Micro LED车灯投影光学系统设计与优化

本文提出了一种基于Micro LED阵列的车灯投影方案,设计了以像素尺寸为80μm×80μm的200×150白光Micro LED阵列作为显示光源,视场角为16°×34°的车灯投影光学系统,并对物面倾斜角度和光学系统结构进行了优化。此外,分别采用反向畸变处理方法和像素灰度调制方法用以解决车灯投影图像的梯形畸变和照度均匀性问题,并搭建了投影实验平台,对图像校正方法进行了验证。实验结果表明:校正后图像梯形畸变系数p1,p2分别从0.0932和0.3680下降至0.0835和0.0373,像面照度均匀性从83.2%提高到93.2%。本文通过对基于Micro LED的倾斜投影车灯光学系统进行优化设计及采用图像校正方法,实现了高光效、低畸变的车灯投影。

用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.

实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究

LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用,如何合理分配LED的能量,在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析,通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程,分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明,其中圆形照明面照度均匀性达到85%,矩形照明面照度均匀性达到75%,并建立了自由曲面透镜三维模型,结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明:提出的方法满足相应的照明标准,验证了理论设计的合理性。

用于均匀照明的单片微透镜阵列面形设计

针对半导体光源不易均匀散射到一定的角度范围或均匀照射到确定平面上的问题,本文利用非成像光学方法设计了一种基于微透镜阵列的均匀散射透镜。该散射透镜由相同面元的微透镜周期性密排而成,微透镜单元为单曲面,根据不同应用,曲面面形可设计成不同的非球面形式。介绍了凸形、前曲面单片微透镜阵列的设计方法,并结合一些应用举例显示了该设计方法的可行性。最后讨论了凹凸面形、前后曲面微透镜阵列各自的应用场合及优缺点。

光刻照明系统中复眼透镜的设计及公差分析

在超大规模集成电路中,为了实现NA=1.35,波长193 nm处分辨率达到45 nm的目标,需要对影响光刻照明均匀性的误差源进行详细分析最终确定公差范围。复眼透镜是使光束在系统掩膜面上形成矩形均匀照明区域的关键元件。采用CODE V软件设计了复眼透镜对引起照明不均匀性的因素进行分析,结合复眼透镜组的设计方案和实际加工能力,给出X和Y向复眼曲率公差为±10%,后组曲率公差为±5%,前后组间隔公差为±50μm,位置精度偏心公差为±1μm,装配精度公差为±3μm。制定公差合理、可行,满足了浸没式光刻照明系统高均匀性、高能量利用率的要求。

一种实现均匀照明的LED反射器设计

LED被越来越广泛的应用于各种照明领域,对其配光的要求越来越高。本文根据非成像光学理论,提出了一种实现LED矩形均匀照明的反射面设计方案。根据LED光源的发光属性和照明面的光强分布建立偏微分方程,利用数值求解法求出自由反射曲面。通过光学软件进行模拟,模拟结果显示照明区域照度均匀度达到85%以上,证明方案是可行的。反射面对光线能量的利用率高,生产加工更加容易,有利于降低生产成本。

基于对数极坐标映射的非均匀透镜阵列设计

提出了一种基于非均匀透镜阵列的对数极坐标传感器,通过建立数学模型,证明其具有非均匀采样与对数极坐标映射特性.通过仿真实验以及实例设计验证了模型的有效性,同时分析了非均匀透镜阵列的关键参量(盲孔半径r0,增长系数q,填充因子ηf)对系统性能的影响,结果表明:1)盲孔半径r0在每环透镜数量N相同的情况下,随着环数M的增加而减小;在M相同的情况下,随着N的增加而增大;2)填充因子ηf随N的增加而增加,当N≥40,ηf趋于极限值π/4,选取N=40,得到较为合理的环间增长系数q=1.106.所获得的实验结果为实现对数极坐标映射的非均匀透镜阵列设计奠定了理论基础,有利于实现一种新型对数极坐标图像传感器.

列阵均匀照明系统的优化设计

结合理论分析和神光系列装置均匀照明系统的设计和实验经验，从光的衍射、干涉与光束质量等角度分析了由透镜或衍射光学元件组成的列阵大焦斑均匀照明系统参数与靶面焦斑强度分布的关系，提出了列阵系统的优化设计方法。

一种用于均匀照明的LED透镜设计方法

本文针对目前应用越来越广的LED照明光源,提出了一种采用非成像光学设计原理为基础的均匀照明设计方法。根据推导得到的公式,采用MATLAB编程,可实现任意角度的均匀圆形光斑照明区域。

多颗LED模组系统的排列方式及参数对光照均匀性的影响

本文基于snell’s定理和能量守恒定律,通过数值分析得到自由曲面模型。在模拟分析单颗LED模组照度均匀性和光能利用率基础上,重点探讨多颗LED模组的排列方式和排列参数对光照度均匀性和光能利用率的影响。结果表明:排列方式对照度均匀性和光能利用率的影响较小,但LED间的距离对两者的影响较大。对于6颗LED模组系统的矩形排列方式,光能利用率随排列距离增大逐渐减小,照度均匀性随距离的增大呈现先减小后上升再减小的变化趋势;而对于环形排列方式,光能利用率随距离增大而减小,照度均匀性出现随距离增大而减小的变化趋势。

