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基于大功率高光密度发光二极管的投弹照明灯设计

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激光与光电子学进展 2018年第12期55卷 446-452页

作者：金志樑王沛沛郭立泉李伟民王海洋熊大曦中国科学院苏州生物医学工程技术研究所光与健康研究中心江苏苏州215163

设计了一种基于大功率高光密度发光二极管(LED)光源的投弹照明灯。基于非成像光学理论,利用ZEMAX软件建立了以大口径高透过率菲涅耳透镜为核心元件的准直光学系统。利用焦距为1500mm的柱面菲涅耳透镜对准直光束进行一维方向的扩散,再将... 详细信息

设计了一种基于大功率高光密度发光二极管(LED)光源的投弹照明灯。基于非成像光学理论,利用ZEMAX软件建立了以大口径高透过率菲涅耳透镜为核心元件的准直光学系统。利用焦距为1500mm的柱面菲涅耳透镜对准直光束进行一维方向的扩散,再将灯具以6.85°的倾斜角度照射靶面,实现了大面积光斑照明。利用TracePro软件进行仿真分析,得到光斑水平方向和垂直方向的发散角分别为18.1°和2.46°。样机在靶标上投射出一个清晰、对比度高的类椭圆形亮斑,中心最大照度可达110lx,能够满足战斗机夜间投弹训练的要求。

关键词：光学设计大功率发光二极管(LED)光源投弹照明灯非成像光学理论柱面菲涅耳透镜

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基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

强激光与粒子束 2019年第9期31卷 7-12页

作者：梁孙根胡淼张春洋胡晓粉毕洲洋李齐良卢旸毕美华杨国伟周雪芳杭州电子科技大学通信工程学院杭州310018 防化研究院北京102205

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的... 详细信息

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79mm、直径为200mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。

关键词：非球面透镜 LED扩展光源均匀度光线追迹非成像光学理论

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基于均匀照明的LED光学系统设计

基于均匀照明的LED光学系统设计

作者：许耀云燕山大学

学位级别：硕士

LED作为一种节能环保的绿色光源，有着其他传统照明光源无法替代的众多优点，其应用前景十分广阔，本文主要运用了划分网格的方法，设计了一种均匀照明的LED光学系统，并通过光学仿真模拟验证了此光学系统的优越性。本文的主要工作如下... 详细信息

LED作为一种节能环保的绿色光源，有着其他传统照明光源无法替代的众多优点，其应用前景十分广阔，本文主要运用了划分网格的方法，设计了一种均匀照明的LED光学系统，并通过光学仿真模拟验证了此光学系统的优越性。本文的主要工作如下：首先，介绍了LED光源的研究背景、LED照明的现实意义和应用前景，阐述了研究LED照明的发展历史和研究现状，并且引出了目前LED在照明领域存在的主要问题，同时提出了主要解决方案。其次，根据几何光学的基础理论，推导出了反射定律的矢量形式，对照明设计中用到的辐射度学和光度学做了详细的介绍，重点叙述了非成像光学理论。再次，根据研究设计了一种均匀照明的LED光学系统。基于辐射度学和光度学的基本理论，根据单颗LED的参数，计算出了单颗LED的照度，由此建立了单颗LED模型。以此模型为基础推导出LED阵列的照度，并且根据各阵列的特点，构造出LED光源成球面环形阵列，并运用机械设计软件建立起简单的LED阵列结构图。针对反射器的设计，主要完善了网格划分中的边界条件，运用非成像光学理论设计了自由曲面反射器，并建立了该发射器实体模型。最后，运用光学设计软件完成了照明系统的仿真模拟，重点分析了仿真结果，通过传统反射器和自由曲面反射器仿真后的效果比较，得出的结论是：运用划分网格的方法设计自由曲面反射器在照度、均匀度等方面都符合照明要求。验证了自由曲面反射器的可行性，为LED的照明设计的研究提供了参考依据。

