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光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统设计与实验

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物理学报 2021年第20期70卷 58-65页

作者：邱乙耕范元媛颜博霞王延伟吴一航韩哲亓岩鲁平中国科学院微电子研究所光电技术研发中心北京100094 中国科学院大学北京100049 应用光学国家重点实验室长春130033 华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室武汉430074

三维非相干扩展光源相比红外激光光源具有功率高、光谱范围宽、价格低等优势,在高精度、多组分光声光谱仪中具有极高的应用价值.然而,其存在方向性差、能量密度低、形状不规则等现实问题,需要在光学系统设计过程中进行光场整形.光声光... 详细信息

三维非相干扩展光源相比红外激光光源具有功率高、光谱范围宽、价格低等优势,在高精度、多组分光声光谱仪中具有极高的应用价值.然而,其存在方向性差、能量密度低、形状不规则等现实问题,需要在光学系统设计过程中进行光场整形.光声光谱仪要求在小体积范围内收集并优化厘米级三维扩展光源向全空间的辐射,经一系列波长及频率调制元件后,最终实现毫米级半径、厘米级长度的圆柱体光场分布.本文根据光学扩展量概念和边缘光线原理,在光学系统设计与优化的过程中突破传统完全基于点光源的设计模式,贯穿了扩展光源概念,基于自行设计的测量方法和装置直接获取了三维扩展光源的发光特性,并以微元的形式进行精准三维扩展光源建模.借助非球面实现了光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统的设计并进行了相关实验验证.以Hawkeye IR-Si272光源为例,分别实现了光声光谱仪光声池入池光功率和侧壁噪声仿真值与实验值的较小偏差,二者具有一致性.相比原厂聚光系统,自行设计的光声光谱仪用光源系统入池光功率从0.86 W提升至1.32 W,侧壁噪声从50.3%下降至19.7%,实现了百万分之一量级微量气体浓度检测.

关键词：光学设计光场整形扩展光源光声光谱仪用光源

扩展光源准直照明系统出射光束发散特性的研究

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激光与光电子学进展 2020年第15期57卷 75-84页

作者：康学亮刘启隆王丽姚海兵肖军张白北方民族大学电气信息工程学院宁夏银川750021 合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009

扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性决定了其极限照明距离的大小。基于费马原理,给出了平凸准直透镜面型的解析表达式,根据成像光学相关理论推导出扩展光源条件下准直照明系统中出射光束发散角的计算公式,并进行了模拟仿真和实验... 详细信息

扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性决定了其极限照明距离的大小。基于费马原理,给出了平凸准直透镜面型的解析表达式,根据成像光学相关理论推导出扩展光源条件下准直照明系统中出射光束发散角的计算公式,并进行了模拟仿真和实验验证。研究发现扩展光源准直照明系统中出射光束的发散角与光源发光区域的尺寸成正比,与准直透镜的焦距成反比,与透镜口径无关。该结论可为扩展光源准直照明系统出射光束发散角的压缩和极限照明距离的拓展提供理论依据,对探照类灯具研制中光源的选择、准直配光透镜的设计有指导意义。

关键词：光学设计扩展光源准直照明发散特性

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非均匀扩展光源辐射定标特性分析

光谱学与光谱分析 2013年第7期33卷 2002-2005页

作者：王建威黄旻相里斌涂小龙中国科学院光电研究院北京100094 中国科学院研究生院北京100049

积分球和漫反射板是定标常用的扩展光源,其非均匀性在不同条件下会对定标产生不同的影响。该文根据辐射传输理论和定标原理,建立数学模型,以均匀性比较差的灯-板定标系统为例,计算CCD不同像元上的辐照度和定标系数,并以理想情况和非理... 详细信息

积分球和漫反射板是定标常用的扩展光源,其非均匀性在不同条件下会对定标产生不同的影响。该文根据辐射传输理论和定标原理,建立数学模型,以均匀性比较差的灯-板定标系统为例,计算CCD不同像元上的辐照度和定标系数,并以理想情况和非理想情况下定标系数矩阵的相关性作为评价函数,分析非均匀性对定标的影响。结果表明,由于扩展光源的非均匀性,观测角度和光轴与漫反射板交点的位置对定标系数的影响比较大,而观测距离的影响比较小;在不同观测角度下,可以找到一个偏离值使得定标结果最接近理想结果。因此用灯-板定标系统标定成像光谱仪时根据观测角度选择合适的偏离值,可以减小定标误差。