非成像光学应用于LED照明的研究

本文主要研究和讨论了采用LED作为光源的照明系统的二次配光器件设计方法以及经过配光后的照度分布。在过去的五十年中,照明光学技术取得了重大的发展和进步,一些新的技术和应用逐渐出现并被应用到照明行业的各个领域,如背光照明领域、户外照明领域,室内照明领域以及投影显示领域等等,而这些技术的核心问题就是如何获得预先设定形状的照度分布。与成像光学不同,照明光学系统属于非成像光学的范畴。因此,在本文中,对照明领域中基本问题的回答将从非成像光学的角度论述,这些观点包括了一些新的设计思想和设计理念,例如"边缘光线理论"、"光学扩展量守恒"、"最大收集率"等等,试图建立一个完整的应用于LED照明二次光学设计的框架。

大出瞳距大视场LCD型景象模拟器光学系统设计

可见光景象模拟器是电视制导系统综合测试的核心设备。设计了一款以LCD为图像源的大视场和大出瞳距的可见光景象模拟器,包括光学投影系统和相应的照明系统。研究了大出瞳距、大相对孔径情况下无限远投影光学系统的像差特性以及设计方法,采用非远心的系统设计方案,解决了由于出瞳距大而造成的系统像差难以校正的问题,增强了景象模拟器对转台的适应性,增大了工作视场。研究了非远心状态下LCD均匀照明的特点,采用复眼透镜阵列与柯勒照明原理相结合的方法设计了配套的照明系统,解决了非远心状况下均匀照明和光瞳衔接的问题。仿真系统的全视场角为7°,F#为3.1,出瞳距离为700 mm。系统的畸变小于0.5%,在奈奎斯特频率58 lp/mm处,零视场的调制传递函数大于0.7,全视场的调制传递函数大于0.45。照明系统的照明均匀度达到了91.3%,满足仿真均匀性的要求。

高通量微流控荧光定量PCR激发光非均匀性研究

研究高通量微流控荧光定量聚合酶链反应(PCR)激发光非均匀性问题对提高DNA浓度定量结果的精度具有重要意义。根据荧光定量PCR的原理,分析了激发光非均匀性对循环阙值(Ct)测量精度的影响,给出了激发光非均匀性引起Ct值测量偏差的表达式,确定了激发光强度标准偏差应小于11.56%的要求。根据微流控芯片结构特点及激发光均匀性要求,设计了基于光棒的匀光光路用于解决激发光照度非均匀性问题。模拟及实验所得到的激发光照度的相对标准偏差分别为3.10%、6.01.%,二者均小于11.56%。所设计匀光光路能够满足高通量微流控荧光定量PCR的要求.

太阳辐照试验用大型室内光照环境模拟系统光学设计

为满足某深空探测器的室内太阳辐照试验需求,研制大型室内光照环境模拟系统。采用大功率金属卤化物灯、卤钨灯,配套高精度、小发散角投光灯具,在试验场内单面墙体前垂直布置,实现20m×20m超大辐照面积内与太阳光谱相匹配的均匀照明。设计结果表明,辐照面内平均辐照度为400.4W/m2,600~700nm和965~995nm两个谱段内辐照度分别为48.5W/m2和5.1W/m2,光线入射角连续可调,在15°、30°和45°时,辐照不均匀性分别达到±12.4%、±8.1%和±14.9%,被照明物体阴影清晰。经过验收测试,光照系统各项实测指标与仿真计算结果吻合,完全满足设计要求,已成功应用于型号试验。

紫光高均匀照明实验装置及结构设计

介绍了一种可对分步重复投影光刻机照明系统性能进行研究的紫光高均匀照明实验装置及总体结构设计。说明了在该装置的结构设计上所遇到的主要问题及解决方法。使用此装置可以对照明系统在多种不同照明条件下的照明均匀性等性能进行实验研究；并且可与光刻物镜、工件台组合成一套曝光系统，开展微细加工光刻技术的曝光实验研究。

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF>0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.

一种产生矩形光斑的LED均匀照明系统设计

随着LED光源芯片性能的稳步提升,各种LED光源被应用于不同领域,从而根据需要产生不同形状的光斑。在本文中,笔者提出了一种能够产生均匀矩形光斑的设计方法。在这种设计方法中,光斑的形状取决于复眼结构、聚光杯以及准直透镜对光路的再分配,此外依据研究需要成功将其应用于一些实例。

设计反射面均匀照射物体

在设计艺术品展览的光照系统设计中 ,笔者探讨了均匀光照的方法 ,总结出一个反射面设计的数学模型。以此方法设计反射面 ,布置灯光照明 ,使得照射在周围物体上的光线强度处处相等 ,均匀照明物体 ,分析设计均可简化到平面中的曲线方程。同时研究了用VC

分步法快速实现LED小视场角矩形均匀照明

提出一种基于分步法控制纵向视场角的改进方法,可以快速实现LED横纵向小视场角矩形均匀照明。通过设计三个轮廓线可以快速构造三个光学曲面,基于光学曲面构造折射透镜和紧邻的反射器组成光学系统。系统仿真结果表明,当光源距透镜内曲面尺寸与光源尺寸的比值大于6时,光束横向视场角不超过1°,纵向视场角不超过2.6°,且照明均匀性大于0.75。该方法为具有小视场角矩形均匀照明要求的光学系统提供了一种有效途径。

LED面光源均匀化方法

文章通过半导体发光二极管(Light-emitting diode,LED)的配光曲线,构建单颗LED的理论模型,设计可实现均匀照度的LED排列方式。基于几何光学和辐射照度理论,对满足均匀照明的LED阵列进行分析,推导光源照射到观测屏上的总辐射照度的表达式,使用光学模拟软件建立LED阵列的模型,利用软件进行光线追迹。通过仿真结果分析LED之间排列间距,光源到接收面间距离等因素对于照明均匀性的影响。