室内可见光通信系统光源LED布局优化与性能分析

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明:LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%;圆形布局光源的位置存在最优半径r=2m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。     

基于LED光源的新型准直透镜的设计

利用复合抛物面与自由曲面相结合的方法,设计出一款体积小、能效高的LED光源准直配光透镜。将LED光源发出的光线分两部分分别进行配光设计。光源发出的一部分发散角为0o~20o的光线经过球冠折射收缩发散角后再利用自由曲面准直;光源发出的另一部分发散角为20o~80o的光线经过复合抛物面折射收缩发散角后再经自由曲面准直。结果显示,LED光线经此复合型准直透镜后光束发散角小于4o,光能利用率达90%,可满足目前对光源远距离准直需求。     

玻璃管LED模组的热性能研究

提出了使用玻璃管散热的LED光源模组结构。研究了玻璃管结构尺寸、玻璃管光源放置方向、玻璃管内壁和外壁贴装LED元件等因素对LED结温的影响。结果表明:玻璃管长度的改变、光源贴在玻璃管内壁或是外壁等因素对于管状玻璃LED光源的结温影响很小;当玻璃管两头都不封口时,芯片结温随着玻璃管壁厚的增加先降低后升高,若管径为17 mm,其最佳的壁厚为4 mm;当玻璃管底部封口时,芯片结温随着壁厚的增加而降低;对于直径为17 mm、长度为45 mm、壁厚为1 mm的玻璃管,且玻璃管光源轴线与竖直方向的夹角α为30°时,LED芯片的结温最低。     

水下散射信道信号到达角度分布研究

基于多次散射模型,设计了基于蒙特卡罗仿真模型的LED传输系统,研究了不同水体环境下接收信号到达角度和接收机视场角对接收信号功率和接收信噪比的影响。在纯水和纯净大洋水环境下,接收信号功率集中分布在0°~3°,较小的接收机视场角(1°)可以获得最大信噪比。在港口水和沿海水环境下,信号功率的分布显著扩展,特别是港口水环境下扩展到0°~90°。在沿海水环境下,当接收机视场角为8°,可以获得最大信噪比;在港口水环境下,接收视场角增大到30°,可以获得最大信噪比。     

六棱锥衬底旋转角影响LED效率的模拟探究

以正六棱锥型图形化蓝宝石衬底GaN基LED为研究对象,设计并探讨了正六棱锥图案在排布过程中旋转角的变化对LED出光效率的影响,得出各面光通量随旋转角变化的规律:在0°～30°范围,随着旋转角的增大,总光通量与顶部光通量有下降趋势,底部光通量有增长趋势。当六棱锥旋转角在0°～6°范围内时,LED芯片的总光通量和顶部光通量均有最优值。综合考虑,旋转角为0°～6°的六棱锥型图形衬底对正装LED的出光效率有最佳的优化效果。     

LED汽车前照灯高效抛物反射器的研究

根据非成像光学和光度学理论,针对LED光源的发光特性和汽车造型设计要求,分析了影响抛物反射器能量利用率的几何参数,导出了抛物反射器的光能利用率与反射器的口径、收光角及抛物镜主轴相对LED光源的角度的解析关系式.分析结果表明,反射器单位口径的光能利用率随口径的变化并非单调,而是存在着峰值,当收光角为70.53°时,单位口径收光效率最大值;对一定光学扩展量的抛物反射器,通过旋转LED光源,可以进一步提高光能利用率;抛物反射器的收光角不同,最佳的旋转角度也不同.TracePro仿真模拟结果与理论分析结论基本一致,所得结果为抛物反射器的优化设计提供了理论依据.     

基于小发散角LED的光源优化布局

光源布局是影响室内LED光通信照明和通信性能的关键因素之一.相比传统布局使用的大发散角朗伯型LED,小发散角LED具有反射面积小、中心光强度高等优点.以小发散角LED为光源,以最优光照度均匀性、最少LED数量为目标,对正方形和长方形房间的光源布局进行了优化设计,并分析了优化布局的系统性能.结果表明,两种房间中优化布局的...     

应用于VCSEL的宽角度光束控制非周期性高对比度光栅阵列（英文）

设计了特定周期和占空比的非周期性高对比度光栅来实现光束的波前相位控制,进而实现对光束的多角度控制.在研究中,采用有限时域差分法模拟了特殊排列的非周期高对比度光栅,并获得了-10.644°,-21.176°,-28.307°,10.644°,21.447°和28.418°的光束控制角度.基于这种多角度控制的高对比度光栅阵列,提出了一种具有多角度光束控制的VCSEL光源,这种尺寸极小的宽角发射VCSEL光源系统能使激光雷达系统的结构紧凑化和微型化.     

照明LED语音交通导向系统的研究

利用照明LED可调制特性,提出一种基于路灯语音交通导向系统,实现LED灯照明和通信双重功能.分析单向四车道宽的道路,每条车道按车辆行驶方向通信200m所需的路灯倾角、接收角和路灯高度的关系.理论和实验验证,LED路灯半角值θ<,1/2>=60°,路灯倾角α=15°,PIN阵列接收角φ<,c>=30°时,LED语音导向系...     

