素电压的调节,促使LCOS将入射光调制成不同的状态,从而模拟不同的月相及辐射特性。仿真结果表明:设计的月球模拟器光源可以模拟多样性的月相,并且亮度不均匀性好。采用LCOS器件的模拟器相对传统模拟器有效提高了控制精度、减小了模拟器体积。     

用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计

以非成像光学为基础,设计了一种在大发散角范围内均匀配光的大功率LED室内照明二次配光透镜方案。采用划分网格法建立光源LED和接收面的映射关系,推导透镜自由曲面面形的一般方程,采用差分法求解透镜面形方程获得面形轮廓数据,再用三维软件建立透镜模型,通过光学仿真软件对所建模型进行光线追迹。结果表明:此方案适用于40°～140°配光角度要求的均匀配光;仿真配光角度120°的照明系统,当透镜的口径与LED发光面直径之比大于等于10时,照明系统的均匀性优于0.9,能量利用率大于92%,且照明效果不受接收面高度的影响。该设计方法为实现大功率LED室内均匀照明系统的小型化和简单化提供了一种有效的途径。     

应用于CARSNET的太阳辐射计辐射定标的LED参考光源

依据我国气溶胶光学特性监测网CARSNET辐射定标方法和流程,分析了太阳辐射计实验室辐射定标技术需求与特点。为完善目前CARSNET所采用辐射定标方法中太阳辐射计天空散射辐射通道短波段定标和提高太阳辐射计气溶胶反演精度,研制了应用于太阳辐射计的LED光谱可调积分球参考光源。测试结果表明该参考光源在出光口中心 20 mm区域内的面均匀性优于99.9%,±2?小角度范围内角度均匀性优于99.9%,其输出2 h内的稳定性优于99.8%,满足太阳辐射计天空散射辐射通道短波段定标要求。     

用于辅助驾驶汽车的红外照明系统

为了解决在现有道路照明条件下，因环境照度不够、环境光强快速变化等原因，造成车辆对周边物体自动识别的准确率低的问题，本文通过软件仿真，设计了一种车载红外补充照明系统。使用红外LED作为光源，光源发出的光线经抛物面反射镜准直后，通过单排复眼透镜，在距离光源25 m处得到均匀性大于90%的矩形光斑，系统的辐射能利用率达到98%，通过30个照明模块组成平面阵列，目标照明面的平均辐照度大于0.8 W/m²。结果表明，采用单排复眼透镜实现匀光，其结构简单，装配公差宽松；本设计方法适用于其他照明系统。     

大出瞳距大视场LCD型景象模拟器光学系统设计

可见光景象模拟器是电视制导系统综合测试的核心设备。设计了一款以LCD为图像源的大视场和大出瞳距的可见光景象模拟器,包括光学投影系统和相应的照明系统。研究了大出瞳距、大相对孔径情况下无限远投影光学系统的像差特性以及设计方法,采用非远心的系统设计方案,解决了由于出瞳距大而造成的系统像差难以校正的问题,增强了景象模拟器对转台的适应性,增大了工作视场。研究了非远心状态下LCD均匀照明的特点,采用复眼透镜阵列与柯勒照明原理相结合的方法设计了配套的照明系统,解决了非远心状况下均匀照明和光瞳衔接的问题。仿真系统的全视场角为7°,F#为3.1,出瞳距离为700 mm。系统的畸变小于0.5%,在奈奎斯特频率58 lp/mm处,零视场的调制传递函数大于0.7,全视场的调制传递函数大于0.45。照明系统的照明均匀度达到了91.3%,满足仿真均匀性的要求。     

高能辐照电子枪的研制

论述了高能辐照电子枪的设计，比较了热阴极和冷阴极的优缺点，实验指出了采用碳纳米管冷阴极的好处；利用电荷密度法求出电子枪的电位分布、计算了电子轨迹和靶面处电流密度分布的均匀性。     

硅基液晶投影系统的LED光源照明系统设计

硅基液晶(LCOS)空间光调制器件的特点是反射光成像,要求照明光束发散角小,均匀性好。对此,设计了由抛物型反光碗、复眼透镜、偏振分光棱镜、聚光镜等组成的用于LCOS的照明系统,对抛物反光碗以及复眼透镜各参数的设计原理做了详细分析,具体包括光源出射角度,光源的总体长度,所需均匀照亮的尺寸,抛物反光碗各参数对出射角度的影响,其实现原理主要包括复眼透镜匀光理论。设计要求光源出射角度小于10°,总体长度为220 mm,均匀照明面积为20 mm×20 mm,最后给出聚光透镜组的设计结果,使光线聚焦到LCOS表面,照度值要达到0.35 lx/m2,其不均匀度在15%以内。进一步使用Lighttools软件,对其进行仿真,由照度曲线图和照度栅格图可知,设计结果满足设计要求。     

反射罩光学设计与均匀性仿真

运用非成像光学的光学扩展量理论,根据反射罩曲面上一定区域内入射光通量分布比例与反射光通量分布比例对等的原则,确定每一条入射光线所对应的反射光线方向,求出所需反射罩的形状.根据光源的配光曲线、辐照面积、辐照强度和辐照不均匀性等要求,进行大面积太阳模拟器的反射罩设计,并运用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真.结果表明,运用这种方法设计反射罩曲面,大大缩短设计时间,提高了效率,并且所设计的曲面能较好地符合设计要求.     

CCD光电参数测试系统的研制

研制了一套CCD光电参数测试系统,可实现对CCD的无效像元、相对光谱响应、响应度、等效噪声照度、动态范围、面响应度不均匀性等光电参数的全自动测试。CCD的相对光谱响应测试基于单光路直接比较法实现,而其他CCD光电参数的测试则基于特制的积分球光源。四个可独立开关的溴钨灯分别安置于四个次积分球内,经高精度电动光阑与主积分球级联,主积分球壁上的照度计经标定后可实时测试积分球光源出口照度值。该光源色温不变,可在大动态范围内以较高精度实现连续调节,满足CCD光电参数测试的需求。利用上述装置对E2V公司科学级CCD47-10B进行了实际测试,并分析了测量的不确定度。结果表明:相对光谱响应测试覆盖光谱范围400~1 000 nm,不确定度为4.37%。光电转换参数测试装置距离光源出口23 mm处照度覆盖动态范围0~235 lx,80 mm范围内照度均匀性达到99%,测试不确定度为4.9%。该系统可用于航天级CCD的光电参数测试及芯片甄选。     

大面积宽光谱太阳模拟器光谱匹配均匀度技术研究

针对IEC60904.9标准规定的光谱辐照度分布波长范围不能满足铜铟镓硒薄膜等宽光谱太阳电池伏安特性测试需求,提出了一种适用于工业生产用的大面积宽光谱太阳模拟器光机结构设计思路.依据IEC60904.3标准拓宽光谱波长范围为400～1 200 nm,并给出各光谱波段评判依据.详细介绍了宽光谱AM1.5G滤光片设计方法,并通过组合滤光片与单组滤光片进行比对试验,采用组合滤光片可使整体匹配偏差由9.4％缩小至5.4％.试验表明:采用组合滤光片可有效降低光源因角度效应造成大面积测试面光谱匹配不均匀的难题.