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。     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计

单元结构、阵列排布和偏转控制是阵列菲涅尔透镜的三个重要因素。单元结构采用了棱镜加菲涅尔透镜结构,排布方式引入蜂窝式阵列,构成蜂窝式阵列菲涅尔透镜。该透镜可以将准直光源发出的光线投射到1m远、直径为30mm的圆形区域内并形成特定图形。通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角,以及每个菲涅尔透镜的背侧光面倾角的优化,实现了一款蜂窝式阵列菲涅尔透镜的光学设计。通过光学仿真分析,结果表明该设计方法灵活可靠,光线控制效果良好,具有实现图像级配光的能力。     

LED和梯度折射率透镜投影系统光路设计

现有的数字光处理投影(DLP)系统采用色轮和中继透镜等元器件,由此导致投影系统结构复杂。针对现有技术的缺陷,本文设计了一种以三色LED作为照明光源,以梯度折射率透镜形成平行光的新型DLP投影系统。和传统的投影系统相比,减少了色轮、中继透镜、反射镜等元器件,简化了光学系统的结构。借助于Tracepro软件进行了模拟与仿真,对光线追迹的结果进行分析,分析得到整个投影系统的光斑均匀性为96.9%。结果表明本设计使投影系统的光路得到了简化,光斑的均匀性也得到了改善。本设计只需要选择合适的投影镜头,就可以消除LED面光源宽度过大对投影光斑的影响。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

光纤阵列准直器设计及其发散角测量

传统基于单个固定折射率透镜和渐变式折射率透镜制备光纤阵列准直器的方法,存在阵元数扩展困难、封装工艺复杂且集成化困难等缺点。利用光学微透镜易阵列化且阵元特性一致性好等优点,提出了基于平凸微透镜阵列制备光纤阵列准直器的方法。根据高斯光学和矩阵光学理论,对光纤阵列准直器的准直特性进行了理论分析和仿真,确定了光纤阵列准直器的相关设计参数,据此加工制备了四阵元一维排布光纤阵列准直器,其阵元间距为250 μm。通过远场光斑法对光纤阵列准直器的主要性能参数远场发散角进行了测量,并采用蒙特卡洛法对测量不确定度进行了分析与评定。光纤阵列准直器各通道远场发散角的测量值分别为0.69°,0.67°,0.71°,0.68°,测量扩展不确定度为0.02°,该测量结果在设计容差(0.68±0.03)°之内。该光纤阵列准直器具有良好的准直特性,能够满足光纤通信系统中光纤阵列准直器小型化和集成化的需求。     

基于LED阵列光源的太阳模拟器

针对目前LED太阳模拟器辐照度低、光谱匹配性差等不足,提出一种由LED阵列光源,菲涅尔透镜、光学积分器、准直物镜组成的LED太阳模拟器。首先根据多光谱拟合理论,在400~1 100nm优选15种不同波段的LED光源,计算出光源所需功率,实现太阳光谱的精确匹配。其次优化设计了菲涅尔透镜、光学积分器以及准直物镜,校正了太阳模拟器的像差,提高了太阳模拟器的能量利用效率以及辐照均匀性,并利用LightTools软件对所设计的光学系统进行仿真分析。最后搭建了光学系统实验装置,测试结果表明:100mm×100mm内的辐照度达到1 376.3 W/m~2;拟合的太阳光谱匹配度达到AM1.5条件中的A级,辐照不均匀度为±1.73%,辐照不稳定度为±0.82%,综合性能指标达到太阳模拟器中的3A级水平。     

微型透镜元件的最新动向

一、前言微型透镜元件在光通信领域中的应用最初是作为半导体激光器与光纤耦合的耦合透镜而发展起来的。最近,随着光盘等在信息记录再现领域中的应用迅速扩展,物镜和准直透镜作为光敏元件开始得到大量使用。因此,     

一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究

随着半导体照明技术的发展,LED路灯应用日益广泛。其二次配光设计对LED路灯照明具有重要的作用。LED路灯应用中,为了使其照度和照度均匀度满足一定的要求,设计采用了自由曲面透镜的二次配光。根据折射定律、目标照明面光分布和照度均匀建立自由曲面的方程,数值法求得面型数据并导入建模软件拟合成透镜实体,对利用自由曲面透镜配光的LED及LED路灯进行了光线追迹仿真及分析。结果表明基于自由曲面透镜的LED路灯具有较好的照度、亮度和均匀度。     