大尺寸背光系统的倾斜LED阵列

为获得非常均匀的高亮度,建议采用倾斜LED阵列和平底反射器大型背光系统。倾斜LED重新安排优化光源的角度分布,而不必另外设计光学配置。新式背光系统比传统系统的结构更简单。作为设计范例,在22in显示屏上,LED的最佳倾角为10°,产生的均匀度高达85%,色域比商用CCFL背景灯色域宽1.3倍。     

大功率半导体激光束非球面准直系统的优化设计

为实现空间激光束的远距离传输,利用矢量折射定理研究了大功率半导体激光器发散光束经非球面、非轴对称准直系统的光传输特性。对空间光线传输得出了矩阵传递公式,并针对大功率线源半导体激光器的发散光束进行了高精度的准直优化设计。为实现对激光束的进一步准直,利用光学设计软件CODE-V设计了卡塞格伦光学天线。利用两点法对发散角进行了实验测试,结果表明优化设计的准直系统发散角为1.924 mrad,经光学天线进一步准直后的发散角为96.2μrad。本空间光线追迹方法对复杂光学系统的精确计算具有一定参考意义,所设计的大功率线源激光束准直系统能广泛应用于远距离激光通信系统中。     

激光定距引信远场光斑的压缩整形

针对激光定距引信的小型化激光发射系统远场光斑过大、探测距离偏近的问题展开研究。利用几何光学原理对激光定距引信的发射光学系统进行设计,采用非球面透镜与变形棱镜组合实现引信远场光斑的压缩整形,并通过ZEMAX 光学软件仿真优化和光斑试验。仿真试验结果表明,发射光束经过光学系统后,500m处的激光光斑直径被压缩到10 mm 且呈圆对称形状,准直效果显著优于柱透镜光学系统,使原有小型化、低功耗的激光定距引信探测距离明显增大。     

Nondestructive measurement of axially nonsymmetric refractive-index distribution of optical fibre preforms

A nondestructive computer-aided measurement of the arbitrary two-dimensional refractive-index distribution of an optical fibre preform is described. The angle of refraction of rays in the preform is measured by an optical set-up which features the use of a triangular mask for converting the angle of rays to their displacement. The index distribution is computed from the information on these refraction angles.     

小型大瞬时视场光学探测系统优化设计

基于小口径和瞬时大视场激光制导武器平台的要求,提出了一种小型捷联折射式离焦光学探测系统方案。该方案根据捷联式激光半主动目标探测模型和理想离焦光学系统模型得到激光制导理想光学系统参数,并以此参数为基础,使用ZEMAX软件进行优化,设计了工作波长为1 064 nm的离焦光学探测系统。该系统临界有效探测半视场为5.89,临界探测半视场为13,长径比为1.27,较好地解决了整流罩引入的像差问题,并且光斑重心位置与目标位置偏差角存在线性关系。验证实验结果表明该离焦光学探测系统误差小于0.15,满足大视场下目标位置偏差角探测的要求。     

离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法

为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

高功率半导体激光堆栈双波长合束及聚焦系统

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈,为适应半导体激光在材料加工方面的需求,设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先,利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直,然后,用双波长合束镜将其合束。进而,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直,最终,用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析,并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹,得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟,开展相应实验。经合束和聚焦,实现焦距300 mm,焦点尺寸2.0 mm4.0 mm的聚焦光斑,输出功率5 000 W,功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆,表面处理等工艺。     

新型结构之直下式背光模组最佳化设计

在直下式背光模组中,除了均齐度之外,光使用效率在背光模组也是很重要的考虑量,在此将直下式背光模组底部反射板改变构造,在每支灯管之间添加三角形的反射物,使光缘经由三角反射物反射后,其角度与法缘之夹角变小,进而导正光缐的方向.将光缐在三角反射物模组之追跻情形与统计强度分布到优化功能建立于程式中,以缩短模拟时程,同时对均齐度与光使用效率做优化,并与光学软体做比对验证,进而减少棱镜片之成本.在此优化 32 inch 16:9 面板,厚度 2.5cm,灯管数目为 10 支之三角反射物背光模组,加上扩散板后,其最佳出光角度分布之半强角都在 46°,均齐度也有控制在90%以上.根据本研究成果,一些光学膜片可以不置放于此新型背光模组中,将可大幅减少零组件之成本.     

基于LED光源的投影LOGO灯设计

根据固体照明LED光源的特点,文中提出了一款基于3.5×3.5 mm朗伯体LED光源的紧凑型投影LOGO灯系统。利用成像设计软件Code V设计一个两片式成像系统,该系统物距为2 900 mm,像距为15 mm,像高为5.792 6 mm。根据光路可逆原理,给该成像系统匹配一个准直度高、均匀度高的光源,在LigtTools软件中设计了一个分级准直透镜组,LED光源经过准直后角度为4.2°,光斑均匀度达到了91.7%。将两个子系统结合在一起,可以在2 900 mm远的接受面投影出菲林的完整清晰的均匀图案,图案直径为1 600 mm。与现有的系统相比,此系统长度短、结构简单、投影图案均匀度高。     

无光焦度校正板的在主镜前牛顿光学系统的设计

详细描述了光阑在主反射镜前的无光焦度校正板 - 牛顿光学系统的设计方法.通过移动光阑位置,改变主镜偏心率,选择校正板光焦度,进行光学系统的光线计算,求解出光学系统的最佳选择,并给出各种设计曲线和设计结果,对光学系统进行合理的评价.并以通光口径φ=300,相对孔径A=1/2,视场角θ=±5°,校正板光焦度ψ<,11>=5的牛顿光学系统为例,分析得到系统优化后的像差系数S<,1>=0.000002λ,S<,2>=0.000025λ,0°视场时的波像差为0.3174λ,±5°视场时的波像差为90.9861λ.