单个非球面扩束透镜的设计

为设计单个非球面扩束(缩束)透镜,由光线折射定律矢量形式和对非球面折射特性的理论分析,提出了一种设计单个非球面扩束(缩束)透镜的新方法全面学习策略的粒子群算法,并用此方法设计出了线度小于170 mm缩束14.16倍的单个非球面缩束透镜,用光线追迹方法模拟了缩束或扩束过程。模拟结果表明,单个非球面透镜可以起到缩束或者扩束作用,全面学习策略的粒子群算法可用于非球面缩束透镜的设计。单个非球面透镜作为扩束镜使扩束系统结构大大简化,大大提高了出射光斑的均匀性。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。     

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。     

基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计

为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题,根据几何光学原理,分别针对半导体激光器弧矢和子午方向的不同发散角度建立数学模型,设计出了在两个相互垂直的方向上具有不同非球面面型的非球面透镜,并在ZEMAX光学设计软件中进行了仿真。经非球面准直透镜准直之后,半导体激光器快慢轴方向的发散角分别从35°和7.5°压缩到了1.8 mrad和0.84 mrad,在距离光源10 m处接收面上的总光功率为0.497 W,光能利用率高达99.4%。结果表明,在相互垂直的方向上具有不同面型的非球面准直透镜对半导体激光器的准直具有良好的效果。     

基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现

介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法,并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜。对初始结构不断进行逼近,最终得到准直透镜的模型。透镜外径为35 mm,总高为21.5 mm。透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟,效率高达84.8%,K值高达125.8 cd/lm。模拟应用于35 W的探照灯时,在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑,光斑中心照度高达60 lux。透镜实际样品被制作出后,经过测试,实际透镜的光束角为3.2°。此款透镜被用于实际探照灯灯具中。     

激光测距仪用非球面准直透镜优化设计

针对激光测距仪使用的650 nm激光二极管光源的远场发散角特点,结合非球面光学设计理论,使用ZEMAX软件模拟计算了非球面透镜准直系统成像像差并进行了最优化,设计出非球面准直整形系统,给出了系统数据、点列图、横向像差特性曲线和光程差仿真图。给出了一种采用非球面透镜准直系统对激光二极管的发散角进行压缩准直的设计。由计算结果可知,准直整形后的最大发散角压缩为0.199 9 mrad,相应的光斑更均匀,能量利用率提高。给出的光学系统结构简单、制作方便、具有很好的球差校正能力、成像精度高且使用方便。     

用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计

为了提高DLP投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路,采用一种自由曲面的TIR透镜作为DLP投影照明系统的准直器件。首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系,并采用迭代的方法使用Matlab软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形,然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型。分别用理想点光源和扩展光源进行模拟,经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内,并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数,建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真,最终均匀度达到了90%,满足了投影照明系统的需求。     

双半圆柱透镜准直半导体激光光束

柱透镜被广泛运用于准直半导体激光光束,而普通圆柱透镜准直能力并不高,为了克服这一不足,提出一种新的柱透镜结构:双半圆柱透镜(DHCL);基于光线传输理论导出该结构柱透镜准直激光光束的基本公式并给出数值模拟的结果。理论分析和数值模拟均表明:在用于准直半导体激光器输出光束方面,双半圆柱透镜突破了普通圆柱透镜在最佳准直时对透镜材料折射率的限制,提高了结构设计和材料选择的灵活性;特别是在高折射率条件下,双半圆柱透镜对光束的准直能力远远超过了普通圆柱透镜。理论上可以将半导体激光光束快轴方向发散角压缩到0.1 mrad的量级。     

基于全内反射透镜的扩展光源准直照明系统特性研究

在理论上,全内反射透镜可对所有光线进行收集,因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构.利用光学软件进行仿真和实验测试,分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性,包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率,并揭示了出射光束发散特性的决定机制.研究发现:与同口径平凸准直透镜的配光效果相比,全内反射透镜的光通量利用率提升显著,但出射光束发散角也明显增大,使得二者出射光束光强无明显差别;且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同,故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差.     

单个椭球面扩束透镜的设计研究

为了设计单个椭球面缩束(扩束)透镜,采用全面学习策略的粒子群算法作为设计方法,依据光线折射定律矢量形式所表征的椭球面折射特性进行了理论分析,得到了用全面学习策略的粒子群优化算法设计单个椭球面缩束(扩束)透镜的适应度数据公式,设计出了线度小于170mm缩束14.16倍的单个椭球面缩束透镜,并用光线追迹方法模拟了缩束或扩束过程。结果表明,单个椭球面透镜可以起到缩束或者扩束作用,全面学习策略的粒子群算法可用于椭球面缩束透镜的设计。这一结果对于简化扩(缩)束系统结构、设计出适应于不同要求的单个扩(缩)束透镜是有帮助的。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

Design of a novel LED collimating element based on freeform surface

A novel element for collimating LED light is designed based on non-imaging optics. It is composed of a refraction lens and a reflector. The upper surface of the lens is freeform and calculated by geometrical optics and iterative process. The lens makes the rays in the range of 0°-45°from the optical axis collimated. The rays in the range of 45°-90°from the optical axis are collimated by the reflector. The inner surface of the reflector is parabolic with its focus located in the LED chip. The designed element is applicable to LED source of any emitting type. For a certain application, the simulation results of the designed element in Tracepro show that it has a very compact structure and good collimating performance. Just investigating the loss in the lens surfaces, this element has high light output efficiency of nearly 99%. Most lighting area radii are no more than 20 mm when the illuminated plane is 5 m away from the LED source.     