关键词： LED照明系统均匀照明非成像光学理论光源模型反射器

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LED自由曲面透镜的优化设计

LED自由曲面透镜的优化设计

作者：郝剑中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

21世纪最热门的话题之一能源问题，发光二极管，简称LED，作为第四代新型能源，以其长寿命、坚固耐用、绿色环保等诸多的优势已经被广泛应用于各种照明领域。但是由于其发光的角度相对较大，光源强度分布也近似为朗伯型，不能够直接用... 详细信息

21世纪最热门的话题之一能源问题，发光二极管，简称LED，作为第四代新型能源，以其长寿命、坚固耐用、绿色环保等诸多的优势已经被广泛应用于各种照明领域。但是由于其发光的角度相对较大，光源强度分布也近似为朗伯型，不能够直接用于各种光学系统的照明。因此，通常情况下，为了满足不同应用场合的需求，我们需对光能进行重新分配。相较于进行多芯片或多器件的排列组合与利用球面透镜或者传统的抛物面反射器来进行配光的方式，自由曲面光学器件可自由的分配光强，实现更好的照明效果，因此便成为目前被广泛研究的重点课题之一。但是传统的将扩展光源视为点光源的设计方法已不能满足近场、小尺寸透镜的设计情形,因此便发展了自由曲面透镜的优化设计方法。本论文基于非成像光学理论，在TracePro环境下，将二次B样条理论、scheme语言、优化引擎结合使用，提出了一种正向实现自由曲面透镜的优化设计方法。该设计方法通过优化自由曲面-更改模型-实现光线重新分布这种正向的设计过程，避免了系统对反馈函数的建立；采用规则的二次曲面代替自由曲面，避免了系统对初始自由曲面的计算；更重要的是该方法首次实现对自由曲面局部的控制和优化，即仅针对于结果不好的局部自由曲面进行优化，保留已优化好的部分，避免对结果的负面影响，同时节省了优化时间。本论文分别对不同种类自由曲面匀光和准直透镜进行了优化，同时基于对单透镜的优化来进行合理的阵列设计，其模拟结果均满足照明要求。

关键词：非成像光学理论 LED TracePro 自由曲面透镜

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荧光偏振免疫分析仪关键技术研究

荧光偏振免疫分析仪关键技术研究

作者：胡文波中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

荧光偏振免疫分析仪作为免疫检测与分析的主要设备,亟待实现国内自主研制。在传染病防控、农药残留、食品添加剂和环境监测等领域荧光偏振免疫分析仪均具有广阔的应用前景。光学系统作为仪器的核心部分,主要由照明系统、荧光激发光学系... 详细信息

荧光偏振免疫分析仪作为免疫检测与分析的主要设备,亟待实现国内自主研制。在传染病防控、农药残留、食品添加剂和环境监测等领域荧光偏振免疫分析仪均具有广阔的应用前景。光学系统作为仪器的核心部分,主要由照明系统、荧光激发光学系统和荧光检测光学系统组成。本论文以荧光偏振免疫分析仪光学系统设计为研究方向,对照明系统及光学系统关键单元进行了光学设计和仿真研究。首先,本文简单叙述了荧光免疫分析技术,总结了荧光偏振免疫分析技术国内外的研究现状。详细讨论了荧光的动力学理论和荧光偏振免疫技术,并将其与非均相标记免疫方法进行了对比分析。通过荧光动力学的物理计算最终确定了光学系统的整体设计方案。其次,对仪器照明系统和光学系统各单元进行了设计,具体内容如下:1、根据荧光的激发特性,通过物理计算确定照明系统设计方案。提出采用LED作为激发光源,利用几何光学理论建立光源与目标面之间的关系方程确定面型参数,得到了口径小、结构紧凑且准直度高的配光系统。仿真结果表明,对1 mm×1 mm的LED面光源可以实现发散角为±2.4°的准直照明,系统能量利用率可达85%以上。该照明系统为荧光偏振免疫分析仪光学系统的小型化提供了一种有效的设计方案。2、提出荧光激发光学系统和荧光检测光学系统共光路的工作方式,确定共光路物镜的设计需求。完成了NA=0.4,工作距离为8 mm的共光路物镜设计。较大NA的物镜结构可以有效地提高荧光的收集效率。在荧光检测光学系统完成了与共光路物镜相匹配的聚焦透镜组的设计,有效增加了进入PMT接收窗的荧光量子数。最后,本文对荧光偏振免疫分析仪光学系统进行了模块化设计,给出了模块化结构设计模型。通过光学设计软件对光学系统进行了整体仿真分析,为成功研制出具有自主知识产权的荧光偏振免疫分析仪奠定了条件。