关键词：辐射定标非均匀性相关性扩展光源

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基于扩展光源的曲面能量映射优化设计方法

光学学报 2019年第12期39卷 290-297页

作者：黄丹冯奇斌唐天王梓彭友吴疆王科吕国强合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009 特种显示技术国家工程实验室现代显示技术省部共建国家重点实验室光电技术研究院安徽合肥230009 安徽芯瑞达科技股份有限公司安徽合肥230031

提出了一种基于曲面能量映射的反馈优化设计方法,通过预先计算目标面能量分布趋势重新分配目标面网格单元,构建新的自由曲面透镜面型。采用该方法设计并分析比较了一系列透镜,仿真发现:当目标面半径与目标面高的比值(DHR)为2、透镜高和... 详细信息

提出了一种基于曲面能量映射的反馈优化设计方法,通过预先计算目标面能量分布趋势重新分配目标面网格单元,构建新的自由曲面透镜面型。采用该方法设计并分析比较了一系列透镜,仿真发现:当目标面半径与目标面高的比值(DHR)为2、透镜高和LED宽度的比值从1∶1变化到1.5∶1时,照度非均匀性下降了8.97%~11.95%;当透镜高和LED宽度的比值为1.5∶1、DHR从1.8变化到2.2时,照度非均匀性下降了7.60%~16.49%。所提方法能有效改善扩展光源下目标面的照度均匀性,设计过程不依赖于仿真软件,迭代次数少,简便易行。

关键词：光学设计自由曲面透镜扩展光源反馈优化

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一种面向LED扩展光源的道路配光设计

光电子．激光 2014年第5期25卷 857-863页

作者：陈继龙石智伟谭吉志闫国栋邓国强梁鸣娟祝炳忠广东工业大学信息工程学院广东广州510006 东莞勤上光电股份有限公司广东东莞523565

在多车道的道路照明中,需要非对称矩形配光。本文根据非成像光学理论,建立点光源空间与目标照明面之间的拓扑关系,采用合适的反馈优化方法,获得面向扩展光源且在路面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器,仿真结果表明,配光后光源的能量基... 详细信息

在多车道的道路照明中,需要非对称矩形配光。本文根据非成像光学理论,建立点光源空间与目标照明面之间的拓扑关系,采用合适的反馈优化方法,获得面向扩展光源且在路面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器,仿真结果表明,配光后光源的能量基本上被限制在20m×12m的矩形区域内,且实现了非对称的配光,横向照度均匀度达到了85%,纵向照度均匀度达到了80%,满足道路照明要求;并且通过开模实际测试出整体的照度均匀度为80.13%,验证仿真结果以及证明了设计方案的可行性和反射器在路灯灯具中的实用性。

关键词：非对称矩形配光扩展光源反馈优化自由曲面反射器

适于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计

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光学学报 2022年第15期42卷 153-161页

作者：段文举朴明旭全向前曾翌长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 中国科学院深海科学与工程研究所海南三亚572000

为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题,根据非成像光学边缘光线理论,提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面... 详细信息

为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题,根据非成像光学边缘光线理论,提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布,根据设计目标参数,计算内外自由曲面离散点,拟合内外自由曲面的轮廓曲线,得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下,利用此方法,经过数值计算以及光学仿真,设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%,照度均匀度为95.81%;远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%,照度均匀度为93.45%。研究结果表明,所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。

关键词：光学设计扩展光源非成像光学双自由曲面透镜均匀照明

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基于扩展光源的视角偏转膜表面微结构设计

光学精密工程 2021年第6期29卷 1329-1336页

作者：冯奇斌李德华肖慧丽王梓吕国强合肥工业大学特种显示技术国家工程实验室安徽合肥230009 合肥工业大学光电技术研究院安徽合肥230009 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽合肥230009

为了使应用于驾驶舱内的液晶显示器满足观看者的特殊视角要求,设计了一种能够将液晶显示器的最大亮度由正视方向根据观看者的位置偏转到特定方向的光学膜。本文基于扩展光源进行设计,根据扩展光源上不同位置的光线到达微结构的能量不同... 详细信息