激光热灼枪准直镜头设计与非球面优化方法

为了满足激光武器对光束质量日益增长的需求,提出了一种光学准直系统的设计思路及非球面镜优化方法,并将该方法成功应用于一款激光热灼枪的镜头设计,使该枪可以在更远范围内获得更高质量的准直光束。首先在战技参数分析和光路计算的基础上得到初始结构,而后对其进行非球面优化,并基于ZEMAX对两次仿真结果做出对比分析,数值结果显示优化结构具有显著优势,其非球系数和曲率半径分别为0.584 mm和115.37 mm,光能利用率在使用GB 1316-88减反射膜的情况下可达99.92%。经过公差分析后加工出镜头并与枪体组合进行了木板烧蚀实验,实验与仿真结果吻合度良好,镜头性能的优越性证明了所提出设计及优化方法的可行性与合理性,也为其他领域的类似问题提供了一定的参考价值。     

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。     

适用于单片LCK投影机之均匀且准直的高亮度LED灯的最佳化设计

研究以配合新型单片式液晶显示面板结构,设计-个发光二极体灯罩模组,套用于发光二极体晶片上,使其出光达到准直及均匀的光束,便将出光直接投射到液晶显示面板上,我们先以点光源计算求出灯罩模组相关参数,再配合 ZEMAXTM及ASAPTM光学软体进行优化模拟,在此我们以 1 mm×1 mm之 Lambertian 分布光源做模拟,在有效面积里面的均匀度为 85.4%,半强角为 4.8°.     

基于补偿法的均匀照明自由曲面LED反光杯设计

根据面向理想光源的设计原理,提出了基于能量补偿和坐标迭代的自由曲面母线求解方法。在二维坐标系中建立系统模型,由反光杯反射光对直射投射光进行补偿,将反光杯右上边缘的光线反射到目标面左边缘,且随着光线下移反射光线逼近目标中心。根据Snell定律,以上边缘点为初始点,逐一迭代得母线上各点坐标,旋转或拉伸生成所求反光杯。在Tracepro软件中的模拟结果表明对圆形或正方形目标照度均匀性均优于85%,且系统能量利用率仅由LED出光角度和反光杯反射系数决定,该结构可使LED光源用于大范围照明。     

用于投射式LED汽车前照灯的新型配光镜的设计

在投射式LED汽车前照灯系统中,用大齿距等厚菲涅耳非球面透镜代替传统的非球面透镜作为投射透镜.可使系统轻量化、小型化,提高系统总体性能,满足更加自由的汽车造型要求.根据斯涅耳定律和费马原理,推导出了新型大齿距菲涅耳非球面透镜面型设计的一般公式,建立了面型与齿距厚度、后截距、入射光孔径角等的关系.应用Matlab和Tracepro软件,建立了实体模型.仿真结果表明:新型透镜可满足汽车前灯国标(GB4599-2007)的配光要求;与非球面透镜相比,新型透镜的扩光能力更好,视野范围更宽,能有效改善眩光的影响,并减少了系统尺寸,使得系统更加紧凑.     

双曲柱面-平面透镜对半导体激光光束的准直性能

根据光线传播的基本原理，位于偏心率恰为相对折射率的双曲折射面外侧焦点上的点光源所发出的发散光，经折射后可成为较为理想的准直光束、因而可以制作用于半导体激光二极管条快轴方向准直的双曲柱面-平面透镜。本文通过计算和推导，用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过双曲柱面-平面透镜后的半宽度、光强分布和光能转换效率，为正确认识和使用微双曲柱面-平面透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散，提高光束质量提供了理论依据。     

直下式LED平板灯的均匀照明设计

针对超薄LED 平板灯导光板价格昂贵以及传统直下 式LED 平板灯厚度厚和LED 数量多等 问题,设 计了新型直下式LED 平板灯。基于边缘光线理论,对光源和目标面进行网格划分并形成映射 关系,由Snell 公式推导出内外自由曲面的微分方程,采用迭代法计算出内外自由曲面数据,设计实现适用 于直下式LED 平板灯的大角度二次光学透镜。研究表明:双自由曲面大角度透镜可实现对LED 150°的大角度配光,其照 度均匀度为0.86,且能量利用率为99.5%。在 不同厚度下,利用大角度二次光学透镜的LED单元阵列距高 比(D/H)约等于3时,目标面上的照度均匀度均达到0.88以上。通过对新型直下式LED平板灯照明效果 进行模拟,结果完全满足国家建筑照明设计标准,且LED的使用数量为相同功率下传统直下 式LED平板灯的30%,减小了20mm的厚度,大 大降低了LED平板灯的生产成本。