关键词：荧光偏振免疫分析荧光非成像光学理论光学系统设计

基于白光LED圆、方型均匀照明光学系统研究

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基于白光LED圆、方型均匀照明光学系统研究

作者：梁孙根杭州电子科技大学

学位级别：硕士

现在大部分产业愈发依赖电能,其中照明产业消耗大部分电能,为了实现节能环保、可持续发展,需要进一步提高照明的电能使用效率,实现绿色、节能、高效照明。LED发光二极管作为新一代绿色光源具有发光效率高、耗能小、使用寿命长等优点,逐... 详细信息

现在大部分产业愈发依赖电能,其中照明产业消耗大部分电能,为了实现节能环保、可持续发展,需要进一步提高照明的电能使用效率,实现绿色、节能、高效照明。LED发光二极管作为新一代绿色光源具有发光效率高、耗能小、使用寿命长等优点,逐渐被运用到各个照明领域。但由于LED光强呈现朗伯体分布,发散角较大,不能直接运用于具体的照明领域。因此,为了满足不同场合对于LED光源照明要求,需要在LED一次光学设计的基础上,进行二次光学设计,以便提高LED光源的均匀度、发散角、光能利用率等性能。本文致力于研究高均匀度、小发散角的照明光学系统设计方法,旨在建立基于透镜的二次光学设计理论,为获得均匀性高、发散角小的照明光学系统提供解决方案。针对LED光源发散角过大,均匀性过低的问题,本文设计两套均匀照明光学系统装置,最终达到预期目标,获得了均匀性、发散角均满足具体运用场景的均匀光斑。本文首先提出一种基于近焦点非球面透镜光学照明系统设计方法。在进行均匀照明系统设计时,先是根据几何光学和光学扩展量守恒,计算求解出非球面透镜的面型参数,然后再结合对照明光学系统的总体性能要求,在ZEMAX中定义出非球面透镜的初始结构和评价函数。接着进行多轮优化,获得了焦距为76.79mm,直径为200mm非球面透镜。随后,将优化生成的非球面透镜导入到Trace Pro中进行建模并进行光线追迹仿真实验,根据仿真结果获得的最优参数进行实物加工。最后对获得的实例光学系统进行光度值测量和结果分析。实验结果证明,本文提出的均匀照明系统可以在60cm处实现发散角0±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。鉴于非球面透镜高阶系数存在相互限制,本文在基于非球面透镜光学系统的基础上,进一步研究,提出了基于自由曲面透镜的均匀照明光学系统。利用自由曲面透镜和复合抛物面反射镜进行光学系统设计。在设计光学系统时,先是根据非成像光学原理和光学系统的总体性能要求,确定自由曲面透镜的初始结构,然后构造评价函数进行优化。接着,将优化生成的自由曲面透镜导入Trace Pro中,并根据自由曲面透镜,优化复合抛物面反射镜。经过多轮优化,最终获得最优的光学系统模型,然后根据模型参数进行实物加工。本文采用不同形状的LED芯片对均匀照明光学系统装置进行实验,分别得到了方形和圆形均匀光斑。光学系统获得光斑的均匀性都会随着距离的增加而略微下降,但出射光束发散角稳定。在距离自由曲面80cm处,该系统均获得光斑的均匀度都优于97%,发散角都约为0±2.86°。

关键词：非球面透镜自由曲面透镜 LED扩展光源均匀度光线追击非成像光学理论