一种LED光源矩形斑照明的优化算法及其仿真

微分方程求解法是设计自由曲面最常用的一种方法之一,此方法是通过建立照明源与被照明面之间的几何关系,来实现自由曲面的数值求解。通常会基于照明光源的光分布与被照明面的照明要求,建立一组偏微分方程,方程组的未知数为自由曲面的每一个节点的坐标和曲率值。通过能量守恒原理,解出所需要的自由曲面每个节点的具体坐标值。在现有微分方程理论的基础上,通过分割自由曲面和变步长的龙格-库塔算法,大幅改善了矩形照明斑的形状、能量利用率及均匀性等,对矩形照明斑质量实现了优化。     

基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的TIR组合透镜设计与仿真

LED功率的不断增大使其逐渐替代传统光源,并广泛用于各种照明光源。在某些室内照明以及道路照明设计中,通常需要借助LED透镜产生矩形光斑从而充分利用光能避免浪费。利用Light Tools软件设计了一种全内反射(total internal reflection,TIR)透镜与特定微型透镜阵列的组合透镜,设置TIR准直透镜透射曲面和全反射曲面为二次曲面,并对其进行准直优化。然后建立单个微型透镜,设置单个矩形微透镜长宽比分别为1∶1、3∶2和4∶3,并将其阵列化。通过改变微型透镜的尺寸以及球面曲率半径进行进一步优化,最后生成与微型透镜长宽比对应的均匀矩形光斑,从而满足不同矩形照明区域的照明需求。     

三维振动测量系统的照明模块设计

为了满足三维测量系统所需的大视场照明条件,设计了一种基于自由曲面的透镜阵列的匀光照明模块。根据能量对应关系计算得到自由曲面透镜的离散点数据,通过Rhino软件拟合离散点得到该自由曲面透镜实体模型,再将得到的自由曲面透镜面型导入Light Tools软件,进行阵列后得到匀光照明模块。仿真结果表明,该照明模块可使2.56m2的接收面上的亮度达到13 102lx,照明均匀度达到92.86%,且公差符合装配要求。     

基于发光二极管配光曲线设计自由曲面透镜

针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求,选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线,利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列,以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜,形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割,形成矩形光斑,并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明:与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比,采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%,背光亮度提高了96.4%,非均匀性由23.8%略提高到23.1%,半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直,易形成高亮度的均匀矩形光斑,满足头盔显示器液晶像源背光的要求。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

HPV基因芯片检测装置的匀光照明设计

人乳头瘤病毒(HPV)基因芯片检测装置可读取与分析HPV芯片的杂交点信号值,进而区分不同的HPV病毒类型,而检测装置照明的均匀性关系到HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明,优化了矩形LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先,分析单个LED灯珠的辐射强度分布,建立矩形LED阵列的理论模型;然后,在仿真软件中建立4行8列的矩形LED阵列模型;最后,搭建HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明,该照明系统能使70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到95.6%,满足了HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。     

光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素。根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声。通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征。根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响。利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°。     

板料多点成形中基于NURBS曲面拓展的压边过渡面设计

研究了基于非均匀有理B样条(NURBS)的曲面拓展方法，结合多点成形设备的特点，开发了板料多点成形压边过渡面设计系统。实现了曲面柔性拓展和曲面桥接拓展两种不同的压边过渡面设计。这两种压边过渡面的设计算法效率高、适应性好，生成的过渡曲面与原曲面达到G^2连续。     

自由曲面形状信息及其反求

对自由曲面的快速反求系统进行了研究。将矩形光栅投影在被测表面上,利用光栅投影法测量自由曲面上每点高度信息。对测量的三维离散数据进行一种特殊的Hermite插值,通过重叠的矩形作用域迭加形成一个由矩形网格表示的新曲面。采用AutoCAD命令绘制三维自由曲面。     