新型可控焦距液体透镜阵列

为了提高成像品质,提出了一种新型液体透镜阵列镜头。先将油滴沉入弹性体底部形成具有可控焦距的单个液体平凸透镜,再通过唯一平台实验液体透镜阵列,制作液体透镜阵列。通过控制滴入硅胶基底的硅油液体体积大小,控制单个微透镜的折射面曲率和透镜焦距。通过位移平台,控制阵列中微透镜的排布和个数。透镜阵列制作方法简单且成本低,透镜抗挤压能力强,焦距可控,阵列规整,在制造过程中,可以控制镜头光圈和初始焦距,因此是一种实用性较高的透镜阵列。     

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。     

发光二极管道路照明的配光优化设计

从道路照明评价指标出发,对发光二极管(LED)道路照明的配光进行优化设计.综合考虑照度分布与道路照明评价指标之间的函数关系,建立了LED路灯照度分布的数学模型.以照明评价指标为优化条件,亮度-照度比Q为优化目标,求解有约束的最优化问题,得到配光曲线.以沥青路面主干路为例,把得到的配光曲线导入照明模拟软件中进行仿真模拟.配光优化结果表明:其横向配光呈非对称分布,且最大光强偏向机动车道方向,比传统的对称式配光曲线节能30.3％;Q为0.072 7,高于一般沥青路面的比值;同时各项照明评价指标均符合CJJ 45-2006的要求,配光性能良好.     

LED铁路信号灯的光学系统研究

随着大功率LED光源和照明技术的发展,LED已经广泛地应用于照明领域,这也给灯具的配光设计带来了新的挑战.从LED光源应用于铁路信号灯的实际要求出发,对LED铁路信号灯的光学系统和灯具的配光进行了研究,设计出了一种透镜型的光学结构,并通过光学软件Tracepro进行了模拟仿真,从而达到了铁路信号灯要求的光强度和光束散角...     

Miniaturized TIR Fresnel lens for miniature optical LED applications

Light-emitting diodes (LEDs) have been investigated to expand their application to very thin electronic devices, including various optical components in a single device. In such applications, the collimation of light produced by LEDs using a conventional Fresnel lens can be bent at angles greater than 45°, whereas most LEDs radiate at solid angles greater than 60°. This paper describes a miniaturized total internal reflection (TIR) Fresnel lens for such miniature optical LED applications. The proposed lens reduces the solid angle of a LED from 60° to 12°, and was designed to have a thickness of less than 1 mm with eleven facets on a single side. The overall geometry of the TIR lens was calculated numerically using Matlab, and the central hyperboloid was designed using Code V.     

应用于工业扫描枪的照明系统设计

针对工业扫描枪扫描时对被扫描面的照明要求,对扫描枪照明模块进行设计。与传统的商用小型扫描枪比,设计的工业扫描枪可实现更大面积均匀矩形的照明光斑,灵敏度与照明面的锐利度都有所提升。采用两种设计方案:一种方案通过拟合一个自由曲面,使光源经过自由曲面后得到所需光斑;另一种基于传统非成像原理设计的照明光路,使用复眼匀光得到所需光斑;根据市场需求,两种设计方案均可在被扫描面距离扫描枪350 mm处呈350 mm×230 mm的均匀矩形照明面,且照明轴上点的强度大于0.2 W/cm2,全部照明面均匀度大于75%。     

LightTools软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用

以模拟单颗LED的均匀配光为例,介绍了LightTools软件在照明系统设计中的应用,以便更进一步地掌握和使用LightTools软件。文中借助LightTools软件,在单颗LED上建立反光杯模型,在反光杯出光口建立透镜阵列,并在目标照射面上建立目标区域的强度网格,通过LightTools软件的优化模块进行优化后,可在目标区域得到均匀的光强分布。利用LightTools软件进行辅助设计和优化模拟,具有很高的可信度,也可以大大缩短照明设计的周期。     

模块化等亮度LED路灯设计

针对当前LED路灯照明采用照度均匀的设计方法无法满足道路照明实际需求的情况,通过推导自由母线的偏微分方程,在研究路灯配光特性的基础上,应用SolidWorks软件建立LED路灯的光学模型,将光学模型导入TracePro软件进行仿真,应用DIALux软件模拟实际道路场景和路面的光照情况,完成一款符合国家标准的LED道路照明灯具配光设计。设计灯具的路面亮度总均匀度和路面纵向均匀度分别为0.82和0.77,都高于国家照明标准,既满足亮度均匀性的要求,也满足照度均匀性的要求。并研发了一款全新的模块化灯具结构,实用方便,市场前景广阔。