基于折射/全反射/反射/折射结构的LED准直系统的设计

设计并优化了高效且结构紧凑的折射/全反射/反射/折射式(RIXR)LED准直系统,用于收集大角度范围内的光线获得具有较小发散角的准直光束。首先,根据非成像光学理论中的边缘光线原理以及多面同步(SMS)设计方法计算系统初始结构的面型;然后,利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化设计;最终得到最佳结构的LED准直系统。优化设计得到的RIXR型准直系统的半口径为20 mm、纵横比为0.25、集光角为200°。LED准直系统经反向光线追迹得到边缘视场(±3.178°)点列图的均方根半径<2.1μm,故边缘视场达到了很好的聚焦效果。充分考虑材料的吸收损失和界面的反射损失后,光能利用率高达83.48%。实验表明,基于RIXR结构的LED准直系统具有光能利用率高、结构紧凑、体积小、便于应用等特点。

基于折射-反射-折射结构的LED准直系统设计

为解决LED作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计理论,提出一种面向大功率LED的准直系统设计方法,采用折射-反射-折射式(RXR)的光学系统对LED大角度范围内的出射光收集并准直,得到较小发散角度的准直光束。首先利用光学扩展量守恒定律、边缘光学原理以及同步多曲面(SMS)设计方法计算系统轮廓曲线上点的坐标,然后在SolidWorks中对坐标点进行拟合得到轮廓曲线,进而得到整个系统模型及适合数控加工的面型数据,其出光口径为50mm。借助光学仿真软件TracePro进行模拟,发现光束发散半角在±1.3°左右,能量利用率在90%以上。结果表明,用该种方法设计的准直系统结构简单,体积小,便于应用,有效实现对LED出射光的收集和准直。

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.

基于TIR透镜的LED光源准直输出探究

为了解决LED光线发散角大、利用率不高的问题,本文运用非成像光学理论,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜的准直系统。根据边缘光线原理及同步多曲面(SMS)设计法,利用Matlab软件进行数值仿真,得到多个离散点的坐标值,然后将坐标值导入SolidWorks中进行拟合得到轮廓曲线,将轮廓曲线绕主轴旋转360°即可得到TIR透镜的三维模型,最后将模型导入Tracepro中进行模拟仿真。仿真结果表明:该系统能有效实现对LED出射光线的准直,光能利用率达到90.33%,光束发散角在±8°左右。

基于同时多表面设计原理的非球面成像光学系统初始结构构造方法研究

设计非球面光学系统,尤其是含有多个非球面光学表面的光学系统,合理的初始结构可以有效地减少设计工作量,提高后续的优化效率,本文提出利用同时多表面(simultaneous multiple surfaces,SMS)设计原理构建初始结构的方法,并且分析了其在成像光学系统设计中的像差特性,根据分析提出了利用SMS方法开展非球面光学系统初始结构设计的流程。最后使用该方法获得一款激光雷达接收装置的光学系统初始结构,经过进一步优化后,得到了工作中心波长850 nm,系统焦距20 mm,相对孔径为1/1.6,视场角为40°,总长小于30 mm的设计结果,验证了该方法在确定非球面光学系统初始结构方面的可行性。