为了使应用于驾驶舱内的液晶显示器满足观看者的特殊视角要求,设计了一种能够将液晶显示器的最大亮度由正视方向根据观看者的位置偏转到特定方向的光学膜。本文基于扩展光源进行设计,根据扩展光源上不同位置的光线到达微结构的能量不同,提出了分段加权叠加的方法设计出微结构面型。仿真结果表明:水平视角不变,垂直视角偏转-15°,光线透过率为84.7%,半亮度视角范围为(-38.4°,4.4°)。采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试,测试结果表明:和传统的背光视角相比,垂直方向的最大亮度由原来的0°偏转到-16°,半亮度视角由(-23.8°,27.4°)变为(-43°,9.4°),透过率为83.0%,同时满足视角偏转和亮度的要求。

关键词：液晶显示扩展光源分段加权叠加表面微结构视角偏转

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多模光纤扩展光源抑制干涉仪相干噪声的研究

中国激光 2024年第6期51卷 179-188页

作者：张徐鲁棋公维超徐天柱王微微孙莹刘世杰中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心上海201800 中国科学院大学北京100049 中国-俄罗斯激光科学“一带一路”联合实验室上海201800

激光干涉仪中光学元件表面划痕和灰尘等会在干涉图中形成衍射环状相干噪声,极大影响测量精度。为了消除此类相干噪声,提出了一种基于多模光纤耦合角度变化的扩展光源方法,控制平行光束经过旋转毛玻璃耦合进入多模光纤的角度,达到抑制散... 详细信息

激光干涉仪中光学元件表面划痕和灰尘等会在干涉图中形成衍射环状相干噪声,极大影响测量精度。为了消除此类相干噪声,提出了一种基于多模光纤耦合角度变化的扩展光源方法,控制平行光束经过旋转毛玻璃耦合进入多模光纤的角度,达到抑制散斑和相干噪声的效果。通过理论推导和仿真模型构建,基于纤芯直径为1 mm的多模光纤扩展光源,在直径为25.4 mm的泰曼-格林干涉仪上进行了实验验证。结果表明:通过改变入射角度可以控制扩展光源的形态,在-3°~2°的入射角度范围内,干涉仪的信噪比最大值与正入射时相比提高了40.3%,此时入射角度处于纤端光斑形态发生变化的临界角度与正入射角度中间,且该临界值与理论推导和仿真结果一致。实验证明了所提方法可以抑制干涉仪的相干噪声。

关键词：光纤光学干涉测量扩展光源相干噪声信噪比

抑制移相干涉仪中相干噪声的多模光纤扩展光源研究

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光学学报 2022年第19期42卷 1-8页

作者：胡晨辉陈磊黄晨马致遥钱月张喆李若琨郑东晖南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

激光干涉仪中光学元件上的瑕疵、气泡和脏点等会在干涉图中引入类似“牛眼环”的相干噪声。为解决这一问题,提出一种基于多模光纤扩展光源的相干噪声抑制方法。该方法利用扩展光源抑制相干噪声,选择最优多模光纤纤芯保证良好的干涉条纹... 详细信息

激光干涉仪中光学元件上的瑕疵、气泡和脏点等会在干涉图中引入类似“牛眼环”的相干噪声。为解决这一问题,提出一种基于多模光纤扩展光源的相干噪声抑制方法。该方法利用扩展光源抑制相干噪声,选择最优多模光纤纤芯保证良好的干涉条纹对比度,并使用复合散斑抑制技术,通过多模光纤和旋转毛玻璃减小散斑对比度,抑制多模光纤模式干涉产生的散斑噪声。在直径为300 mm的干涉仪中进行了仿真分析与实验验证,结果表明:在直径为300 mm的菲佐立式平面干涉仪,腔长为500 mm,相机曝光时间为5 ms的条件下,将该光源系统中多模光纤纤芯直径范围控制在0.52~1.70 mm范围内,可以保证干涉条纹对比度大于0.75;干涉仪最终成像的散斑对比度维持在0.04左右,最小可以达到0.044;多模光纤扩展光源进一步提高了光源的均匀性,干涉仪中成像背景更均匀。实验证明了所提方法可以有效抑制干涉图中的相干噪声。

关键词：光纤光学干涉测量菲佐干涉仪扩展光源相干噪声散斑信噪比