表面多点触摸系统照明设计

为有效解决表面多点触摸系统照明亮斑问题,介绍了一种用于摄像式表面多点触摸系统的照明装置设计过程与方法,从光源选择,反光面以及控制电路的设计等方面进行论述,并结合具体实例对设计结果进行验证。实验结果表明,采用这种设计方法可以较好的解决表面多点触摸系统照明均匀性问题,提高触摸系统的精度。     

Köhler illumination in the TEM: Fundamentals and advantages

Köhler illumination is the most favourable design for the illumination path of an electron microscope with a condenser objective lens. The new illumination system of the EM 910 and EM 912 OMEGA allows both wide area (Köhler) illumination for TEM operation and spot illumination for analytical investigations. Compared to conventional systems and objective lenses with a condenser mini lens, this system offers many advantages. In addition to the homogeneous, highly coherent and parallel illumination of every point in the specimen, it offers advantages for selected area diffraction and spot scan mode. Combined with the electron optical selection of a condenser aperture, this illumination system provides the flexibility necessary to achieve optimum illumination for the specimen.     

单芯大功率LED匀光照明阵列的设计

为构造大功率LED激发Cy3/Cy5荧光染料的均匀面照明系统,选择单芯大功率LED芯片PT54TE设计了红绿双通道匀光照明阵列。首先通过分析单芯大功率LED芯片PT54TE辐射强度的分布,建立大功率LED环形照明阵列的模型;然后为提高光线利用率,在LED外侧建立柱面镜反射结构,并通过斯派罗法则求解该结构的参数;最后由Tracepro仿真验证。研究表明,分别由4颗红/绿PT54TE构成的环形阵列在目标平面(30mm×30mm)内的光照均匀度大于95.4%,光通量大于700lm,比未配置柱面镜反射结构的环形阵列的光通量至少提高了52.5%。     

用于光学相干层析系统的三反射镜光束整形扫描机构的光学设计

为了实现高斯圆斑向平顶线斑的转化,提出了一种用于高斯光束整形的三反射镜光学系统。利用环形面对两个相互垂直方向的光线会聚、发散作用不同,标准球面具有旋转对称性质,以及二次曲面系数、非球面系数可以实现高斯分布转化为平顶分布的原理,采用ZPL语言与自动优化结合的方法完成了系统设计。设计得到了一个方向平顶的矩形光斑以及平顶线斑,整形效果良好,并结合在光学相干层析(OCT)系统中对样品照明或扫描的实际要求,通过小角度(±2°)旋转系统第一个反射镜对所得线斑进行扫描,在扫描角度内可以实现线性扫描(扫描范围约为10mm×11mm)。结果表明,该三反射镜系统满足轻量化、结构紧凑、不受工作波长影响的要求,是一种可行、有效的方案。     

远场均匀照明的LED排列设计

为了实现远场的照度均匀性,在已设计的LED平面排列组合的基础上,提出了LED白光照明单元的球面排列设计方法。相比平面的排列,把LED照明单元组合排列在半球形表面,在被照接收面上产生更宽角度的照度分布。并对几种不同排列的LED照明单元进行分析,建立了光学模型和设计方程式,模拟出远场的照度分布情况。结果表明在极限角度内LED球形排列具有均匀广泛的远场照度分布。     

数字X线影像仪中激光扫描光学系统的设计

数字X线影像仪是计算机和激光技术快速发展的产物,而其中的激光扫描光学系统是其核心技术之一。针对数字X光影像仪的使用特点,对激光扫描系统中的Fθ镜头、光束扩展器、扫描器这几个关键部件进行了较详细的论述分析,提出并解决了其中一些关键问题,如光阑位置浮动对像质的影响、影响系统扫描光点大小的因素、扫描器的确定等。最后用ZEMAX光学设计软件对系统的光学性能进行了设计模拟,得到扫描光斑直径小于0.1mm、焦距和视场满足线性关系的设计结果。像质评价分析结果表明,所设计的镜头像质优良,轴上与轴外质量相当,像质达到衍射极限。