基于由照射目标向光源映射和微带表面构型的分离变量三维自由曲面非成像光学系统设计

为了使以发光二极管为代表的光源在照射目标平面上获得高分辨率的并具有复杂预定形状的远场照度分布,提出了从照射目标平面向光源映射、基于微带表面构型的分离变量三维自由曲面非成像光学系统设计方法。首先,计算依赖于映射关系的表面法向矢量;其次,逐步计算网格格点和表面微带的边缘曲线形状;最后,将所有表面微带联结在一起构成光学系统的表面。该设计方法具有无需误差校正过程,可以高效设计具有复杂照度分布形状的光学系统等独特优势。高分辨率光线追踪模拟结果表明,对于照射目标平面上的棋盘状和条状等多种预定照度分布形状,应用该方法均可高效地获得精准的非成像光学系统。

面向光束整形的自由曲面衍射光学设计方法(特邀)

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。

自由表面光学系统对白光LED色温角分布的影响

基于非成像光学设计的自由表面光学系统,对提高以LED为核心的固态半导体照明的性能起着至关重要的作用。文章提出了简化模型模拟一次封装白光LED光源的色温角分布特性,并研究了自由表面光学系统对该色温角分布特性的影响。仿真与实验结果都表明,自由表面光学系统可以明显改善白光LED光源的色温角分布不均匀特性。

相位恢复的蒙日-安培方程与迭代角谱复合型方法

融合几何光学的蒙日-安培方程方法和物理光学的迭代角谱算法,提出了一种复合型相位恢复方法。针对迭代角谱算法高度依赖初始值的问题,将蒙日-安培方程的解作为迭代初值,该初值通常比光强传输方程的解更准确。采用传统迭代角谱算法与混合输入输出算法的交替迭代策略,以避免算法过早陷入局部最优和迭代停滞。通过数值计算与仿真验证了所提复合型算法的优越性。

面向半导体照明的光学

以发光二极管(LED)为核心的半导体照明光源成为世界公认的第三代照明光源。通常基于蓝光LED抽运黄色荧光粉产生白光的方案,因荧光粉的斯托克斯位移和宽光谱,其具有产业化价值的发光效率上升范围受到极大限制。另外,传统封装LED因其朗伯型发光分布和超高亮度会造成严重的眩光以及光分布难以满足照明应用要求从而导致光污染、光浪费,导致传统封装LED不能直接应用于通用照明领域。基于色度学原理,研究了半导体照明的极限流明效率,结果表明,基于红、绿、蓝三基色合成白光的方案,优化后在整个半导体照明白光区域显色指数Ra大于80,其极限流明效率可达430 lm/W,远远大于通常的蓝光LED与黄色荧光粉合成白光的方案。总结了在光学系统设计方面的系列成果:为使LED的配光满足应用要求,提出了基于分离变量的非成像光学系统设计理论以及为消除因光源的扩展性和法向矢量误差带来的照度分布偏移理想情况而引入的多种反馈迭代策略;面向道路照明,提出了按亮度设计自由曲面配光系统的方法,在保证照明参数满足标准的前提下,获得可实现最大的亮度/照度比的自由曲面光学系统;面向室内照明,利用非成像光学设计具有一体化微透镜结构的散光板,将类似于点光源的LED阵列转化为均匀柔和发光的面光源,大大降低了眩光,并引入模块化方案降低维修成本;面向特种照明,提出了由多个光学曲面构成的照度均匀的准直光学系统结构以及航标灯光源。

曲面光源蒙特卡罗建模方法

光源建模方法是光学仿真算法的核心之一,决定了仿真结果的精度。然而对任意面型的光源建模难度高,建模方法很少被公开讨论。本研究系统地介绍曲面光源建模方法。基于均匀性假设,对曲面光源的空间特性、方向特性进行统计学描述,给出采样光线参数应满足的概率密度函数和采样方法。对两个曲面光源实例进行建模,当采样光线数量在107量级时,建模结果在指定接收器上形成的辐照度分布与理论值间最大相对偏差在1%之内,建模精度很高。同时,分析了两种采样方法对曲面光源建模精度和速度的影响,可为曲面光源建模过程提供一定指导。

Parallel ray tracing through freeform lenses with NURBS surfaces

We implement Monte Carlo-based parallel ray tracing to achieve quick irradiance evaluation for freeform lenses with nonuniform rational B-splines(NURBS)surfaces.We employ the inverse transform sampling method to sample rays uniformly from the Lambertian light source and adopt the analytical form of the B-spline basis function to achieve fast surface interpolation.When performing parallel calculations for the intersections between the rays and the NURBS surfaces,we propose a parameter transformation method to avoid the parameters escaping from the defined range in the iteration process.Simulation results of two complex picture-generating freeform lenses show that our method is fast and effective.

实现给定能量比离散光斑阵列的自由曲面分束器

采用自由曲面透镜作为分束器以生成具有任意能量比的离散光斑阵列。根据能量守恒定律,将入射光束划分为一系列与光斑阵列对应的子区域。对于每个子区域,采用分离变量法计算子区域与相应光斑之间的光线映射关系,并采用最小二乘法构造遵循该映射关系的自由曲面。提供两个设计实例以检验自由曲面分束器的可行性:第一个设计可生成具有相同能量比例的高斯光斑阵列,第二个设计可产生具有预设不均匀能量比例的矩形平顶光斑阵列。仿真结果表明,考虑菲涅耳损耗后,两个设计实例的光输出比均高于89%。