一种高效均匀复合型菲涅尔透镜设计北大核心

针对可见光通信系统中菲涅尔透镜天线无法兼顾高聚光效率和均匀性的问题,设计了一款复合型菲涅尔透镜。通过采用分区法将透镜分成内环区和外环区,提高了菲涅尔透镜的聚光效率,并结合分布式焦点法对透镜结构进行优化,改善了聚光光斑能量均匀性。仿真结果表明,该复合型菲涅尔透镜实现了高聚光效率下的能量均匀分布,适用于高增益、短焦距和小视场角的可见光通信系统。     

一种环面焦斑菲涅耳聚光器的设计与分析

在聚光光伏系统中,聚光光斑辐照度的不均匀性会降低光伏系统的光电转换效率,且会在光伏电池表面形成热斑效应,灼伤光伏电池。基于多焦点方法,设计了一种环形焦斑菲涅耳太阳能聚光镜,每环小透镜在焦平面上具有一个环面焦斑,且环面焦斑在接受面上均匀依次排列,实现均匀聚光。以口径400mm,具有200环,焦斑半径20mm,F数为0.8的圆状环面焦斑菲涅耳聚光器为实例,用TracePro模拟平行太阳光垂直照射下时的照度图,得到其理想光学效率为86.77%,光能均匀度为0.8,表明环状焦斑菲涅耳聚光器具有较高的光能利用率和照明均匀性。分析了焦斑均匀性与聚光器F数的关系,当F数一定时,焦斑均匀性随着聚光器口径的增大而逐渐降低。     

圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法

Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一,曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论,提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底,在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下,实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求,利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜,通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响,并分析了超精密加工条件下,由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明,具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。     

聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真

对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。     

微型投影系统光路设计

为了改善传统的数字光处理投影系统（DLP）体积较大、结构复杂、成本较高、对光源的利用效率较低的问题,采用一种基于单颗三色发光二极管作为照明光源,单颗透镜形成平行光的新型DLP投影光路结构的方法,对传统光路进行了改进与优化。无需传统光路中的色轮,透镜直接实现了传统投影光路中聚光和匀光的复杂结构,并利用TRACEPRO软件进行建模,通过光线追迹对该投影光路进行了光学分析。结果表明,整个光学系统的体积控制在76.8mm×32.2mm×25mm,光能利用率达到了60.1%,光斑均匀性达到了96.6%,屏幕表面的光通量为21.7lm。该研究减小了投影光路体积,简化了光学结构,提高了光能利用率。     

基于LED的光栅光调制器照明系统的优化设计与实现

设计了一种基于LED照明的光栅光调制器(GLM)照明系统,以自由曲面TIR透镜、光棒、聚光透镜组为主要光学元件来提高LED光能利用率,并实现光场均匀化。通过仿真得出,照明系统的光能利用率为78.7%,光照均匀性为85%,实验与设计结果基本一致。这表明,优化后的光栅光调制器的照明系统,解决了基于LED的照明系统光照不均匀和光能利用率低的问题。     

用于合成全息图拍摄的相位散射片的设计

介绍了合成全息图拍摄过程中图像的滤波处理过程,并分析了利用透镜对图像信息进行会聚时光场的不均匀性问题。为改善会聚光场的均匀性,通常需在透镜前设置弱散射片,从理论上分析了相位散射片改善光场均匀性的原理,基于该原理利用傅里叶迭代算法(G-S算法)对相位散射片的相位分布进行了设计,并将所设计的相位片应用于实际图像进行了仿真分析。结果表明,通过精确设计相位片的相位分布能极大地改善光场的均匀性,且能在一定范围调整光斑尺寸的大小。最后针对相位片实际制作中相位的量化问题分析了量化误差的影响,仿真结果表明,当量化阶数达到8阶时量化误差的影响可以忽略。     

基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

基于透镜侧面棱镜和前后膜芯添加微透镜设计一款出光角度可变的均匀混光照明透镜。采用棱镜和微透镜结合的新型方法,分别对透镜外侧棱镜和模芯微透镜进行新的设计。对目标角度进行映射关系的计算及推导,得到全反射棱镜的轮廓曲线图,中心内外部分采用折射型的微透镜阵列,通过Solidworks建立透镜模型,然后导入光学仿真软件Lighttools中进行光线追迹。采用12颗30 mm×30 mm贴片式不同色温的LED作为光源,设计了一款高度20 mm,直径52 mm的单颗实用型投射透镜。仿真与实测结果表明：所设计的透镜匹配该阵列光源后,光学效率高于87%,半光强角为40.6°,可以实现均匀混光投射照明。     

利用整体毛细管X光半会聚透镜会聚同步辐射

为了进一步开展基于整体毛细管X光半会聚透镜和同步辐射的微区X射线分析,利用整体毛细管X光半会聚透镜和超环面镜的组合会聚了同步辐射。在8 keV能量点,利用超环面镜,将面积为2.3 mm×26 mm,竖直发散度和水平发散度分别近似为0和1.1 mrad的同步辐射光束会聚为面积为0.9 mm×0.3 mm,水平和竖直发散度分别为1.4 mrad和0.1 mrad的束斑,然后利用整体毛细管X光半会聚透镜将束斑会聚成直径为21.4μm的微焦斑,该整体毛细管X光半会聚透镜对束斑的传输效率为7.9%,该透镜焦距和焦斑处单位面积上的强度(功率密度)增益分别为13.3 mm和59。     

用于LED 平板灯面板均匀照明的自由曲面透镜设计与实现

设计了一种PMMA自由曲面透镜,用于无导光板结构的LED平板灯。该透镜基于自由曲面透镜的折射和全反射原理实现出射光的重新分布,可用于均匀照明LED平板灯的出光面板。采用数字仿真和实验制作进行设计。仿真结果表明,当自由曲面透镜与出光面板的距离为5 mm、自由曲面透镜旋转为0、LED与自由曲面透镜的距离为7 mm时,LED平板灯出光效率较高且整灯均匀性达96.6%。实验结果表明,所设计的自由曲面透镜可使无导光板结构的LED平板灯的面板均匀性达95.74%,与数字仿真近似相等。